Il recente lavoro di diversi gruppi ha rafforzato i legami funzionali in continua espansione tra la risposta al danno del DNA (DDR) e la ciliogenesi. Dato che sia la DDR che la ciliogenesi primaria sono meccanismi di risposta allo stress che sono inestricabilmente legati al ciclo cellulare (vedi sotto), allora questi risultati non sono forse troppo inaspettati nel contesto della loro funzione biologica. Inoltre, i centrioli, che possono aiutare a governare la stabilità del genoma nelle cellule proliferanti attraverso una corretta organizzazione dei microtubuli e un’accurata segregazione cromosomica, formano anche il corpo basale delle ciglia primarie all’interno delle cellule quiescenti. Tuttavia, i difetti nei fattori di stabilità DDR / genoma sono tradizionalmente associati a sindromi ereditarie predisponenti al cancro, mentre i pazienti con ciliopatie non hanno un aumentato rischio di sviluppo del cancro. Questo rende recenti scoperte che le mutazioni in alcune proteine DDR sono causali per un sottoinsieme di ciliopatie umane tanto più intrigante. Le sezioni seguenti forniranno quindi una breve panoramica dei legami genetici e funzionali recentemente scoperti tra DDR e ciliogenesi. Evidenziamo proteine chiave identificate fino ad oggi che hanno un duplice ruolo in questi processi biologici.
La risposta al danno del DNA e la stabilità del genoma
Il DNA all’interno delle cellule è danneggiato quotidianamente sia da fonti esogene, ad esempio radiazioni UV del sole o sostanze cancerogene all’interno del fumo di tabacco, sia da fonti endogene, ad esempio sottoprodotti metabolici, errori introdotti durante la replicazione del DNA o difetti di segregazione cromosomica durante la mitosi . Al fine di mantenere l’integrità del genoma e per ridurre al minimo l’accumulo di potenzialmente pro-mutageno lesioni all’interno del genoma, sofisticati meccanismi molecolari si sono evoluti per risolvere i numerosi quotidiana lesioni che possono verificarsi all’interno di una cella, ad esempio interruzioni di DNA (singolo e doppio filamento), di base e zucchero di danneggiare la spina dorsale del DNA, DNA e DNA-proteine cross-link, base-coppia incongruenze incorporati durante la replicazione del DNA e alchilazione di lesioni in vari siti del DNA . Questi processi coinvolgono insiemi altamente specializzati di proteine e percorsi che mediano il rilevamento e la riparazione di lesioni specifiche, ma spesso possiedono funzioni sovrapposte tra i molti diversi percorsi di riparazione del DNA . Il rilevamento e la successiva riparazione del danno al DNA sono coordinati con il ciclo cellulare attraverso una serie di complessi meccanismi normativi e di feedback noti collettivamente come checkpoint del ciclo cellulare . Tali punti di controllo possono essere attivati in varie fasi del processo del ciclo cellulare per consentire il tempo per le lesioni del DNA da risolvere prima di passare alla fase successiva del ciclo cellulare . Ciò è vitale per il mantenimento dell’integrità di sequenza del genoma, poichè la mancata esecuzione di questi processi può condurre alle lesioni pro-mutagene potenziali che sono “fisse” durante la replica e trasmesse sopra alle cellule figlie durante la segregazione mitotica dei cromosomi . Se il danno al genoma va oltre la capacità di una cellula di ripararlo adeguatamente, vengono attivati meccanismi di morte cellulare che fungono da fail-safe finale per impedire la propagazione e il passaggio di lesioni potenzialmente pro-mutagene alle cellule figlie . Il termine collettivo per la rilevazione e la successiva riparazione di lesioni potenzialmente pro-mutagene del DNA è la “risposta al danno del DNA” (DDR), che, insieme ai meccanismi pro-apoptotici, funge da barriera critica allo sviluppo del cancro . L’importanza di una DDR intatta nella lotta contro la tumourigenesi è forse meglio dimostrata dalle numerose sindromi umane predisponenti al cancro che sono una conseguenza delle mutazioni sottostanti nei fattori DDR . Inoltre, è ben stabilito che esiste un aumentato rischio di cancro al seno o al colon-retto in individui con mutazioni in specifici fattori DDR, ad esempio BRCA1/2 e MSH2, MSH6 ecc. . Mutazioni nei geni che codificano una pletora di fattori DDR possono anche portare a una serie di altri disturbi ereditari o sporadici umani con diversi fenotipi clinici sovrapposti . Il tratto clinico sovrapposto più comune associato a mutazioni in tali fattori è la microcefalia congenita, potenzialmente dovuta a difetti nella neurogenesi durante l’embrione in via di sviluppo . La rapida espansione cellulare che avviene durante questo processo è suscettibile di danni al DNA e richiede anche un’accurata divisione cellulare asimmetrica. Come tale, mutazioni in proteine che hanno importanti funzioni nella replicazione del DNA, nella riparazione del DNA, nel mantenimento del centrosoma, nella regolazione dei microtubuli e nella mitosi hanno dimostrato di essere causali per diversi disturbi microcefalici umani (vedere Tabella 1 per alcuni esempi).
