Mutazioni silenti: una via per sconfiggere il cancro?

Nel cammino dell'esplorazione scientifica, spesso è necessario scardinare concetti consolidati per creare nuove teorie.

Scritto da | XZ

Sappiamo che le mutazioni genetiche possono causare il cancro. Una mutazione in una coppia di basi in un frammento di DNA cambierà la sequenza di amminoacidi codificata dal gene: questo tipo di mutazione è spesso ritenuto il fattore principale che causa la malattia, viene chiamata "mutazione non sinonima" ed è anche il fulcro della ricerca sul cancro.

Di conseguenza, esiste una mutazione "silenziosa", nota anche come "mutazione sinonima" o "mutazione neutra", che non modifica il tipo di amminoacido codificato.

Le mutazioni sinonime non influenzano la sequenza amminoacidica di una proteina e per questo motivo sono state a lungo considerate innocue. Sono "silenziosi" perché sono "inutili" e possono essere descritti solo come uno strano fenomeno biologico. Per molto tempo le mutazioni sinonime non hanno ricevuto molta attenzione nella ricerca sul cancro.

Ma le cose stanno cambiando e prima o poi la svolta arriverà.

Le mutazioni che silenziano i geni possono anche causare malattie

Sempre più studi hanno dimostrato che le mutazioni sinonime non sono "innocue", ma possono comunque causare malattie. Lu Xin, biologo oncologo dell'Università di Notre Dame, se ne è reso conto qualche anno fa.

Un giorno, Lu Xin ricevette un paziente affetto dalla malattia di Von Hippel-Lindau (sindrome di VHL) e ne analizzò le condizioni. La sindrome di VHL è una rara malattia genetica autosomica dominante causata da mutazioni nel gene soppressore del tumore VHL (gene soppressore del tumore di Von Hippel-Lindau) situato sul cromosoma 3P25.3. La proteina VHL funzionale svolge un ruolo importante nella proliferazione cellulare e nella regolazione vascolare. Quando il gene oncosoppressore VHL muta, le cellule non riescono più ad esprimere la proteina VHL funzionale, il che si manifesta come una sindrome tumorale multiorgano. In parole povere, i tumori possono svilupparsi in qualsiasi parte del corpo.

Il gene VHL viene ereditato come carattere autosomico dominante, quindi solo quando entrambi gli alleli VHL sul cromosoma (geni situati nella stessa posizione su una coppia di cromosomi omologhi che controllano diverse forme dello stesso tratto) sono mutati, le cellule non saranno in grado di esprimere la proteina VHL, portando alla formazione di tumori.

Durante la conversazione, Lu Xin venne a sapere che anche le due figlie del paziente avevano ereditato la sindrome di VHL. Le due gemelle di sette anni avevano tumori non resecabili sulla retina. Tuttavia, dopo aver controllato i dati del sequenziamento del genoma delle tre persone, Lu Xin è rimasto sorpreso nello scoprire che non c'era alcuna mutazione proteica nel gene VHL di queste tre persone, ma solo una mutazione sinonima, ovvero la sequenza CCA mutata nella sequenza CCG. Le due sequenze codificano lo stesso amminoacido (entrambe sono prolina). In teoria, una tale mutazione non produrrà alcun effetto biologico e non dovrebbe causare malattie, ma tutti e tre soffrono della sindrome di VHL!

Lu Xin era molto confuso. Per scoprire cosa stava succedendo, raccolse campioni di pelle dalla famiglia, isolò da essi delle linee cellulari e condusse una serie di analisi[1]. Scoprì che mutazioni sinonime nel gene oncosoppressore VHL influenzavano il processo di splicing dell'mRNA. Il cosiddetto splicing dell'mRNA si riferisce al processo di rimozione degli introni dal prodotto di trascrizione iniziale trascritto dalla catena stampo del DNA e di collegamento degli esoni per formare una molecola di RNA continua (vedere "20 anni dopo il sequenziamento genico, abbiamo finalmente capito a cosa serve il DNA spazzatura" per i dettagli). In questo processo, mutazioni sinonime distruggono il legame delle proteine ​​di splicing a sequenze nucleotidiche specifiche, con il risultato che un segmento di mRNA viene tagliato e si ottiene una "versione semplificata" di mRNA. Pertanto, questi tre pazienti non presentavano la proteina VHL completa in tessuti specifici, il che ha causato i sintomi della sindrome VHL.

