Oncosuppressor Rb - Oncosoppressore Rb

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Introduction

The Rb gene is the first oncosuppressant discovered, has a very great importance in tumor development and is one of the fundamental factors for the maintenance of homeostasis of the organism, in this article we will go to analyze in detail its functioning and the changes that can lead to a mutation.

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Oncosuppressor Rb

The Rb gene (where Rb stands for retinoblastoma) is an oncosuppressant, an important gene for neoplastic growth that physiologically encodes for proteins that play a negative control role on cell proliferation.
The gene is so called because its mutation can cause a tumor at the level of retinoblast (undifferentiated cell precursor of the cones and rods of the retina) called retinoblastoma, a malignant tumor that develops at a very early age (in the very first years of life) precisely because it affects a cell not yet differentiated.
This gene was the first oncosuppressant to be discovered thanks to the studies of the American doctor Knudson who, clinically studying retinoblastoma in children affected by this disease, came to state that there are 2 types of retinoblastoma from a clinical point of view:

-Sporadic retinoblastoma: it is a tumor that appears sporadically in a patient, without there being a family history behind the patient (it is not hereditary), appears later than the family and is always unilateral (it affects only one eye).

-FAMILY RETINOBLASTOMA: it is an autosomal dominant (therefore hereditary) tumor, earlier than sporadic and often biocurial (bilateral).

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Knudson therefore hypothesizes that there is a gene of retinoblastoma that must be altered to give rise to the pathology, and elaborates a theory, later revealed to be correct, which is called Theory of the double stroke, where double stroke indicates a double mutation that must be borne by two alleles of the same gene.
This double mutation therefore allows to explain the differences between sporadic and familial retinoblastoma:

  1. Familiarity: in the case of familial retinoblastoma a mutation is inherited that predisposes to tumor, which is not the case in the sporadic one where the onset is random.

  2. Precococity: family retinoblastoma is more precocious because all heterozygous retinoblasts are heterozygous for that mutation, it is sufficient that randomly one of all the retinoblasts undergoes a mutation by the second allele to have the development of the tumor. Therefore it is a higher probability than that within a healthy retinoblast two mutations occur on both alleles, as happens in sporadic retinoblastoma (much rarer).

  3. monolaterality and bilaterality: in the case of sporadic retinoblastoma it is already unlikely that the double mutation will occur on one retinoblast of one eye, that it will occur on another retinoblast of the other eye is almost statistically impossible. In the case of familial retinoblastoma instead, having the mutation on all the retinoblasts, of both eyes, there is a certain probability that the second mutation can occur in more cells.

However, the Rb gene is not only related to retinoblastoma, but it has been shown that the mutation of this gene is associated with several other tumors. In people with surgically removed family retinoblastoma and survivors, an increase in the incidence of other cancers (in particular osteosarcomas) has been observed during their lifetime, already around 20/30 years. This has allowed us to understand that in people with all mutated cells there is a susceptibility to retinoblastoma at birth, but over time the other tissues are also affected by the presence of the Rb gene mutation, which makes them susceptible to the development of tumors in different organs. This gene, therefore, despite being called Rb gene, is actually involved in the control of cell proliferation of all cell types.

As far as Rb is concerned, it is a nuclear phosphoprotein expressed ubiquitously and with a fundamental role in the regulation of the cell cycle.
In the G0 phase, the Rb protein is completely defosphorylated, while when the cycle begins, i.e. in the G1 phase, it is hypophosphorylated. The hypophosphorylation of Rb is catalysed by the first complex that is activated during the G1 phase of the cell cycle, which is the cyclin D/CDK4-6 complex, which begins to phosphorylate several proteins including Rb.
However, the key point occurs later, between phase G1 and phase S, when at this control point of the cell cycle Rb is perphosphorylated by the cycline complex E/CDK2, remaining in this state for the entire duration of the cell cycle, until the end of phase M, when thanks to a phosphatase Rb is again defosphorylated (and returns to phase G0).
When it is hypophosphorylated Rb is able to bind a transcription factor: E2F, but actually E2F is part of a transcriptional complex formed not only by the Rb hypophosphorylated, but also by other proteins, including an histone deacetylase (HDAC). This complex has the function of inhibiting the expression of a whole series of genes whose activity is relevant for DNA duplication, thus keeping the cell in quiescence.
When Rb is hyperphosphorylated, however, it is no longer able to bind E2F, causing this transcriptional complex (from which in the meantime the histone deacetylase detaches by recruiting the istone acetylase) to become an active transcriptional complex, which guides the expression of previously repressed genes, i.e. those genes that code for proteins necessary to allow the cell to pass from phase G1 to phase S, with the consequent duplication of DNA.

