ARTICLE
Auteur(s) : C
Cazaux
Institut de pharmacologie et de biologie
structurale, UMR5089 CNRS, Université Paul-Sabatier, Université
de Toulouse, 205, route de Narbonne, 31077 Toulouse Cedex
04, France
“If I was the czar of cancer research, I would give a higher
priority to recruiting more of our best young scientists to
decipher the detailed mechanisms of both apoptosis and DNA repair,
and I would give them the resources to do so.”(Bruce Alberts,
editor-in-chief of Science, News & Views item, April
2008.)
Une théorie qui prône la fidélité mais qui va
à l'encontre de l'observation…
Au cours de l'évolution, l'organisme humain a sélectionné et
conservé de multiples systèmes de défense pour se protéger de la
survenue de cancers. La structure de l'ADN génomique et le
code génétique qu'il recèle, porteur d'une information a priori
favorable à la survie de l'espèce, est en particulier maintenue
constante grâce à la « fidélité » du processus de duplication de
l'ADN qui précède la division cellulaire. Le taux de
mutagenèse spontanée, des bactéries aux mammifères en passant par
les eucaryotes inférieurs et les plantes, est ainsi très faible, de
l'ordre de 10–10, soit une base modifiée pour dix
milliards « répliquées » [1]. Ce taux s'explique, d'une part,
par le fait que les deux ADN polymérases responsables de la
réplication du génome, Pol β et Pol ε (figure 1), possèdent une
sous-unité appelée proofeading capable d'exciser un nucléotide
incorporé de façon erronée, avant que l'activité polymérase
proprement dite ne réintroduise un nucléotide correct.
Il existe, d'autre part, un système de réparation «
postréplicatif » des mésappariements de bases (réparation des
mésappariements [RMM]), qui « sécurise » doublement le système
(figure 1).
Chez l'homme, ce taux de mutagenèse de 10–10 signifie
donc qu'une mutation apparaît en moyenne une fois au cours de trois
divisions cellulaires. Sachant qu'environ 90 à 95 % du génome n'est
pas codant ; que, du fait de la sénescence cellulaire et du
mécanisme de mort programmée (apoptose), peu de cellules de
l'organisme se divisent plus de 100 à 1 000 fois au cours d'une vie
humaine (à l'exception des cellules souches) ; que, pour qu'une
mutation soit « signifiante », elle doit toucher généralement les
deux premières bases des codons ; et qu'enfin la copie allélique
indemne compense souvent ladite mutation, ce taux permet en théorie
un « verrouillage » complet du processus de duplication génomique
et le respect tout au long du génome de la conformation «
Watson-Crick ».
Cette fréquence de mutagenèse ne permet ainsi pas de comprendre
et d'expliquer le chaos génétique caractéristique des tumeurs
solides humaines, né de la capacité intrinsèque des cellules
cancéreuses à accumuler en nombre des mutations (de l'ordre de
dizaines de milliers dans les tumeurs solides), ce que Loeb
et al. ont appelé le « phénotype mutateur » tumoral [2]. Dans
les populations peu concernées par les maladies infectieuses, une
personne sur cinq verra en effet une sous-population des
1013 cellules (qui constituent peu ou prou
l'organisme humain) acquérir la faculté intrinsèque d'accumuler des
désordres génétiques qui permettront la sélection néodarwinienne de
cellules multirésistantes aux contraintes physiologiques et aux
traitements thérapeutiques, et qui donneront in fine naissance à
des tumeurs malignes.
Quelles sont les causes du chaos génétique inhérent
aux cellules cancéreuses ?
Comment donc expliquer la présence de tant de mutations dans une
tumeur, alors que l'évolution a conservé a priori un système de
duplication du génome parfaitement précis ?
L'ADN canonique n'existe pas
Le taux de mutagenèse théorique est calculé sur la base d'un ADN
intègre. Or, il nous faut considérer la molécule d'ADN comme
constamment endommagée [3].
D'une part, la plupart des cellules humaines vivent en effet en
aérobie, leur ADN est donc soumis chaque jour et pour chacune
d'entre elles à environ 103 agressions de nature
génotoxique (qui fixent et modifient l'ADN) et clastogène (qui
provoquent des cassures de l'ADN), émanant de sous-produits de
la respiration cellulaire, les radicaux oxygénés (radical hydroxyle
OH°, peroxyde d'hydrogène H2O2,
ion superoxyde O2°–). De même, la
structure de l'ADN est « naturellement » malmenée via des
modifications spontanées de bases nucléiques (dépurinations,
désaminations, méthylations, etc.).