DDR fattori e cntrosome
Il centrosoma agisce come il principale sito di nucleazione dei microtubuli e organizzazione in entrambi i interphasic e mitotica delle cellule, e costituisce la base per il corpo basale durante ciliogenesis (vedi sotto). Consiste di due strutture a forma cilindrica posizionate ortogonalmente conosciute come centrioli, che sono circondate da una matrice elettrone-densa chiamata materiale pericentriolare (PCM) e funge da impalcatura organizzata che facilita il reclutamento di proteine al centrosoma. Associati al PCM sono numerose particelle chiamate satelliti centriolari, che contengono molti componenti del PCM e altre proteine centrosomali . La formazione, la maturazione e la duplicazione dei centrosomi sono regolate all’unisono con il ciclo cellulare . Come tale, difetti nella progressione del ciclo cellulare, ad es. in seguito all’induzione del danno al DNA, può portare a cambiamenti nella composizione e nell’architettura dei satelliti centriolari e dare origine a errori di duplicazione del centrosoma . Poiché la duplicazione dei centrosomi si verifica durante le fasi G1 / S del ciclo cellulare, le cellule che subiscono danni persistenti al DNA e l’attivazione del checkpoint e / o lo stress di replicazione che prolunga il tempo trascorso all’interno della fase S possono dare origine a una duplicazione anomala del centrosoma chiamata centrosomi soprannumerari . Inoltre, è stato recentemente dimostrato che alcuni satelliti centriolari formano un interattoma insieme alle proteine centrosomiali per promuovere l’attività CDK2 e l’efficiente duplicazione centriolare .
Dato l’importante ruolo del centrosoma all’interno della cellula e la sovrapposizione funzionale con la DDR (vedi sopra), forse non è troppo sorprendente che i difetti nei fattori associati al centrosoma che funzionano nei processi DDR diano origine a una serie di disturbi ereditari umani che includono diversi disturbi microcefalici e ciliopatie (Tabella 1). Ciò include esempi di sovrapposizione clinicopatologica tra pazienti con ciliopatia e microcefalia, nonché mutazioni nella proteina che regola i microtubuli CENPF che sono associate a disturbi sia della ciliopatia che della microcefalia . Inoltre, esiste una connessione di lunga data tra centrosomi soprannumerari, instabilità del genoma e sviluppo e/o progressione del cancro, poiché i centrosomi soprannumerari sono un segno distintivo comune delle cellule tumorali . Una conseguenza funzionale del numero anomalo del centrosoma nel contesto del cancro è stata recentemente evidenziata dalla dimostrazione che l’amplificazione del centrosoma può portare a cambiamenti di adesione cellulare che possono aiutare a guidare i fenotipi invasivi associati alle cellule tumorali metastatiche . Tuttavia, è interessante notare che anche dato il duplice ruolo di molte proteine associate al centrosoma all’interno della ciliogenesi (Tabella 1) e che le vie di segnalazione associate alle ciglia sono spesso disregolate nei tumori, non esiste un’associazione palese tra ciliopatia e rischio di cancro (discusso di seguito).
