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Mécanismes de la
cancérogenèse
Dr. Jocelyn CERALINE
Université de Strasbourg/Faculté de Médecine/EA4438Laboratoire Signalisation et Cancer de la prostate
Service d’Hématologie et d’Oncologie – [email protected]
Objectifs du cours
• Connaître les différents concepts expliquant la genèse d’une cellule
cancéreuse, la progression tumorale et la résistance thérapeutique
• Comprendre les mécanismes ou évènements moléculaires,
cellulaires et tissulaires conduisant à la cancérogenèse.
A terme
• Notion des grandes fonctions des gènes impliqués dans la
cancérogenèse
• Notion d’altérations génétiques et de mécanismes épigénétiques
• Contribution du stroma dans la progression tumorale
• Notions de cellules souches tumorales et de cellules initiatrices
• Bases rationnelles de certaines thérapies anti-cancéreuses.
La cancérogenèse
Le dogme de la mutation somatique
Modifications épigénétiques
Coopération clonale et communication stroma-épithélium
Différenciation cellulaire et dé-différenciation
Cellules souches tumorales
Le dogme de la mutation somatique
Les premières démonstrations que des agents extérieurs
(chimiques ou physiques) pouvaient conduire au cancer datent de
travaux menés entre 1914-1950
=> Notions d’agents mutagènes ou carcinogènes (agents génotoxiques).
Les lésions ou altérations de l’ADN sont normalement prises en
charge par des systèmes de réparation de l’ADN.
Ces lésions peuvent conduire au cancer, si elles ne sont pas
réparées.
Le cancer serait donc une maladie de l’ADN.
Agents génotoxiques et lésions de l’ADN
Facteurs exogènes Radiations ionisantes (Rayons à haut potentiel énergique)
Cassures doubles brins => Délétions ou translocations Radicaux libres => cassures simples brins, bases
endommagées
Rayonnement Ultraviolet (UV)
Carcinogènes chimiques (http://monographs.iarc.fr)
Amines hétérocycliques
hydrocarbures aromatiques polycycliques
amiante, arsenic, cadmium.
Formation de dimères de pyrimidine
Mutations CC TT et C T
Cancers cutanés
Radicaux oxygénés réactifs (•OH, . •O2, …)
Facteurs endogènes
5-méthylCytosine
12
34
5
6
Infidélité de l’ADN polymérase au cours de la réplication de
l’ADN
Déamination de la 5-méthylcytosine au niveau des îlots CpG
NH2
Thymine
- Stress oxydatif
- Catabolisme de composés toxiques
- Lésion 8-oxo-Guanine => Système de réparation par excision de bases
=> Mutation GC TA quand elle n’est pas réparée.
Erreurs spontanées et non réparées au niveau de l’ADN
Gain ou perte de chromosomes
=> Aneuploïdie
Gain ou perte d’une portion de chromosome
=> amplification, larges délétions
Réarrangements chromosomiques suite à des cassures de l’ADN
=> translocations, insertions=> gènes de fusion ou forte expression d’un gène
Autre type d‘altérations génétiques
Les aberrations chromosomiques
Elles sont dues à une instabilité chromosomique qui reflète un défaut de
ségrégation mitotique.
Caryotypage d’une cellule de cancer du poumon par hybridation in situ. Les chromosomes en métaphase sont marqués par 23 fluochromes. Rajagopalan and Lengauer, Nature 432, 2004.
Gène suppresseur de tumeur p53 (Syndrome de Li-Frauméni) : Gardien du génomeProtéine PARP : Poly(ADP)-Ribose Polymérase (BER) : Senseur de cassures de l’ADN
Gène suppresseur de tumeur p53 (Syndrome de Li-Frauméni) : Gardien du génomeProtéine PARP : Poly(ADP)-Ribose Polymérase (BER) : Senseur de cassures de l’ADN
Réparation par réversion
Passage de lésions
Réparation par excision de bases (BER) => lésions oxydatives, cassures simples brins
Réparation par excision de nucléotides (NER) => lésions dues aux UV, au cisplatine…=> Xeroderma pigmentosum, Syndrome de Cockayne
Réparation des cassures doubles brins par recombinaison homologue=> BRCA1 (cancer du sein et de l’ovaire)
Réparation des mésappariements de bases=> MSH2, MLH1… (Formes familiales du cancer du côlon)
Systèmes de réparation des lésions de l’ADN
Conséquences des altérations génétiques
Les altérations génétiques peuvent toucher des gènes dont la protéine
codée joue un rôle dans :
le contrôle de la prolifération cellulaire
=> Activation de médiateurs positifs
=> Inactivation des médiateurs négatifs (freins)
le contrôle de l’apoptose
la différenciation cellulaire
la réparation de l’ADN
l’adhésion cellulaire
l’angiogenèse
l’élimination de catabolites toxiques.
