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Mécanismes de la cancérogenèse Dr. Jocelyn CERALINE Université de Strasbourg/Faculté de Médecine/EA4438 Laboratoire Signalisation et Cancer de la prostate.

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1 Mécanismes de la cancérogenèse Dr. Jocelyn CERALINE Université de Strasbourg/Faculté de Médecine/EA4438 Laboratoire Signalisation et Cancer de la prostate Service dHématologie et dOncologie – HUS

2 Objectifs du cours Connaître les différents concepts expliquant la genèse dune 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 daltérations 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.

3 La cancérogenèse Le dogme de la mutation somatique Modifications épigénétiques Coopération clonale et communication stroma-épithélium Différenciation cellulaire et dé-différenciation Cellules souches tumorales

4 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 => Notions dagents mutagènes ou carcinogènes (agents génotoxiques). Les lésions ou altérations de lADN sont normalement prises en charge par des systèmes de réparation de lADN. Ces lésions peuvent conduire au cancer, si elles ne sont pas réparées. Le cancer serait donc une maladie de lADN.

5 Agents génotoxiques et lésions de lADN 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

6 Radicaux oxygénés réactifs (OH,. O2, …) Facteurs endogènes 5-méthylCytosine Infidélité de lADN polymérase au cours de la réplication de lADN Déamination de la 5-méthylcytosine au niveau des îlots CpG NH 2 Thymine - Stress oxydatif - Catabolisme de composés toxiques - Lésion 8-oxo-Guanine => Système de réparation par excision de bases => Mutation GC TA quand elle nest pas réparée. Erreurs spontanées et non réparées au niveau de lADN

7 Gain ou perte de chromosomes => Aneuploïdie Gain ou perte dune portion de chromosome => amplification, larges délétions Réarrangements chromosomiques suite à des cassures de lADN => translocations, insertions => gènes de fusion ou forte expression dun gène Autre type daltérations génétiques Les aberrations chromosomiques Elles sont dues à une instabilité chromosomique qui reflète un défaut de ségrégation mitotique. Caryotypage dune cellule de cancer du poumon par hybridation in situ. Les chromosomes en métaphase sont marqués par 23 fluochromes. Rajagopalan and Lengauer, Nature 432, 2004.

8 Gène suppresseur de tumeur p53 (Syndrome de Li-Frauméni) : Gardien du génome Protéine PARP : Poly(ADP)-Ribose Polymérase (BER) : Senseur de cassures de lADN Gène suppresseur de tumeur p53 (Syndrome de Li-Frauméni) : Gardien du génome Protéine PARP : Poly(ADP)-Ribose Polymérase (BER) : Senseur de cassures de lADN 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 lovaire) Réparation des mésappariements de bases => MSH2, MLH1… (Formes familiales du cancer du côlon) Systèmes de réparation des lésions de lADN

9 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 lapoptose la différenciation cellulaire la réparation de lADN ladhésion cellulaire langiogenèse lélimination de catabolites toxiques.

10 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 lapoptose 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

11 Cellule transformée Modifications morphologiques, biochimiques et biologiques Transformation Cellule normale Instabilités génétiques Conséquences des lésions de lADN non réparées Instabilités chromosomiques

12 Cancer Une maladie du Génome Challenge Chaque tumeur est différente Chaque personne atteinte dun cancer est différente

13 Etudes systématiques du génome dans différentes localisations cancéreuses Forte incidence danomalies 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

14 Evolution du séquençage/Révolution 1990: milliers de bases/jour 2000: million de bases/jour 2010: milliard de bases/jour

15 Léthalité synthétique Combinaison de mutations entre deux ou plusieurs gènes conduit à la mort cellulaire. Applications thérapeutiques de linstabilité génétique Sensibilisation des cellules tumorales déficientes en BRCA1 aux agents chimio- ou radiothérapeutiques par des inhibiteurs de la PARP. Daprès Annunziata and Bates, Biology Reports 2010, Cassure double-brinCassure simple-brin PARP BRCA1 MMRNERBERRecombinaison homologue ADN réparé Inhibiteur de la PARP Olaparib… X BRCA1 mut

16 Le dogme de la mutation somatique Modifications épigénétiques Coopération clonale et communication stroma-épithélium Différenciation cellulaire et dé-différenciation Cellules souches tumorales La cancérogenèse

17 Epigénétique Lépigénétique (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 lexpression de gènes, de microRNA - inhibition déléments transposables - embryogenèse - inactivation du chromosome X - empreinte génétique.

18 Lépigénétique se traduit par des modifications de la chromatine 1.La méthylation des cytosines au niveau dilots CpG. Ce sont de courtes répétitions du dinucléotide Cytosine-Guanine Les ilots CpG sont répartis dans tout le génome Leur méthylation conduit à labsence dexpression de tous les gènes dans la région Ils sont retrouvés au niveau de la région promotrice de certains gènes. Contrôle de lexpression génique

19 La méthylation de lADN Il y a transfert dun groupement méthyle dun donneur, la S – adénosylméthionine, au carbone 5 de la cytosine. La réaction est catalysée par une famille denzymes appelées ADN méthyltransférases (DNMT1, DNMT3A, DNMT3B). Cytosine méthyle Cytosine (5 m C) ADN Méthyltransférase Toutes les cytosines ne sont pas méthylées. La séquence cible des DNMTs est 5-CpG OH -3 (CpG).

