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Génomique et cancer du sein : apport des puces à ADN


Bulletin du Cancer. Volume 91, 226-31, Numéro spécial, Décembre 2004, Synthèse


Résumé   Summary  

Auteur(s) : Nicolas Sévenet, Paul-Henri Cottu , Plateforme de génomique, Service de biochimie et biologie moléculaire, Hôpital Lariboisière (AP-HP), 2, rue Ambroise Paré, 75010 Paris, Service d’oncologie médicale, Groupe hospitalier Diaconesses-Croix Saint-Simon, 18 rue du Sergent Bauchat, 75571 Paris Cedex 12.

Résumé : L’émergence des techniques d’analyse génomique à large échelle, appliquées au cancer du sein, a permis d’obtenir plusieurs niveaux de résultats : classification moléculaire des cancers du sein, identification de groupes pronostiques nettement différenciés, ébauche de classification prédictive. L’application en clinique reste limitée par les difficultés de standardisation.

Mots-clés : génomique, cancer du sein, puce à ADN

Illustrations

ARTICLE

Auteur(s) :, Nicolas Sévenet1, Paul-Henri Cottu2

1Plateforme de génomique, Service de biochimie et biologie moléculaire, Hôpital Lariboisière (AP-HP), 2, rue Ambroise Paré, 75010 Paris
2Service d’oncologie médicale, Groupe hospitalier Diaconesses-Croix Saint-Simon, 18 rue du Sergent Bauchat, 75571 Paris Cedex 12

À mesure que le génome humain est séquencé et que des cartes complètes d’interaction protéique sont publiées, la communauté scientifique et médicale découvre la complexité du réseau cellulaire eucaryote. Ainsi, les techniques d’analyse globale sont devenues essentielles d’un point de vue tant technique et médical qu’économique. Tout d’abord, il est nécessaire d’avoir recours à ces nouveaux outils afin d’appréhender dans son ensemble l’extraordinaire diversité des niveaux d’information cellulaire, aussi bien au stade ADN/ARN qu’à l’échelle protéique. En effet, les réseaux de contrôle d’expression génique, de régulation conformationnelle et d’interaction protéique, qui régissent finalement la totalité des processus cellulaires eucaryotes, se révèlent étroitement imbriqués et d’analyse complexe. Par ailleurs, la maîtrise souhaitée des coûts de la recherche fondamentale académique et la pression croissante de l’opinion publique pour une prise en charge personnalisée des patients atteints de pathologies lourdes déterminent également la mise en œuvre de procédés fiables, rapides et peu coûteux pour le diagnostic et la prédiction d’évolution des pathologies.Les principales techniques d’analyse globale des cellules eucaryotes au niveau génomique se classent en deux catégories selon l’information pré-requise nécessaire à l’expérimentation :
  • les techniques dites open, presque exclusivement pratiquées en recherche fondamentale, où l’expérimentateur n’impose aucune contrainte à l’étude qu’il réalise, par exemple, l’analyse différentielle (differential display) ou le clonage des extrémités de transcrits par SAGE (serial analysis of gene expression) ;
  • les techniques dites « semi-fermées », utilisées en recherche fondamentale mais également de plus en plus fréquemment pour le diagnostic, pour lesquelles l’expérimentateur impose de connaître un des paramètres de l’étude ; les biopuces à ADN nécessitent dans leur utilisation la connaissance de la séquence des acides nucléiques immobilisés sur la lame de verre.
L’utilisation en cancérologie de la technologie des biopuces a initialement suscité de formidables espoirs, tant les résultats semblaient donner une image claire de l’état moléculaire d’un groupe de cellules cancéreuses. Cet état permettait non seulement de définir et de classer les tumeurs selon un nouveau critère, la génomique, mais aussi de prédire l’évolution de la tumeur chez un patient donné. Au fur et à mesure de l’avancée technologique et de la maturité analytique des chercheurs et des cliniciens, on s’est aperçu que les résultats étaient complexes et d’interprétation relative, qu’ils n’étaient pas nécessairement corrélés aux données biologiques existantes et, surtout, qu’ils dépendaient des laboratoires qui les avaient publiés.Cet article de synthèse a donc pour objectif de présenter succinctement la technologie des biopuces à ADN et surtout de faire l’état des lieux des résultats publiés des études moléculaires d’expression génique réalisées à partir de tumeurs du sein prélevées sur des cohortes de patientes en rétrospectif ou même en diagnostic clinique, en prospectif.