I collegamenti funzionali tra DDR e centrosomi sono stati precedentemente dedotti dalla localizzazione centrosomale di diversi fattori DDR tra cui le proteine di riparazione del DNA BRCA1, BRCA2, PARP1 e NBS1; le chinasi di segnalazione DDR ATM, CHK1 e CHK2; e il checkpoint del ciclo cellulare e il regolatore trascrizionale TP53 . Tuttavia, va notato che la cross-reattività anticorpale in questi studi non può essere esclusa senza un’accurata convalida del reagente . Più convincente informazioni meccanicistiche in funzione biologica provengono dall’osservazione che l’E3 ubiquitina ligasi BRCA1 ubiquitylates gamma-tubulina a cntrosome, che è importante per limitare centrosoma over-duplicazione durante le fasi S e G2 del ciclo cellulare che, a sua volta, è regolata da NBS1 e il monte DDR-chinasi associata ATR . La chinasi effettore DDR CHK1 è stata inizialmente segnalata per localizzare anche al centrosoma, ma questo è stato successivamente determinato per essere attraverso un’interazione non specifica dell’anticorpo CHK1 cross-reattività con la proteina centrosomiale CCDC151 . Non è quindi attualmente chiaro come CHK1 possa contribuire al meccanismo di amplificazione del centrosoma da parte delle funzioni NBS1 e BRCA1 che sono entrambe in grado di attivare CHK1 in risposta al danno al DNA e/o allo stress di replicazione . Tuttavia, la funzione CHK1 da allora ha dimostrato di essere importante per regolare l’espansione del PCM, un processo che ha dimostrato di influenzare la crescita dei centrioli figlia . Inoltre, CHK1 insieme alla proteina centrosomiale MCPH1 (Tabella 1) può controllare l’ingresso mitotico . È interessante notare che i cambiamenti nell’espressione di MCPH1 sono stati associati sia al grado di carcinoma mammario che ovarico, il che può essere una conseguenza dell’aumento della divisione cellulare nei tumori di grado superiore . I cambiamenti nella duplicazione del centriolo nella fase S dovuti all’espansione del PCM o alla tempistica del ciclo cellulare inappropriata potrebbero quindi essere meccanismi attraverso i quali le alterazioni della funzione CHK1 potrebbero influire sull’integrità del centrosoma, sebbene siano chiaramente necessari ulteriori studi per affrontare questi problemi.
Le interazioni tra proteine associate al centrosoma e DDR possono verificarsi anche in risposta allo stress esogeno. Ad esempio, la proteina CEP164 centrosomiale e di promozione della ciliogenesi (Tabella 1) è fosforilata dalle chinasi associate alla DDR ATM e ATR in risposta a diversi stress genotossici in cui aiuta a stabilire un checkpoint di danno G2/M e a regolare i processi di divisione cellulare . CEP164 inoltre è stato indicato per ri-localizzare ai siti di danno UV-indotto ed è richiesto per le risposte cellulari efficienti a danno UV-indotto del DNA . Tuttavia, al momento non è chiaro se si tratti di una risposta specifica ai raggi UV o di una risposta più generale alle lesioni bloccanti la replicazione e/o all’induzione di percorsi di segnalazione dello stress mediati da p38. È interessante notare che il fattore centriolare centrale centrin 2 ha sia la localizzazione centriolare che una componente nucleare importante. Quest’ultimo risponde funzionalmente al danno al DNA indotto dai raggi UV e interagisce fisicamente con XPC per promuovere una riparazione efficiente delle lesioni al DNA indotte dai raggi UV . Studi recenti suggeriscono che ATM può anche agire come una proteina chinasi versatile durante i processi di segnalazione citoplasmatica, e ATM può quindi avere un ruolo ciliare “DDR non canonico” che mantiene la stabilità del genoma e media le risposte cellulari a vari altri stress cellulari. In effetti, ci sono un certo numero di proteine associate al centrosoma che sono substrati noti o previsti in vivo delle chinasi associate alla DDR ATM, ATR e