AUTOFAGIA. Manuale di sopravvivenza cellulare

Le cellule ne fanno uso da milioni di anni, tutti noi ne abbiamo bisogno sin dalla nascita, relativamente da poco gli scienziati cominciano a capirne il coinvolgimento in salute e in malattia: è l’autofagia. Con questo termine derivato dal greco (auto: propria e phagy: digestione) ci si riferisce al processo attraverso il quale, per sopravvivere alle più svariate condizioni di stress, le cellule si nutrono di porzioni di sé stesse. Lo ha spiegato lo scorso dicembre Gian Maria Fimia (Istituto Nazionale Malattie Infettive “Lazzaro Spallanzani” Roma) in occasione della giornata scientifica 2012 dell’Istituto Pasteur (scarica il report della giornata).

 

Per mantenersi in salute le cellule devono essere “pulite”, libere da tossine presenti sotto forma di sostanze di scarto, organelli danneggiati o patogeni. Mediante l’autofagia gli “eccessi” tossici sono degradati e trasformati in “carburante” per alimentare le funzioni vitali cellulari. È così, divorando parti di sé, che le cellule riescono a sopravvivere anche in condizioni avverse come il digiuno forzato (starvation). Nel corso del processo autofagico, selezionate sostanze o strutture cellulari sono sequestrate in piccoli compartimenti (gli autofagosomi) e condotte nei lisosomi dove, grazie alla presenza di enzimi litici, sono degradate e “digerite”.

 

Studi recenti hanno dimostrato che l’autofagia è implicata in numerosi processi fisiologici come l’apoptosi, lo sviluppo e il differenziamento e riveste un ruolo fondamentale nel proteggere da invecchiamento cellulare, tumorigenesi, neurodegenerazione e infezione. Non sorprende, quindi, che i difetti nel macchinario autofagico siano alla base di numerose patologie. Per comprendere il ruolo dell’autofogia in salute e in malattia i ricercatori sono andati a lezione da topi Knock Out: animali generati a partire da cellule a cui sono stati eliminati uno o più geni specifici. Gli organismi KO rappresentano un modello essenziale per l’analisi della funzione genica e per lo studio di malattie causate dall’assenza di uno specifico gene. Topi KO per geni che regolano l’autofagia (Atg: Autophagy related genes) muoiono subito dopo la nascita. Ciò dimostra che tale processo è essenziale perché le cellule possano sopravvivere a una delle prime forme di starvation, quell’improvvisa assenza di nutrimento che l’organismo subisce alla nascita. Non solo. Dell’autofagia c’è bisogno ancora molto prima, durante le fasi di sviluppo dell’embrione pre-impianto, poche ore dopo la fertilizzazione: la primissima forma fisiologica di starvation.

 

Sebbene l’autofagia intervenga nel mantenere “sazie” e sane tutte le cellule dell’organismo, particolarmente importante sembra essere il ruolo che questo processo riveste nel cervello. La soppressione dell’autofagia nelle cellule nervose può causare malattie neurodegenerative che conducono alla morte: la Corea di Hungtinton, il morbo di Alzheimer e di Parkinson sono patologie caratterizzate dall’accumulo di strutture o sostanze difettose che, se non sono opportunamente eliminate, divengono tossiche per le cellule del cervello causando gravi disturbi. Di recente i ricercatori hanno cominciato a svelare il ruolo della mitofagia (una distinta forma di autofagia specifica per “pulire” le cellule dai mitocondri danneggiati) nel mantenimento della vitalità cellulare, gravemente compromessa in molte patologie degenerative, per esempio il morbo di Parkinson.

 

Questi studi gettano basi fondamentali per progettare terapie per le patologie neurodegenerative (ma non solo): sostanze che inducono l’autofagia ripristinano o accelerano la pulizia delle cellule dalle sostanze tossiche, rimettendole in salute. A questo proposito sono stati avviati studi clinici per verificare l’efficacia di farmaci pro-autofagia nel migliorare le condizioni di pazienti affetti da Corea di Huntington.

