DNA

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12429 (2023) Citare questo articolo

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La terapia per l'avvelenamento da topoisomerasi di tipo II (Top2) viene utilizzata per trattare un'ampia gamma di tumori attraverso l'induzione di rotture del doppio filamento (DSB) nelle cellule sottoposte a replicazione e trascrizione. Prevenire la riparazione dei DSB tramite l'inibizione del DNA-PK, un inibitore dell'unione finale non omologa (NHEJ), aumenta l'uccisione cellulare con i veleni Top2 e ha portato all'avvio di numerosi studi clinici. Per chiarire i meccanismi cellulari che portano all'attività sinergica della doppia inibizione DNA-PK/Top2 abbiamo esaminato i loro effetti nelle cellule ciclistiche rispetto a quelle non ciclistiche, negli sferoidi 3D e nei modelli di xenotrapianto. È stato scoperto che l'inibizione combinata DNA-PK/Top2 non solo aumenta l'uccisione cellulare nelle cellule proliferanti, la popolazione cellulare che è tipicamente più vulnerabile all'avvelenamento da Top2, ma anche nelle cellule non proliferative ma trascrizionalmente attive. Questo effetto è stato osservato sia in modelli di cancro che di tessuto normale, uccidendo più cellule rispetto ad alte concentrazioni di etoposide da solo. Il trattamento combinato ha ritardato la crescita del tumore nei topi rispetto al solo avvelenamento da Top2, ma ha anche portato ad un aumento della tossicità. Questi risultati dimostrano la sensibilizzazione delle cellule non cicliche che esprimono Top2β all'avvelenamento da Top2 mediante inibizione del DNA-PK. L’espansione della popolazione cellulare bersaglio del trattamento del veleno Top2 per includere cellule non proliferanti attraverso la combinazione con inibitori della riparazione del danno al DNA ha implicazioni per l’efficacia e la tossicità di queste combinazioni, inclusi gli inibitori della DNA-PK attualmente in sperimentazione clinica.

Gli enzimi topoisomerasi II (Top2) modulano la topologia del DNA durante la replicazione, la trascrizione, la segregazione cromosomica e la ricombinazione del DNA. Caratteristiche delle strutture del DNA come il superavvolgimento, la catenazione e l'annodamento lo rendono scarsamente accessibile agli enzimi critici per l'elaborazione del DNA. Ciò viene risolto dal legame Top2, che taglia temporaneamente l'elica del DNA, "districando" le strutture complesse1. La possibilità di convertire queste interruzioni temporanee in DSB permanenti rende Top2 un obiettivo interessante per la terapia del cancro. Infatti, le DNA topoisomerasi sono i bersagli molecolari di diversi agenti chemioterapici utilizzati per trattare neoplasie solide ed ematologiche.

I meccanismi e le relazioni struttura-attività degli agenti antitumorali mirati a Top2 sono stati recentemente esaminati da Buzun et al.2. I veleni Top2, inclusi i farmaci clinicamente attivi etoposide e doxorubicina, si legano e stabilizzano il complesso covalente Top2-DNA durante la replicazione e la trascrizione e prevengono la rilegatura delle estremità rotte del DNA. Esistono due isoforme Top2, Top2α e Top2β, che condividono una struttura primaria simile negli esseri umani. Sebbene entrambe le isoforme siano necessarie per la segregazione cromosomica e la ricombinazione del DNA, Top2α è altamente espresso nelle cellule proliferanti per guidare la replicazione del DNA3 mentre Top2β ha un ruolo più dominante durante la trascrizione ed è espresso in modo ubiquitario4. Quando intrappolate dai veleni Top2, entrambe le isoforme generano DSB di DNA, tuttavia le prove hanno dimostrato che il bersaglio primario dell'isoforma per la citotossicità cellulare mediata dal veleno Top2 è Top2α, poiché le linee cellulari knockdown/knockout Top2β non mostrano effetti significativi sull'etoposide IC505. Top2α è il bersaglio molecolare primario per l'attività del veleno Top2 e i livelli di espressione di Top2α sono utilizzati come biomarcatore prognostico per lo screening dei pazienti affetti da cancro idonei al trattamento del veleno Top26. Pertanto, le cellule proliferanti che esprimono Top2α sono le più vulnerabili al trattamento con veleno Top2, sebbene i DSB del DNA vengano introdotti anche in popolazioni aggiuntive in cui sono attive altre isoforme Top 2.

Le due vie primarie di riparazione dei DSB del DNA sono l'unione delle estremità non omologhe (NHEJ) e la ricombinazione omologa (HR). L'HR si verifica durante le fasi tardive S/G2 quando i cromatidi fratelli sono disponibili come modello di sequenza per la riparazione e di conseguenza svolgono un ruolo nella riparazione dei DSB del DNA dipendenti dalla replicazione mediati dall'avvelenamento dell'isoforma Top2α. NHEJ si verifica durante tutto il ciclo cellulare e ripara le rotture del DNA legando insieme le due estremità rotte del DNA. Nel complesso, NHEJ è la via di riparazione DSB del DNA predominante nelle cellule di mammifero, con un ruolo particolarmente critico per le cellule negli stadi non proliferanti del ciclo cellulare7. La proteina chinasi DNA-dipendente (DNA-PK), un membro della famiglia delle chinasi correlate alla fosfatidilinositolo 3-chinasi (PIKK), è stata identificata come un componente chiave del percorso NHEJ ed è quindi un bersaglio emergente per lo sviluppo terapeutico8.