Biopuces à ADN : intérêts et difficultés

Les biopuces à ADN (microarrays) définissent un ensemble de procédés caractérisés par un même schéma expérimental : un acide nucléique (ADN/ARN) à caractériser, la cible, est extrait d’un groupe homogène de cellules ou d’un tissu d’intérêt, puis « marqué » (coloré avec un composé fluorochrome ou marqué radioactivement) et co-hybridé avec un acide nucléique provenant d’un groupe cellulaire témoin, sur un support solide (lame de verre, membrane de nylon…) présentant à sa surface entre 100 et 100 000 spots d’acides nucléiques immobilisés, à séquences et emplacements connus, les sondes [1, 2]. Après une hybridation longue puis une série de lavages en concentrations salines décroissantes, le support est placé dans un scanner ou un détecteur de radioactivité, puis soumis à un laser excitant les molécules de fluorescence des cibles retenues par hybridation spécifique sur les sondes immobilisées (ou capture du rayonnement émis). Le signal émis est alors capturé et converti informatiquement en signal d’intensité (échelle de gris). Dans le cadre du marquage non radioactif, le signal est de nouveau traité par informatique avec attribution de couleurs définies comme universelles par la communauté scientifique internationale : cyanine 5 (rouge), cyanine 3 (vert). Selon l’intensité et la caractéristique du signal émis, l’expérimentateur connaît précisément le type d’acide nucléique et sa quantité relative par rapport aux autres dans la solution complexe d’acides nucléiques de l’échantillon d’intérêt. Après analyse de l’image, les résultats sont traités statistiquement au moyen de logiciels et d’algorithmes adaptés, selon deux approches principales : le clustering non hiérarchisé ou l’analyse supervisée ( (figure 1) ).

Selon le type de biopuces à ADN utilisé, il sera possible d’étudier le génome ou le transcriptome d’un groupe homogène de cellules (ou un tissu). Les biopuces à ADN génomique sont notamment utilisées en hybridation génomique comparative (CGH ou comparative genomic hybridization) afin de tester l’intégrité du génome de cellules d’intérêt. Des fragments plus ou moins longs d’ADN génomique sont fixés de façon covalente sur le support. L’ADN génomique d’intérêt est extrait de deux groupes de cellules, un échantillon témoin et un échantillon de cellules d’intérêt. L’ADN d’intérêt, marqué en rouge par exemple, est co-hybridé sur la lame avec l’ADN génomique témoin coloré en vert. L’intensité et la couleur du signal émis en fin d’hybridation par chacun des spots d’ADN génomique permettent de déterminer le type d’altération génomique pour ce fragment d’ADN. Ainsi un spot rouge démontrera une sur-représentation de cette région d’ADN génomique dans les cellules étudiées (amplification, duplication), tandis qu’un spot vert démontrera une perte de matériel génétique pour cette région d’ADN génomique (délétion, perte d’allèle).

