L’apoptosi
Definita anche “morte cellulare programmata” è un meccanismo fondamentale per assicurare il controllo della proliferazione cellulare e il mantenimento dell’omeostasi tissutale, nonché per l’eliminazione delle cellule dannose o non necessarie da un organismo1
Durante l’apoptosi, le cellule subiscono alterazioni morfologiche e biochimiche1
Dal punto di vista morfologico, il processo apoptotico coinvolge diverse fasi (figura 1): 2
- condensazione della cromatina
- frammentazione dell’involucro nucleare
- idrolisi del DNA
- traslocazione della fosfatidilserina sul versante extracellulare della membrana plasmatica
- perdita di adesione alle cellule vicine
- blebbing (formazione di vescicole nella membrana plasmatica)
- restringimento cellulare
- formazione di corpi apoptotici
Figura 1. Citologia dell’apoptosi. Le diverse fasi della morte cellulare apoptotica iniziano con il restringimento cellulare e la condensazione della cromatina, contemporaneamente alla formazione di vescicole di membrana. Organelli, frammenti di nucleo e vescicole iniziano la formazione dei “corpi apoptotici” che vengono infine fagocitati dai macrofagi o dalle cellule vicine per endocitosi/fagocitosi. L’assenza di infiammazione è determinata dal mancato rilascio di componenti cellulari nel fluido extracellulare
Tratto da Fig. 4, ref. [2]
L’apoptosi viene modulata attraverso diversi pathway di segnalazione che convergono e alterano l’attività dei punti di controllo centrali comuni all’interno delle vie apoptotiche; questi includono:3
- Il controllo della morte programmata attraverso la regolazione della permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna (MOMP) ad opera delle proteine della famiglia BCL-2
- L’inibizione mediata dalle proteine inibitorie dell’apoptosi (IAP)
- La regolazione da parte della proteina inibitoria FLICE (c-FLIP)
Nonostante vi siano percorsi diversi che portano all’apoptosi, il processo stesso è completamente regolato e si verifica spesso come risultato di una varietà di fattori, che includono:2
- danno al DNA
- stress cellulare
- interruzione dell’omeostasi del calcio
- chiusura del canale anionico voltaggio-dipendente (VDAC) che inibisce lo scambio metabolico tra i mitocondri e il citosol
VIA INTRINSECA E VIA ESTRINSECA NELL’APOPTOSI
Il processo di apoptosi può essere innescato attraverso due percorsi principali (figura 2):4,5
- una via estrinseca (pathway mediato da recettori di morte): regolata dall’associazione dei recettori di morte sulla superficie cellulare, un sottogruppo appartenente alla superfamiglia del recettore del fattore di necrosi tumorale (TNF, tumor necrosis factor), con i loro rispettivi ligandi citochimici attivanti (noti anche come ligandi di morte), membri della famiglia di proteine TNF.4
- una via intrinseca (pathway mediato dai mitocondri): regolata dalla famiglia BCL-2.
