Si può localizzare una mutazione legata al cancro? Teach article

Tradotto da Kalina K.Stantcheva. In che modo si sviluppa il cancro, e come fanno i genetisti ad affermare che una cellula è cancerosa? Questa attività di insegnamento sviluppata dal Communication and Public Engagement team del Wellcome Trust Sanger Institute, UK, risponde a questa e ad altre…

Tutti i tipi di cancro hanno origine da cambiamenti nella sequenza di DNA in alcune delle nostre cellule. Il materiale genetico all’interno delle cellule è esposto all’azione di mutageni come le radiazioni UV, per cui può accumulare errori durante la replicazione. A volte, una di queste mutazioni può alterare la funzione di un gene chiave, avvantaggiando la crescita della cellula in cui ha avuto luogo e di quelle da essa derivanti; il tasso di divisione di queste cellule sarà maggiore rispetto a quelle che le affiancano.

Gradualmente, il DNA acquisirà altre mutazioni che possono portare alla distruzione di altri geni chiave, risultando in cellule ad alto tasso di crescita ed invasività. Il risultato è la formazione di un tumore, l’invasione del tessuto circostante e, alla fine, la formazione di metastasi, cioè la diffusione del cancro in altre parti del corpo.

Figura 1: Un gene
oncosoppressore
normalmente impedisce la
crescita ed il ciclo cellulare.
Affinchè possa portare al
cancro, entrambe le copie del
gene devono essere mutate
(evidenziato in rosso).
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concessa da the Wellcome
Trust Sanger Institute
Communication and Public
Engagement team

I geni che, quando mutati, portano allo sviluppo di un cancro sono chiamati “geni connessi al cancro”.

I geni oncosoppressori (tumor suppressor genes – TSGs; Figura 1) codificano per proteine che normalmente rallentano la crescita cellulare, impedendo la divisione cellulare quando non è necessaria o promuovendo l’apoptosi (morte cellulare programmata) nel caso in cui il DNA della cellula sia danneggiato. Entrambe le copie di un gene oncosoppressore dovrebbero essere inattivate da una mutazione affinchè il controllo del ciclo cellulare venga meno. Se vi è una copia funzionale¸ il “freno” alla crescita cellulare rimane.

Figura 2: I Proto-oncogeni
normalmente promuovono la
crescita e la divisione
cellulare in maniera
controllata. Una mutazione in
una copia del gene
(evidenziato in rosso) può
essere sufficiente per
promuovere lo sviluppo del
cancro. Cliccare
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concessa da the Wellcome
Trust Sanger Institute
Communication and Public
Engagement team

I proto-oncogeni, al contrario, codificano per proteine che promuovono la divisione e differenziazione cellulare (specializzazione). Quando questi geni acquisiscono mutazioni che rendono le proteine perennemente attive o impediscono la regolazione dell’attività genica, essi diventano oncogeni, promuovono cioè la crescita e la divisione cellulare incontrollata. Per i proto-oncogeni, una mutazione in una sola copia del gene può essere sufficiente per innescare lo sviluppo di un cancro.

Ogni singolo caso di cancro è causato da un unico set di mutazioni nei proto-oncogeni e/o oncosoppressori. Nonostante il numero esatto non sia ancoro noto, si pensa che siano necessarie cinque o più mutazioni nei geni connessi al cancro affinchè una cellula (e le cellule che da essa derivano) diventi cancerosa.