D'autre part, les cellules épithéliales de nombreux tissus, qui
recouvrent les parois d'organes exposés à l'environnement, sont
sujettes à l'action d'agents extérieurs. C'est le cas du foie,
soumis en particulier à l'aflatoxine B1 issue de graines et
d'arachides trop longtemps stockées à l'humidité ; du côlon, exposé
via l'alimentation aux hydrocarbones aromatiques polycycliques
(HAP) ou aux amines hétérocycliques (AHC), comme le
phénylimidazo-pyridine (PhIP), molécules générées, par exemple, par
la viande grillée ou des aliments organiques cuits à trop haute
température ; du poumon (HAP issus de la pollution ou de la fumée
de cigarette, comme le benzopyrène) ; et de la peau
(rayonnement UV solaire). Ces agents extérieurs peuvent aussi
provenir de la pression thérapeutique antitumorale, la grande
majorité des stratégies utilisées en l'espèce ciblant en effet
l'ADN (agents alkylants, antimétabolites, inhibiteurs d'ADN
topo-isomérases, rayonnements, etc.).
3R
Le maintien, au cours du temps et des divisions cellulaires, de la
stabilité du génome dépend principalement de l'efficacité de gènes
dits des « 3R », codant pour protéines impliquées dans les
mécanismes de Réplication, Réparation et Recombinaison de l'ADN
endommagé [4].
Premier R
Le premier R (réplication) recouvre notamment dix ADN polymérases
qui ont été découvertes, à l'exception de Pol β, ces dix dernières
années (Pol β, κ, λ, ι, η, ζ, ν, θ, μ, Rev1). Ces enzymes sont
mutagènes et spécialisées dans la réplication de lésions de l'ADN.
La plus connue d'entre elles est Pol η, capable de répliquer
un des deux types de dommages induits par les rayons UV
solaires (le plus dangereux, le dimère cyclobutane de thymidines),
et dont l'absence conduit à une forte incidence de cancers cutanés
chez une sous-population d’« enfants de la Lune »
(Xeroderma pigmentosum [XP] variant), condamnés à vivre la
nuit ou dans un environnement protégé [5].
Deuxième R
Le deuxième R (réparation) sous-entend la RMM de bases (par exemple
G/T) mais aussi l'excision de bases modifiées ou de dommages
capables de tordre la double hélice de l'ADN, comme ceux provoqués
par les UV ou les agents alkylants antitumoraux (par exemple
les dérivés du platine).
Troisième R
Le troisième R (recombinaison) permet des échanges génétiques par
exemple entre les chromatides sœurs, qui facilitent ainsi le «
contournement » et la tolérance par la cellule de lésions capables
de bloquer (appelées « non codantes ») l'avancée des ADN
polymérases.
Les gènes des 3R jouent donc un rôle de « gènes de ménage »
(housekeeping) garant de la « propreté », de l'intégrité de l'ADN.
Ils sont aussi appelés « gardiens du génome ». Leur expression
est perturbée dans les cancers, par exemple celui du côlon [6].
Des souris transgéniques exprimant une forme mutante de
l'acteur principal de la réplication, l'ADN polymérase δ, alors
dépourvue de son activité « proofreading », développent ainsi
toutes des tumeurs malignes, incluant des lymphomes, des carcinomes
et d'autres formes rares de cancers [7]. Un consortium de
laboratoires académiques et cliniques du cancéropôle Grand
Sud-Ouest, que j'anime, a aussi montré pour la première fois une
association très significative entre l'expression d'une ADN
polymérase, Pol θ, et le pronostic vital d'un cancer, celui du sein
(brevet CNRS #09306096.0 du 13 novembre 2009). Une déficience
génétique dans un gène de la RMM (MLH1, PMS1, etc.) est par
ailleurs associée au cancer héréditaire du côlon non polyposique
(HNPCC), et il en va de même pour les gènes impliqués dans la
recombinaison des cassures de l'ADN cassé (BRCA1, BRCA2) et la
forme familiale du cancer du sein [8, 9].
Cellules souches cancéreuses
L'impact de la stabilité du génome sur la progression tumorale doit
aussi être ici abordé à la lumière de récentes découvertes
concernant le rôle de cellules souches dites « cancéreuses » (ou
cancer stem cells) dans l'émergence d'un « phénotype mutateur ».
Il est admis que les tumeurs solides (au moins celles issues
du sein ou du cerveau) et les leucémies présentent
une hétérogénéité cellulaire et abritent des sous-populations
de cellules aux capacités très similaires à celles des cellules
souches adultes [10, 11]. Si les cellules épithéliales
différenciées sont pour la plupart rapidement éliminées, car
exposées aux dommages génotoxiques de l'environnement (les
kératinocytes meurent en 20 à 30 jours, les cellules du côlon
en cinq à sept jours), ces cellules progénitrices sont en revanche
par définition immortelles, possèdent la capacité de
s'autorenouveler et de « répliquer » donc de façon ininterrompue
leur ADN. Lorsqu'elles ne sont pas protégées par un compartiment
physiologique, elles sont ainsi sujettes à une mutagenèse
réplicative élevée. L'expression dirigée dans des cellules souches
kératinocytaires de l'oncogène ras, qui in fine provoque un
déséquilibre de l'expression des gènes de la réplication et un «
stress réplicatif », induit ainsi le développement de carcinomes
chez la souris, alors que l'expression de ras dans les
kératinocytes différenciés ne provoque que l'apparition de
papillomes bénins [12]. Autre exemple : la leucémie myéloïde
chronique (LMC) est provoquée par l'expression d'un néogène
transformant qui est issu d'une translocation entre les chromosomes
9 et 22 (chromosome de Philadelphie). Or, cette marque oncogénique
est observée non seulement dans la lignée lymphoïde (lymphocytes B
et T), mais aussi dans la lignée myéloïde (neutrophiles,
granulocytes, érythrocytes, mégacaryocytes, etc.), suggérant
fortement que l'anomalie génétique initiale a eu lieu dans les
cellules couches pluripotentes, mères de l'ensemble des cellules
hématopoïétiques (Goldman et Melo 2008).
