Oncologia cellulare e molecolare

L’obiettivo generale del Programma di ricerca sull’oncologia cellulare e molecolare (CMO) è condurre ricerche di base rilevanti per il cancro incentrate sulla scoperta dei meccanismi cellulari e molecolari che governano l’iniziazione e la progressione del tumore. I nostri obiettivi sono tradurre le nostre scoperte in biomarcatori diagnostici e prognostici e obiettivi di intervento in contesti clinici e comunitari, con un'enfasi particolare su quei tumori con elevata incidenza, mortalità o disparità nel nostro bacino di utenza.

Il Programma OCM ha tre temi generali che incarnano i suoi obiettivi scientifici:

• Meccanismi cancerogeni delle esposizioni ambientali: Scoprire i meccanismi molecolari e cellulari attraverso i quali agenti cancerogeni ambientali e fattori di rischio comportamentali rilevanti per il nostro bacino di utenza promuovono il cancro.
• Regolamento del genoma: Definire i meccanismi e i percorsi attraverso i quali la stabilità del genoma, le alterazioni epigenetiche e la regolazione trascrizionale vengono interrotte nelle cellule tumorali.
• Segnalazione cellulare e microambiente tumorale: Determinare come le vie di segnalazione cellulare, le attività cellulari e le interazioni cellula-cellula vengono alterate durante l'inizio e la progressione del cancro e all'interno del microambiente tumorale.

Obiettivo 1: Meccanismi cancerogeni delle esposizioni ambientali: scoprire i meccanismi molecolari e cellulari attraverso i quali gli agenti cancerogeni ambientali e i fattori di rischio comportamentali rilevanti per il nostro bacino di utenza promuovono il cancro.  Gli effetti delle esposizioni ambientali sulla cancerogenesi sono al centro di molteplici gruppi nel CMO. Il Centro per i metalli in biologia e medicina dell'Università del New Mexico (NIGMS P20GM130422) diretto da Campen (CCPS) continua a sostenere la ricerca di tre membri junior del CMO per studiare il ruolo del tungsteno nel cancro al seno (Bullone; Bolt, Avv. Farmaco. 2023); ferro nella riprogrammazione metabolica nel cancro del colon (Xue; Liu et al., Inflamm. Intestino Dis. 2023; Kim et al., Avv. Sci. 2023;); e danno ossidativo particolato stimolato dall'arsenico e interruzione della riparazione del DNA nei polmoni (Zhou; Speer et al., Comm Biol 2023; Medina et al., Acqua 2023;). Membri dell'OCM Fiorire e Hudson ricoprono anche il ruolo di vicedirettore e direttore del mentoring, rispettivamente, in questa sovvenzione CoBRE.

I gruppi di Hudson e Zhou hanno compiuto importanti progressi nella comprensione dei meccanismi molecolari attraverso i quali l’arsenico e l’uranio, metalli che sono contaminanti ambientali significativi nella NM, causano danni al DNA e inibiscono i percorsi di riparazione del DNA che contribuiscono all’instabilità del genoma. La loro ricerca in corso sul ruolo co-cancerogeno dell’arsenico e delle radiazioni UV (UVR) è supportata da una sovvenzione MPI per Hudson e il dottor Liu (Stonybrook) per indagare sulle firme mutazionali di questa esposizione ambientale combinata (NIEHS R01ES030993). La co-esposizione ha portato ad un arricchimento più di 2 volte del carico mutazionale UVR e ha identificato una nuova caratteristica associata solo alla co-esposizione ad arsenico più UV nei cheratinociti umani e nella pelle di topo (collaborazione con Zhou: Speer et al., Avv. Farmaco. 2023; Speer et al. Com. Biol. 2023).  Hudson hanno utilizzato un modello murino preclinico per dimostrare che l’integrazione di zinco riduceva la quantità di arsenico rilevata nei tessuti (Dashner-Titus et al., Toxicol. Appl. Pharmacol. 2023). Questa ricerca viene tradotta anche nella popolazione NM attraverso uno studio clinico interventistico (NCT03908736) per testare il potenziale dello zinco supplementare per superare il danno al DNA, lo stress ossidativo e l’infiammazione causati dall’esposizione ambientale ai metalli nelle comunità tribali. Un’ampia collaborazione interprogrammatica è evidente nel rinnovato “Programma di ricerca scientifica e formazione di base Superfund dell’UNM Metal Exposure Toxicity Assessment on Tribal Lands in the Southwest (METALS)” (P42ES025589 PI: Lewis). Il Centro NIEHS P30 ES032755, "Programma scientifico integrativo del New Mexico che incorpora la ricerca nelle scienze ambientali (NM-INSPIRES)" è guidato da membri del CMO Fiorire (Direttore) e Hudson (Vicedirettore) con Campo (CCPS; Direttore dello sviluppo professionale). Questo Centro sostiene studi sugli effetti biologici dei contaminanti ambientali, compresi gli esiti del cancro, nel bacino idrografico del Nuovo Messico. Membro dell'OCM Luo è il direttore del Biostatistics and Data Science Core. Sebbene questo Centro sia membro del CMO Castello collaborato con Campo per definire il in vivo distribuzione tissutale delle microsfere di polistirene o polimeri misti iniettate nei topi; hanno inoltre mostrato un metabolismo alterato nel colon, nel fegato e nel cervello (Garcia et al., Environ. Health Perspect. 2024). Castello, Campo e membro del CMO In hanno lavorato insieme per dimostrare che il fotoinvecchiamento delle microsfere di polistirene provoca alterazioni ossidative nella fisico-chimica superficiale e aumenta la tossicità epiteliale delle vie aeree (El Hayek et al., Toxicol. Sci. 2023). Questi e altri studi hanno contribuito a Quella di Castillo nuovi finanziamenti (NIEHS R01ES032037).