I segnali provenienti da questi percorsi inducono la MOMP al citocromo C e ad altre proteine dello spazio intermembrana mitocondriale (IMS)2
Quando queste proteine vengono rilasciate nel citosol, si verificano altri eventi di segnalazione che attivano la cascata delle caspasi (proteasi cistenil aspartato-specifiche) che a loro volta clivano diversi substrati nucleari e citoplasmatici che conducono alla morte della cellula (figura 2):2,3
Figura 2. Via intrinseca e via estrinseca dell’apoptosi.Nella via intrinseca (mitocondriale), la permeabilizzazione della membrana esterna mitocondriale (MOMP) provoca il rilascio del citocromo C e di altri fattori apoptogenici dai mitocondri nel citosol e la conseguente formazione dell’apoptosoma, che innesca l’attivazione della cascata delle caspasi, inducendo l’apoptosi attraverso attivazione della caspasi-9. Le interazioni tra le proteine della famiglia BCL-2 giocano un ruolo critico nell’induzione di MOMP mediazione e nella conseguente apoptosi. Le proteine attivatrici BH3-only (BIM e tBID) e le proteine sensibilizzatrici BH3-only (BAD) possono trasmettere segnali apoptotici ai mitocondri attraverso l’attivazione di BAX o BAK, i principali effettori della via apoptotica intrinseca. Al contrario, le proteine a nti-apoptotiche BCL-2 inibiscono l’apoptosi bloccando l’attivazione di BAX/BAK. Nella via estrinseca (recettore di morte), il legame dei recettori di morte come FAS o TRAIL (TRAILR1, TRAILR2) da parte dei ligandi affini innesca il reclutamento di proteine a dattatrici contenenti il d ominio di morte (DD) (FADD) e di pro-caspasi con un dominio dell’effettore di morte (DED), in particolare la procaspasi-8 e 10. Il complesso che ne deriva è noto come “complesso di segnalazione che induce la morte” (DISC). Livelli elevati di caspasi-8 attiva generati da grandi quantità di processamento della procaspasi-8 al DISC portano all’attivazione delle caspasi esecutrici, inclusa la caspasi-3, e all’induzione dell’apoptosi. L’attivazione della caspasi-8 può anche provocare la scissione della proteina BID BH3-only per generare il frammento attivato tBID, che serve a trasmettere il segnale di morte dalla via di segnalazione estrinseca a quella intrinseca.
Tratto da Fig. 1, ref. [3]
LA FAMIGLIA DI PROTEINE BCL-2
La via intrinseca (mitocondriale) dell’apoptosi è governata dalla famiglia di proteine BCL-2, che agiscono all’interno di una rete di interazioni proteina-proteina e proteina-membrana6
La famiglia BCL-2 può essere classificata in 3 sottofamiglie: 7
1. Proteine pro-sopravvivenza: inibiscono l’inizio dell’apoptosi
• appartengono a questa sottofamiglia le proteine MCL1, BCLxL (BCL2L1), BCL2A1 e BCLB, BCL-2
2. Proteine pro-apoptotiche: permeabilizzano la membrana esterna dei mitocondri rilasciando il citocromo C e attivando le caspasi che inducono l’apoptosi
• appartengono a questa sottofamiglia le proteine BAX e BAK
3. Proteine pro-apoptotiche BH3-only: antagonizzano l’attività di BCL-2 e altre proteine pro-sopravvivenza
• appartengono a questa sottofamiglia le proteine BIM, BID, NOXA, PUMA, BAD, HRK, BMF e BIK
I membri di questa famiglia sono strutturalmente e funzionalmente correlati e contengono fino a 4 regioni omologhe a BCL-2 (domini BH 1–4): 6
- Le proteine pro-sopravvivenza contengono rispettivamente 4 domini BH4
- Le proteine pro-pro-apoptotiche contengono rispettivamente 3 domini BH4
- Le proteine BH3-only condividono solo il dominio BH3 con gli altri membri della famiglia4
La modalità di interazione del dominio BH3 gioca un ruolo chiave nei meccanismi con cui le proteine BCL-2 regolano l’apoptosi3
Figura 3. Membri della famiglia BCL-2 e loro attivazione. La famiglia di proteine BCL-2 contiene domini BH funzionalmente conservati e può essere suddivisa in proteine effettrici pro-sopravvivenza, pro-apoptotiche BH3-only e pro-apoptotiche. TM, transmembrana.