 

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PAPILLOMA VIRUS: BIOLOGIA, CORRELAZIONE CON I TUMORI E PREVENZIONE
L’infezione da Papilloma virus è considerata una delle cause primarie nell’insorgenza di tumori, come il cancro della cervice uterina, molto diffusi soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Da qualche anno è disponibile il vaccino contro alcuni dei ceppi più pericolosi del virus. Si tratta di un metodo preventivo efficace? Chi ne usufruisce? È quanto si è discusso nel corso di un incontro tenutosi in occasione della Settimana della cultura cipriota in Italia e promosso dall’Istituto Pasteur (Roma) e dall’Istituto di Neurologia & Genetica (Cipro)

 

Il primo a fornire la prova che i virus potessero avere un ruolo significativo nell'insorgenza del cancro fu, nei primi anni del '900, Peyton Rous. Analizzando un raro tumore dei polli, lo scienziato fu in grado di dimostrare che a indurlo era un proprio un virus: la ricerca valse a Rous il premio Nobel per la medicina nel 1966. Oggi sappiamo che, sebbene non tutte le infezioni virali siano associate a trasformazione neoplastica, alcuni virus possono causare tumori specifici nell'uomo. Più precisamente, circa il 15% di tutti i tumori può essere collegato a un’infezione virale e un altro 5% è attribuibile a infezioni batteriche e da parassiti.
Tra i virus responsabili di tumori nell'uomo è il papilloma virus (HPV, Human Papilloma Virus). Il ruolo di HPV nello sviluppo del cancro della cervice (in generale degli epiteli squamosi) è stato scoperto nel 1976 dal medico tedesco Harald Zur Hansen, per questo premiato con il Nobel nel 2008: l'aver individuato la causa dei tumori degli epiteli squamosi ha fornito gli strumenti per studiare metodi preventivi e/o progettare una cura. Proprio di questo si è discusso all'incontro, tenutosi mercoledì 3 ottobre presso la sala Technotown di Villa Torlonia (Roma), organizzato nell'ambito della manifestazione Settimana della cultura cipriota in Italia. Anna Teresa Palamara (professoressa di microbiologia alla Sapienza - Università di Roma e membro della Direzione Scientifica dell’Istituto Pasteur) e Christina Christodoulou (direttrice del dipartimento di virologia molecolare dell’Istituto di Neurologia & Genetica di Cipro) si sono alternate per spiegare in che modo il virus sia in grado di innescare la proliferazione cellulare che conduce al cancro, per presentare dati relativi alla diffusione dei tumori indotti da HPV nel mondo e, infine, per discutere l’efficacia della vaccinazione come metodo preventivo.

 

I Papilloma Virus umani – ha spiegato Anna Teresa Palamara – sono una famiglia di virus di piccole dimensioni che comprende oltre 100 diversi genotipi, ognuno associato a un diverso grado di rischio di sviluppare un cancro degli epiteli squamosi: basso, medio, alto o sconosciuto. Alcuni HPV danno luogo a malattie proliferative benigne della pelle o delle mucose (verruche o condilomi), mentre altri tipi correlano con manifestazioni maligne (il cancro della mucosa anale, del pene e il cancro testa collo). In particolare, i tipi HPV-16 e HPV-18 sono tra i più studiati perché considerati responsabili del cancro della cervice uterina. Questi virus si trasmettono per via sessuale: in presenza di piccoli traumi entrano attraverso la pelle e invadono le cellule dell’epitelio all’interno delle quali si replicano, rendendo l'individuo capace di infettare. Con 500.000 nuovi casi all'anno il cancro della cervice - ha aggiunto Christina Christodoulou - è il secondo tipo di tumore più comune nelle donne (dopo quello della mammella) e causa di morte fra le giovani, specialmente nei paesi in via di sviluppo, dove i controlli e le tecniche di prevenzione sono ancora poco diffusi.