DNA-PKcs, che includono proteine centrosomiali e ciliari come la nineina, PCM1 e INPP5E . Un altro esempio di una proteina del centrosoma che è un substrato diretto delle chinasi della DDR è CEP63 (Tabella 1), che è fosforilata da ATM e ATR per promuovere l’assemblea mitotica del fuso ed è stato indicato per regolare la duplicazione del centriolo , potenzialmente con attività centrosomal CDK . Tuttavia, a differenza di CEP164, un ruolo diretto per CEP63 nella risposta cellulare al danno del DNA deve ancora essere chiarito. Inoltre, sebbene non sia una chinasi DDR direttamente associata, la chinasi Aurora A regola l’entrata e l’uscita mitotica e lo smontaggio del ciglio . Uno dei substrati di Aurora A è la chinasi mitotica PLK1 che può anche promuovere lo smontaggio delle ciglia e ha dimostrato di funzionare nel recupero del checkpoint del ciclo cellulare dopo il danno al DNA . Coerente con questi risultati è il lavoro di diversi gruppi che collegano l’APC, che coordina la progressione mitotica in risposta al danno del DNA e allo stress di replicazione, alla ciliogenesi . Infine, abbiamo recentemente dimostrato che alcune proteine satellite centriolari hanno un duplice ruolo nel promuovere la ciliogenesi e prevenire l’accumulo di danni al DNA all’interno della cellula .
Gli esempi qui evidenziati (vedi Tabella 1 per ulteriori esempi) dimostrano interazioni fisiche e funzionali tra proteine centrosomiali DDR, molte delle quali controllano la ciliogenesi. La maggior parte dell’interazione tra la DDR e le proteine del centrosoma comporta la regolazione della duplicazione del centrosoma attraverso il ciclo cellulare o la regolazione della tempistica accurata dell’ingresso mitotico attraverso il corpo del polo del mandrino. Tale interazione tra questi processi può quindi essere importante per guidare la divisione cellulare fedele durante lo sviluppo precoce, come mostrato dall’esempio dei disturbi microcefalici, e può anche essere collegata alla divisione cellulare incontrollata durante la progressione e/o lo sviluppo del tumore. Ulteriori chiarimenti sulla connettività funzionale tra questi processi cellulari dovrebbero fornire nuove informazioni su una serie di disturbi ereditari e sporadici umani (Tabella 1).
Il ruolo cellulare delle ciglia dei mammiferi
Le ciglia primarie sono organelli a base di microtubuli che percepiscono e trasducono segnali extracellulari su molti tipi di cellule durante la fase G1/G0 del ciclo cellulare . Le ciglia hanno un’ultrastruttura complessa con compartimentazione di componenti molecolari che si combinano in moduli funzionali. La perdita o la mutazione di questi componenti può interrompere le funzioni ciliari come il controllo dell’ingresso e dell’uscita delle proteine dal ciglio, la regolazione delle cascate di segnalazione e il controllo del ciclo cellulare. In particolare, la zona di transizione ciliare è stata suggerita come un hub che media e integra la segnalazione paracrina durante lo sviluppo embrionale e la morfogenesi dei tessuti, comprese le vie di segnalazione SHH, WNT e Notch . Un meccanismo comune per regolare queste vie sembra essere la compartimentazione discreta dei componenti di segnalazione al ciglio. Come paradigma per altre vie, Smo, il co-recettore e trasduttore per SHH, traslocano in e quindi attiva GLI fattori di trascrizione all’interno del ciglio . La segnalazione canonica di WNT / β-catenin è inoltre limitata dalla compartimentazione della componente di segnalazione di WNT Jouberin, assicurando la traslocazione di β-catenin a partire dal nucleo e nel ciglio . A sua volta, Notch signalling si propone di essere un modulatore della segnalazione ciliare SHH regolando la traslocazione ciliare di Smo . Più recentemente , le vie di segnalazione mTOR , Hippo, TGFß e PDGF hanno dimostrato di essere regolate attraverso