Tratto da Fig. 1 ref. [4]
SCHEMA RIASSUNTIVO DELLA FAMIGLIA DI PROTEINE BCL-2
Figura 4. Le 3 sottofamiglie delle proteine BCL-2. La sottofamiglia BCL-2 promuove la sopravvivenza cellulare, mentre le sottofamiglie BAX e BH3-only promuovono l’apoptosi. BH1-BH4 (regioni di omologia 1–4) di BCL-2 sono sequenze con omologia a BCL-2 relativamente elevata. Tra le regioni α-elicoidali indicate in figura, la regione BH1/2/3 delle proteine BCL-2-like - e probabilmente quella del gruppo BAX - sono simili al recettore per il dominio BH3 dei ligandi proapoptotici. Molti membri della famiglia contengono un dominio transmembrana carbossi-terminale idrofobo (TM) che aiuta il targeting delle membrane intracellulari. In figura non sono mostrati gli altri membri della famiglia BCL-2 (BOO/DIVA, BCLRAMBO, BCL-G, BCL-B, BNIP3 e BFK) perché la loro funzione non è ancora chiara. Le proteine di C. elegans CED-9 ed EGL-1 vengono confrontate con le corrispondenti controparti dei mammiferi. NOXA murina contiene un secondo dominio BH3.
Tratto da Fig. 1, ref. [8]
EQUILIBRIO TRA I MEMBRI DELLA FAMIGLIA BCL-2
L’equilibrio tra le proteine pro-sopravvivenza e le proteine pro-apoptotiche contribuisce in maniera importante a determinare il destino di una cellula7
A seguito di stimoli apoptotici, le proteine pro-apoptotiche BH3-only sono sovraregolate e le proteine anti-apoptotiche sottoregolate, portando a un’alterazione nell’equilibrio delle proteine della famiglia BCL29
La distruzione di questo equilibrio, da parte di alterazioni cellulari che aumentano l’attività funzionale delle proteine anti-apoptotiche rispetto a quelle pro-apoptotiche, può consentire l’evasione del meccanismo di morte cellulare programmata spostando l’equilibrio a favore della sopravvivenza cellulare e quindi promuovere lo sviluppo o la progressione tumorale (figura 5)3
La sovraespressione di BCL2 e altri membri di questa famiglia di proteine, come BCL-XL (BCL2L1) e MCL1 è cruciale nella patogenesi della AML e risulta correlata alla resistenza alla chemioterapia citotossica e alle terapie target9
Figura 5. L’equilibrio tra le proteine anti-apoptotiche e pro-apoptotiche. Le proteine BCL-2 svolgono un ruolo chiave nel mediare il delicato equilibrio tra sopravvivenza e morte cellulare. La rottura di questo equilibrio da parte di alterazioni cellulari che aumentano l’attività funzionale delle proteine BCL-2 anti-apoptotiche rispetto alle proteine BCL-2 pro-apoptotiche può permettere l’evasione dell’apoptosi, che sposta l’equilibrio a favore della sopravvivenza cellulare e quindi promuove lo sviluppo e la progressione dei tumori.
Tratto da Fig. 2B, ref. [3]
RAZIONALE PER L’APOPTOSI COME TARGET TERAPEUTICO
Il targeting terapeutico delle vie apoptotiche può avvenire:9
- inducendo l’apoptosi, ripristinando la proteina p53 attiva o attivando i recettori di morte
- ripristinando le cascate di segnalazione a valle
Grazie al ruolo centrale nello sviluppo e nella progressione del cancro, nonché nei meccanismi di resistenza alla chemioterapia, la superfamiglia BCL-2 rappresenta un obiettivo terapeutico molto studiato10
AML E INIBIZIONE DI BCL-2
Le proteine anti-apoptotiche, tra cui BCL2, sono frequentemente sovraespresse nella AML e sono associate allo sviluppo di resistenza alla chemioterapia11
Questa osservazione ha portato allo sviluppo di mimetici BH3 che strutturalmente imitano le proteine BH3-only e sono in grado di legarsi alle proteine anti-apoptotiche, inibendo efficacemente la loro attività funzionale e inducendo l’apoptosi11
LA RESISTENZA E L’UTILIZZO DELLE TERAPIE MULTI-AGENT
