Ormoni e carcinogenesi

Prof.ssa Elisa Petrangeli

1713 Ramazzini riscontrò alta incidenza di tumori mammari tra le suore a Padova

1842 Rigoni-Stern trovò che le suore avevano un rischio 3 volte maggiore di sviluppare tumore al seno rispetto alle altre donne

1889 Schinzinger stabilì che la malattia procedeva più lentamente in donne in post-menopausa

1896 Beatson riportò su Lancet la regressione di tumori mammari in stadio avanzato dopo castrazione chirurgica.

Evidenze

• studi epidemiologici: tempo di esposizione ad E tumori mammella ed endometrio

• esperimenti in vitro: E-dipendenza della crescita cellulare

Ormoni che contribuiscono allo sviluppo di tumori endocrino-

dipendenti.• Cancro della mammella

estrogeniprogestinici

• Cancro dell’endometrioestrogeniprogestinici

• Cancro della prostataandrogeniestrogeni

Rischio relativo di cancro della mammella.

What Are Estrogens?

O

Estrone

Estradiol

Steroid ring system

OH

HO

HO

Sintesi degli estrogeni

aromatasiaromatasi

aromatasiaromatasi

Ruolo fisiologico di ER ed estrogeni

Funzione degli Funzione degli estrogeni estrogeni

Mantenimento e Proliferazione dell’epitelio mammario, endometriale, prostatico.

I recettori per gli estrogeni sono ubiquitariVirtualmente presenti

in tutti i tessuti e cellule

Attenzione!Attenzione!

Superfamiglia dei recettori steroidei

Potenti regolatori dello sviluppo e del differenziamento

(ligand-indep) (ligand-dep)

Recettori estrogenici.

• Esistono due isoforme distinte di recettore estrogenico (RE), alfa e beta.• Le due isoforme agiscono come omo- ed etero-dimeri e regolano in maniera

differente la trascrizione di geni target:● legandosi al promotore dei geni responsivi, o● interagendo con altri fattori di trascrizione, come AP-1, Sp-1, NF-kB.

• In generale, l’isoforma alfa stimola e l’isoforma beta inibisce la trascrizione di geni coinvolti nella rispota proliferativa

Isoforme del recettore estrogenicoL’espressione delle isoforme

RE- and RE- è tessuto e cellulo-specifica.

Tessuti responsivi agli estrogeni:

• classici (alti livelli di RE-:utero, mammella, placenta, osso, sistema cardiovascolare, alcune aree del CNS

• non classici: (alti livelli di RE-:testicoli, polmone, epitelio intestinale, muscolo, tiroide, pelle, tratto urinario, etc.

La risposta biologica varia a seconda dei livelli di recettori ormonali espressi sulle cellule

bersaglio.

Copyright ©2005 The Endocrine Society

Bjornstrom, L. et al. Mol Endocrinol 2005;19:833-842

. Schematic Illustration of ER Signaling Mechanisms

SIGNALLING DEL RETTORE ESTROGENICO

NISS MISSMembrane-Initiated Steroid Signaling Nuclear -initiated Steroid Signaling

La risposta è cellulo- e tessuto- specifica, condizionata dai:livelli di espressione delle isoforme recettoriali (dimeri/eterodimeri), dal

promotore in esame, dalla presenza di corepressori e coattivatori

Meccanismo di attivazione e di azione trascrizionale dei Recettori Estrogenici, attivati dal ligando

Meccanismo d’azione dei recettori nucleari

Transattivazione o repressione di geni target

1 CLASSICA ERE-dipendente

2 ERE-indipendente

I geni bersaglio direttamente sotto il controllo degli ER sono coinvolti in proliferazione e differenziamento

A. Recettori progestinici

B. TGF-, IGF-1, EGF, ERB2, EGF-RC. Catepsina D, HSp27, cMyc, cfos, cJun, RaR

D. Ciclina D, B1, D1 ed E, pS2E. HDAC

3 ligando-indipendente

Cross-talk con altre vie di segnale mitogenetiche

EGF IGF-1

Azione diretta su ER Modulando attività “coregulation” di ER

P -P160Reclutamento co-attivatori

Trascrizione geni bersaglio

Attività trascrizionale x interazione con CBP/P300

Attività HAT di CBP

ER/AF-1

MAP-K MAP-K

P

4 non genomica

Segnali precoci nelle cellule

bersaglioERs associati alla membrana citoplasmatica

Segnali diversi da

quelli determinati dall’azione nucleare

ER- nucleoE

EFFETTI NON-GENOMICI

Action of estrogens on the pro-inflammatory cytokines activity

Activated ER directly inhibits IL-6 and TNF- expression via NF-kB- and AP-1-dependent mechanisms.