 

Quali sono le basi molecolari dell'associazione fra HPV e cancro?
Tutta l’informazione necessaria per lo svolgimento delle funzioni vitali di HPV è scritta in una molecola di DNA racchiusa in un involucro proteico (capside) formato da due proteine che, interagendo a formare tipiche strutture a forma di stella, costituiscono una sorta di “impronta digitale” che caratterizza i diversi tipi di HPV. Il genoma virale produce, inoltre, le proteine E: sono queste le più pericolose per l'uomo perché capaci di innescare i processi molecolari che conducono alla trasformazione tumorale. Attraverso le proteine E il virus interferisce con la cellula ospite, alterando i meccanismi endogeni che tengono sotto controllo la sua proliferazione. All’interno delle nostre cellule, infatti, vi sono dei sistemi di controllo (checkpoints) costituiti da proteine “sentinella” che hanno il compito di fermare la proliferazione cellulare quando non è più necessaria. Altre proteine svolgono, invece, il ruolo di "giudice" e intervengono qualora le cellule siano sfuggite al primo checkpoint per indurre la morte cellulare programmata (o apoptosi) di cellule difettose o danneggiate. In particolare, la proteina virale E7 interagisce con la “sentinella” E2F, causandone la degradazione; un’altra proteina (E6) interferisce con il “giudice” p53, impedendone la funzionalità. Questi eventi molecolari, scatenati dall’infezione, provocano quindi la trasformazione delle cellule e l’inizio (asintomatico) delle lesioni precancerose.

 

Come si può prevenire il cancro della cervice uterina?
I casi di insorgenza del tumore possono essere monitorati attraverso controlli periodici effettuati dal ginecologo attraverso una tecnica, il PAP test, in grado di valutare l’eventuale presenza di cellule anormali: il segno premonitore del cancro. Tali cellule possono essere rimosse grazie a piccoli interventi che attaccano il tumore alla radice, anche molti anni prima che possa degenerare nella sua forma più aggressiva. Proprio grazie al PAP test si è verificata una riduzione dell'incidenza del cancro della cervice nei paesi occidentali, dove la cultura (e la fruibilità) dei controlli preventivi è più diffusa. Da qualche anno, inoltre, sono disponibili vaccini contro i principali ceppi di HPV che causano il tumore: il Cervarix (bivalente, cioè composto da proteine “importa digitale” dei ceppi HPV-16 e HPV-18) e Cardasil (quadrivalente, composto dalle proteine dei ceppi 6/11/16 e 18). Si tratta di vaccini preventivi, senza alcuna efficacia terapeutica (un vaccino terapeutico diretto contro le cellule cancerose è, invece, in via di sperimentazione). Per poter essere efficace il vaccino preventivo deve essere somministrato prima dell'esposizione al virus, quindi prima dell'inizio dell'attività sessuale. In Italia, dal 2008, il Ministero della Salute ha pianificato una strategia di vaccinazione pubblica che interessa le bambine dai 12 anni di età. Il vaccino è somministrato in tre dosi che possono proteggere dall’infezione fino a cinque anni; non è stato ancora possibile accertarne l’efficacia preventiva al di là di questo periodo. In alcuni paesi, inoltre, è stata anche approvata la campagna di vaccinazione dei maschi: un accorgimento che potrebbe contribuire ad abbassare ulteriormente l’incidenza del cancro indotto dai quattro ceppi principali di HPV.

 

La vaccinazione è veramente efficace?
La sperimentazione condotta su modello animale ha confermato la sicurezza e l’efficacia del vaccino nel contrastare l’infezione da HPV e prevenire così l’insorgenza dei tumori. Anche per quanto riguarda l’uomo gli studi indicano che la vaccinazione è sicura e correla con la ridotta incidenza del cancro della cervice uterina. È doveroso, però, sottolineare che tale sperimentazione è stata possibile grazie ai finanziamenti di case farmaceutiche, le stesse che producono i vaccini. Questo ha dato origine a numerose discussioni sulla reale efficacia delle campagne di vaccinazione e il tema rimane di grande attualità. Da una parte, ci si domanda se i costi per la vaccinazione siano veramente giustificati, soprattutto in considerazione del fatto che, se ben condotto, il PAP test è in grado di dare una diagnosi estremamente precoce del cancro, in base alla quale è possibile una rimozione chirurgica efficace. D’altra parte non si può fare a meno di considerare che una vaccinazione su ampia scala proteggerebbe a priori dall’infezione dai quattro ceppi principali di HPV e, di conseguenza, dal rischio di sviluppare del tutto le lesioni precancerose. Altro motivo di riflessione è il fatto che il vaccino è oggi disponibile solo nei paesi occidentali, dove l’incidenza del cancro della cervice è già ampiamente ridotta grazie al PAP test e a una maggiore sensibilizzazione verso l’utilizzo del preservativo. Al contrario, i paesi in via di sviluppo, in cui la malattia è ancora molto diffusa, ne sono sprovvisti: è questo senz’altro un problema di cui è doveroso occuparsi.

