La genomica del cancro al cervello

Nel 2016, l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha annunciato un nuovo approccio alla classificazione del glioma, la forma predominante di cancro al cervello negli adulti. Piuttosto che offrire una diagnosi principalmente sulla base dell’aspetto delle cellule in un tumore, come avevano fatto le precedenti linee guida dell’OMS, la rubrica aggiornata si basa sull’analisi del genoma del tumore.

Lo schema OMS ordina le persone con glioma in gruppi diagnostici in base alla presenza di due alterazioni genetiche. Una è una mutazione nei geni appartenenti a una famiglia che codifica l’enzima isocitrato deidrogenasi (IDH), che aiuta le cellule a produrre energia. L’altra è la perdita di due pezzi specifici del genoma, un fenomeno noto come una co-delezione. Insieme, queste alterazioni forniscono potenti informazioni sulla prognosi di un paziente (le persone con entrambe le mutazioni IDH e la co-delezione hanno il miglior risultato, mentre quelle con nessuna delle due sono le peggiori), così come indizi su quali trattamenti potrebbero essere adatti.

“I gliomi sono un grande esempio di dove la diagnosi genetica molecolare ha davvero fatto la differenza nella cura del paziente”, dice Robert Jenkins, un genetista del cancro alla Mayo Clinic di Rochester, Minnesota. “La conoscenza dei diversi sottotipi è molto più avanzata nei tumori cerebrali rispetto ad altri tipi di cancro.”

Grazie a numerosi studi di sequenziamento del genoma su larga scala, la conoscenza della genetica dei tumori cerebrali va ben oltre le due alterazioni diagnostiche. Mutazioni in centinaia di geni sono state identificate nei gliomi. Ora, le sfide includono il dipanarsi dei meccanismi biologici che causano questi cambiamenti, capire quali dei cambiamenti influenzano la prognosi di una persona e la risposta alla terapia, e come, e capire perché le alterazioni tendono a verificarsi in determinati modelli. “Non è sufficiente catalogare le mutazioni”, dice Benjamin Deneen, un biologo del cancro al Baylor College of Medicine di Houston, Texas. “È importante decodificare ciò che tutto ciò significa. E ora siamo nell’era della decodifica.”

Sono stati identificati i colpevoli

Anche prima che fosse disponibile l’analisi molecolare dei sottotipi di tumore, i neuro-oncologi sapevano che le persone con un tipo di glioma chiamato oligodendroglioma tendono a rispondere meglio alla chemioterapia e hanno una prognosi complessivamente migliore di quelle con un altro tipo di glioma chiamato astrocitoma. Inizialmente, questi due gliomi erano differenziati dal loro aspetto e da altre caratteristiche cliniche: per esempio, gli oligodendrogliomi comprendono cellule con una forma distintiva che ricorda un uovo fritto, e gli astrocitomi tendono a presentarsi in pazienti più giovani.

Ma fare questa distinzione è più un’arte che una scienza. I gliomi possono contenere cellule che condividono alcune caratteristiche di entrambi. Possono anche contenere un mix di cellule simili agli oligodendrocitomi e agli astrocitomi. Diversi neuropatologi avevano diverse abitudini di diagnosi: alcuni assegnavano raramente i tumori alla categoria degli oligodendrocitomi, mentre altri lo facevano prontamente.

Poi, alla fine degli anni 2000, i ricercatori guidati da Bert Vogelstein della Johns Hopkins University di Baltimora, Maryland, scoprirono mutazioni nel gene IDH1 in circa il 12% delle persone con un tipo di glioma noto come glioblastoma multiforme (GBM)1 – solitamente una delle forme più aggressive di cancro al cervello. Coloro che avevano tali mutazioni erano più propensi a contrastare la triste tendenza della malattia per la sopravvivenza a lungo termine. Spinto da questa scoperta, il team ha esaminato altri tipi di glioma ed è stato di nuovo in grado di identificare mutazioni IDH1 in una parte di quelli testati.

“Abbiamo scoperto che i pazienti che hanno una migliore sopravvivenza hanno tutti le mutazioni IDH1”, dice Hai Yan, un neuro-oncologo della Duke University School of Medicine di Durham, North Carolina. Ben presto, le mutazioni in un gene strettamente correlato, IDH2, sono state trovate anche a presagire tempi di sopravvivenza più lunghi.

Nel frattempo, un altro marcatore predittivo per il glioma stava emergendo da studi di anomalie che colpiscono grandi porzioni del genoma. Nei primi anni ’90, i ricercatori guidati da Jenkins scoprirono che ad alcuni gliomi mancava una porzione del cromosoma 192. Più o meno nello stesso periodo, un gruppo internazionale di ricercatori identificò una porzione del cromosoma 1 che a volte mancava in questi tumori3. Entrambe le alterazioni erano associate a una prognosi migliore.