In realtà, ci sono sempre più prove che le mutazioni sinonime non sono sempre innocue, e la scoperta di Lu Xin è solo la punta dell'iceberg. Nel corso dell'evoluzione della vita, la pressione esterna cambierà la direzione dell'evoluzione. Sotto questa pressione selettiva, solitamente si verificano mutazioni sinonime. Le mutazioni sinonime possono influenzare l’espressione genica in vari modi e sono state collegate a malattie come la fibrosi cistica, l’autismo e il cancro[2]. Tuttavia, poiché non è stata condotta un'analisi sistematica delle mutazioni sinonime, ogni volta che si discute di cancro, l'impatto delle mutazioni sinonime viene sostanzialmente ignorato dai ricercatori e le mutazioni non sinonime costituiscono il "fulcro" della discussione.

Alcuni scienziati stanno ora invertendo l'atteggiamento sprezzante dei ricercatori nei confronti delle mutazioni sinonime. Si stima che alcune mutazioni sinonime nel DNA possano rappresentare dal 5% all'8% di tutte le mutazioni che causano il cancro[3]. Questi scienziati stanno lavorando per decifrare l'impatto di queste mutazioni sul cancro attraverso studi sistematici e per comprendere l'entità del loro impatto sull'intero genoma, il che potrebbe non solo identificare i meccanismi che causano la malattia in alcuni pazienti, ma anche aprire potenzialmente nuove strade per il trattamento.

In che modo le mutazioni sinonime creano "rumore"?

I codoni sinonimi hanno sequenze nucleotidiche diverse ma codificano lo stesso amminoacido, per questo sono chiamati "sinonimi". Tuttavia, la ricerca di Lu Xin e altri ha dimostrato che le cose non sono così semplici come lo "scambio sinonimo": i codoni sinonimi non sono completamente intercambiabili. Infatti, una sequenza specifica di codoni può influenzare il legame delle proteine ​​regolatrici dell'espressione genica (come i fattori di trascrizione) ai siti regolatori del DNA e può anche influenzare l'interazione tra le proteine ​​di splicing e i precursori dell'mRNA. Ad esempio, alcuni precursori dell’mRNA esprimono originariamente geni oncosoppressori, ma alcune mutazioni sinonime interrompono il loro splicing, con conseguente promozione della crescita del tumore[4].

Le mutazioni sinonime possono anche alterare gli effetti delle mutazioni non sinonime, cioè promuovere l'espressione di geni mutanti non sinonimi influenzando lo splicing dell'mRNA [5]. Ad esempio, i ricercatori hanno utilizzato la tecnologia di editing genetico per progettare varie mutazioni nelle linee cellulari tumorali umane e hanno scoperto che, a causa del cambiamento nel tipo di base, il sito di splicing originale veniva distrutto. La mutazione non sinonima ha prodotto un nuovo sito di splicing, che ha di fatto rimosso parte della sequenza codificante della proteina mutante dall'mRNA, rendendo impossibile la completa espressione della proteina mutante. Tuttavia, la mutazione sinonima può distruggere il sito di splicing prodotto dalla mutazione non sinonima, portando infine all'espressione completa della proteina mutante[6]. Vale a dire che alcune mutazioni non sinonime devono verificarsi insieme ad alcune mutazioni sinonime affinché la proteina mutante possa essere espressa insieme. Un contesto così strano sorprese e sconcertò gli scienziati.

Diversi codoni sinonimi influenzano anche la struttura bidimensionale dell'mRNA, influenzando così il tempo di sopravvivenza dell'mRNA nel citoplasma e il suo legame al ribosoma. Ad esempio, mutazioni sinonime nel gene che codifica il recettore umano della dopamina D2 causano il ripiegamento dell'mRNA in una conformazione meno stabile, con conseguente insufficiente traduzione di mRNA in proteine[7].

I codoni influenzano anche l'efficienza della traduzione dell'mRNA. Specie diverse e persino tessuti e geni diversi all'interno di un organismo utilizzeranno preferibilmente determinati codoni sinonimi per codificare specifici amminoacidi, al fine di ottimizzare i loro specifici meccanismi di traduzione. Un codone sinonimo usato raramente richiede spesso più tempo per essere tradotto rispetto a un codone usato frequentemente perché sono disponibili meno RNA di trasferimento (tRNA) per la traduzione. Nelle cellule umane, è stato osservato che le mutazioni sinonime rallentano la traduzione sostituendo i codoni comuni con quelli rari o accelerano la traduzione convertendo i codoni rari in quelli comuni, alterando in ultima analisi la struttura o la concentrazione delle proteine ​​[ 8 , 9 ].