Puisque ces cellules souches cancéreuses sont sujettes aux
mutations, du fait, comme nous l'avons écrit, qu'elles répliquent
fréquemment leur ADN et sont immortelles, celles-ci ont a contrario
développé des systèmes de protection et de maintenance du génome
[13]. Elles surexpriment ainsi la protéine MDR1 (multi-drug
resistance 1), une pompe membranaire capable d'expulser de la
cellule les molécules affines pour l'ADN. Par ailleurs, les
cellules souches se localisent souvent dans des compartiments
cellulaires particuliers (par exemple des muqueuses), protégées
ainsi de l'attaque de composés mutagènes de l'environnement. Enfin,
elles semblent capables de réparer très efficacement certains
dommages à l'ADN, comme les cassures provoquées par des radiations
[14, 15]. Ces propriétés suggèrent malheureusement qu'une
grande part de l'arsenal thérapeutique, qui cible majoritairement
l'ADN tumoral, est inefficace vis-à-vis des cellules souches
tumorales. Elles ouvrent toutefois la voie à de nouvelles
stratégies thérapeutiques ciblant spécifiquement les propriétés de
ces dernières, qui pourraient déboucher sur des molécules plus
efficaces contre la recrudescence tumorale ou la génération de
foyers secondaires.
L'inflammation est mutagène
Lors d'une réponse inflammatoire, par exemple lors d'une infection
du foie par les virus de l'hépatite B et C, de l'épithélium
cervical par le papillomavirus humain (HPV) ou de l'épithélium
gastrique par la bactérie Helicobacter, les phagocytes détruisent
les cellules infectées via le « relargage » de molécules oxydantes,
comme l'oxyde nitrique NO, l'ion superoxyde
O2°–, l'ion hypochlorite OCl– ou
le peroxyde d'hydrogène H2O2 [16]. Si elles
tuent la grande part des cellules infectées, ces espèces
nucléophiles fixent l'ADN et provoquent aussi des mutations dans
les cellules survivantes et voisines, comme l'atteste la présence
massive de 8-oxoguanine (8-oxo-dG, capable de s'apparier avec
l'adénine A au lieu de la cytosine C) dans et au voisinage des
tissus enflammés, en comparaison des tissus sains.
Comment répondent les cellules à l'endommagement
de leur génome ?
Détoxication des dommages
Avant d'atteindre leur cible (l'ADN), les composés génotoxiques
oxydants peuvent être éliminés par des enzymes de détoxication
[17], comme la catalase et la superoxidase dismutase (qui éliminent
respectivement H2O2 et
O2°–), les vitamines C et E ou encore la
glutathion-S-transférase (GST), qui facilite une réaction entre la
molécule ciblée et le tripeptide glutathion (acide
γ-glutamique-cystéine-glycine) et qui, via son groupement SH,
réduit les radicaux oxygénés les rendant non affins pour l'ADN.
Nous pouvons aussi citer l'alkyltransférase (MGMT), qui permet un
transfert « suicide » de groupements alkylants présents sur l'ADN
vers l'enzyme elle-même, ou les dioxygénases, qui permettent
l'oxydation et l'élimination spontanée, sous forme de formaldéhyde,
de ces groupements alkylants. Il est à noter que ces gènes de
détoxification sont généralement sous-exprimés dans les tumeurs
humaines, via une hyperméthylation des îlots CpG de leurs
promoteurs (ayant pour effet de perturber l'accès de l'ARN
polymérase II et donc la transcription). Cette sous-expression
favorise ainsi l'action mutagène de molécules procarcinogènes. À
l'inverse, l'expression de formes polymorphiques de ces enzymes
peut aussi altérer l'efficacité de traitements thérapeutiques.
Parmi des patientes atteintes de cancers du sein et traitées
par radiothérapie et traitements alkylants (doxorubicine et
cyclophosphamide), celles qui expriment une GST sauvage meurent
ainsi toutes au bout de six ans, alors que celles n'exprimant pas
la forme sauvage mais un allèle mutant survivent aux deux
tiers après huit ans [18] !