Un paio di anni dopo, i ricercatori stabilirono che le due alterazioni si verificavano quasi sempre insieme4 – un modello che divenne noto come co-delezione 1p e 19q. Jenkins ha anche lavorato con un team di ricercatori degli Stati Uniti e del Canada per dimostrare che le persone con glioma che rispondevano alla chemioterapia procarbazina-lomustina-vincristina tendevano ad avere tumori che portavano la co-delezione 1p e 19q. Questa è diventata una delle prime prove che i marcatori molecolari nel cancro al cervello potrebbero essere utilizzati per guidare le decisioni sul trattamento.

L’enigma della classificazione

La scoperta di questi marcatori molecolari ha rivoluzionato la diagnosi del glioma e affinato le categorie, un tempo confuse, che sono utilizzate per aiutare a determinare la prognosi. “Invece di classificare i pazienti in base all’aspetto dei loro vetrini, possiamo classificarli con molta più certezza in base all’alterazione molecolare”, dice Cameron Brennan, un neurochirurgo del Memorial Sloan Kettering Cancer Center di New York City.

Lo schema aggiornato dell’OMS prende ancora in considerazione l’aspetto delle cellule, ma utilizza i marcatori genetici come un modo più preciso di differenziare i tipi di tumore. In generale, gli oligodendrogliomi devono portare sia una mutazione IDH che la co-delezione 1p e 19q. E i gliomi con una mutazione IDH ma regioni genomiche 1p e 19q intatte sono classificati come astrocitomi, così come quelli che non hanno una mutazione IDH.

La classificazione molecolare permette agli oncologi di prescrivere con più sicurezza la chemioterapia, la radioterapia o una combinazione – anche se il tumore di una persona ha un aspetto intermedio. E, dando indizi su quanto sia probabile che un tumore sia aggressivo, lo schema aiuta i medici a pesare i rischi e i benefici delle varie strategie chirurgiche.

Confusamente, la mutazione IDH sembra sia mettere in moto i gliomi che mitigare la loro gravità. Poiché diversi tipi di cancro al cervello hanno mutazioni IDH in comune, questa alterazione potrebbe essere un evento precoce nello sviluppo del tumore. “IDH è probabilmente il gene guardiano dei tumori cerebrali”, dice Yan.

Tuttavia, i ricercatori non sono sicuri di come la mutazione IDH contribuisca a rendere le cellule maligne. Sanno che gli enzimi IDH mutanti stimolano la massiccia sovrapproduzione di un metabolita chiamato 2-idrossiglutarato. Questo composto altera ampiamente i modelli sul DNA dei marcatori epigenetici – “interruttori” molecolari che possono accendere o spegnere i geni. Ma con così tanti cambiamenti che si verificano nei tumori, può essere difficile individuare quelli che sono più importanti per la formazione del tumore, per non parlare di determinare quali fattori spingono alcuni tumori con una mutazione IDH a diventare oligodendrogliomi ma altri astrocitomi.

Nonostante, l’importanza della mutazione IDH nel glioma e altri tumori ha stimolato gli sforzi per sviluppare farmaci che bloccano gli enzimi IDH mutanti. La speranza è che tali farmaci possano aiutare a prevenire i successivi cambiamenti epigenetici, permettendo alle cellule di differenziarsi normalmente. Un farmaco che mira all’IDH2 mutante è stato approvato per l’uso in persone con leucemia mieloide acuta nel 2017. Finora, i tumori solidi si sono dimostrati più difficili da affrontare, ma sono in corso studi di fase I e II di almeno cinque farmaci diretti a IDH1 o IDH2 in persone con tumori cerebrali.

Tale del telomero

Studi di genomica su larga scala hanno identificato centinaia di alterazioni genetiche nel cancro al cervello. “Così ora abbiamo una grande collezione di conoscenze di ciò che si può trovare nel tumore del paziente”, dice Sidi Chen, un genetista alla Yale School of Medicine di West Haven, Connecticut. Lui e i suoi colleghi stanno ora cercando di capire l’importanza di queste mutazioni, in modo che possano essere utilizzate per guidare decisioni di trattamento personalizzate.

Chen sta applicando lo strumento di gene-editing CRISPR-Cas9 a un modello di topo per le sue indagini. La tecnologia, dice Chen, gli permette di “zoomare su quali geni e combinazioni genetiche sono più importanti degli altri”. Nel 2017, il team di Chen ha riferito che le mutazioni in due geni, Zc3h13 e Pten, possono rendere le cellule tumorali resistenti a un comune farmaco chemioterapico5. Ha anche identificato coppie di mutazioni che sono sufficienti a causare il GBM.