meccanismi dipendenti dalla ciliare, con diverse conseguenze sulla proliferazione e dimensione cellulare, differenziazione, autofagia, apoptosi e tumourigenesi. Attualmente non è chiaro in che misura uno qualsiasi dei percorsi di segnalazione ciliare-correlati modulano DDR, anche se uno studio recente ha suggerito che il recettore Notch1 si lega e regola negativamente l’attività della chinasi ATM associata alla DDR , e può essere parte di un interactome con altri fattori associati alla DDR . Sarà quindi interessante determinare quale effetto hanno ulteriori connessioni tra il recettore Notch1 e ATM sulla ciliogenesi. Da questi studi, le connessioni riportate tra proteine centrosomiali e ciliari con DDR collegano i processi di biogenesi e disassemblaggio del ciglio con i percorsi di checkpoint mitotici e di fase S che monitorano i fallimenti nella replicazione del DNA e nella trasmissione cromosomica. L’interruzione di questi processi ciliari può quindi consentire la proliferazione cellulare disregolata, un segno distintivo di tutti i tumori. Al contrario, il lavoro recente ha portato al crescente riconoscimento che le alterazioni dei tempi e della progressione della replicazione, che portano allo stress di replicazione e all’attivazione della DDR, sono caratteristiche di alcune ciliopatie renali .
Gli approcci di biologia dei sistemi hanno rivelato un ruolo diffuso per le proteine dello spliceosoma e altri fattori di elaborazione dell’mRNA nel prevenire il danno al DNA, che in alcuni casi è stato causato da strutture aberranti di RNA-DNA . Molti degli stessi componenti di spliceosoma e mRNA-processing, compresi quelli mutati in forme ereditarie della condizione di degenerazione retinica retinite pigmentosa, sono stati identificati anche in un recente schermo genetica inversa per geni e percorsi che regolano la ciliogenesi . La perdita delle ciglia primarie è stata osservata anche nei tumori di molti tumori, tra cui il cancro al seno e il carcinoma a cellule renali, suggerendo che il ciglio possa essere un “organello soppressore del tumore”. Per esempio, la poliposi adenomatosa familiare (sindrome di Gardner o di FAP), un cancro Wnt-dipendente ereditato, può essere mediata da un meccanismo ciliare-dipendente . Tuttavia, i dettagli meccanicistici per spiegare queste osservazioni rimangono sconosciuti, quindi non è chiaro se la perdita delle ciglia contribuisca o sia semplicemente una conseguenza degli eventi nucleari dello stress di replicazione e della DDR attivata.
È anche importante apprezzare che le vie di segnalazione hanno molteplici ruoli nel mantenimento dell’omeostasi normale del tessuto adulto che sono distinte dalla segnalazione dello sviluppo durante l’embriogenesi. Il ruolo delle ciglia primarie nella segnalazione SHH dello sviluppo è ben consolidato, ma questa via regola anche la sopravvivenza e la proliferazione delle popolazioni di cellule staminali e progenitrici tissutali . Questi ruoli mitogenici possono spiegare perché l’attivazione anormale della via canonica di segnalazione SHH, sia attraverso l’attivazione di mutazioni nei componenti della via o per produzione di ligando in un meccanismo autocrino, predispone al cancro in molti tessuti diversi, tra cui medulloblastoma, glioblastoma e carcinoma a cellule basali . Se le ciglia primarie siano essenziali per i ruoli mitogenici di SHH non è attualmente chiaro. Ad esempio, la tumourigenesi causata da mutazioni attivanti nel co-recettore Smo di SHH è diminuita se le ciglia sono ablate, mentre la perdita di ciglia ha aumentato la tumourigenesi causata da GLI2 attivato, un effettore trascrizionale della segnalazione di SHH . Tuttavia, i complessi ruoli mitogenici di SHH forniscono una spiegazione del motivo per cui non vi è alcun aumento apparente dell’incidenza del cancro nei pazienti con ciliopatia.