Signalisation des dommages
Les dommages à l'ADN génèrent un signal nucléaire induisant
l'activation d'un point de contrôle du cycle cellulaire (DNA damage
response ou DDR), induisant l'arrêt temporaire de celui-ci, à des
fins de réparation de l'ADN endommagé, et le cas échéant de
déclenchement de l'apoptose [19, 20]. Les protéines kinases
ATM et ATR sont alors recrutées au niveau des dommages
(respectivement, les cassures double brins de l'ADN ou les portions
simple brins de l'ADN générées par un arrêt ou un ralentissement
des fourches de réplication). Elles activent alors par
phosphorylation d'autres protéines kinases, Chk1 et Chk2, qui
inhibent l'action de kinases dépendantes du cycle cellulaire
(CDKs), conduisant à des arrêts de ce cycle aux phases G1-S,
intra-S ou G2-M. Parallèlement, cette double voie de signalisation
ATM/ATR permet, via une modification posttraductionnelle
(phosphorylation, acétylation, sumoylation, etc.) des protéines
concernées, l'activation de multiples voies de réparation de l'ADN.
Puisque la réparation de l'ADN est associée à la plupart des
mécanismes tumoraux de résistance thérapeutique, plusieurs
molécules anti-DDR, comme par exemple des inhibiteurs de Chk1 qui
facilitent la radiosensibilisation de tumeurs, sont en cours de
développement clinique [21].
Réparation des dommages
La réparation par excision de bases ou REB [22] est initiée par une
batterie d'ADN glycosylases spécifiques qui excisent la base
altérée de la chaîne désoxyribonucléosidique. Le sucre
correspondant est ensuite incisé en 5’ par une endonucléase nommée
APE. Ensuite l'ADN polymérase spécialisée Pol β, à la double action
AP lyase (incision du sucre en 3’) et ADN « insertase », achève
généralement l'excision du désoxyribose associé à la base modifiée
tout en permettant l'insertion d'un nucléotide correct en lieu et
place du nucléotide endommagé. Enfin, une ADN ligase achève le
processus de réparation. La REB concerne essentiellement la
réparation de lésions dues à des sources endogènes (désamination de
bases, pertes de bases, bases oxydées, cassures simple brins de
l'ADN, etc.). En ce sens, il s'agit d'un phénomène physiologique
essentiel, et il n'est pas surprenant de constater qu'aucun cancer
n'est associé à ce jour à des mutations dans des gènes du REB [17]
(tableau 1).
Il n'en est pas de même pour la réparation par excision de
nucléotides ou REN qui concerne les dommages dits « encombrants »
capables de modifier et de « tordre » la structure double hélice de
l'ADN [23]. Il s'agit par exemple des dimères de pyrimidines
induits par les UV solaires, les médicaments alkylants utilisés en
chimiothérapie, comme les dérivés du platine, mais aussi
l'aflatoxine, les AHC, les HAP précédemment évoqués. La REN
peut être subdivisée en deux voies : l'une appelée réparation
couplée à la transcription (RCT), qui concerne le brin « codant »
de l'ADN (celui concerné par l'action transcriptionnelle de l'ARN
polymérase II) et plus généralement la partie codante du génome (5
à 10 % de l'étendue totale). La seconde voie REN prend en
charge le reste du génome (réparation globale du génome [RGG]). Une
douzaine de protéines participent à cette voie de RGG, conduisant à
la reconnaissance, à l'incision puis à l'excision des dommages et
du brin d'ADN qui porte le dommage.
Les gènes de la voie RGG étant sous le contrôle de p53,
l'instabilité génétique inhérente aux tumeurs déficientes pour p53
s'explique grandement par un défaut de la REN. Une déficience
génétique dans un gène de la RGG est par ailleurs associée au
syndrome XP, caractérisé par une incidence 1 000 fois supérieure à
la normale de cancers cutanés (100 000 fois pour le
carcinome de la langue). Les cancers de la peau apparaissent
alors à un âge médian de huit ans pour les patients XP (50 ans
dans la population générale). Contrairement à la voie RGG, des
déficiences génétiques dans la voie RCT concernent des maladies du
développement, comme le syndrome de Cockayne ou la
trichothiodystrophie, qui ne sont pas associées à une incidence
tumorale accrue. En effet, une déficience de la voie RCT provoque
un retard d'expression de plusieurs gènes endommagés, notamment au
cours du développement, mais n'affecte pas la réparation globale
des dommages du génome.
XP a été le premier syndrome humain associant un risque élevé à
développer des cancers et une déficience dans la réparation de
l'ADN. Plusieurs autres syndromes ont ensuite été découverts.