Conséquences des altérations génétiques
Douglas Hanahan and Robert A.Weinberg. (2000). The Hallmarks of
Cancer (Review). Cell, Vol. 100 : 57–70.
Initiation de la cancérogenèse
Résistance à l’apoptose
Adaptation des cellules cancéreuses à leur environnement
=> échapper au système immunitaire
Progression tumorale=> Angiogenèse
=> Invasion, migration
Résistance thérapeutique=> Surexpression de gènes de
survie
=> Implication à tous les stades du développement tumoral
Cellule transformée
Modifications morphologiques,
biochimiques et biologiquesT
ransformation
Cellule normale
Instabilités génétiques
Conséquences des lésions de l’ADN non réparées
Instabilités chromosomiques
CancerUne maladie du Génome
Challenge
Chaque tumeur est différente
Chaque personne atteinte d’un cancer est différente
Etudes systématiques du génome dans différentes localisations cancéreuses
Forte incidence d’anomalies génétiques> souvent 10,000 mutations par cancer
- minorité sont des mutations “driver”- grande majorité sont “passagères”
Hétérogénéité au sein et entre les types de tumeurs
Evolution du séquençage/Révolution
1990: milliers de bases/jour
2000: million de bases/jour
2010: milliard de bases/jour
Léthalité synthétiqueCombinaison de mutations entre deux ou plusieurs gènes conduit à la mort
cellulaire.
Applications thérapeutiques de l’instabilité génétique
Sensibilisation des cellules tumorales déficientes en BRCA1 aux agents chimio- ou radiothérapeutiques par des inhibiteurs de la PARP.
D’après Annunziata and Bates, Biology Reports 2010, 2-10.
Cassure double-brinCassure simple-brin
PARPBRCA1
MMR NER BER Recombinaison homologue
ADN réparé
Inhibiteur de la PARPOlaparib… X
BRCA1mut
Le dogme de la mutation somatique
Modifications épigénétiques
Coopération clonale et communication stroma-épithélium
Différenciation cellulaire et dé-différenciation
Cellules souches tumorales
La cancérogenèse
Epigénétique
L’épigénétique (préfixe « épi », du grec signifiant « au
dessus ») conduit à un changement du phénotype sans pour
autant modifier le génotype de la cellule.
Les modifications épigénétiques et le phénotype associé
persistent pendant les mitoses et voire même après la méiose.
Rôle physiologique fondamental :
- contrôle de l’expression de gènes, de microRNA
- inhibition d’éléments transposables
- embryogenèse
- inactivation du chromosome X
- empreinte génétique.
L’épigénétique se traduit par des modifications de la chromatine
1.La méthylation des cytosines au niveau d’ilots CpG.
• Ce sont de courtes répétitions du dinucléotide Cytosine-Guanine
• Les ilots CpG sont répartis dans tout le génome
• Leur méthylation conduit à l’absence d’expression de tous les gènes
dans la région
• Ils sont retrouvés au niveau de la région promotrice de certains
gènes.
Contrôle de l’expression génique
La méthylation de l’ADN
Il y a transfert d’un groupement méthyle d’un donneur, la S –adénosylméthionine, au carbone 5 de la cytosine.
La réaction est catalysée par une famille d’enzymes appelées ADN méthyltransférases (DNMT1, DNMT3A, DNMT3B).
Cytosine
12
3
45
6
5-méthyle Cytosine (5mC)
12
3
4
5
6
ADN Méthyltransférase
Toutes les cytosines ne sont pas méthylées. La séquence cible des DNMTs est
5’-CpGOH-3’ (CpG).
Conséquences de la méthylation de l’ADN
La méthylation des régions promotrices => absence de transcription des gènes dans la région.
Complexe d’activation de la transcription
FT PolIIHAT
Transcription
TF : Facteurs de transcription
HAT : Histone acétylase
HDAC : Histone déacétylase
Pol II : ARN polymérase II
: CpG non méthylé
: CpG méthylé
: Histone non acétylée
: Histone acétylée
DNMTs
HDAC HDAC HDAC
Transcription
TF PolIIHAT
Etude de l’état de méthylation d’une région promotrice
Action du bisulfite de sodium
Bisulfite de sodium
En milieu alcalin, le bisulfite de sodium convertit les cytosines en uraciles.
Les cytosines méthylées ne sont pas affectées.
Les uraciles sont considérées comme des thymines.