Legami genetici e funzionali emergenti tra la DDR e le ciglia primarie
È stato recentemente dimostrato che nelle cellule proliferanti, diverse proteine satellite centriolari sono ri-strutturate in seguito a stress esogeni come UV che, a loro volta, reprimono i segnali inibitori e facilitano la ciliogenesi . Allo stesso modo, l’autofagia indotta da stress può influenzare la composizione dei satelliti centriolari per promuovere la ciliogenesi . Al contrario, la segnalazione dello stress attraverso il ciglio primario aiuta a regolare l’autofagia promuovendo la formazione dell’autofagosoma . Abbiamo anche dimostrato che alcune proteine satellite centriolari agiscono per promuovere la ciliogenesi e la stabilità del genoma, che può in parte avvenire attraverso la regolazione della composizione del centrosoma e la duplicazione del centriolo attraverso l’attività CDK2 . I segnali di stress che emanano dal danno al DNA possono essere sia intra che intercellulari attraverso una varietà di meccanismi che coinvolgono i contatti cellula–cellula e/o la segnalazione extracellulare noti collettivamente come “effetti degli astanti”. L’interazione tra la DDR e le ciglia primarie può quindi comportare sia interazioni funzionali interne tra DDR e proteine del corpo centriolari/basali, sia segnali esterni provenienti da cellule vicine. Negli ultimi anni sono emersi legami funzionali tra autofagia e DDR, dove l’autofagia facilita il destino delle cellule dopo il danno al DNA e aiuta anche a prevenire l’instabilità del genoma per combattere la tumourigenesi . È interessante notare che i processi di autofagia possono anche essere sensibili agli effetti indotti dal danno del DNA, facilitando la segnalazione dello stress sia intra che intercellulare. Questa complessa interazione tra questi meccanismi cellulari che rispondono allo stress ha potenziali implicazioni per le ciliopatie e i disturbi microcefalici, nonché per il cancro .
Oltre agli esempi sopra riportati che dimostrano connessioni fisiche e funzionali tra DDR e proteine centrosomiali, il lavoro di diversi gruppi ha rivelato collegamenti genetici e funzionali diretti tra DDR e ciliogenesi (Tabelle 1, 2). Come accennato in precedenza, la proteina centrosomiale pro-ciliogenesi CEP164 è regolata dalle chinasi DDR e promuove le risposte cellulari al danno al DNA indotto dai raggi UV . Più recentemente, mutazioni recessive omozigoti in CEP164 sono state dimostrate causali per un sottoinsieme di ciliopatie correlate alla nefronoftisi, con modelli di zebrafish mutanti che mostrano sia fenotipi di ciliopatia che risposte inefficienti al danno al DNA . Inoltre, questo studio ha anche dimostrato che NPHP10 (noto anche come SDCCAG8), che di solito risiede nei centrosomi, ri-localizzato in focolai nucleari in risposta al danno al DNA , e uno studio successivo ha suggerito che la carenza di NPHP10 (in modelli cellulari o in cellule derivate da topi knock-out) porta a livelli elevati di danno al DNA e attivazione del checkpoint del ciclo cellulare . Coerentemente con un ruolo funzionale stabilito per alcuni membri della famiglia della chinasi NEK sia nella DDR che nella ciliogenesi , è stato recentemente riportato che la chinasi associata alla ciliopatia NEK8 (Tabella 1) è importante nel controllo delle risposte cellulari allo stress di replicazione attraverso la chinasi DDR ATR e limitando l’attività CDK per sopprimere la formazione della rottura del DNA . Ciò che è più sorprendente, dati i fenotipi clinici non sovrapposti delle ciliopatie associate a NEK8 e dei pazienti con sindrome di Seckel associati ad ATR, è che le cellule che esprimono un mutante della chinasi associato alla ciliopatia NEK8 hanno avuto un aumento del danno al DNA e dei difetti del ciclo cellulare e che i reni dei topi mutanti NEK8 hanno accumulato danni al DNA . Inoltre, la proteina centrosomiale CEP290, mutata in una serie di ciliopatie tra cui la sindrome di Joubert, è stata anche implicata nella regolazione dello stress di replicazione del DNA e della DDR (Tabella 1), suggerendo che lo stress di replicazione cronica può essere un fattore chiave nello sviluppo di alcune ciliopatie . Simile allo studio NEK8, anche le cellule che esprimono il mutante CEP290 avevano un’attività CDK inappropriata. Lo stress di replicazione specifico del tessuto in determinati background genetici può quindi essere un meccanismo comune che guida lo sviluppo di un sottoinsieme di ciliopatie e suggerisce che CDK possa essere un potenziale bersaglio terapeutico per tali malattie .