Un premier est le HNPCC, qui recouvre 2 à 3 % des cas de cancers
colorectaux. La progression tumorale de l'adénome au
carcinome, estimée de huit à dix ans dans la population globale,
est réduite à deux-trois ans dans le cas du HNPCC. La majorité
des patients HNPCC sont concernés par des mutations germinales dans
des gènes qui gouvernent la RMM, phénomène postréplicatif de
correction de mutations [24], mentionné plus haut. Ces gènes
sont généralement MSH2, MLH1, MSH6 ou PMS2. Les erreurs de
réplication étant fréquentes au niveau des séquences répétées du
génome, comme les séquences « microsatellites », une simple PCR
multiplex permet de déterminer l’« instabilité des microsatellites
», alors très généralement associée à un défaut de RMM. Un tel
défaut conduit à l'accumulation de mutations, pouvant affecter
plusieurs gènes participant à la progression tumorale, comme le
récepteur du facteur de croissance antimitotique TGF-β.
Ce test moléculaire permet donc de diagnostiquer la
maladie chez des patients à l'histoire familiale concordante.
Un deuxième cancer associé à un défaut de réparation de l'ADN
est celui du sein, sous sa forme familiale. Soixante-dix à 80 % de
ses cas sont dus à des mutations germinales dans les gènes BRCA1 ou
BRCA2. Ces deux protéines interviennent principalement dans la
réparation par recombinaison homologue (RRH) des cassures de l'ADN.
Cette réparation s'effectue via un échange postréplicatif entre une
chromatide cassée et sa chromatide sœur intègre [25]. Elle permet
ainsi de restaurer l'intégrité de la chromatide lésée. BRCA1 et
BRCA2 facilitent l'invasion, gouvernée par l'ADN « recombinase »
Rad51, de la chromatide intègre par l'ADN endommagé, mais
aussi l'évacuation de Rad51 pour que cette protéine cruciale puisse
être régénérée et agir sur d'autres cassures. L'absence de BRCA1 ou
de BRCA2 conduit donc à une accumulation de cassures de l'ADN et à
un phénotype mutateur protumoral. Le dépistage de la
pathologie par ce nouveau test moléculaire pose d'ailleurs un
problème déontologique médical, puisque les femmes concernées
doivent être suivies très fréquemment via des mammographies, qui,
elles-mêmes, génèrent des cassures de l'ADN non réparées du fait de
l'absence même de BRCA1 ou de BRCA2…
La réparation des cassures de l'ADN, responsable majeur des
phénomènes de radiorésistance, est aussi pilotée par une seconde
voie, celle de la jonction des extrémités non homologues (JENH)
[26], qui n'est pas associée à des formes héréditaires de cancers,
probablement parce que les déficiences dans les gènes de ce
mécanisme (DNAPK, KU, Ligase IV, XRCC4, Artemis, etc.) entraînent
préférentiellement et plus précocement un défaut de la
recombinaison VDJ (qui est régie par le même processus) et
donc du système immunitaire (syndrome SCID des « enfants bulles »).
En revanche, un défaut de JENH est très probablement lié à la
survenue d'anomalies chromosomiques (translocations, délétions,
inversions, etc.), « signatures » des cancers hématopoïétiques.
L'observation d'une autre maladie rare et orpheline, l'anémie de
Fanconi, a aussi permis de découvrir des mécanismes dits « de
ménage », qui concernent l'ensemble de nos cellules et toute la
population [27]. Outre une incidence tumorale accrue, cette maladie
se caractérise en effet par une hypersensibilité aux agents «
pontants » l'ADN [28], c'est-à-dire capables de lier de façon
covalente les deux brins de l'ADN (cis-platine, melphalan,
cyclophosphamide, mitomycine C, psoralène, moutardes azotées,
etc.). Les 13 protéines correspondantes aux 13 groupes de
complémentation de la maladie forment, suite à un endommagement de
l'ADN, un complexe (dit de Fanconi), auquel appartiennent BRCA2 et
un partenaire de BRCA1 (FANC J), qui semble contrôler de multiples
mécanismes nécessaires à la réparation des lésions « pontantes »
comme le maintien de la stabilité des fourches de réplication
bloquée au niveau de ces lésions non passantes, la RRH ou la
synthèse d'ADN au travers de la lésion.
Tableau 1 Voies de réparation de l'ADN endommagé,
maladies et stratégies adjuvantes associées.
