Il cancro deriva da una combinazione di mutazioni genetiche e alterazioni epigenetiche che disturbano il normale comportamento cellulare. Mentre i cambiamenti genetici comportano modifiche dirette alla sequenza del DNA, modifiche epigenetiche, come la metilazione del DNA, possono regolare l'attività del gene senza alterare il codice sottostante.

Comprendere la metilazione del DNA

La metilazione del DNA è un processo biochimico in cui un gruppo metilico viene aggiunto al quinto carbonio di una base citosina, tipicamente all'interno del contesto di un dinucleotide del CpG (una citosina seguita da una guanina). Questa reazione è catalizzata da una famiglia di enzimi noti come DNA metiltrasferi (DNMTs), tra cui DNMT1, DNMT3A.

I modelli di metilazione sono stabiliti durante lo sviluppo embrionale precoce e sono fedelmente mantenuti attraverso la divisione cellulare. Questo segno epigenetico svolge un ruolo fondamentale in inattivazione cromosoma X, impronta genomica, e la semplificazione di elementi ripetitivi. Nelle cellule somatiche, circa il 60-80% dei siti CpG sono metilati, ma le isole CpG nei pressi di promotori di geni attivi rimangono per lo più non metilati.

Motivi di metilazione nella funzione cellulare normale

Ruolo in sviluppo e differenziazione

Durante l'embriogenesi, le onde di dimetilizzazione globale e la rimetilizzazione scolpiscono l'epigeno, consentendo alle cellule di adottare identità distinte. I modelli di metilazione-specifica del tessuto aiutano i geni inappropriati della lineage del silenzio, mantenendo l'espressione di quelli richiesti per una funzione specializzata. Ad esempio, le cellule staminali pluripotenti hanno un genoma relativamente aperto, ipometilizzato, mentre le cellule differenziate mostrano regioni genetiche a sviluppo.

Impronta genomica

I geni stampati sono espressi in modo specifico per i genitori-di-origine, un modello controllato dalla metilazione differenziale nelle regioni di controllo di impronta. Questo meccanismo assicura che solo una copia di alcuni geni sia attiva, e gli errori nell'imprinting possono portare a disturbi dello sviluppo come la sindrome di Beckwith-Wiedemann e predispongono anche ai tumori infantili come il tumore di Wilms.

Motivi di metilazione nel cancro

Nel cancro, il normale paesaggio di metilazione è profondamente disturbato. I tumori espongono due classi principali di metilazione aberrante: ipermetilizzazione delle isole CpG a promotori di geni soppressori tumorali e l'ipometilazione globale]] attraverso il genoma.

Ipermetilizzazione e Suppressore Tumor Suppressor Slencing

L'ipermetilizzazione delle isole CpG nelle regioni promotrici dei geni del soppressore del tumore porta alla loro trascrizione, rimuovendo efficacemente i freni critici sulla proliferazione cellulare.

  • p16]INK4a[ (CDKN2A): Spesso metilato in molti tumori solidi, tra cui polmone, seno e tumori colorettali, che portano alla perdita del controllo del ciclo cellulare.
  • BRCA1[]: L'ipermetilizzazione del promotore BRCA1 si trova in un sottoinsieme di tumori del seno e dell'ovario, causando un fenotipo simile alle mutazioni ereditarie BRCA1.
  • MLH1[]: La metilazione di MLH1 è una causa comune di instabilità microsatellitare nei tumori sporadici del colorettale, dell'endometriale e gastrico.
  • MGMT[]: La selenziazione di questo gene di riparazione del DNA attraverso la metilazione del promotore è frequente in gliomas e può influenzare la risposta alla chemioterapia alchilante.

Questi esempi illustrano come il silenziamento epigenetico può disabilitare i percorsi del soppressore del tumore senza richiedere una mutazione della sequenza del DNA, offrendo un percorso alternativo all'oncogenesi.

Ipometilazione globale e instabilità genomica

Mentre l'ipermetilizzazione colpisce loci specifici, molti tumori mostrano anche una diffusa perdita di metilazione, in particolare nelle sequenze ripetitive, remotrasposoni e corpi genici. L'ipometilizzazione può attivare oncogeni latenti (ad esempio, R-RASentro]], ]]]S100A4

Impatto sull'Espressione Genetica e sulle Percorsi Cellulari

I modelli di metilazione altered non si limitano a accendere o spegnere i geni; possono rimodellare intere reti di segnalazione. Ad esempio, l'ipermetilizzazione del CDH1]] promotore (codifica E-cadherin) riduce l'adesione cellulare, promuovendo l'invasione e la metastasi.