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If the Rb gene is mutated (due to either non-sense or frameshift mutations) the Rb protein is not synthesized or is not functioning, making it unable to perform its repressive function. A cell therefore interprets this situation as if Rb was constantly hyperphosphorylated, and therefore E2F will always be active and free to act by favouring the neoplastic transformation (since it favours cell proliferation).

In reality, a tumor can get rid of Rb blockage not only by mutating Rb, but also by other strategies:

  • since the hyperphosphorylation of Rb depends on the activation of the E/CDK2 cycline/CDK complexes, a mutation that involves a iperattivation of the cycline/CDK complex would result in Rb always being hyperphosphorylation, and therefore unable to perform the function of oncosuppressant;
  • a mutation at the level of the growth factors and other factors, responsible for the activation of the cycline/CDK complexes, such that the cycline/CDK complexes are always over-activated, still leads to a condition of hyperphosphorylation of Rb.
  • The cycline/CDK complexes are in turn subject to the action of inhibitory signals, represented by a series of proteins named after their molecular weight: p16, p15, p18, p19.
    The expression of these inhibitors of the cycline/CDK complex is in turn under the control of appropriate signals including, for example, TGF-β, which, interacting with the TGF-β receptor, activates intracellular transduction signals that go to activate SMAD proteins whose purpose is to induce the expression of the cycline/CDK complex inhibitors. Therefore, a mutation at the expense of a TGF-beta receptor or at the expense of a protein that transduces the signals of this receptor, involves an absence of physiological signals that induce the cell to produce inhibitors of the cycline/CDK complex, thus promoting neoplastic transformation.

Introduzione


Il gene Rb è il primo oncosoppressore scoperto, ha un'importanza molto grande nello sviluppo tumorale ed è uno dei fattori fondamentali per il mantenimento dell'omeostasi dell'organismo, in questo articolo andremo ad analizzare nel dettaglio il suo funzionamento e le modificazioni che possono portare ad una mutazione.

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Oncosoppressore Rb

Il gene Rb (dove Rb sta per retinoblastoma) è un’oncosoppressore, ovvero un gene importante per la crescita neoplastica che fisiologicamente codifica per proteine che svolgono un ruolo di controllo negativo sulla proliferazione cellulare.
Il gene è così chiamato perché la sua mutazione può causare un tumore a livello del retinoblasto (cellula indifferenziata precursore dei coni e dei bastoncelli della retina) chiamato per l’appunto retinoblastoma, tumore maligno che si sviluppa in età molto precoce (nei primissimi anni di vita) proprio perché va a colpire una cellula non ancora differenziata.
Tale gene è stato il primo oncosoppressore ad essere scoperto grazie agli studi del medico americano Knudson che studiando clinicamente il retinoblastoma su bambini affetti da tale patologia arrivò ad affermare che esistono 2 tipi di retinoblastoma dal punto di vista clinico:

-RETINOBLASTOMA SPORADICO: è un tumore che compare sporadicamente in un paziente, senza che vi sia una storia familiare alle spalle del paziente stesso (non è ereditario), compare più tardivamente rispetto al familiare ed è sempre unilaterale (interessa un solo occhio).

-RETINOBLASTOMA FAMILIARE: è un tumore a carattere autosomico dominante (dunque ereditario), più precoce dello sporadico e spesso bioculare (bilaterale).

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Knudson ipotizza quindi che esista un gene del retinoblastoma che deve essere alterato per dare origine alla patologia, ed elabora una teoria, rivelatasi poi corretta, che prende il nome di Teoria del doppio colpo, dove doppio colpo indica una doppia mutazione che deve essere a carico di due alleli di uno stesso gene.
Questa doppia mutazione permette dunque di spiegare le differenze tra retinoblastoma sporadico e familiare:

  1. Familiarità: nel caso del retinoblastoma familiare si eredita una mutazione che predispone al tumore, cosa che non succede nello sporadico in cui l’insorgenza è casuale.

  2. precocità: il retinoblastoma familiare risulta più precoce perché essendo tutti i retinoblasti eterozigoti per quella mutazione è sufficiente che casualmente uno tra tutti i retinoblasti subisca una mutazione a carico del secondo allele per avere lo sviluppo del tumore. Quindi è una probabilità più elevata rispetto a quella che all’interno di un retinoblasto sano avvengano due mutazioni su entrambi gli alleli, come accade nel retinoblastoma sporadico (molto più raro).

  3. monolateralità e bilateralità: nel caso dello sporadico è già poco probabile che la doppia mutazione avvenga su un retinoblasto di un occhio, che poi questo avvenga su un altro retinoblasto dell’altro occhio è quasi impossibile statisticamente. Nel caso del retinoblastoma familiare invece, avendo la mutazioni su tutti i retinoblasti, di entrambi gli occhi, esiste una certa probabilità che la seconda mutazione possa avvenire in più cellule.