Les biopuces d’expression permettent l’étude du transcriptome. Étant donné que la plupart des variations phénotypiques sont liées à des modifications du transcriptome, il paraît pertinent d’étudier l’expression génique afin de comprendre la complexité de ce réseau cellulaire eucaryote. Les biopuces d’expression sont probablement les lames les plus utilisées compte tenu de leur rapport qualité/prix de plus en plus avantageux et de la grande quantité d’informations pertinentes qu’elles génèrent. L’ARN total ou messager, la cible, est extrait de deux groupes de cellules (ou tissu), un groupe témoin et le groupe de cellules à étudier. Un ADN complémentaire (ADNc) est alors obtenu par transcription inverse (RT) et coloré simultanément par incorporation directe de nucléotides portant le fluorochrome (Cy5-dUTP par exemple) ou après RT, par couplage chimique d’un fluorochrome monoréactif sur le groupement « allyl » de nucléotides modifiés incorporés lors de la RT. Le support peut présenter trois types de sondes : des oligonucléotides, des fragments d’ADNc qui ont été déposés ou des oligonucléotides synthétisés directement sur la lame (technologie Affymetrix®). Après hybridation, lavages puis lecture, l’intensité et la coloration des spots d’acides nucléiques du support reflètent la quantité relative des ARN les uns par rapport aux autres [3].

Les avancées technologiques dans le domaine des biopuces mettent désormais à disposition des laboratoires des biopuces « pan-génome », dont les sondes couvrent la totalité des gènes connus à l’heure actuelle. Cependant, après une première phase d’engouement suscitée par cette technologie de criblage d’informations génétiques à haut débit, plusieurs problèmes commencent à être clairement identifiés [4]. À l’heure actuelle, tous les paramètres de l’expérimentation peuvent varier, depuis le type de support de la biopuce ou la méthode de marquage des acides nucléiques, jusqu’à la méthodologie bio-informatique de traitement des données et les statistiques utilisées pour l’analyse des résultats. Cette diversité se retrouve également dans le design expérimental nécessaire avant d’entreprendre une expérience utilisant les biopuces ; l’utilisation des biopuces en routine reste donc extrêmement problématique du fait de cette absence de standards internationaux. Par ailleurs, les chercheurs sont confrontés à plusieurs difficultés dont l’hétérogénéité tissulaire de l’échantillon, la méthode d’extraction des acides nucléiques, le choix des contrôles d’expérience, l’hybridation non spécifique des séquences sur les acides nucléiques immobilisés, les différents scanners de lecture et, enfin, les méthodes statistiques de traitement des données génétiques [5-7]. Il n’y a à l’heure actuelle pas ou que peu de standardisation internationale sur les expériences de biopuces, ce qui rend la confrontation et l’échange des résultats difficiles, voire impossibles, retardant d’autant une application en routine des biopuces [8]. Devant la croissance exponentielle des articles scientifiques publiés rapportant l’utilisation des biopuces, les comités éditoriaux associés aux directions des grands instituts internationaux de recherche ont décidé la mise en œuvre de critères de publication qui deviennent progressivement des critères expérimentaux minimaux requis. Ainsi les critères Miame (minimum information about microarray experiment) ont été définis par le groupe de chercheurs formant le MGED (Microarray Gene Expression Database), dont la 7e réunion a eu lieu à Toronto en septembre 2004 [9-11].

Applications des biopuces à ADN en cancérologie

Si la première publication rapportant le dépôt d’acide nucléique sur une lame de verre traitée date de 1991, la première application du dépôt d’ADN sur des lames de verre traitées, afin d’étudier en une seule expérimentation les échantillons complexes d’ADN, a été réalisée par le laboratoire de Patrick Brown à l’université de Stanford aux États-Unis, dès 1995 [12-15]. Cette même équipe a appliqué la technique des biopuces à ADN à l’étude des états d’expression d’un groupe cellulaire tumoral, à un moment donné [16]. Ces travaux constituent la base technique d’un grand nombre d’études utilisant les microarrays [10, 17].

C’est en cancérologie que l’utilisation des biopuces est désormais la plus courante [18]. Ainsi, il est possible de déterminer l’état d’expression de groupes tumoraux définis et homogènes (profiling) avec pour finalité une classification des tumeurs fondée sur ces profils d’expression (clustering) [19-21]. La plupart de ces classifications réalisées à partir des profils d’expression génique de tumeurs recoupent les classifications anatomopathologiques et/ou immunohistochimiques, mais font également apparaître de nouveaux sous-groupes tumoraux de définition ou d’évolution différentes des précédents. Cela permet de confirmer en partie la réalité phénotypique des résultats des biopuces et d’appréhender la diversité biologique pour une même tumeur.