Finora, gli effetti delle mutazioni sinonime sull'espressione genica possono essere riassunti come segue:

1. Modificare il sito di legame delle proteine ​​regolatrici e del DNA;

2. Distruggere i siti di splicing;

3. Influenzano la stabilità dell'mRNA;

4. Influenzano la traduzione dell'mRNA.

Una ricerca più approfondita

In passato, la maggior parte delle mutazioni sinonime che colpiscono il cancro venivano scoperte per caso e mancavano analisi sistematiche finché uno studio del 2019 non ha fatto qualche progresso. In questo studio, i ricercatori hanno analizzato un database di quasi 3 milioni di mutazioni provenienti da oltre 18.000 campioni di tessuto provenienti da 88 tipi di tumori. Sulla base di ciò, hanno creato un nuovo database contenente oltre 650.000 mutazioni sinonime. I dati mostrano che, come le mutazioni non sinonime, anche le mutazioni sinonime tendono a raggrupparsi nei geni associati al cancro[10].

Sulla base di questa conclusione, il team di ricerca ha selezionato il famoso oncogene KRAS, ha identificato mutazioni sinonime in esso e ha continuato a condurre ulteriori ricerche approfondite. Uno alla volta, hanno utilizzato i plasmidi (vedi "Cos'è un plasmide? È correlato a tutto, dalle armi biologiche agli alimenti geneticamente modificati") per esprimere geni mutanti nelle linee cellulari umane. Come previsto, alcune mutazioni sinonime portano ad un aumento dei livelli della proteina KRAS, il che aumenta il rischio dell'organismo di sviluppare il cancro.

Come accennato in precedenza, mutazioni sinonime possono influenzare il ripiegamento dell'mRNA e quindi influenzare l'espressione genica. Per verificare questa ipotesi, il team di ricerca ha rilevato l'interazione chimica tra mRNA e soluzioni contenenti nucleotidi, utilizzando questo metodo per determinare la struttura effettiva dell'mRNA. I risultati hanno dimostrato che le mutazioni sinonime influenzano il ripiegamento dell'mRNA. Questa è stata la prima prova che mutazioni sinonime potrebbero cambiare la struttura dell'mRNA dei geni del cancro[11].

Tuttavia, la ricerca è ben lungi dall'essere perfetta. Poiché il plasmide introdotto nell'esperimento è materiale genetico già sottoposto a splicing, non è sufficiente valutare l'impatto delle mutazioni sullo splicing. Se mutazioni sinonime potessero essere introdotte sistematicamente nel genoma nucleare della cellula, i dati ottenuti sarebbero più convincenti; Naturalmente, ciò pone anche sfide più grandi alla tecnologia.

Allo stesso tempo, altri scienziati stanno cercando nuovi modi per prevedere l'impatto delle mutazioni sinonime sull'espressione genica, principalmente sulla traduzione proteica. Tamir Tuller, biologo computazionale e sintetico presso l'Università di Tel Aviv in Israele, sta sviluppando modelli computazionali per prevedere gli effetti delle mutazioni sinonime sull'inizio e sulla velocità della traduzione delle proteine.

Helena Persson, genetista molecolare presso l'Università di Lund in Svezia, utilizza la frequenza con cui i codoni comuni mutano in codoni rari come nuovo indicatore per riflettere l'impatto delle mutazioni sinonime sulla traduzione delle proteine, poiché i cambiamenti di frequenza possono riflettere la velocità della traduzione. Il team di Persson ha introdotto una mutazione sinonima nel recettore degli estrogeni (un fattore di trascrizione associato al cancro al seno), convertendo i codoni comuni in codoni rari. Hanno scoperto che la velocità di traduzione della proteina era ridotta, il che è fondamentale per il corretto ripiegamento della proteina, con conseguente possibile ripiegamento non corretto della proteina. Tuttavia, curiosamente, questo fenomeno si verifica solo quando si verificano contemporaneamente più mutazioni sinonime, il che suggerisce che potrebbe esserci una qualche connessione tra diverse mutazioni sinonime. Il collegamento potrebbe aiutare a spiegare perché alcuni pazienti con mutazioni specifiche non rispondono ai farmaci studiati appositamente per curarli.

In generale, studiare il modo in cui interagiscono mutazioni sinonime è fondamentale per comprendere non solo la tumorigenesi, ma anche la sensibilità dei tumori e la resistenza ai farmaci. Attualmente, il team di Persson sta studiando combinazioni di mutazioni sinonime per spiegare questa connessione.

Distanza dalla “cura del tumore”

Oltre ad approfondire la conoscenza del cancro, lo studio delle mutazioni sinonime potrebbe anche apportare alcuni benefici ai pazienti. Ad esempio, potrebbe essere utilizzato per migliorare lo screening dei tumori familiari come il cancro al seno[12]. Attualmente, circa il 5-10% dei casi di cancro al seno è ereditario, ma gli scienziati hanno scoperto le mutazioni patogene solo per una piccola parte di essi. Le risposte ad altre mutazioni patogene possono essere trovate in mutazioni sinonime. In futuro potremmo essere in grado di includere queste mutazioni nello screening del cancro per migliorarne gli indicatori.