The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Etude de l’état de méthylation d’une région promotrice
Principe de la MS-PCR (PCR spécifique de la méthylation)
The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Etat de méthylation de la région promotrice du gène suppresseur de tumeur RASSF1A
Ilot CpG méthylé Ilot CpG non méthylé
The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)
Absence de transcription de gènes de réparation de l’ADN
Méthylation de promoteurs
Instabilité génétique Mutagenèse augmentée
Conséquences de l’hyperméthylation de promoteurs de gènes impliqués dans la
cancérogenèse
Conséquences de l’hyperméthylation de promoteurs de gènes impliqués dans la
cancérogenèse
Absence de transcription de gènes suppresseurs de tumeur
Méthylation de promoteurs
Prolifération des cellules cancéreuses
Hyperméthylation et cancers
En résumé
Hyperméthylation de l’ADN ≠ Altération génétique
Il s’agit d’un événement épigénétique pouvant affecter le niveau d ’expression d’un gène donné.
La cancérogenèse = accumulation de modifications génétiqueset épigénétiques
Exemple de la carcinogenèse prostatique
Conclusion
Modifi
catio
ns g
énétiq
ues e
t épig
énétiq
ues
Cellule saine
Tumeur
Le dogme de la mutation somatique
Modifications épigénétiques
Coopération clonale et communication stroma-épithélium
Différenciation cellulaire et dé-différenciation
Cellules souches tumorales
La cancérogenèse
Les clones de cellules cancéreuses n’évolueraient pas indépendamment les uns des autres.
Il est admis que les tumeurs sont hétérogènes, constituées de plusieurs clones cellulaires qui diffèrent les uns des autres.
Il existerait une coopération entre les différents clones cellulaires au sein d ’une tumeur.
Coopération entre cellules tumorales
Un nouveau concept
Communications stroma – épithéliumExemple de la prostate
Rôle du stroma dans la genèse d’une cellule cancéreuse
Les actions paracrines du facteur de croissance fibroblastique (FGF10), d’origine stromale, sont suffisantes pour la transformation histologique de l’épithélium prostatique adjacent.
La cancérogenèse
Le dogme de la mutation somatique
Modifications épigénétiques
Coopération clonale et communication stroma-épithélium
Différenciation cellulaire et dé-différenciation
Cellules souches tumorales
Développement tumoral similaire à l’organogenèse au cours du
développement embryonnaire
- Rythme soutenu des divisions cellulaires
- Invasion des trophoblastes dans la matrice utérine
- Expression de gènes architectes
- Implication des mêmes voies de signalisation
- Transition épithéliale-mésenchymateuse
- Migration des cellules de l’œuf lors de l’organogenèse/cellules métastatiques
Embryogenèse, différenciation, et cancérogenèse
De nombreux gènes architectes impliqués dans la différenciation
au cours de l’embryogenèse sont cibles d’altérations génétiques
lors de la genèse d’une cellule cancéreuse.
Implication des mêmes voies de signalisation
Exemple : La voie Hedgehog
Embryogenèse, différenciation, et cancérogenèse
Voie de signalisation très importante pendant le développement embryonnaire
« Réveillée » au niveau de certaines tumeurs (rein, prostate, …), par des mutations.
Exemples de gènes contrôlant la différenciation cellulaire lors de l’embryogenèse et impliqués dans la
cancérogenèse
=> Gènes à homeobox (HOX) codant pour des protéines (facteurs de transcription) à homéodomaine.
Translocations chromosomiques retrouvées dans les leucémies myéloïdes aiguës. Expression altérée dans les cancers colorectaux, pancréas, estomac. Morphogène et Gène suppresseur de tumeur dans le côlon adulte ???
Cdx2 (Caudal type homeobox transcription factor 2) jouant un rôle dans la différenciation hématopoïétique
NKX3.1 code pour une protéine impliquée dans le développement du tractus urogénital au cours de l’embryogenèse.
→ perte d’expression entraîne un délai de la différenciation cellulaire
=> lésions précancéreuses prostatiques.
Différenciation cellulaire et cancérogenèse
La cellule cancéreuse est peu différenciée et proliférative
Cellule cancéreuse
Etat prolifératif
Dédifférenciation
?
Cellule souche indifférenciée Cellule
différenciée fonctionnelle
+ +++ 0
X
Cellule peu différenciée
+++
Au
to-
ren
ou
vellem
en
t
Exemple du Sarcome d’Ewing
Tumeur à « petites cellules rondes » se développant aux dépens des tissus mous et osseux.
100 cas/an en France, enfants et adultes confondus
Cellules primitives neuro-ectodermiques présentant des degrés variables de différenciation.
Origine cellulaire inconnue.
Origine mésenchymateuse de cellules tumorales
Sarcomes d’Ewing Un événement génétique unique est suffisant pour induire la
cancérogenèse
Dans les deux cas, la protéine anormale entraîne une activation continue du récepteur membranaire de l’Insulin-like Growth factor (IGF-1) Prolifération cellulaire.