KRAS (pronunciato kay-rass) è un proto-oncogene che codifica per la proteina KRAS, una proteina segnale intracellulare coinvolta nella promozione della crescita cellulare (per distinguere i geni dalle proteine, i nomi dei geni sono per convenzione scritti in italics). L’esercitazione descritta qui di seguito permette agli studenti di utilizzare dati genomici reali provenienti dal Progetto Genoma Canro (Cancer Genome Projectw1) per studiare mutazioni comuni nel gene KRAS associate ad oncogenesi (formazione del tumore) e allo sviluppo di tumori pancreatici, colorettali, polmonari ed altri. Sviluppata originariamente per visite di studenti delle scuole al Sanger Institutew2, l’attività è stata resa accessibile attraverso il sito Yourgenome.orgw3. Recentemente essa ha costituito parte del primo corso di bioinformatica per insegnanti europei condotto da ELLSw4 presso l’European Bioinformatics Institutew5 in Hinxton, UK. L’attività, nel suo insieme, stimola la discussione circa le cause dell’insorgenza del cancro, la funzione delle mutazioni geniche, la struttura e la funzione delle proteine.

L’esercitazione su KRAS

Durata stimata: 45-60 minuti (con presentazione e discussione)

Figura 3: Il foglio con la
sequenza del gene KRAS.
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concessa da the Wellcome
Trust Sanger Institute
Communication and Public
Engagement team

Materiale

Tutto il materiale richiesto per svolgere l’attività può essere scaricato gratuitamente dal sito Yourgenome.org, sia singolarmente che come file zip compressow6.

Figura 4: Utilizzate il
diagramma circolare per
tradurre i codoni del DNA in
amminoacidi. Per decodificare
un codone trovate la prima
lettera della vostra sequenza
nel cerchio più interno e poi
procedete esaminando i
cerchi più esterni per trovare
l’amminoacido
corrispondente. Per esempio,
CAT codifica per H (istidina).
Notare che questo
diagramma utilizza i codoni
senso del DNA (da 5’verso
3’). Cliccare sull’immagine
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concessa da C Brooksbank,
European Bioinformatics
Institute
  • Un insieme di 11 fogli di lavoro (KRAS_student_wsheet.pdf) – un foglio di lavoro per coppia o per gruppo di studenti. Una versione alternativa è disponibile per stampanti in bianco e nero o per l’utilizzo da parte di studenti daltonici. Per gruppi numerosi (20 o più persone), usare 2 insiemi di fogli di lavoro.
  • Un cartellone con la sequenza del gene KRAS (KRAS_gene_banner.pdf) per l’intera classe, ed un foglio con il gene KRAS (KRAS_genesheet_yg.pdf; Figura 3) per ogni gruppo di studenti. Il foglio con il gene (stampato in formato A3 o A4) necessita di un breve tempo di preparazione. Il cartellone con KRAS, stampato su diversi fogli di carta che devono poi essere attaccati, rende possibile visualizzare i risultati di tutta la classa simultaneamente.
Figura 5: L’mRNA è
sintetizzato dal filamento
antisenso del DNA. Il
filamento senso del DNA,
utilizzato in questa
esercitazione, ha la stessa
sequenza del corrispondente
filamento di mRNA, fatta
eccezione per la T che è
sostituita da una U. Cliccare
sull’immagine per ingrandirla

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concessa da Cleopatra
Kozlowski
  • Un diagramma circolare che permette di associare un amminoacido ad ogni codone (KRAS_codon_wheel.pdf) o qualsiasi altra tavola per decifrare i codoni del DNA, da 5’ a 3’) per gruppo (vedere figure 4 e 5)
  • Un foglio riassuntivo (KRAS_ data_sheet.pdf) per gruppo
  • Penne

Per usare il cartellone ci sarà bisogno di grandi frecce per localizzare le mutazioni nella sequenza del gene, quadrati per marcare le regioni che sono state controllate (KRAS_annotations.pdf), e adesivi riutilizzabili (per esempio Blu Tack®) per attaccare frecce e quadrati sul cartellone della sequenza genica. Per maggiori informazioni su come utilizzare questo metodo leggete le annotazioni per gli insegnanti scaricabili dal sitow6.

Inoltre, potrebbe essere utile avere a portata di mano modelli di DNA, peptidi e/o proteine ed utilizzare le animazioni riguardanti il cancro del Wellcome Trust Sanger Institute (Cancer: Rogue cells e Role of cancer genes) presenti sul sito dell’esercitazione riguardante KRASw6.