Inoltre, lo studio delle mutazioni sinonime ha un ruolo anche nello sviluppo di strumenti diagnostici e prognostici più generali per il cancro. In uno studio del 2021[13], i ricercatori hanno addestrato un algoritmo di apprendimento automatico utilizzando un set di dati di mutazioni sinonime trovate in campioni di cancro umano per prevedere il tipo di cancro e la probabilità che un paziente fosse vivo 10 anni dopo la diagnosi iniziale. Quando hanno testato gli algoritmi su un nuovo sottoinsieme di dati, hanno scoperto che la loro accuratezza era altrettanto buona di quella degli algoritmi addestrati solo su mutazioni non sinonime. Questo potere predittivo delle mutazioni sinonime non indica necessariamente un effetto scatenante la malattia, ma potrebbe semplicemente riflettere il panorama mutazionale nei genomi del cancro. Ciò fornisce agli scienziati una solida motivazione per includere mutazioni sinonime come biomarcatori negli strumenti per la classificazione dei tumori e la determinazione dei trattamenti appropriati.

Tutta la ricerca sul cancro è finalizzata in ultima analisi alla cura e i tumori causati da mutazioni sinonime sembrano essere più difficili da curare rispetto ai tumori causati da mutazioni non sinonime. La maggior parte delle terapie mirate ai tumori causati da mutazioni non sinonime sono concepite per inibire la proteina patogena prodotta dal gene mutato, mentre la maggior parte delle mutazioni sinonime potrebbe non influenzare affatto la struttura della proteina finale. Ma d'altro canto, anche se una mutazione sinonima non influisce sulla struttura delle proteine ​​ma ha invece un effetto su altri processi di espressione genica, può essere affrontata utilizzando gli stessi trattamenti delle mutazioni non sinonime. Ad esempio, per le mutazioni che causano cambiamenti nella struttura dell'mRNA, può essere utilizzato un oligonucleotide antisenso (gli oligonucleotidi antisenso si legano all'RNA del gene bersaglio e possono influenzare l'espressione del gene bersaglio attraverso vari meccanismi) per bloccare gli effetti delle mutazioni sinonime. Attualmente, gli oligonucleotidi antisenso sono stati approvati per il trattamento di alcune malattie, come la correzione dello splicing genetico difettoso che causa la distrofia muscolare di Duchenne[14].

Negli ultimi decenni, la genomica del cancro ha compiuto notevoli progressi nello studio meccanicistico e nel trattamento delle mutazioni non sinonime, ma la ricerca sulle mutazioni sinonime è appena iniziata. Negli ultimi anni, nuove prove hanno continuato a dimostrare che hanno un impatto sul cancro; Sebbene in passato le mutazioni sinonime siano state ignorate, ora gli scienziati dovrebbero concentrare nuovamente la loro attenzione sulle mutazioni sinonime, che potrebbero aprire una nuova strada di ricerca a beneficio dell'umanità.

Riferimenti

[1]Liu, F., Calhoun, B., Alam, MS et al. Segnalazione di un caso: una mutazione sinonima VHL (c.414A > G, p.Pro138Pro) causa un emangioblastoma familiare patogeno attraverso uno splicing disregolato. BMC Med Genet 21, 42 (2020). https://doi.org/10.1186/s12881-020-0976-7

[2]https://www.spectrumnews.org/news/synonymous-mosaic-mutations-may-autism-risk/

[3]https://www.cell.com/cell/pdfExtended/S0092-8674(14)00145-7

[4]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3746936/

[5]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30321177/

[6]https://www.science.org/doi/10.1126/scisignal.abp8972

[7]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12554675/

[8]https://www.science.org/doi/10.1126/science.1135308?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed

[9]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0163272

[10]https://www.nature.com/articles/s41467-019-10489-2

[11]https://www.nature.com/articles/nprot.2006.249

[12]https://www.createhealth.lth.se/canfaster/finished-canfaster-projects/functional-analysis-of-silent-mutations-in-familiar-breast-cancer/

[13]https://www.nature.com/articles/s41525-021-00229-1

[14]https://practicalneurology.com/news/fda-approves-antisense-oligonucleotide-therapy-for-duchenne-muscular-dystrophy-subtype

Questo articolo è supportato dal Science Popularization China Starry Sky Project

Prodotto da: Associazione cinese per la scienza e la tecnologia Dipartimento di divulgazione scientifica

Produttore: China Science and Technology Press Co., Ltd., Pechino Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.