Il est important de noter que la phase d’analyse statistique des intensités de signaux issus des biopuces est d’une importance fondamentale puisque, selon le type d’analyse effectuée, les résultats seront différemment orientés ; ainsi, la caractérisation de sous-types tumoraux en fonction du profil d’expression génique des cellules tumorales est réalisée par analyse groupée de type hiérarchisé (hierarchical clustering analysis). En revanche, en tenant compte des données cliniques d’évolution (survie sans rechute ou survie globale) comme paramètre d’orientation de l’analyse statistique (dite alors supervisée), les données issues des biopuces peuvent alors être utilisées pour caractériser une série de gènes comme facteur prédictif d’évolution tumorale. Ainsi, ces gènes peuvent devenir des marqueurs moléculaires dont le pouvoir pronostique s’affranchira des catégories tumorales classiquement définies lors du diagnostic.

Pour des raisons essentiellement techniques (homogénéité tissulaire et facilité d’obtention des cellules tumorales), les leucémies et lymphomes ont été parmi les premières tumeurs étudiées, classées puis prédites [22-25]. Pour le cancer du sein, les premières études ont été effectuées sur des lignées cellulaires tumorales [26-28]. Elles ont permis d’affiner les méthodologies expérimentales puis de montrer qu’il était possible de séparer deux lignées cellulaires sur la base de leurs différences d’expression génique [28, 29]. Elles ont permis aussi de caractériser certaines régions géniques cibles altérées dans les tumeurs du sein (régions chromosomiques 17q12 et 17q23) [30, 31]. Les travaux ont été poursuivis sur des échantillons tumoraux et se classent en deux catégories : utilisation de profil d’expression génique pour différencier des états tumoraux ou détermination de séries de gènes utilisables comme marqueurs prédictifs d’évolution tumorale.

Initialement, les auteurs ont choisi de décrire des différences d’expression génique entre tissu tumoral mammaire invasif (isolé ou non par microdissection au laser) sans distinction claire de sous-groupes histologiques et tissu mammaire sain [32, 33]. Ces premières données montrent la corrélation de la surexpression du gène ERBB2 dans les tumeurs mammaires de mauvais pronostic (N+) et la distinction sur le profil d’expression génique entre tumeurs mammaires exprimant le récepteur aux œstrogènes (RE+) et celles ne le présentant pas (RE-). Puis cinq équipes ont publié des données de biopuces utilisées pour classer, corréler puis prédire l’évolution de cancers du sein.

Tout d’abord, l’équipe de Brown et Botstein (Stanford, États-Unis), en lien avec celle d’Anne-Lise Borresen-Dale (Oslo, Norvège), a choisi comme stratégie d’étude des tumeurs du sein la définition de sous-groupes de tumeurs fondée sur les profils d’expression génique de plusieurs centaines de gènes. Utilisant entre 496 et 534 gènes, ils ont documenté la possibilité de séparer des tumeurs RE+ et RE- et définissent, parmi ces catégories, quatre groupes de tumeurs du sein : basal-like, ERBB2 surexprimé, normal-like et luminal/epithelial RE+ [34]. Utilisant de nouvelles méthodes statistiques, ils ont précisé leurs groupes en divisant en deux sous-groupes A et C le groupe luminal/epithelial, puis en corrélant les groupes basal-like et luminal C à un mauvais pronostic [35]. Ces corrélations ont été précisées sur des groupes indépendants de tumeurs du sein déjà étudiés et publiés par les équipes de Bernards (Amsterdam, Pays-Bas) et Nevins (Durham, États-Unis), confirmant ainsi en partie la robustesse de leur approche statistique et la pertinence biologique de leurs groupes de tumeurs [36]. Il est cependant décevant que les critères de pronostic de tumeurs du sein habituellement usités (âge de survenue, taille de la tumeur, grade, envahissement ganglionnaire et statut du récepteur aux œstrogènes) n’aient pas été corrélés à ces cinq sous-groupes tumoraux.