Introduzione all’esercitazione

La presentazione “Investigating cancer” (disponibile onlinew6) fornisce agli studenti un idea generale sul cancro. Introduce il concetto che il cancro si sviluppa in seguito ad anormalità nella sequenza del DNA, spiega le varie cause di queste mutazioni e introduce le esercitazioni e le attività. Numerose parti della presentazione incoraggiano gli studenti alla discussione (vedere le annotazioni sulla presentazionew6).

Figura 6: Esempio di un
foglio di lavoro per gli
studenti. Cliccare
sull’immagine per ingrandirla

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concessa da the Wellcome
Trust Sanger Institute
Communication and Public
Engagement team

Nella prima parte dell’esercitazione gli studenti devono identificare le differenze tra la sequenza del gene KRAS in cellule sane e tumorali sui loro fogli di lavoro e segnarle sul cartellone di KRAS o sul foglio con la sequenza del gene.

I fogli di lavoro contengono i grafici della sequenza di DNA di KRAS di campioni cellulari sani e cancerosi, rappresentati da un insieme di linee colorate, una per ogni regione del gene. Le quattro basi sono rappresentate su questi grafici da 4 colori diversi. Ogni picco colorato rappresenta una singola base di DNA:

Rosso: T

Verde: A

Blu: C

Nero: G (originariamente questi picchi sono gialli ma questo colore non è facilmente leggibile sulla carta)

In totale ci sono 11 fogli di lavoro numerati, ognuno rappresentante 2 diverse regioni del gene KRAS. Le sei mutazioni tipiche del gene KRAS si trovano sui fogli da uno a sei, per cui assicuratevi di mischiare i fogli prima di distribuirli alla classe. Devono essere tutti completi per assicurare una copertura totale del gene. È importante puntualizzare davanti agli studenti che le mutazioni sono (relativamente) rare, per cui non tutti ne troveranno una; questo fatto può essere utilizzato per discutere l’importanza dei dati negativi e di un’analisi esauriente negli studi scientifici.

Identificazione delle mutazioni

Figura 7: Identificazione di
mutazioni nella
sequenza.Cliccare
sull’immagine per ingrandirla

Utilizzando i fogli di lavoro, gli studenti confronteranno una parte di sequenza di DNA di una cellula sana con quella di una cellula tumorale presa dallo stesso paziente. Il modo più semplice per verificare se è avvenuta una mutazione è quello di scrivere la sequenza di DNA sotto i picchi colorati (sul foglio c’è una legenda) e comparare le sequenze scritte.

Se una delle lettere appare diversa (il picco ha cambiato colore), vuol dire che vi è una mutazione nella sequenza. Nella Figura 7 (a destra), la A nella sequenza di DNA presa dalla cellula sana è stata sostituita da una G nella cellula tumorale.

Figura 9: Annotazione delle
regioni geniche che sono
state controllate e di ogni
mutazione

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concessa da the Wellcome
Trust Sanger Institute
Communication and Public
Engagement team
Figura 8: Una mutazione
eterozigote. Cliccare
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Per gentile concessione di the
Wellcome Trust Sanger
Institute Communication and
Public Engagement team

Se gli studenti trovano un doppio picco in corrispondenza di una singola base, entrambe le basi presenti in quella posizione devono essere annotate, una sopra l’altra. Nella Figura 8, la sequenza del DNA sano mostra una G, mentre la sequenza tumorale mostra sia una G che una C. Non si tratta di un’inserzione ma piuttosto di una mutazione eterozigote dove solo in una copia del gene la C ha sostituito la G. In questo caso la sequenza tumorale ha una C al posto della G.

Tutti gli studenti devono indicare le regioni geniche che hanno controllato contrassegnando la parte in questione sul foglio dove è illustrata la sequenza del gene (vedi Figura 9, a sinistra).

Gli studenti che trovano una mutazione devono indicare la base specifica cerchiandola sul foglio (vedi Figura 9) ed annotare in quale codone si trova (in questo esempio, il codone 12).