è intrigante che lo stesso studio di identificazione CEP164 mutazioni come causale per un sottoinsieme di nephronophthisis relative ciliopatie anche identificato mutazioni patogenetiche in MRE11 (Tabella 2). MRE11 interagisce stechiometricamente con RAD50 e NBS1 (formando il cosiddetto complesso MRN) per facilitare le funzioni chiave dei processi di riparazione del DNA . In particolare, le mutazioni della linea germinale in NBS1 o MRE11 danno origine alla sindrome da rottura di Nijmegen con disturbi ereditari predisponenti al cancro e al disturbo simile all’atassia-telangiectasia (ALTD), rispettivamente . Inoltre, MRE11 ha dimostrato di funzionare come barriera alla tumourigenesi e mutazioni eterozigoti ereditate in MRE11, NBS1 o RAD50 sono associate a un basso rischio di penetranza intermedia di cancro al seno . Attualmente non è chiaro come o perché specifiche mutazioni in MRE11 in particolare possano dare origine a ciliopatie. Ciò solleva domande interessanti sul fatto che mutazioni in altri membri del complesso MRN associato alla DDR (MRE11-RAD50-NBS1), mutazioni che causano sindromi tumorali ereditarie , possano anche essere causali per altre ciliopatie renale-retiniche. Forse ancora più sorprendente è stata la recente scoperta che mutazioni nell’anemia di Fanconi e nella nucleasi FAN1 associata al cancro (Tabella 2; ) potrebbero essere causali per un sottoinsieme di ciliopatie di tipo nefrite interstiziale cariomegalica . Poiché questo enzima è coinvolto nella riparazione delle lesioni del DNA che bloccano la replicazione del DNA, lo studio ha suggerito che l’attività difettosa della nucleasi all’interno di alcuni organi potrebbe guidare la senescenza cellulare a seguito di una maggiore esposizione alle genotossine (forse derivanti da un metabolismo attivo intensificato). Questo potrebbe essere uno scenario simile allo stress di replicazione aumentato proposto osservato nei reni di topi CEP290 e NEK8-carenti (vedi sopra). Sebbene questo possa essere un meccanismo attraverso il quale le mutazioni di FAN1 possono dare origine a ciliopatie, la biologia sottostante può essere più complicata, soprattutto dato che i fenotipi associati a ciliopatie di tipo nefrite interstiziale cariomegalica non sono evidenti nei pazienti con anemia di Fanconi (FA). Tale discrepanza fenotipica può anche essere, in parte, dovuta alla ridondanza all’interno delle vie che funzionano per risolvere le lesioni che impediscono la replicazione del DNA .