20 Conséquences de la méthylation de lADN La méthylation des régions promotrices => absence de transcription des gènes dans la région. Complexe dactivation de la transcription FT PolII HAT 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 Transcription TF PolII HAT

21 Etude de létat de méthylation dune 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)

22 Etude de létat de méthylation dune région promotrice Principe de la MS-PCR (PCR spécifique de la méthylation) The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

23 Etat de méthylation de la région promotrice du gène suppresseur de tumeur RASSF1A Ilot CpG méthyléIlot CpG non méthylé The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

24 Absence de transcription de gènes de réparation de lADN Méthylation de promoteurs Instabilité génétiqueMutagenèse augmentée Conséquences de lhyperméthylation de promoteurs de gènes impliqués dans la cancérogenèse

25 Absence de transcription de gènes suppresseurs de tumeur Méthylation de promoteurs Prolifération des cellules cancéreuses

26 Hyperméthylation et cancers En résumé Hyperméthylation de lADN Altération génétique Il sagit dun événement épigénétique pouvant affecter le niveau dexpression dun gène donné.

27 La cancérogenèse = accumulation de modifications génétiques et épigénétiques Exemple de la carcinogenèse prostatique Conclusion Modifications génétiques et épigénétiques Cellule saine Tumeur

28 Le dogme de la mutation somatique Modifications épigénétiques Coopération clonale et communication stroma-épithélium Différenciation cellulaire et dé-différenciation Cellules souches tumorales La cancérogenèse

29 Les clones de cellules cancéreuses névolueraient 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 dune tumeur. Coopération entre cellules tumorales Un nouveau concept

30 Communications stroma – épithélium Exemple de la prostate

31 Rôle du stroma dans la genèse dune cellule cancéreuse Les actions paracrines du facteur de croissance fibroblastique (FGF10), dorigine stromale, sont suffisantes pour la transformation histologique de lépithélium prostatique adjacent.

32 La cancérogenèse Le dogme de la mutation somatique Modifications épigénétiques Coopération clonale et communication stroma-épithélium Différenciation cellulaire et dé-différenciation Cellules souches tumorales

33 Développement tumoral similaire à lorganogenèse 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 lœuf lors de lorganogenèse/cellules métastatiques Embryogenèse, différenciation, et cancérogenèse De nombreux gènes architectes impliqués dans la différenciation au cours de lembryogenèse sont cibles daltérations génétiques lors de la genèse dune cellule cancéreuse.

34 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.

35 Exemples de gènes contrôlant la différenciation cellulaire lors de lembryogenèse 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 lembryogenèse. perte dexpression entraîne un délai de la différenciation cellulaire => lésions précancéreuses prostatiques.

36 Différenciation cellulaire et cancérogenèse La cellule cancéreuse est peu différenciée et proliférative Cellule cancéreuse Etat prolifératif Dédifférenciation ? Cellule souche indifférenciée Cellule différenciée fonctionnelle X Cellule peu différenciée +++ Auto-renouvellement

37 Exemple du Sarcome dEwing 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

38 Sarcomes dEwing 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 lInsulin-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

39 Sarcomes dEwing Origine mésenchymateuse des tumeurs dEwing Tirode et al., 2008; M/S n°3.

40 Le dogme de la mutation somatique Modifications épigénétiques Coopération clonale et communication stroma-épithélium Différenciation cellulaire et dé-différenciation Cellules souches tumorales La cancérogenèse

41 Cellules souches et cancérogenèse Seule une petite fraction de cellules au sein dune 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 lexpression de marqueurs de surface spécifiques de cellules immatures. Hamburger AW, Salmon SE. Primary bioassay of human tumor stem cells. Science 1977; 197: 461–463.

42 Isolement de cellules souches cancéreuses Notion de Marqueurs Daprès Vermeulen et al., Cell death and differentiation, 2008 Exemple de la prostate

43 Cellules souches et cancérogenèse Vermeulen et al., Cell death and differentiation, 2008 Cellule souche cancéreuse Capacité dauto-renouvellement Cellules cancéreuses différenciées Non tumorigènes Capacité dauto-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 dauto- renouvellement et seraient à lorigine de la grande variété de cellules différenciées présentes au sein de la tumeur.

44 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.

45 Cellules souches et cancérogenèse Daprès Vermeulen et al., Cell death and differentiation, 2008 La pression de sélection se fait au niveau des CSC. Acquisition daltérations génétiques??? Sélection clonale de clones hiérarchisés

46 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 daltérations génétiques A. B. CSC Cellules cancéreuses différenciées

47 Altérations génétiques, cancérogenèse et cellules souches pluripotentes

48 Ub MDM2 Rôles de p53 dans la réponse à une agression génotoxique MDM2 p53 Lésions de lADN Dégradation de p53 Dégradation de p53 Inactivation de p53 MDM2 Ac p53 p p p p p p p p The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Apoptose Senescence Arrêt du cycle cellulaire Situation normale Agression génotoxique

49 Différenciation cellulaire et cancérogenèse La cellule cancéreuse est peu différenciée et proliférative Cellule cancéreuse Etat prolifératif Dédifférenciation ? Cellule souche indifférenciée Cellule différenciée fonctionnelle X Cellule peu différenciée +++ Auto-renouvellement p53

50 Rôles de p53 dans la réponse à une agression génotoxique Différenciation Auto-renouvellement Cellule souche Pas de lésions de lADN Expression de Nanog Nanog Ac p53 p p p p Dé-différenciation Lésions de lADN Activation de p53 => Inhibition de lauto-renouvellement et de la dé-différenciation

51 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, Robert A. Weinberg. The Biology of Cancer, Garland Science, Tirode F, Laud-Duval K, Prieur A, Delorme B, Charbord P, Delattre O. Mesenchymal stem cell features of Ewing tumors. Cancer Cell May;11(5): Vermeulen L, Sprick MR, Kemper K, Stassi G, Medema JP. Cancer stem cells - old concepts, new insights. Cell Death Differ Feb 15; [Epub ahead of print].


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