Membro dell'OCM Xue sta definendo i meccanismi attraverso i quali i micronutrienti (ad esempio il ferro) e le esposizioni tossiche (ad esempio le microplastiche) influiscono sull'infiammazione gastrointestinale e sul cancro. In uno studio recente, Xue ha dimostrato che una delezione specifica del colon del recettore della transferrina (TFRC) ha mitigato significativamente l’incidenza complessiva del cancro del colon-retto. Ha dimostrato che l'interruzione del TFRC porta a una riduzione dei livelli di ferro nel colon e dell'attività della tankyrasi ferro-dipendente, che ha causato la stabilizzazione della proteina 2 di inibizione dell'asse (AXIN2) e la successiva repressione della polimerasi 𝜷-catenina/c-Myc/E2F fattore di trascrizione 1/DNA polimerasi asse delta1 (POLD1) (Kim et al., Adv. Sci. 2023). Xue sta anche lavorando per comprendere il meccanismo molecolare delle cellule mieloidi nel ferro e nell'omeostasi immunitaria. In uno studio recente, ha dimostrato che la catena pesante della ferritina mieloide (FTH1) è necessaria per la colite e il cancro colorettale associato alla colite (CRC) attraverso il mantenimento dell'attivazione del segnale STAT3 in condizioni di eccesso di ferro (Liu et al., Inflamm. Bowel Dis. 2023 ).

Obiettivo 2: Regolazione del genoma: definire i meccanismi e i percorsi attraverso i quali la stabilità del genoma, le alterazioni epigenetiche e la regolazione trascrizionale vengono interrotte nelle cellule tumorali.  I membri dell'OCM hanno compiuto progressi significativi in ​​relazione a questo obiettivo. Membro dell'OCM ness sta decifrando gli eventi molecolari che portano al carcinoma adenoideo cistico (ACC), il secondo tipo più comune di tumore delle ghiandole salivari che può insorgere anche in altri tessuti come la ghiandola lacrimale, il seno e la pelle. Utilizzando campioni di pazienti affetti da ACC delle ghiandole salivari primarie, il suo lavoro ha portato a numerosi risultati importanti che hanno rimodellato la nostra comprensione dei tumori ACC. In una recente collaborazione con i membri del CMO Kang e sottovento e con altri due NCI Cancer Center (MD Anderson, Houston TX e Sylvester Cancer Center, Miami, FL), il team ha segnalato un nuovo biomarcatore molecolare per identificare i pazienti con la prognosi peggiore (Brayer et al., Cancers 2023). Questo lavoro ha supportato anche il rinnovamento competitivo dell'R01 di Ness (NIDCR R01DE023222).