Estrogens also modulate the expression of inducible pro-inflammatory genes (i.e.: iNOS and COX-2);

Membrane ERs is involved in other cytokine regulation.

COX-2

Role of estrogens in the immune response

IL-12

IL-18

Role of the endocrine system in regulating the formation of Th1 or Th2 cells

• The balance of DHA to cortisol regulate the progression of Th cells to Th1 or Th2 phenotype.

• Aging is associated to a decrease in plasma DHA concentration, favoring a Th2 cytokine response with increased secretion of Il-6, which can stimulate tissue aromatase.

(Endocrine Review, 1997, 18: 701-715)

Estrogeni: Proliferazione

o antiproliferazione?

Dipende da:-Ligando

-Isoforme recettoriali alfa e beta-Cellula o tessuto bersaglio

-Complesso di trascrizione genica -Cofattori e segnali costimolatori o antagonisti

-Disponibilità dei geni da attivare

Progressiva diminuzione dell’espressione dell’isoforma beta del recettore estrogenico nella progressione di:

•Ca. della mammella

•Ca. ovarico

•Ca. prostatico

•Ca. colon

Ipotetico meccanismo d’azione del RE sulla risposta proliferativa

cellulare

Rappresentazione schematica dello sbilanciamento del rapporto RE/RE nella

progressione tumorale

SERM o Selective o Selective Estrogen Receptor Estrogen Receptor

ModulatorsModulatorsSi legano alle isoforme dei recettori estrogenici con affinità ed

azione trascrizionale diverse, determinando una espressione genica (estrogeno-agonista od -antagonista) che appare cellulo- e tessuto-specifica

Ligandi naturali: (fitoestrogeni, cumestrolo, etc)e sintetici (tamoxifene, raloxifene, etc)

Isoforme del recettore estrogenico e SERMs naturali

Azione tessuto-specifica dei RE:dipende dai livelli di espressione dei

REe dai livelli di altri cofattori.

I modulatori selettivi degli estrogeni (SERMs) sono ligandi del RE che possono avere effetti diversi o opposti a seconda della

isoforme di RE cui si legano ed agiscono come agonisti o come

antagonisti in tessuti diversi.

Alcuni componenti dei cibi, come la genisteina e daidzeina agiscono come SERMs naturali,

legandosi con maggior affinità al RE-.

.

Principali fitoestrogeniPrincipali fitoestrogeni

Affinità relative di differenti ligandi Affinità relative di differenti ligandi alle isoforme alle isoforme e e del recettore del recettore

estrogenicoestrogenicoLigandoLigando Isoforma Isoforma Isoforma Isoforma

17--estradiolo 100 10017--estradiolo 58 11Estriolo 14 21Estrone 60 374-idrossiestradiolo 13 72-idrossiestrone 2 0.2Tamoxifen 4 3Raloxifene 69 16Genisteina 4 87Cumestrolo 20 140Daidzeina 0.1 0.5

There is growing interest in the possible health threat posed by

endocrine-disrupting chemicals (EDCs),

which are substances in our environment,

food, and consumer products that interfere with hormone biosynthesis,

metabolism, or action resulting in a deviation from normal homeostatic control

or reproduction

Endocrine-Disrupting Chemicals.1

EDCs at certain concentrations can cause disruption to endocrine systems. They include:• pesticides (e.g. DDT, vinclozolin, TBT, atrazine), • persistent organochlorines and organohalogens (e.g.