 

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EPIGENETICA. COSÌ LE CELLULE LEGGONO IL DNA
L’“architettura” del Dna influenza l’attività dei geni: lo ha spiegato Gary Felsenfeld del National Institute of Health al seminario organizzato dall’Istituto Pasteur

 

Non ci facciamo più caso ma, da qualche anno, l’utilizzo dell’acronimo DNA (dall’inglese per Acido DesossiriboNucleico) è sconfinato dall’ambito strettamente scientifico per penetrare nel linguaggio comune. Capita di frequente, infatti, di pronunciare frasi come «è scritto nel mio Dna» per descrivere ciò che più ci rappresenta. Eppure, gli ultimi avanzamenti scientifici indicano che ciò che siamo dipende anche dalla maniera in cui l’informazione contenuta nei geni è letta dalle cellule. A spiegarlo è stato Gary Felsenfeld, il direttore del laboratorio di biologia molecolare del National Institute of Health (Usa) che, su invito dell’Istituto Pasteur, ha tenuto un seminario a Roma. Di fronte ai numerosi ricercatori accorsi ad ascoltarlo, Felsenfeld ha esposto gli studi di una vita sulla relazione fra struttura del genoma ed espressione genica, concetti complessi che costringono a fare i conti con una scienza altrettanto complessa. Parliamo di epigenetica: lo studio dei fenomeni che, senza modificare ciò che è scritto nel Dna, imprimono un marchio sul genoma (epi in greco significa stare sopra) per impartire alla cellula le istruzioni su quando e come leggere determinati geni.

 

Ma prima occorre fare un passo indietro. Dieci anni fa si concludeva l’impresa del Progetto Genoma Umano che ha svelato l’alternanza delle “lettere” del nostro Dna, un totale di 3,2 miliardi di A, T, C e G: i composti chimici (basi azotate) Adenina, Timina, Citosina e Guanina. La sequenza in cui questi composti si susseguono forma il libro della vita, costituito da 25.000 geni, letti dalle cellule per produrre proteine essenziali al proprio funzionamento. Il sequenziamento del genoma è stato un traguardo fondamentale: in campo medico, confrontando la sequenza di individui sani e malati è possibile identificare la causa di malattie genetiche e progettare cure. Oggi sappiamo che non tutto, però, è svelato dall’ordine di A, T, C e G; molto dipende anche da come la sequenza si presta a essere letta dalle cellule.

 

All’interno del nucleo cellulare - ha spiegato Felsenfeld - il Dna è organizzato in “elementi architettonici”: avvolto attorno a “impalcature” (proteine chiamate istoni), forma strutture complesse che, insieme ad altri elementi, costituiscono i cromosomi. Modifiche chimiche (epigenetiche) degli istoni inducono il materiale genetico ad allentare o restringere la presa attorno a queste impalcature e ciò determina il grado di attivazione dei geni. Le porzioni meno strette, come un libro aperto, sono disponibili alla lettura e quindi all’espressione dei geni che vi sono localizzati. Le regioni compatte, invece, sono chiuse e i geni presenti, con un fenomeno che i ricercatori definiscono di “silenziamento genico”, non possono essere letti dalla cellula. Disseminati nel genoma - ha spiegato ancora Felsenfeld - sono poi una serie di elementi isolanti che, come barriere architettoniche, impediscono che il grado di compattamento di una regione si espanda alle sequenze vicine e attivi o silenzi in maniera indiscriminata i geni. L’architettura del genoma permette così la raffinata regolazione dell’espressione genica.