Oltre a questi studi genetici, diversi gruppi hanno anche scoperto collegamenti funzionali alla ciliogenesi per le proteine tradizionalmente associate alla DDR. Un esempio di questo è la recente scoperta che ATR localizza al corpo basale nelle cellule fotorecettori di topo (Tabella 2), ed è importante per la ciliogenesi durante l’occhio in via di sviluppo . L’ATR è anche richiesto per la segnalazione Sonic hedgehog correlata alla ciliare in vitro e in vivo, ma sembra essere in gran parte dispensabile per la ciliogenesi, in un ruolo distinto dalla sua funzione nella DDR e nella replicazione . Un’altra scoperta è che le mutazioni nei fattori di licenza della replicazione del DNA come ORC1 (Tabella 2), sono state causali per il disturbo microcefalico Sindrome di Meier–Gorlin (MGS) e hanno anche dimostrato di influenzare la ciliogenesi attraverso la segnalazione SHH compromessa . La proteina AAA-ATPasi VCP / p97, che regola la localizzazione di diversi fattori DDR nei siti di danno al DNA, ha dimostrato di essere necessaria per la ciliogenesi (Tabella 2), quando può svolgere funzioni simili nella regolazione dell’ubiquitilazione mediata dalla ligasi E3 delle proteine nel corpo basale . Infine, la proteina ATMIN , un partner di legame della chinasi DDR chiave ATM e anche importante per le risposte cellulari allo stress di replicazione, ha anche dimostrato di essere importante per la ciliogenesi durante la morfogenesi dei polmoni e dei reni nello sviluppo di topi attraverso la sua capacità come fattore di trascrizione di regolare la segnalazione WNT . Collettivamente, questi studi dimostrano sia legami genetici che funzionali tra DDR e ciliogenesi (Tabella 2).
Il cilio primario umano e il cancro
Contrariamente a queste recenti scoperte che coinvolgono fattori associati alla DDR nelle ciliopatie umane è l’osservazione generale che un aumento del rischio o dell’incidenza di cancro non è generalmente associato alle ciliopatie umane. Le eccezioni includono la sindrome di Birt-Hogg-Dubé e la sindrome di Von Hippel–Lindau che sono entrambi disturbi ereditari del cancro renale con alcune caratteristiche cliniche delle ciliopatie . Inoltre, anche se i pazienti con malattia renale policistica hanno cisti renali benigne come conseguenza di un fenotipo di crescita eccessiva delle cellule, non hanno un aumentato rischio di sviluppare il cancro e possono infatti avere un rischio di cancro complessivo ridotto rispetto agli individui non affetti . Non è chiaro il motivo per cui questo possa essere il caso, ma è stato suggerito che un aumento coincidente del tasso di morte cellulare attraverso meccanismi apoptotici e/o autofagici potrebbe aiutare a ridurre il rischio di cancro negli individui affetti. Un fenomeno simile è stato riportato per la riduzione genetica dell’attività ATR che limita la crescita tumorale di tumori carenti di P53 nei topi , sebbene sia stato riportato un aumento del rischio di cancro in alcuni pazienti con sindrome di Seckel, con almeno uno di questi che presenta un difetto genetico causale nel gene ATR . È interessante notare che, è stato recentemente suggerito che l’aumento dello stress di replicazione, simile a quello spesso visto nei tumori a causa dell’attivazione dell’oncogene, è un fenotipo associato a un sottoinsieme di ciliopatie, come la sindrome di Joubert associata a CEP290 . Pertanto, è possibile che sia necessario un certo livello di tolleranza ad un aumento dello stress di replicazione per guidare un maggior numero di fenotipi tumorali associati a malattie correlate alla DDR, che non viene selezionato durante lo sviluppo della maggior parte delle ciliopatie umane.
Gli studi qui brevemente evidenziati forniscono prove convincenti di legami genetici e funzionali in continua espansione tra DDR e percorsi di ciliogenesi. Tuttavia, le discrepanze tra i fenotipi delle sindromi predisponenti al cancro associate alla DDR e le ciliopatie (Tabelle 1, 2) non si adattano alla nostra attuale conoscenza limitata di come questi due percorsi potrebbero essere collegati. Ciò può riflettere l’impatto funzionale che ogni via ha all’interno sia dello sviluppo che del tessuto differenziato, come pure come la funzione normale o aberrante della via può colpire sia le lesioni precancerose che le cellule trasformate.