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Types de dommages
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Exemples de dommages
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Acteurs moléculaires (exemples)
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Maladies associées
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Inhibiteurs (stratégies adjuvantes antitumorales)
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Réparation des mésappariements de bases (RMM)
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Mésappariements de bases
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Mésappariement G/T
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MLH1, MSH2, PMS1, PMS2
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Cancer héréditaire du côlon non polyposique (HNPCC)
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Réparation par excision de bases (REB)
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Bases endommagées (oxydées, alkylées, modifiées etc.) Sites
abasiques Certains mésappariements Cassures simple brins
de l'ADN
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8-oxo-guanine Sites abasiques Uraciles Lésions induites par la
radiothérapie Antimétabolites (5-FU, analogues folates,
thiopurines)
|
ADN glycosylases, APE1, Pol b, PARP1, PARP2, PNK
|
Ataxie-apraxie oculomotrice
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Inhibiteurs PARP
|
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Réparation par excision des nucléotides (REN)
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Adduits « encombrants » (distordant l'ADN)
|
Lésions UV Chimiothérapie alkylante (dérivés platine, témozolomide,
nitrosourée, moutardes azotées)
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Protéines XP, ERCC1, CS1, CSB, TFIIH, Pol k
|
Xeroderma pigmentosum, syndrome de Cockayne Syndrome de
sensibilité aux UV (UV-SS) Trichothiodystrophie
|
Terminateurs de chaîne (inhibition synthèse d'ADN réparatrice)
Inhibiteurs protéasome
|
|
Réparation par recombinaison (RRH/JENH)
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Cassures de l'ADN Fourches de réplication arrêtées
|
Lésions induites par la radiothérapie (cassures de l'ADN)
Inhibiteurs d’ADN topo-isomérases (camptothécines, étoposide,
anthracyclines)
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ATM, ATR, Chk1, Chk2, KU, DNAPK, XRCC4, Rad51, Rad52, Rad54, BRCA1,
BRCA2, Pol m, Pol l, Pol h
|
Ataxie télangiectasique Syndrome de Nijmegen
|
Inhibiteurs de la signalisation des dommages (Chk1) Inhibiteurs de
DNAPK
|
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Réparation par recombinaison et excision (voie de
Fanconi)
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Pontages interbrins (reliant les deux brins de l'ADN)
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Mitomycine C Moutardes azotées Irradiation
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Protéines FANC, BRCA2
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Anémie de Fanconi
|
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Tolérance des lésions
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Adduits de l'ADN Lésions intrabrins
|
Tout type de dommages
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ADN polymérases TLS (Pol b, k, h, z, etc.) BLM, WRN, Pol z,
Rad51
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Xeroderma pigmentosum variant Syndromes de Werner et de
Bloom
|
Inhibiteurs des ADN polymérases TLS
|
Tolérance des dommages (ADN Pols et cancer)
Énergétiquement, la réparation dite « vraie », c'est-à-dire suivie
d'un « retour à l'état antérieur » à l'endommagement de l'ADN, est
davantage consommatrice d'énergie pour la cellule qu'une simple «
tolérance » de la lésion (illustrée par une persistance et une
dilution de celle-ci au cours des divisions cellulaires
successives). Les bactéries induisent par exemple
préférentiellement, en condition de stress génotoxique, une réponse
enzymatique appelée SOS, concernant l'induction d'une vingtaine de
gènes qui leur permettent de survivre aux prix de mutations [29].
Parmi les gènes SOS, trois jouent un rôle majeur : il s'agit des
ADN polymérases « translésionnelles » ou TLS Pol II, IV et V.
Ces enzymes permettent en effet la poursuite de la réplication
en présence de lésions de l'ADN, alors que l'ADN polymérase
constitutive Pol III, impliquée en absence de stress, en est
incapable. Ce système SOS permet donc d'engendrer une «
infidélité », un degré contrôlé de mutagenèse et de
flexibilité, qui permet aux bactéries de s'adapter à
l'agression environnementale.
Chez l'homme, un système équivalent existe. Il est
principalement piloté par les ADN polymérases spécialisées ou TLS
évoquées plus haut, qui incorporent face à la lésion des
nucléotides le plus souvent erronés mais qui permettent la
poursuite de la synthèse génomique et à terme la division
cellulaire [30]. Ces ADN polymérases semblent être recrutées
spécifiquement et à dessein au niveau du dommage soit pour
faciliter le franchissement de la fourche de réplication (Pol η
pour les adduits UV, Pol κ pour les adduits aromatiques, Pol ι pour
les dommages oxydatifs, etc.), soit pour participer à la synthèse
d'ADN après excision du dommage (Pol η, Pol λ et Pol μ après
réparation d'une cassure via les voies RHH ou JENH, Pol β, nous
l'avons vu, mais aussi Pol θ et Pol λ après excision d'une base
endommagée (REB), Pol κ après excision de nucléotides (REN), etc.).
L'expression de ces enzymes est toutefois très finement régulée,
car, hors leur rôle spécifique au niveau de la lésion, elles sont
excessivement mutagènes. Il semble qu'au cours de la
progression tumorale, cette propriété soit « utilisée » par la
tumeur naissante pour accroître son instabilité génétique et sa
faculté d'adaptation dans l'organisme. L'expression de l’ensemble
des ADN polymérases spécialisées humaines est, en effet, dérégulée
dans plusieurs cancers [6, 31-34] soit dans le sens d'une
sous-expression (altérant alors la synthèse réparatrice d'ADN et
donc la réparation des dommages), soit dans celui d'une
surexpression (induisant alors l'accumulation de mutations).