L'interazione tra metilazione e altre modifiche epigenetiche, come l'acetilazione istone, modula ulteriormente la struttura della cromatina e l'accessibilità del gene.

Motivi di metilazione come biomarcatori

Poiché le alterazioni della metilazione del DNA si verificano presto, sono stabili e possono essere rilevate nei fluidi corporei (sangue, urina, sgabello), sono biomarcatori attraenti per il rilevamento del cancro, la stratificazione del rischio e il monitoraggio.

  • SEPT9]] metilazione nel plasma per la screening del cancro del colon-retto.
  • MGMT]] stato di metilazione in glioblastomi per prevedere la risposta alla temozolomide.
  • RASSF1A[] e APC[]] pannelli di metilazione studiati per il rilevamento del cancro al seno e del polmone.

Oltre a saggi monologhi, la profilazione metilazione su scala genoma può classificare i tumori in sottotipi distinti con differenti prognosi e vulnerabilità terapeutiche. Ad esempio, il CpG Island Methylator Phenotype (CIMP)[ identifica un sottoinsieme di tumori colorettali con una vasta ipermetilizzazione e caratteristiche cliniche distinte.

Terapie epigenetiche miranti alla metilazione

Inibitori del DNA Methyltransferase

Il trattamento farmacologico della metilazione aberrante è emerso come una strategia terapeutica praticabile. Due inibitori DNMT, 5-azacitidina (azacitidina) e 5-aza-2"-deoxycytidine (decitabina), sono approvati dalla sindrome UplasticMactiv.

Approcci di combinazione e resistenza

Le risposte cliniche agli inibitori del DNMT mono-agenti sono spesso transienti, che sollecitano la ricerca in terapie combinate. Co-amministrazione con gli inibitori del tumore della deacetilasi istone (HDAC), come il vorinostato, può migliorare la riattivazione del gene. Inoltre, combinando agenti dismetilanti con gli inibitori del punto di controllo immunitario (ad esempio, PD-1/PD-L1 bloccaggio)

Le direzioni future nella ricerca di metilazione

Modifica di Epigenome

I progressi compiuti negli strumenti basati su CRISPR permettono ora la metilazione mirata o la demetilizzazione a specifici loci genomici. La fusione di un Cas9 cataliticamente morto (dCas9) con DNMT3A o TET1 consente una manipolazione precisa dei modelli di metilazione.

Biopsia liquida e rilevamento precoce

Le firme di metilazione nel DNA del tumore circolante (ctDNA) sono state sviluppate per i test di rilevamento precoce multi-cancro. Questi saggi possono identificare il tessuto di origine e prevedere i mesi di recidiva prima che compaiano i segni clinici. Ad esempio, il Galleri test[] da GRAIL utilizza i modelli di metilazione per rilevare oltre 50 tumori da un'un'a estrazione del sangue unico.

Intelligenza artificiale nell'analisi della metilazione

Gli algoritmi di apprendimento automatico sono sempre più applicati ai dataset di metilazione su larga scala per scoprire nuovi biomarcatori, prevedere i risultati del paziente e stratificare le risposte di trattamento. Questi strumenti possono integrare i dati di metilazione con transcriptomics, profili di mutazione e variabili cliniche, fornendo un quadro completo dell'epigeno di ogni tumore.

Conclusioni

La metilazione del DNA svolge un ruolo indispensabile nello sviluppo normale e nell'identità cellulare, ma la sua interruzione è una caratteristica quasi universale del cancro. Promuovere ipermetilizzazione silenzi i geni soppressore del tumore, mentre l'ipometilizzazione globale promuove l'instabilità genomica e l'attivazione dell'oncogene. Questi modelli di metilazione servono come potenti biomarcatori per l'epilazione precoce, la prognosi e la previsione del trattamento e la prediscenza e la prevenzione del trattamento, e rappresentano obiettivi di trattamento e rappresentano obiettivi di elaborazione del cancro.