 

I meccanismi epigenetici sono numerosi e svolgono un ruolo fondamentale durante lo sviluppo e la vita adulta. Molto spesso sono orchestrati dall’ambiente: abitudini alimentari, fumo, alcol e stress, possono “marchiare” il genoma e cambiare la maniera in cui è letto. Gli studi sull’epigenetica, al pari di quelli sulla sequenza del Dna, sono fondamentali per la medicina. Malattie identiche sotto il profilo genetico (causate dallo
stesso difetto di scrittura nel Dna) possono invece avere diverse caratteristiche epigenetiche (i geni alterati possono essere più o meno espressi). È così svelato il motivo per cui malati affetti dalla stessa patologia rispondono diversamente alle cure. Gli studi sono allora volti a una migliore gestione del paziente e alla progettazione di “farmaci epigenetici” a misura di malato, volti a correggere i difetti di lettura dei geni. A questi argomenti Parliamo di Scienza dedicherà altri approfondimenti. Continuate a seguirci!

 

I progetti finanziati dall’Istituto Pasteur:
Nell’ambito del canale di ricerca Genetica molecolare degli eucarioti, l’Istituto Pasteur finanzia numerosi progetti sull’epigenetica. In generale, gli studi sono volti a comprendere i meccanismi base di regolazione dell’espressione dei geni e le alterazioni che intervengono in caso di patologia. Presso il dipartimento di biotecnologie cellulari ed ematologia il gruppo guidato da Paola Caiafa studia un enzima (Parp-1) e la sua capacità di regolare l’espressione genica imprimendo un marchio sul genoma. Al dipartimento di biologia e biotecnologie “Charles Darwin” per i loro studi i ricercatori utilizzano organismi modello - il moscerino della frutta (Drosophila melanogaster) e il lievito della birra (Saccharomyces cerevisiae) - grazie ai quali è possibile studiare, in maniera relativamente semplice e veloce, le basi genetiche dello sviluppo e la regolazione dell’espressione genica. Utilizzando Drosophila, Sergio Pimpinelli studia i processi di silenziamento genico, mentre Patrizio Dimitri analizza il ruolo di una famiglia di proteine nell’organizzazione della struttura dei cromosomi. Mediante osservazioni sperimentali sul lievito, invece, Rodolfo Negri analizza il ruolo degli apparati che regolano la degradazione proteica nell’organizzazione dell’“architettura” del Dna e proteine, mentre Giorgio Camilloni studia in che modo i meccanismi epigenetici possano intervenire per impedire i processi, caratteristici di malattie come i tumori, di rottura e riarrangiamento del Dna. Questi studi gettano le basi per l’individuazione di “farmaci epigenetici” per il trattamento di tali patologie.
Presso il dipartimento di biotecnologie cellulari ed ematologia, il gruppo guidato da Giuseppe Zardo analizza fattori coinvolti nell’attivazione e silenziamento genico durante l’ematopoiesi (la “fabbrica” di cellule del sangue), e come questi - se deregolati - possano causare leucemia. I ricercatori del laboratorio di Marco Lucarelli, infine, si occupano di terapia genica – la metodologia volta al trattamento di patologie genetiche tramite la sostituzione del gene difettoso con quello sano. In particolare, Lucarelli studia come i meccanismi epigenetici possano determinare la buona o cattiva integrazione del gene terapeutico nell’organismo.

 

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QUANDO IL SOLE È UN NEMICO PER LA PELLE
Le radiazioni solari “stuzzicano” il Dna, sottoponendolo a rischio di danno permanente – un fenomeno associato con l’aumento dei tumori della pelle

 

«È il ritratto della salute». Quante volte abbiamo sentito questa frase in riferimento a una persona dalla pelle abbronzata. E quante volte siamo rimasti compiaciuti sentendocela rivolgere! Puntualmente - in occasione di viaggi o con l’arrivo dell’estate - dermatologi e media ricordano come l’esposizione prolungata e senza protezione al sole rappresenti un azzardo alla salute; eppure, l’associazione fra abbronzatura e benessere continua – erroneamente – a rimanere radicata nelle menti di tutti noi.