Les équipes de Bernards et de Friend (Kirkland, États-Unis) ont choisi une stratégie différente, consistant à utiliser les données de transcriptome de tumeurs du sein, après analyse statistique supervisée, afin de définir, au moyen de 70 gènes marqueurs « prédictifs », deux signatures d’expression génique, une de bon et une de mauvais pronostic [37]. À la différence des précédentes, cette étude rétrospective a été réalisée sur une cohorte très homogène de patientes présentant une tumeur du sein (moins de 55 ans, sans envahissement ganglionnaire) ; elle a été confirmée en montrant qu’en utilisant le critère du « profil génique pronostique » au lieu des critères du NIH ou de Saint-Gallen, il était possible de diminuer le nombre de patientes recevant une chimiothérapie adjuvante, évitant ainsi à plusieurs patientes de recevoir un traitement non nécessaire. Cette étude a été confirmée sur 295 patientes atteintes de tumeur du sein, a montré la pertinence des deux signatures géniques prédictives et a finalement démontré que le ratio de confiance en termes de prédiction d’évolution accordé à la signature génique était bien plus élevé que ceux utilisés actuellement en pronostic [38].

Les équipes de Trent (Bethesda, États-Unis) et Borg (Lund, Suède) ont publié leurs études réalisées sur des tumeurs du sein héréditaires liées ou non à des mutations de BRCA1 ou BRCA2 [39]. Définissant un profil d’expression génique de 176 gènes, les auteurs démontrent la distinction possible entre les tumeurs présentant des mutations de BRCA1 ou BRCA2 et les tumeurs du sein sporadiques. Dans une seconde étude plus complète, ils ont démontré que les tumeurs du sein retrouvées dans un contexte familial et « non mutées » sur les gènes BRCA1 et BRCA2 présentaient un profil d’expression génique spécifique qui pouvait servir de base à une distinction plus fine dans ce groupe, permettant la recherche au sein d’un groupe homogène de tumeurs d’un troisième gène altéré dans les tumeurs du sein familiales [40].

L’équipe française du groupe Technologies avancées en génomique et clinique (TAGC), de Nguyen (Marseille), a caractérisé une série de 23 gènes utilisable comme marqueurs prédictifs d’évolution tumorale, qui définit trois groupes pronostiques, un de bon pronoctic (survie globale à 5 ans de 100 %, survie sans rechute métastatique de 75 %), un de moyen pronostic (65 % et 56 % respectivement) et un de mauvais pronostic (40 % et 20 %). Cette équipe établit donc une nouvelle classification tumorale fondée sur les données d’évolution tumorale, et non plus uniquement sur le statut histologique et clinique des tumeurs du sein ( (figure 2) )[41].

Utilisant des méthodes statistiques complexes, l’équipe de Nevins a établi une classification des tumeurs du sein en corrélant leur profil d’expression génique au statut RE ou au statut d’envahissement ganglionnaire [42, 43].

Bilan et perspectives

En médecine, les mécanismes génétiques des pathologies sont de plus en plus décrits, permettant ainsi l’identification de nouveaux marqueurs génomiques ou protéomiques importants dans le diagnostic, le pronostic ou la thérapie. La technologie des biopuces à ADN constitue un outil extrêmement puissant d’analyse à haut débit d’événements génétiques à l’origine de pathologies. Cet outil, désormais couramment utilisé dans les laboratoires de recherche, pourrait être en passe d’être appliqué au chevet du malade dans les services cliniques si son utilisation n’était fortement limitée par les difficultés de standardisation. L’application au cancer du sein a permis d’identifier plusieurs sous-types tumoraux et de commencer à définir des groupes pronostiques. Cependant, plusieurs problèmes restent à résoudre dont cette question majeure : faut-il donner au clinicien une information génétique complète ou plutôt un résultat spécifique de quelques gènes pertinents pour une pathologie donnée et une stratégie thérapeutique dédiée ?

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