Gli studenti devono inoltre riempire la tabella in fondo al foglio di lavoro, utilizzando il diagramma circolare per tradurre la sequenza di DNA in amminoacidi, come mostrato nella Tabella 1:

Numero dell’amminoacido Sequenza di DNA della cellula sana Sequenza di DNA della cellula tumorale Amminoacido nella cellula sana Amminoacido nella cellula tumorale
Tabella 1: Annotazioni delle mutazioni sui fogli di lavoro individuali
12 GGT GTT Glicina (G) Valina (V)

Quando tutte le mutazioni sono state individuate, segnarle sul foglio riassuntivo dei dati (vedi Tabella 2).

Numero dell’amminoacido Sequenza di DNA della cellula sana Sequenza di DNA della cellula tumorale Amminoacido nella cellula sana Amminoacido nella cellula tumorale
Tabella 2: Mutazioni annotate sul foglio riassuntivo dei dati
12 GGT GTT G (glicina) V (valina)
13 GGC GAC G (glicina) D (acido aspartico)
30 GAC GAT D (acido aspartico) D (acido aspartico)
61 CAA CGA Q (glutammina) R (arginina)
146 GCA CCA A (alanina) P (prolina)
173 GAT GAC D (acido aspartico) D (acido aspartico)

Discussing the results

The results above are all single base substitutions. These mutations within the protein-coding region of the KRAS gene may be classified into one of three types, depending on the information encoded by the altered codon.

  • Silent mutations code for the same amino acid.
  • Missense mutations code for a different amino acid.
  • Nonsense mutations code for a stop and can truncate the protein.

Discuss whether the mutations are significant – will they have an impact on protein function or are they ‘silent’? In this activity, codons 30 and 173 are silent and therefore do not have a functional impact.

Numero dell’amminoacido Sequenza di DNA della cellula sana Sequenza di DNA della cellula tumorale Amminoacido nella cellula sana Amminoacido nella cellula tumorale Tipo di mutazione Significativa si / no
Tabella 3: Annotazione del tipo di mutazione sul foglio riassuntivo dei dati
12 GGT GTT G (glicina) V (valina) Puntiforme (senso errato) si
13 GGC GAC G (glicina) D (acido aspartico) Puntiforme (senso errato) si
30 GAC GAT D (acido aspartico) D (acido aspartico) Puntiforme (silente) no
61 CAA CGA Q (glutammina) R (arginina) Puntiforme (senso errato) si
146 GCA CCA A (alanina) P (prolina) Puntiforme (senso errato) si
173 GAT GAC D (acido aspartico) D (acido aspartico) Puntiforme (silente) no
Figura 10: Rappresentazione
3D della proteina KRAS. Gli
amminoacidi 12 (blu), 13
(giallo), 61 (arancione) e 146
(rosa) sono quelli che
portano le mutazioni

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concessa da the Wellcome
Trust Sanger Institute
Communication and Public
Engagement team, created with
RasMol

La presentazione contiene un’immagine 3D della proteina KRAS da riempire (Figura 10, a destra); le diapositive 26-30 mostrano dove si trovano le mutazioni significative all’interno della proteina e potrete notare che si trovano tutte nella stessa regione. I codoni 12, 13 e 61 sono state le prime mutazioni ad essere associate a trasformazioni oncogeniche nella proteina KRAS; la mutazione 146 è stata scoperta solo nel 2005. Potete utilizzare queste diapositive per discutere l’impatto che le mutazioni potrebbero avere sulla struttura e sulla funzione della proteina KRAS.

Come esercitazione opzionale, gli studenti possono utilizzare RasMol, il software di modellazione molecolare che è stato usato per creare le immagini delle diapositive 26-30, per evidenziare all’interno della struttura proteica gli amminoacidi mutati. Vedi le note per gli insegnantiw6 per ulteriori dettagli.

In che modo un’informazione come questa influenza il nostro approccio al cancro?