PCBs, dioxins, furans, brominated fire retardants), • alkyl phenols (e.g. nonylphenol and octylphenol), • heavy metals (e.g. cadmium, lead, mercury), • phytoestrogens (e.g. isoflavoids, lignans, β-sitosterol), • synthetic and natural hormones (e.g. β-estradiol,

ethynylestradiol),• epigenetic DNA methylation.

Endocrine-Disrupting Chemicals.2

EDCs can cause endocrine disruption through a range of mechanisms by acting as: – (1) environmental estrogens or SERMs, e.g.

methoxychlor, bisphenol A, dioxin, endosulfan; – (2) environmental antiandrogens, e.g. vinclozolin, DDE, – (3) toxicants that reduce steroid hormone levels, e.g.

fenarimol, endosulfan; – (4) toxicants that affect reproduction primarily through

effects on the central nervous system, e.g. dithiocarbamate;

– (5) others (e.g. interacting with PPARs, altering thyroid hormone levels, aromatase activity).

•

EDCs interact with hormone receptors

EDCs were originally thought to exert actions primarily through:

• nuclear hormone receptors, including estrogen receptors (ERs), androgen receptors (ARs), progesterone receptors, thyroid receptors (TRs), retinoid receptors, Peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) and

• Nonnuclear steroid hormone receptors (e.g., membrane ERs), nonsteroid receptors (e.g., neurotransmitter receptors such as the serotonin receptor, dopamine receptor, norepinephrine receptor), orphan receptors [e.g., aryl hydrocarbon receptor (AhR)—an orphan receptor], enzymatic pathways

EDC Exposed animal and effectsPossible translation to the clinical condition Potential mechanisms

Vinclozolin

Fetal rat: multisystem disorders including tumors

Epigenetic: altered DNA methylation in germ cell line; reduced ER expression in uterus

DES Fetal mouse: transmitted susceptibility to malignancies

Vaginal carcinoma in daughters of women treated with DES during pregnancy

DDT/DDE Immature female rat: sexual precocity

Precocious and early puberty Neuroendocrine effect through estrogen receptors, kainate receptors, and AhRs

Reduced fertility in daughters of exposed women

<15 yr: increased breast cancer risk

BPA Inhibited mammary duct dev and increased branching

Miscarriages Inhibition of apoptotic activity in breast;

Increased mammary gland density,

Increased number of progesterone receptor-positive epithelial cells;

Endometrial stimulation Reduced sulfotransferase inactivation of estradiol;

Early puberty 0>Nongenomic activation of ERK1/2

PCBs Fetal rat: neuroendocrine effects in two generations

Actions on estrogen receptors, neurotransmitter receptors

Dioxins Fetal rat: altered breast dev, increased mammary cancer

Inhibition of cyclooxygenase2 via AhR

Early pubertal rat: blocked ovulation

Phthalates Premature thelarche

Effetti di spill-over

degli endocrine disruptors

Normale Normale risposta risposta

degli degli estrogeniestrogeni

Normale Normale risposta risposta

della della diossinadiossina

Risposta Risposta della della

diossina diossina con spill-con spill-over del over del recettore recettore

estrogenicoestrogenico

Essential for normal growth & development of the breastImportant factor in breast cancer• Decreases time for mutation repair

Estrogen and other reproductive hormones cause proliferation of breast cells

• Key event during the tumor promotion

Proliferating cells at risk to undergo initiation, promotion and progression stages of cancer formation

Proliferation – Cell Multiplication

Development of the Breast Ductal TreeDifferentiation Occurs With Pregnancy

2 years After Puberty

AfterPregnancyBirth

Lobules

Puberty Sexual Maturity Pregnancy Lactation

Terminal End Bud

LobuleType 1

LobuleType 2

LobuleType 3

LobuleType 4

60 22 4 1Level of Proliferation

Differentiation of A Breast LobuleGrowth to a Functioning Entity

Breast Lobule Types

Puberty

Pregnancy

Lactation

LobuleType 2

LobuleType 3

LobuleType 4

LobuleType 1

Contains cells at to become breast cancer

highest risk

- cells that are - cells that are

proliferatingnot differentiated

Premenopausal Women Have Different Lobule Types

80%-100% type 3 lobulesChildbearing

30%-35% type 2 lobules5%-10% type 3 lobules

Childless50%-60% type 1 lobules

Key Biological Factors for Breast Cancer Risk

1) Number of Cells Risk to become breast tumors - Cells which are not differentiated - Cells which are proliferating