Membro dell'OCM Mao sta definendo i meccanismi attraverso i quali il danno al DNA (ad esempio, fotolesioni UV) e la riparazione del DNA influiscono sulla distribuzione delle mutazioni nel genoma del cancro. In uno studio recente, Mao ha mappato la formazione indotta dall'esposizione ai raggi UV di rari fotoprodotti 6-4 (6-4PP) e di fotoprodotti atipici di timidina-adenina (TA) nel DNA. Il lavoro ha dimostrato che le proteine ​​legate alla cromatina alterano significativamente la formazione di questi fotoprodotti in modo distinto dalle più comuni lesioni del dimero di ciclobutano pirimidina (CPD) indotte dai raggi UV. Inoltre, lo studio ha dimostrato che gli hotspot 6-4PP promuovono la mutagenesi UV (Bohm et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 2023).  Mao sta anche lavorando per comprendere il meccanismo molecolare della riparazione per escissione di nucleotidi accoppiati a trascrizione (TC-NER), un percorso di riparazione unico che si occupa del blocco della trascrizione (Hoag et al. Environ, Mol. Mutagen. 2024). Un nuovo finanziamento dell'NCI sta studiando l'ipotesi che il fattore di inizio TC-NER, la proteina della sindrome di Cockayne B (CSB), si leghi alla RNA polimerasi II (Pol II) danneggiata dal DNA e sfratta il fattore di allungamento Spt4-Spt5 da Pol II, in tal modo passaggio di Pol II dalla trascrizione alla riparazione del DNA (NCI R01CA273458).

Tomkinson continua i suoi studi focalizzati sui meccanismi e sulla regolazione della replicazione e della riparazione del DNA nelle cellule non maligne e tumorali con l'obiettivo traslazionale di sviluppare inibitori della ligasi del DNA per sfruttare le anomalie nella replicazione e nella riparazione del DNA nelle cellule tumorali. Gli studi in corso con il Dr. van Houten (Università di Pittsburgh) che esaminano i diversi effetti dell'inibizione della DNA ligasi III mitocondriale sulla funzione mitocondriale nelle cellule tumorali e non maligne hanno costituito la base per un rinnovo di successo della sovvenzione (NIEHS R01 ES012512-17, Tomkinson PI) con i collaboratori membri del CMO, Mandell e Salmyr. In precedenza, in collaborazione con il Dr. Madhusudan (Università di Nottingham), Tomkinson aveva identificato la DNA ligasi I come indicatore prognostico e potenziale bersaglio terapeutico nel cancro ovarico. Dato il ruolo ben consolidato della DNA ligasi I nella replicazione del DNA, Tomkinson ha esaminato gli effetti del deficit di DNA ligasi I indotto geneticamente e chimicamente. Questi studi hanno rivelato che ci sono notevolmente pochi cambiamenti nell’associazione proteica con il DNA appena sintetizzato in assenza di DNA ligasi I (Bhandari et al., Sci. Rep. 2023) e che l’inibizione chimica della DNA ligasi I ha effetti diversi sulla forca di replicazione rispetto all’inattivazione genetica. Una nuova sovvenzione NCI (NCI R01 CA276837) con co-I Leslie (CT) e membri del CMO Steinkamp e Salmyr sta valutando l'attività degli inibitori della DNA ligasi I nel cancro ovarico. Tomkinson è un co-investigatore su una borsa di studio DoD recentemente finanziata (W81XWH2210754, Leslie PI) guidata da Leslie (CT) per determinare gli effetti della riattivazione di p53 nel cancro endometriale avanzato. Tomkinson è anche co-ricercatore con una borsa di studio (NCI U01 CA232505; Belinsky PI) per determinare se la capacità di riparare il danno al DNA indotto da sostanze tossiche presenti nell'aria è un fattore predittivo per il cancro ai polmoni.

Membri dell'OCM Fan e Lago collaborato con Tomkinson riportare nuove informazioni su come la proteina B della sindrome di Cockayne (CSB), un rimodellatore della cromatina dipendente dall'ATP, collabora con la poli(ADP-ribosio) polimerasi I (PARP1) nella riparazione delle lesioni ossidative del DNA. Hanno dimostrato che PARP1 e PARP2 promuovono il reclutamento di CSB nel DNA danneggiato dall'ossidazione. CSB, a sua volta, contribuisce al reclutamento di XRCC1 e del fattore di PARilazione dell'istone 1 (HPF1) e promuove la PARilazione dell'istone, per regolare la riparazione della rottura del singolo filamento (SSBR) mediata da PARP1 e PARP2. Il loro lavoro indica che l'SSBR mediato da CSB si verifica principalmente nelle regioni del DNA attivamente trascritto, aumentando la possibilità che l'SSBR venga eseguito da diversi meccanismi in base allo stato di trascrizione (Bilkis et al., Nucleic Acids Res. 2023). La squadra di Fan e Lago stanno attualmente sfruttando due sovvenzioni per testare il significato della riparazione della rottura del filamento singolo associata alla trascrizione (TA-SSBR) nelle cellule di cancro ovarico e valutare il potenziale di prendere di mira questo processo per la terapia del cancro (sottoprogetto NCI P50CA265793; NCI R21CA286210).