Les ADN polymérases TLS ne sont pas les seules enzymes
responsables de la « tolérance » des lésions ; les fourches de
réplication sont aussi capables, via une gymnastique moléculaire
complexe générant des intermédiaires appelés chicken foot ou «
hémicaténanes », de « contourner » la lésion et de poursuivre leur
chemin sans excision de celle-ci. Plusieurs ADN hélicases
interviennent dans ces mécanismes, une déficience génétique de
celles-ci conduisant à des syndromes (Werner, Bloom, etc.) associés
à un vieillissement accéléré, probablement dû à une sénescence
tissulaire accrue résultant d'une incapacité cellulaire de tolérer
les dommages à l'ADN.
Anomalies chromosomiques
Notre revue s'est focalisée sur les « mutations » de l'ADN, terme
qui recouvre généralement les modifications de la séquence de l'ADN
mais aussi les changements structuraux du génome. Nous ne devons
toutefois pas ignorer qu'une modification majeure des tumeurs
solides est le gain ou la perte de chromosome (aneuploïdie). Toutes
les tumeurs solides d'origine épithéliale sont ainsi aneuploïdes.
Au moins dans le cancer colorectal, il semble que l’« important »
pour la tumeur soit en fait de favoriser l'instabilité génétique
soit par mutations (tumeurs MIN pour microsatellite instability),
soit par aneuploïdie (tumeurs CIN pour chromosome instability). En
effet, les tumeurs MIN développent peu de CIN, et réciproquement
[35]. Le débat entre spécialistes qui concerne la question de
l'impact de l'instabilité génétique, qu'elle soit CIN ou MIN, dans
la progression tumorale est « sensible » ; plus généralement, la
question est de savoir si l'instabilité génétique est un moteur ou
bien une conséquence de l'hyperprolifération tumorale [36]. L'idée
peu à peu admise est que lorsque certains gènes « gardiens du
génome », impliqués dans la partition chromosomique ou le point de
contrôle de la mitose sont touchés, comme BUB1, MAD1/2, ATM, Aurora
ou CHFR, l'instabilité CIN se met en place et confère un avantage
sélectif de croissance (il est possible in vitro de
transformer une cellule en modifiant cinq à dix gènes
suppresseurs de tumeurs et/ou proto-oncogènes cruciaux [37]).
La tumeur n'a alors « pas besoin » d'instabilité de type MIN
(mutations). En revanche, si l'accumulation de mutations ne
concerne pas ces gènes là, celle-ci se poursuit (sous la forme MIN)
jusqu'à conférer à la cellule un phénotype tumoral. Il est à
noter qu'une étude sur le mélanome a montré que les gènes des 3R
sont moins dérégulés dans une tumeur primitive ayant engendré des
métastases que dans des tumeurs n'ayant pas essaimé [38]. L'idée
intéressante est de considérer alors l'instabilité génétique (CIN
et/ou MIN) comme une condition nécessaire à l'établissement d'une
tumeur maligne, mais qu'une certaine stabilité est requise pour
qu'ensuite les foyers secondaires puissent proliférer dans
l'organisme. Cette hypothèse expliquerait la résistance
thérapeutique des tumeurs secondaires vis-à-vis d'agents ciblant
l'ADN.
Discussion et perspectives
Depuis l'apparition des premières cellules, il y a
3,5 milliards d'années, les organismes vivants ont évolué en
tentant de conserver un fragile équilibre entre, d'une part, une
préservation « trop fidèle » de la structure génomique, qui
empêcherait non seulement toute flexibilité et tolérance vis-à-vis
des dommages spontanés ou environnementaux de l'ADN, mais aussi la
nécessaire diversité génétique darwinienne de l'espèce, et d'autre
part une variabilité trop importante, source de cancérogenèse et de
vieillissement accéléré. Chez les bactéries, le « système mutagène
SOS » contribue majoritairement à l'établissement de cet équilibre
(figure 2). Dans
les cellules humaines, cet équilibre semble maintenu par les
processus de réparation caretakers (gardiens du génome) illégitimes
(mutagènes) ou non, décrits dans cette revue. Les ADN
polymérases mutagènes TLS pourraient en être des représentants
majeurs.
Au cours de la progression tumorale, cet équilibre est très
sûrement rompu au profit d'une accumulation accélérée de désordres
génétiques. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer
la mise en place d'un tel « phénotype mutateur » [3].
Les fréquentes altérations du gène p53 mais aussi de ses «
cousins » p63 ou p73, connus pour réguler des voies de réparation
comme la REN, peuvent expliquer l'incapacité tumorale à réparer les
dommages de l'ADN et donc l'accroissement de l'instabilité
génétique. Ce chaos génétique provient sûrement aussi
grandement de la « sénescence réplicative », un phénomène associé
au raccourcissement des chromosomes, qui sont alors reconnus « par
erreur » comme des « cassures de l'ADN » et sont objets de fusions
anarchiques des chromosomes, deux à deux, via la voie JNHE évoquée
plus haut. Ces jonctions conduisent alors inévitablement en
mitose à des ségrégations anormales et à une aneuploïdie.