La natura policlonale dell’AML rappresenta un fattore chiave della variabilità della risposta e dell’eventuale sviluppo di resistenza secondaria in molti pazienti11
Per tale motivo le terapie single agent non vengono considerate curative anche in presenza di una specifica target therapy poiché le mutazioni che possono emergere a seguito di un trattamento o l'espansione di subcloni resistenti possono indurre una recidiva11
La terapia multi-agent ha dimostrato di migliorare i tassi di risposta e gli outcome a lungo termine11
INIBIZIONE DI BCL-2: LA TERAPIA
Le terapie che hanno come target la famiglia di proteine BCL-2 rappresentano potenzialmente una valida strategia clinica per la gestione dell’AML12
Le proteine BCL-2 svolgono un ruolo chiave nel mediare il delicato equilibrio tra sopravvivenza e morte cellulare3
Alcuni trattamenti aumentano il priming di BCL-2 e di altre proteine anti-apoptotiche ovvero la capacità di legarsi alle loro controparti proapoptotiche (ad esempio BIM o BAX). Questi agenti sono per la combinazione perché aumentano la suscettibilità agli inibitori di BCL-26
PROSPETTIVE FUTURE
- In futuro i Clinici avranno accesso a un ventaglio di inibitori specifici di BCL-2, MCL-1, BCL-XL, BFL-1. Una delle maggiori sfide sarà selezionare il miglior schema di trattamento per ciascun paziente, soprattutto in quanto il regime ottimale può evolvere nel tempo, anche in ogni singolo paziente4
- Lo sviluppo di test genomici e/o funzionali in grado di identificare le proteine pro-sopravvivenza come target terapeutico, potranno permettere di selezionare la terapia più adeguata sia nelle fasi iniziali della malattia, sia in quelle successive4
CLICCA QUI PER SCARICARE LO SLIDE-KIT
CLICCA QUI PER SCARICARE LA BROCHURE
CLICCA QUI PER GUARDARE LA VIDEOINFOGRAFICA
Bibliografia
- Goldar S, Khaniani MS, Derakhshan SM, et al. Molecular mechanisms of apoptosis and roles in cancer development and treatment. Asian Pac J Cancer Prev. 2015;16(6):2129-44.
- Abou-Ghali M, Stiban J. Regulation of ceramide channel formation and disassembly: Insights on the initiation of apoptosis. Saudi J Biol Sci. 2015;22(6):760-72.
- Plati J, Bucur O, Khosravi-Far R. Apoptotic cell signaling in cancer progression and therapy. Integr Biol (Camb). 2011;3(4):279-96.
- Valentin R, Grabow S, Davids MS. The rise of apoptosis: targeting apoptosis in hematologic malignancies. Blood. 2018;132(12):1248-1264.
- Green DR, Llambi F. Cell Death Signaling. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2015;7(12):a006080.
- Leverson JD, Sampath D, Souers AJ, et al. Found in Translation: How Preclinical Research Is Guiding the Clinical Development of the BCL2-Selective Inhibitor Venetoclax. Cancer Discov. 2017;7(12):1376-1393.
- Roberts AW. Therapeutic development and current uses of BCL-2 inhibition. Hematology Am Soc Hematol Educ Program. 2020;2020(1):1-9.
- Cory S, Huang DC, Adams JM. The Bcl-2 family: roles in cell survival and oncogenesis. Oncogene. 2003;22(53):8590-607.
- Cassier PA, Castets M, Belhabri A, et al. Targeting apoptosis in acute myeloid leukaemia. Br J Cancer. 2017;117(8):1089-1098.
- McBride A, Houtmann S, Wilde L, et al. The Role of Inhibition of Apoptosis in Acute Leukemias and Myelodysplastic Syndrome. Front Oncol. 2019;9:192.
- Short NJ, Konopleva M, Kadia TM, et al. Advances in the Treatment of Acute Myeloid Leukemia: New Drugs and New Challenges. Cancer Discov. 2020;10(4):506-525.
- Konopleva M, Letai A. BCL-2 inhibition in AML: an unexpected bonus? Blood. 2018 Sep 6;132(10):1007-1012.
IT-ONCA-220004