2) Estrogen and other hormones - Levels of these hormones in blood - Level of receptors for these hormones

Cells Susceptible to Become Tumors

- Measure of vulnerability to cancer

FATTORI DI RISCHIOMenarca precoce e menopausa tardivaObesità post-menopausaleTerapia sostitutiva con estrogeniNulliparitàPrimiparità tardiva

FATTORI PROTETTIVIGravidanza precoce Lattazione prolungataEsercizio fisico

TUMORE MAMMARIO

Importante capire i meccanismi attraverso i quali gli Estrogeni

determinano un aumento della proliferazione cellulare

nei tumori estrogeno-associati

Metaboliti dell’estradiolo potrebbero avere un’azione mutagenica attraverso una pathway che coinvolge l’enzima 1B1 citocromo P450. Questa catalisi converte E2 in catechol-estrogen4-hydroxyestradiol (4-OHE2), che è ulteriormente metabolizzato a 3,4-estradiol-quinone. Questo metabolita lega covalentemente le molecole di guanina o adenina del DNA, attivando l’enzima glicosidasi che attraverso un processo di depurinazione provoca punti di mutazione (Yager 2000; Cavalieri 2000)

E2 legandosi al proprio recettore stimola geni coinvolti nella proliferazione cellulare, aumentando la velocità del ciclo cellulare a scapito dei processi di riparazione del DNA. L’aumentata mitosi può portare a propagazioni di mutazioni già presenti (Preston-Martin et al., 1993)

Estrogens as initiators

Estrogen-Induced Proliferation of Existing Mutant Cells

Mutant breast cells(caused by error, inheritance, and/or environmental factors)

Estrogen stimulation

Estrogen-Induced Proliferation andSpontaneous New Mutations

Normal breast cell

Increased proliferation

Estrogen stimulation

Mistake in DNA duplication

MODULAZIONE DELLA PRODUZIONE di CATEPSINA D.

Catepsina D: proteasi lisosomiale regolata dall'estrogeno in grado di digerire la matrice extracellulare e la membrana basale, facilitando la migrazione e l'invasione di cellule cancerose.Marcatore Prognostico in diversi tipi di tumori, a causa delle attività mitogeniche e proteolitiche,

INVASIONE TUMORALE

Antiestrogens

Estrogen receptor

Binding to DNA

Estrogen receptor

Coactivator binds

Genes are activated

Estrogen

Coactivator cannot bind to antiestrogen-bound receptor

No gene activation

Antiestrogen

Binding to DNA

Tamoxifen and Breast Cancer Treatment

Breast cancer surgically removed

Reduced risk of cancer

recurrence

Treatment with tamoxifen

Tamoxifen as a Cause of Uterine Cancer

Decreased cancer risk

Tamoxifen Estrogen

Uterine receptor activated

Estrogen receptor in uterine endometrial cell

Endometrial cell proliferation

Breast receptor not activated

Estrogen receptor in breast cell

blocked

No breast cell proliferation

Increased cancer risk

Estrogen Receptor-Negative Breast Cancer

Estrogen

Estrogen receptor-negative breast cancer

Estrogen receptor-positive breast cancer

Cell proliferation• Not controlled by estrogen• Not inhibited by tamoxifen

Cell proliferation• Controlled by estrogen• Inhibited by tamoxifen

Estrogen receptor

Tamoxifen inhibits

INIBITORI DELLA AROMATASI

MECCANISMI MOLECOLARI DI RESISTENZA ALLA TERAPIA ORMONALE IN TUMORI ER-POSITIVI

Mutazioni a carico di ER

sensibilità al ligando

reclutamento di co-attivatori1)

2) Modificazioni post-traduzionali di ER e/o Aumentata attività di GF

attivazione ligando-indipendente

3) espressione di co-attivatori o downregulation di co-repressori

4) Attivazione di vie di trasduzione di segnali che dipendono da effetti non-genomici di ER