Belinsky'S la ricerca si avvale di programmi interdisciplinari di scienza traslazionale in gran parte focalizzati sull’epigenetica e sul cancro ai polmoni, sui prodotti alternativi contenenti nicotina e sugli effetti sulla salute. Lavorando con il membro del CMO, Tellez, hanno dimostrato che gli aerosol aromatizzati dei prodotti per sigarette elettroniche inducono la trasformazione delle cellule epiteliali bronchiali umane mediata attraverso la riprogrammazione del trascrittoma e del metiloma (Tellez et al., Lung Cancer 2023).

Obiettivo 3: Segnalazione cellulare e microambiente tumorale: determinare come le vie di segnalazione cellulare, le attività cellulari e le interazioni cellula-cellula vengono alterate durante l'inizio e la progressione del cancro e all'interno del microambiente tumorale.  Membri dell'OCM Steinkamp, ​​Hudson, Ness e Wandinger-Ness, in collaborazione con Pankratz (CCPS) e Adams (CT), hanno dimostrato che topi umanizzati innestati con cellule staminali ematopoietiche derivate dal sangue cordonale umano CD34+ e portatori di xenotrapianti derivati ​​dal paziente (PDX) stabiliscono un microambiente tumorale immunitario simile a quello riportato per i pazienti con cancro ovarico (Steinkamp et al., Cancer Res. 2023). Questo modello umanizzato supporta la crescita del PDX che mantiene l'eterogeneità genetica del tumore primario ed esemplifica la morfologia del tumore originale con l'ulteriore vantaggio di creare un microambiente tumorale immunitario con infiltrazione mieloide umana e cellule T. Questi modelli faciliteranno indagini più rilevanti dal punto di vista clinico sul reclutamento delle cellule immunitarie, sulle interazioni cellule tumorali/cellule immunitarie e su nuove terapie. Infatti, Adams (CT) hanno incluso questo modello in un progetto intitolato "Studio pilota sull'interazione degli estrogeni con la capacità di riparazione del DNA nella tumorigenesi ovarica", finanziato dalla The Ovarian Cancer Alliance of Greater Cincinnati. Questo modello viene utilizzato anche da Serda (CT) membro in una sovvenzione di collaborazione NCI (al 10%ile) con Steinkamp.

1. Lidkeutilizza la microscopia ad alta risoluzione e il tracciamento di singole molecole con letture biofisiche e funzionali per interrogare i meccanismi molecolari di segnalazione da parte dei recettori tirosina chinasi e immunorecettori (D. Lidke et al., Cancers (Basel) 2023). Una sovvenzione MIRA recentemente rinnovata (NIGMS 2R35 GM126934) finanzia le indagini del laboratorio D. Lidke sulla dinamica degli eventi di segnalazione precoce che non possono essere ottenuti utilizzando tecniche biochimiche tradizionali (basate sulla popolazione). L'obiettivo centrale è quello di sviluppare uno strumento unico che includa metodi di microscopia all'avanguardia, letture biofisiche e funzionali, in un approccio integrato per fornire un quadro completo di come la dinamica proteina-proteina regola la segnalazione della tirosina chinasi a valle degli immunorecettori e recettori dei fattori di crescita. In una borsa di studio MPI in corso con il Dr. Lemon (Yale Cancer Biology Inst.), D.Lidke e membro del CMO K.Lidke hanno utilizzato il tracciamento di particella singola (SPT) e l'imaging di trasferimento di energia a risonanza di Förster per esaminare come ciascun dominio dell'EGFR contribuisce all'oligomerizzazione del recettore e alla velocità di diffusione del recettore nella membrana cellulare. Sebbene la regione extracellulare dell'EGFR sia sufficiente a guidare la dimerizzazione del recettore, hanno scoperto che il rallentamento dell'EGFR indotto dall'EGF osservato da SPT richiede un'oligomerizzazione di ordine superiore mediata in parte dal dominio tirosina chinasi intracellulare quando adotta una conformazione attiva. Questi risultati sono importanti in quanto forniscono informazioni importanti sulle interazioni richieste per gli assemblaggi EGFR di ordine superiore coinvolti nella segnalazione EGF (Mudumbi et al., Cell Rep. 2024).