Il gene Rb non è però legato solo al retinoblastoma, ma è stato dimostrato che la mutazione di questo gene è associata a diversi altri tumori. Nelle persone con retinoblastoma familiare asportato chirurgicamente e sopravvissute, si è infatti notato un aumento dell'incidenza di altri tumori (in particolare osteosarcomi) nel corso della loro vita, già verso i 20/30 anni. Questo ha permesso di capire che nelle persone che presentano tutte le cellule mutate c’è una suscettibilità alla nascita al retinoblastoma, ma col passare del tempo anche gli altri tessuti risentono della presenza della mutazione a carico del gene Rb, che rendono tali soggetti suscettibili allo sviluppo di tumori a carico di diversi organi. Tale gene quindi nonostante si chiami gene Rb è in realtà coinvolto nel controllo della proliferazione cellulare di tutti i tipi cellulari.

Per quanto riguarda Rb essa è una fosfoproteina nucleare espressa in maniera ubiquitaria e dotata di un ruolo fondamentale nella regolazione del ciclo cellulare.
Nella fase G0 la proteina Rb risulta completamente defosforilata mentre quando inizia il ciclo, ovvero in fase G1, risulta ipofosforilata. L’ipofosforilazione di Rb è catalizzata dal primo complesso che si attiva durante la fase G1 del ciclo cellulare, che è il complesso ciclina D/CDK4-6, che inizia a fosforilare diverse proteine tra cui appunto Rb.
Il punto chiave avviene però successivamente, tra la fase G1 e la fase S, quando a livello di questo punto di controllo del ciclo cellulare Rb viene iperfosforilata dal complesso ciclina E/CDK2, rimanendo in questo stato per tutta la durata del ciclo cellulare, fino al termine della fase M, quando grazie ad una fosfatasi Rb viene nuovamente defosforilata (e rientra in fase G0).
Quando è ipofosforilata Rb è in grado di legare un fattore di trascrizione: E2F, ma in realtà E2F fa parte di un complesso trascrizionale formato, oltre che dall’Rb ipofosforilata, anche da altre proteine, tra le quali una istone deacetilasi (HDAC). Questo complesso ha una funzione di inibizione dell’espressione di tutta una serie di geni la cui attività è rilevante per la duplicazione del DNA mantenendo quindi la cellula in quiescenza.
Nel momento in cui Rb viene iperfosforilata però non è più in grado di legare E2F, facendo sì che questo complesso trascrizionale (da cui nel frattempo l’istone deacetilasi si distacca reclutando l’istone acetilasi) si trasformi in un complesso trascrizionale attivo, che guida l’espressione dei geni precedentemente repressi, ovvero quei geni che codificano per proteine necessarie per permettere alla cellula di passare dalla fase G1 alla fase S, con la conseguente duplicazione del DNA.

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Se il gene Rb viene mutato (dovuto sia a mutazioni non sense o frameshift) la proteina Rb non viene sintetizzata o non è funzionante, rendendola incapace di svolgere la sua funzione repressiva. Una cellula quindi interpreta questa situazione come se Rb fosse costantemente iperfosforilata, e pertanto E2F risulterà sempre attivo e libero di agire favorendo la trasformazione neoplastica (visto che favorisce la proliferazione cellulare).

In realtà un tumore può liberarsi del blocco di Rb non solo mutando Rb, ma anche tramite altre strategie:

  • dal momento che l’iperfosforilazione di Rb dipende dall’attivazione dei complessi ciclina E/CDK2, una mutazione che comporta una iperattivazione del complesso ciclina/CDK porterebbe ad avere Rb sempre iperfosorilata, e dunque incapace di svolgere la funzione di oncosoppressore;
  • una mutazione a livello dei fattori di crescita e degli altri fattori, responsabili dell’attivazione dei complessi ciclina/CDK, tale per cui si arriva sempre e comunque ad iperattivare i complessi ciclina/CDK, comporta ancora una condizione di iperfosforilazione di Rb.
  • i complessi ciclina/CDK sono soggetti a loro volta all’azione di segnali inibitori, rappresentati da una serie di proteine che prendono il nome dal loro peso molecolare: p16, p15, p18, p19.
    L’espressione di tali inibitori del complesso ciclina/CDK è a sua volta sotto il controllo di opportuni segnali tra cui per esempio il TGF-β, che interagendo con il recettore per il TGF-β, attiva segnali di trasduzione intracellulare che vanno ad attivare proteine SMAD il cui fine è indurre l’espressione degli inibitori dei complessi ciclina/CDK. Quindi una mutazione a carico di un recettore per il TGF-beta o a carico di una proteina che trasduce i segnali di questo recettore, comporta un’assenza di segnali fisiologici che inducono la cellula a produrre inibitori del complesso ciclina/CDK, favorendo così la trasformazione neoplastica.

Immagini/Pictures

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Fonti/Sources

cnr

amsdottorato

orpha

atlasgeneticsoncology

ailr

aieop

humanitas



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