Le note per gli insegnantiw6 contengono una grande quantità di informazioni di base che, sfruttando KRAS come esempio, possono stimolare la discussione su come l’informazione genetica possa essere utilizzata per capire più a fondo il cancro e per sviluppare trattamenti per esso. I punti di discussione per gli studenti sono i seguenti:

  • Quali esperimenti o approcci potrebbero essere usati per stabilire in quali tipi di cancro sono coinvolte le mutazioni di KRAS?
  • Quali potrebbero essere i vantaggi di avere questa informazione?
  • Il cancro è una malattia genetica: è il risultato di cambiamenti nella sequenza del DNA. É questo il motivo per cui molte persone credono che finanziare la ricerca nel campo della genetica del cancro sia il miglior modo per sviluppare nuovi trattamenti per tale malattia. Sia i nuovi trattamenti per i tumori che l’assistenza ai pazienti richiedono una grande quantità di soldi (il Servizio Sanitario Nazionale della Gran Bretagna ha speso nel 2000 più di 2 miliardi di sterline solo in questo ambito). In cosa e come gli studenti pensano che debbano essere spesi i soldi?

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Web References

  • w1 – Per saperne di più sul Progetto Genoma Cancro (Cancer Genome Project) presso il Wellcome Trust Sanger Institute potete visitare il sito: www.sanger.ac.uk/genetics/CGP
  • w2 – Per saperne di più sul Wellcome Trust Sanger Institute a Hinxton, UK, uno dei leader del Progetto Genoma Umano (Human Genome Project), visitate il sito: www.sanger.ac.uk
  • L’Istituto offre l’accesso a classi delle scuole, ad insegnanti ed al pubblico in generale, ed anche supporto all’insegnamento ed ulteriori opportunità di coinvolgimento nelle attività. Visitate: www.sanger.ac.uk/about/engagement
  • w3 – Il sito Yourgenome.org è stato creato dal Sanger Institute per stimolare l’interesse e la discussione sulla ricerca genetica. Comprende una sezione di risorse per insegnanti, varie e ben sviluppate, inclusa l’esercitazione presentata in questo articolo. Visitate: www.yourgenome.org
  • w4 – L’ European Learning Laboratory for the Life Sciences (ELLS) presso l’European Molecular Biology Laboratory fornisce corsi di aggiornamento professionale (LearningLABs) in biologia molecolare per insegnanti europei di scienze delle scuole secondarie. Nel marzo 2010, ELLS ha condotto il primo corso (LearningLABs) di bioinformatica per insegnanti presso l’Istituto Europeo di Bioinformatica (European Bioinformatics Institute) in UK. Per informazioni sui corsi ELLS, visitate: www.embl.org/ells
  • w5 – Per maggiori informazioni sull’Istituto Europeo di Bioinformatica (European Bioinformatics Institute), visitate: www.ebi.ac.uk
  • w6 – Per scaricare tutto il materiale per l’esercitazione riguardante KRAS e per maggiori informazioni di base, andate su: www.yourgenome.org/teachers/kras.shtml

Resources

Siti web di consultazione e discussione per gli studenti

  • Il sito web del Cancer Research UK offre informazioni accessibili sui tutti i tumori più frequenti e sulla ricerca in corso. Visitate: http://info.cancerresearchuk.org/cancerandresearch
  • Il sito web di The Scientist ha una sezione che si occupa di tumori, contenente gli articoli più recenti sui progressi della ricerca sul cancro e animazioni interattive che illustrano le funzioni dei farmaci a bersaglio contro il cancro. Visitate: www.newscientist.com/topic/cancer
  • Nature Milestones in Cancer offre una selezione di reviews ed una biblioteca online di articoli su ricerche recenti del Nature Publishing Group, disponibili come PDF. Contiene inoltre una cronologia in cui sono mostrate le pietre miliari della ricerca sul cancro. Visitate: www.nature.com/milestones/milecancer
  • Il sito web Inside Cancer multimedia creato dal DNA Learning Center offre una guida multimediale alla biologia, alla diagnosi e alla cura del cancro. Visitate: www.insidecancer.org