Ozbun lavoro esteso che dimostra gli effetti antivirali degli inibitori MEK approvati dalla FDA in modelli di tessuto tridimensionale infetti da papillomavirus umano oncogenico (HPV) su un modello preclinico murino di tumorigenesi dell'HPV. Collaborazione con membro CMO Kango, il team ha mostrato effetti antivirali significativi che promuovono la regressione del tumore nel modello murino (Luna et al., Antiviral Res. 2023) e ha ricevuto un nuovo finanziamento in collaborazione con McConville (CT) e il Dr. Spurgeon (Università del Wisconsin, Carbone CCC) per formulare e testare inibitori topici di MEK in due modelli murini di tumori precancerosi dell'HPV (NIAID R21 AI176571). I dati preliminari su questo progetto sembrano promettenti e il prossimo passo sarà la richiesta di approvazione da parte della FDA di un nuovo farmaco sperimentale per gli IIT volti a trattare pazienti con tumori precancerosi indotti da HPV.

Recluta recente, Palanisamy, studia le proteine ​​leganti l'RNA (RPB) e il loro contributo ai modelli di espressione genetica nei modelli di cancro orale. Nello specifico, questo lavoro ha fornito progressi significativi nella comprensione della funzione molecolare degli RBP HuR e FXR1 e del loro ruolo nell'omeostasi epiteliale orale e nella progressione del cancro. Uno studio recente ha scoperto che il knockout transgenico HuR (KO) non è riuscito a formare tumori orali in un modello di cancro indotto da agenti cancerogeni. I tumori HuR-KO hanno mostrato meno cellule T regolatorie CD4+CD25+FoxP3+, più cellule T CD8+ e un volume tumorale più piccolo, suggerendo che HuR può smorzare la risposta immunitaria durante la progressione del cancro orale. Gli animali HuR KO avevano meno Treg e livelli di IFN più alti rispetto ai topi portatori di tumore WT, suggerendo un'azione antitumorale. Infine, l’inibitore di HuR pirvinio pamoato ha ridotto il carico tumorale aumentando l’infiltrazione di CD8+ rispetto a CD4+, suggerendo effetti antitumorali e offrendo un nuovo trattamento HNSCC (Majumder et al., Oral Oncol Rep. 2024). Palanisamy hanno anche scoperto che la proteina metiltransferasi PRMT5 svolge un ruolo nell'elaborazione della metilazione dell'arginina della proteina legante l'RNA, FXR1, che a sua volta aumenta la sua capacità di legare l'RNA. Il processo di R-metilazione migliora la stabilità dell'FXR1 e facilita l'espressione dei geni nelle cellule tumorali orali (Vijayakumar et al., Nucleic Acids Res. 2024). Questi risultati hanno portato a una nuova comprensione di come una rete di RBP media l’attività genetica post-trascrizionale che partecipa alle funzioni biologiche e prende di mira mRNA, miRNA, RNA lungo non codificante e proteine.

Marchetti ha studiato ulteriormente la recente scoperta da parte del laboratorio della firma genetica delle proteine ​​ribosomiali delle cellule tumorali circolanti (CTC) con subunità grandi/piccole (RPL/RPS) direttamente correlata all'insorgenza delle metastasi cerebrali del melanoma (MBM). La scoperta della firma del gene CTC RPL/RPS della MBM è rilevante perché la variabilità nella composizione ribosomiale determina la generazione di un "onco-ribosoma" che guida l'aumento della traduzione, della proliferazione cellulare e della tumorigenesi attraverso la modulazione delle vie di segnalazione oncogenica. Ciò suggerisce che la macchina traslazionale cellulare può avere un altro livello di regolazione dell'espressione genica che affina la prognosi associata alle CTC. La biogenesi dei ribosomi è un processo altamente coordinato tra le proteine ​​RPL/RPS e i fattori di assemblaggio dell'rRNA. Ciò implica una vulnerabilità specifica delle CTC e suggerisce che il targeting della biogenesi ribosomiale influisce in modo significativo sugli stati metastatici delle CTC. Questi risultati forniscono il canale per la traduzione in clinica e pongono le basi per lo sviluppo di agenti terapeutici per migliorare la cura dei pazienti affetti da melanoma, in particolare la MBM. Seguendo questa idea, in collaborazione con Tawfik (CT), hanno identificato proteine ​​ribosomiali specifiche che guidano la MBM e le metastasi extracraniche tramite CTC. Il doppio targeting della traduzione e della proliferazione cellulare ha impedito la metastasi di sottoinsiemi di CTC aggressivi con elevata espressione di RPL/RPS. È importante sottolineare che hanno riportato una nuova analisi del flusso metabolico in tempo reale delle CTC del melanoma derivate dal paziente e un metabolismo alterato dei carboidrati durante la traduzione alterata in un clone derivato dalle CTC del melanoma (Bowley et al., Cancers (Basel) 2023).