Le cellule tumorali devono avere un meccanismo per mantenere strutture note come telomeri, che si trovano alle estremità dei cromosomi e hanno un ruolo nell’invecchiamento cellulare. Nelle cellule normali, i telomeri si accorciano con il tempo, finché le cellule non sono più in grado di dividersi. Ma nei tumori, i telomeri rimangono lunghi, conferendo l’immortalità alle cellule.

Alcuni tumori GBM portano mutazioni in una regione del DNA chiamata promotore TERT. Queste mutazioni portano alla sovraespressione della subunità catalitica della telomerasi, un enzima che aggiunge ripetizioni di DNA alle estremità dei telomeri per mantenerli intatti. Altri portano una mutazione nel gene ATRX, che porta ad un fenomeno noto come allungamento alternativo dei telomeri (ALT).

Questi due meccanismi contribuiscono al mantenimento dei telomeri in molte forme di cancro. Tuttavia, gli scienziati non erano sicuri di come i telomeri vengono mantenuti nei tumori GBM che non portano mutazioni nel promotore TERT o ATRX. Quest’anno, il gruppo di Yan ha scoperto che tali tumori possono avere riarrangiamenti cromosomici che interrompono il gene TERT6, producendo un altro percorso di sovraespressione della telomerasi. Hanno anche scoperto un altro gene, chiamato SMARCAL1, che può guidare il processo ALT quando è mutato.

Insieme, queste quattro alterazioni genetiche possono spiegare il mantenimento dei telomeri in quasi tutti i tumori GBM. E Yan pensa che i suoi risultati apriranno la possibilità di trattamenti personalizzati che possono mirare alla specifica anomalia genetica legata ai telomeri di ogni tumore. “Ogni paziente: hai una risposta per loro”, dice. “

Ricordi di famiglia

Un ulteriore pezzo del puzzle genetico del cancro al cervello è il rischio ereditario. Gli studi di associazione genoma-wide hanno identificato variazioni specifiche che sono associate allo sviluppo della malattia. Circa il 40% delle persone con oligodendrogliomi o astrocitomi con una mutazione IDH portano una variazione nota come polimorfismo a singolo nucleotide (SNP) nella regione 8q24 del genoma. Un altro SNP che sembra aumentare il rischio di cancro al cervello IDH-mutante si trova nella regione 11q23. Ma poco si sa sui meccanismi dietro queste associazioni.

Circa il 5-8% dei gliomi sono familiari, il che significa che si verificano in persone con almeno un altro parente biologico stretto che ha avuto un glioma, dice Melissa Bondy, un epidemiologo al Baylor College of Medicine. Nel 2014, il team di Bondy ha identificato il primo gene ad essere associato al glioma familiare, POT17. Il suo team ha trovato mutazioni POT1 in 6 delle quasi 300 famiglie con glioma che ha studiato, una scoperta che Bondy descrive come un “parziale home run”. Ha anche identificato quasi 20 altri geni che potrebbero contribuire al rischio ereditario.

I gliomi familiari e non familiari sembrano coinvolgere meccanismi di malattia simili. “Si sta verificando in età leggermente più giovane” nelle persone con una storia familiare del cancro, dice Bondy. Ma, “Quando guardiamo il meccanismo che è coinvolto nella tumorigenesi del glioma, sembra che non ci sia una differenza.”

Bondy spera di reclutare più famiglie colpite da glioma per scoprire come POT1 e gli altri geni che ha identificato influenzano la prognosi di una persona e la risposta al trattamento. Per saperne di più su come questi geni contribuiscono alla formazione del tumore al cervello, sta collaborando con Deneen, che ha sviluppato un modello di topo CRISPR-Cas9 per valutare gli effetti di varie mutazioni nello stesso gene sullo sviluppo del glioma.

Deneen dice che questa ricerca sfida il modello ‘hotspot’ della genomica del cancro, in cui i geni che sono mutati in molte forme di cancro si presume siano importanti per tutti. Invece, “Le varianti che guidano in una forma di cancro non necessariamente guidano in altre forme di cancro.”

Inoltre, due varianti dello stesso gene potrebbero comportarsi in modi molto diversi – una potrebbe essere importante per far diventare maligna una cellula, mentre l’altra è solo un passaggio. Oppure due varianti dello stesso gene potrebbero produrre tumori con caratteristiche divergenti. “Possiamo guardare, fondamentalmente, una singola differenza di aminoacidi e possiamo vedere cambiamenti drastici”, dice Deneen. Questo suggerisce che un’era di decodifica ancora più profonda delle mutazioni associate al glioma si prospetta.