Articoli su scoperte recenti

  • Il sito web della BBC News ha pubblicato un interessante articolo su come gli hotspots genetici recentemente scoperti per il cancro all’intestino possano aiutare i medici a curare meglio tale malattia. Visitate: http://news.bbc.co.uk o utilizzate il link diretto: http://tinyurl.com/28o7zgf
  • Sample I (2009) First cancer genome sequences reveal how mutations lead to disease. The Guardian. Visitate www.guardian.co.uk o utilizzate il link diretto: http://tinyurl.com/yeknj5x
  • Roberts M (2009) Scientists crack ‘entire genetic code’ of cancer. BBC News. Visitate http://news.bbc.co.uk o utilizzate il link diretto: http://tinyurl.com/yb59qcz
  • Questo articolo include una video intervista con il Professor Mike Stratton, capo del Progetto Genoma Cancro (Cancer Genome Project).

Letture di approfondimento

  • Friday BB, Adjei AA (2005) K-ras as a target for cancer therapy. Biochimica et Biophysica Acta – Reviews on Cancer 1756(2): 127-144. doi: 10.1016/j.bbcan.2005.08.001
  • Futreal A et al. (2004) A census of human cancer genes. Nature Reviews Cancer 4: 177-183. doi: 10.1038/nrc1299
    • La versione dell’autore di questo articolo può essere liberamente vista online. Visitate: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc or use the direct link: http://tinyurl.com/3x5hah6
    • Per un catalogo completo delle mutazioni somatiche legate al cancro (COSMIC) descritte nel suddetto articolo e creato dal Progetto Genoma Cancro, visitate: www.sanger.ac.uk
  • Stratton MR, Campbell PJ, Futreal AP (2009) The cancer genome. Nature 458: 719-724. doi: 10.1038/nature07943
  • Per maggiori informazioni su come le mutazioni genetiche causano malattie, leggete:
  • Per un’intervista con Joan Massagué, un ricercatore che si occupa di cancro, leggete:
  • Per una discussione da svolgere in classe sull’etica del conoscere cosa i tuoi geni hanno in serbo per te, inclusa la possibilità di avere il cancro, leggete:

Author(s)

Il Communication and Public Engagement programme del Wellcome Trust Sanger Institute comunica la natura, le scoperte e i prodigi della scienza e le sue implicazioni per gli individui e la società. Esso cerca di rendere accessibile la complessa ricerca biomedica ad un pubblico vario, inclusi gli studenti delle scuole ed i loro insegnanti, attraverso un programma di visite, una serie di collaborazioni, ed il sito web Yourgenome.orgw3. Per maggiori informazioni sul programma, visitate: www.sanger.ac.uk/about/engagement; Per contattare il gruppo, mandate una email a pubengage@sanger.ac.uk.


Review

Le attività di insegnamento descritte in questo articolo hanno lo scopo di coinvolgere attivamente gli studenti di biologia della scuola secondaria nella ricerca di mutazioni che potrebbero potenzialmente portare allo sviluppo di un cancro, utilizzando dati genomici veri. La procedura non è esattamente sperimentale, per cui non sono necessari dei veri strumenti di laboratorio. Si tratta piuttosto di una ricerca di tipo teorico basata su dati autentici. Tutto il materiale richiesto per portare avanti l’attività, insieme ad indicazioni dettagliate, può essere scaricato gratuitamente dal sito web del programma.

Oltre a descrivere i vari passi dell’attività, l’articolo ed il sito web di supporto, includono informazioni importanti su cosa è il cancro, cosa lo causa, come si sviluppa e come l’informazione genetica possa essere utile nello sviluppo di una cura. Inoltre, numerosi punti di discussione sono suggeriti per implementare la comprensione del cancro da parte degli studenti.


Michalis Hadjimarcou, Cipro




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