Translocation t(21;22)(q22;q12) : EWS-ERG => 15 % des tumeurs d'Ewing
Translocation t(11;22)(q24;q12) : EWS-FLI1 => 85 % des tumeurs d'Ewing
Sarcomes d’Ewing
Origine mésenchymateuse des tumeurs d’Ewing
Tirode et al., 2008; M/S n°3.
Le dogme de la mutation somatique
Modifications épigénétiques
Coopération clonale et communication stroma-épithélium
Différenciation cellulaire et dé-différenciation
Cellules souches tumorales
La cancérogenèse
Cellules souches et cancérogenèse
Seule une petite fraction de cellules au sein d’une tumeur ont la capacité de propager la tumeur dans un modèle de souris immunodéprimées.
Ces cellules sont dénommées « cellules souches cancéreuses » ou « cancer stem cells » (CSC)
Elles se distinguent des autres cellules au sein de la tumeur par l’expression de marqueurs de surface spécifiques de cellules immatures.
Hamburger AW, Salmon SE. Primary bioassay of human tumor stem cells. Science 1977; 197: 461–463.
Isolement de cellules souches cancéreusesNotion de Marqueurs
D ’après Vermeulen et al., Cell death and differentiation, 2008
Exemple de la prostate
Cellules souches et cancérogenèse
Vermeulen et al., Cell death and differentiation, 2008
Cellule souche cancéreuse
Capacité d’auto-renouvellement
Cellules cancéreuses différenciées
Non tumorigènes
Capacité d’auto-renouvellement nulle
La tumeur serait vue comme un organe anormal avec son compartiment de cellules souches qui contrôle la prolifération cellulaire.
Les CSC ont la capacité d’auto-renouvellement et seraient à l’origine de la grande variété de cellules différenciées présentes au sein de la tumeur.
Cellules souches et cancérogenèse
Gold standard :
1) Des cellules sont définies comme CSC si elles ont la
capacité de donner une phénocopie de la tumeur initiale dans un
modèle de souris immunodéprimée.
2) La tumeur résultante peut être xénotransplantée en
série.
Cellules souches et cancérogenèse
D ’après Vermeulen et al., Cell death and differentiation, 2008
La pression de sélection se fait au niveau des CSC.
Acquisition d’altérations génétiques???
Sélection clonale de clones hiérarchisés
Cellules souches cancéreuses et résistance aux traitements anti-cancéreux
Vermeulen et al., Cell death and differentiation, 2008
Les cellules résiduelles après traitement anti-cancéreux :
A. = Uniquement les cellules souches cancéreuses
B. = Un clone CSC pré-existant et résistant suite à une accumulation d’altérations génétiques
A.
B.
CSC Cellules cancéreuses différenciées
Altérations génétiques, cancérogenèse et cellules souches pluripotentes
UbUb
UbUb
MDM2MDM2
Rôles de p53 dans la réponse à une agression génotoxique
MDM2
MDM2
p53Lésions
de l’ADN
Lésions de
l’ADN
Dégradation
de p53
Inactivation de p53
MDM2MDM2AcAc
p53
pppp
pp
pp
Th
e B
iolo
gy o
f C
an
cer (©
G
arla
nd
S
cien
ce 2
00
7)
Apoptose
Senescence
Arrêt du cycle cellulaire
Situation normale Agression génotoxique
Différenciation cellulaire et cancérogenèse
La cellule cancéreuse est peu différenciée et proliférative
Cellule cancéreuse
Etat prolifératif
Dédifférenciation
?
Cellule souche indifférenciée Cellule
différenciée fonctionnelle
+ +++ 0
X
Cellule peu différenciée
+++
Au
to-
ren
ou
vellem
en
t
p53
Rôles de p53 dans la réponse à une agression génotoxique
Différenciation
Auto-renouvellement
Cellule souchePas de lésions de
l’ADN
Pas de lésions de
l’ADN
Expression de Nanog
Expression de Nanog
NanogNanog
AcAc
p53
pppp
Dé-différenciation
Lésions de
l’ADN
Activation de p53 => Inhibition de l’auto-renouvellement et de la dé-différenciation
Lecture
• Tannock IF, Hill RP. - The basic science of Oncology, MC Graw-Hill Editions Nouvelle édition.
• Lacave R, Larsen CJ, Robert J. Cancérologie fondamentale, Coll. Société Française du Cancer, John Libbey Eurotext, 2005.
• Robert A. Weinberg. The Biology of Cancer, Garland Science, 2007.
• Tirode F, Laud-Duval K, Prieur A, Delorme B, Charbord P, Delattre O. Mesenchymal stem cell features of Ewing tumors. Cancer Cell. 2007 May;11(5):421-9.
• Vermeulen L, Sprick MR, Kemper K, Stassi G, Medema JP. Cancer stem cells - old concepts, new insights. Cell Death Differ. 2008 Feb 15; [Epub ahead of print].