En résumé, l'idée communément admise, à l'heure actuelle, est
que l'acquisition d'un phénotype tumoral passe par deux chemins
:
- – d'une part, la survenue de quelques mutations dans des
gènes clés, « gardiens » de la structure du génome (gènes des 3R ou
caretakers), qui vont alors jouer un « effet de levier » et
provoquer une déstabilisation générale de ce génome (figure 3) ;
- – d'autre part, un « brouillage » global du génome
(scrambling) dû à des fusions télomériques ou bien une déficience
de gènes garants de la division cellulaire (gatekeepers).
Très récemment, de nouveaux travaux, particulièrement
intéressants, ont renforcé ce modèle. Les laboratoires de J.
Bartek et T. Halozenetis ont, en effet, parallèlement montré que
les cellules issues de tissus précancéreux (hyperplasiques) étaient
déjà le siège d'une instabilité génétique intrinsèque, illustrée
par des cassures en des sites dits « fragiles » du génome [39-41].
Ils montrent aussi que ces cassures induisent l'activation du
point de contrôle DDR et donc l'inhibition de la réplication de
l'ADN. Cette instabilité génétique latente, appelée « stress
réplicatif », jouerait donc un rôle « suppresseur de tumeurs »
naturel. Elle permettrait donc à nos cellules de contrôler sans
cesse leur prolifération. En revanche, la pression de sélection
contre le point de contrôle deviendrait alors si intense que dans
certaines cellules, à terme, elle entraînerait des mutations dans
les gènes gouvernant cet arrêt cellulaire (ATM, ATR, Claspine,
Chk1, Chk2, p53, Cdc25A, Cdk2, etc.). Plus rien n'autoriserait
alors la cellule à réfréner ses divisions en présence de dommages à
l'ADN, et la progression tumorale poursuivrait alors sa route (figure 3).
L'instabilité génétique inhérente à quasiment toutes les
cellules cancéreuses peut être utilisée à l'avenir et a contrario
contre celles-ci, dans une stratégie de thérapie individualisée ou
« à la carte ». Le plus bel exemple est illustré par le
traitement de tumeurs du sein BRCA2–/– par des
inhibiteurs de la protéine PARP, un acteur de la réparation des
cassures simple brins de l'ADN (REB). Ces cassures deviennent,
en effet, alors rapidement « double brins », et comme les cellules
concernées, en absence de BRCA2, sont incapables de promouvoir la
RRH de ces cassures, celles-ci meurent rapidement, d'un « trop
plein » d'instabilité génétique, conformément au modèle présenté
(figure 2).
Le tableau 1 signale l'utilisation
d'autres stratégies adjuvantes destinées à réduire de façon
semblable la capacité résiduelle des cellules cancéreuses à réparer
leur ADN, afin d'exacerber le chaos génétique et de générer la mort
cellulaire.
Les modèles proposant un rôle moteur de l'instabilité génétique
sur la cancérogenèse ont été pour la plupart élaborés grâce à, ou
plutôt à cause de, l'existence de syndromes génétiques rares (XP,
HNPCC, anémie de Fanconi, etc.) associée à des mutations germinales
dans des gènes de réparation de l'ADN. La perte ultérieure par
perte d'hétérozygotie (LOH) de l'allèle restant et intègre conduit
alors, dans les cellules somatiques, à la perte du gène « gardien »
du génome et à un phénotype mutateur et tumoral précoce.
Il est d'ailleurs intéressant, d'un point de vue
socio-économique, de remarquer que l'étude, par quelques
laboratoires opiniâtres, de maladies rares et orphelines, a permis
la découverte de processus universels qui maintenant intéressent un
bien plus grand nombre de laboratoires et aussi l'industrie
pharmaceutique…
Il ne faut toutefois pas réduire la progression tumorale à ce
seul moteur génétique. En effet, d'autres paramètres interviennent
nécessairement pour expliquer qu'une déficience dans des gènes de «
ménage » présents dans toutes nos cellules, comme ceux impliqués
dans la réparation des cassures de l'ADN (BRCA1, BRCA2, BARD1,
BACH1), la synthèse au travers d'un dommage (Pol η) ou la RMM
(MLH1, PMS1, etc.) provoquent un seul type de cancer héréditaire
(respectivement du sein, de la peau, du côlon) et non pas comme
attendu des cancers généralisés. Ainsi, les souris mimant HNPCC
(déficientes pour un gène de RMM) développent de multiples cancers
mais pas des cancers colorectaux. De même, les souris
porteuses d'une déficience dans BRCA2 ne développent pas
préférentiellement des tumeurs mammaires. L'environnement et la
régulation hormonale sont donc, bien entendu, prépondérants dans
l'initiation et la progression néoplasiques. Il serait ainsi
intéressant de nourrir nos souris HNPCC par quelque alimentation
surcuite ou oxydante dont nous raffolons et d'observer probablement
que cette ingestion modifie la localisation des tumeurs
générées…Conflits d'intérêts : aucun.
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