 

E invece, l’abbronzatura altro non è che il risultato visibile di una “guerra” fra la nostra pelle e le radiazioni ultraviolette (UV) provenienti dal sole: a regalarci quel bell’effetto scuro dorato è l’attività dei melanociti, cellule dell’epidermide che, proprio per fare scudo alle radiazioni, producono un pigmento di colore bruno (la melanina). Contemporaneamente, un altro conflitto ha luogo nelle cellule della nostra pelle: i raggi UV attaccano il Dna, danneggiandolo. A difenderlo e soccorrerlo è un “esercito” di fattori (enzimi) arruolati nell’officina “Riparazione del Dna”. Ma troppo spesso questi tentativi di difesa e riparo falliscono. Così l’Organizzazione Mondiale della Sanità lancia l’allarme: ogni anno nel mondo muoiono 60 mila persone a causa della sovraesposizione ai raggi UV, di cui la maggior parte a causa di melanoma – un aggressivo tumore della pelle.

 

L’officina “Riparazione del Dna” è una struttura complessa, chiamata a intervenire costantemente nelle cellule per porre rimedio a danni inflitti alla doppia elica. Le alterazioni del Dna possono avvenire spontaneamente o a causa di fattori ambientali mutageni, come fumo, inquinamento, agenti ossidanti e, appunto, raggi solari. I danni possono essere caratterizzati dall’alterazione (mutazione) nella sequenza del Dna o da vere e proprie rotture della doppia elica, lesioni che ne impediscono il corretto funzionamento; per esempio, possono impedire l’attività di geni importanti per contrastare la formazione di tumori (onco-soppressori). In condizioni normali, i “meccanici” del Dna lavorano rimuovendo la sequenza danneggiata (mutata) per poi sostituirla con quella corretta, oppure aggiustando le parti rotte e colmando le lacune formatesi. Quando questi interventi di manutenzione non funzionano, la cellula è costretta a “eliminare” del tutto il difetto: questo avviene tramite l’interruzione dell’attività del Dna e l’autodistruzione (morte cellulare programmata o apoptosi).

 

Ma non sempre l’officina per la riparazione ed eliminazione dei difetti è aperta o ben funzionante. Studi recenti indicano che la squadra di manutenzione del Dna dei melanociti, a causa delle esposizioni prolungate ai raggi UV, è poco efficiente. E così, “attaccato” dal sole il Dna è irreversibilmente danneggiato. Senza possibilità di riparare geni oncosopressori, i melanociti proliferano incontrollati formando cellule tumorali. Se non sono fermate in tempo, spesso accade che tali cellule migrino dal luogo di formazione per colonizzare altri organi (metastasi): una caratteristica, questa, che rende il melanoma particolarmente devastante. Non solo, le cellule diventano insensibili all’apoptosi, un fenomeno associato alla resistenza al trattamento con chemioterapici.

 

Così l’esposizione prolungata o senza protezione al sole può “bruciare” il nostro Dna. Rischio di tumori a parte, questo comporta l’invecchiamento precoce della pelle. Allora attenzione a prevenire le scottature! Dopo tutto, chi non vorrebbe essere il ritratto della salute?

 

I progetti finanziati dall’Istituto Pasteur:
Il trattamento del melanoma
L’Istituto Pasteur – Fondazione Cenci Bolognetti finanzia una ricerca volta a individuare un trattamento efficace per combattere il melanoma. Condotto da Enzo Agostinelli del Dipartimento di Scienze biochimiche “A. Rossi Fanelli”, lo studio analizza l’efficacia di nuovi agenti terapeutici nell’eliminare le cellule tumorali e nel superare il fenomeno della farmaco-resistenza.

 

I meccanismi di riparazione degli acidi nucleici
Fabio Altieri del Dipartimento di Scienze biochimiche “A. Rossi Fanelli” studia la risposta cellulare ad agenti ossidanti che danneggiano il Dna e comportano l’invecchiamento cellulare. Presso il Dipartimento di Biologia e Biotecnologie “C. Darwin”, Cristina Mazzoni e Claudio Falcone studiano i meccanismi che inducono danno all’Rna (la molecola che a partire dal Dna permette la produzione di proteine essenziali per la cellula) e la loro relazione con malattie degenerative connesse con l’invecchiamento.

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