5-bases-fondamentales-de-l-oncogenese
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BASES FONDAMENTALES DE L'ONCOGENESE I. Introduction A. Quelques définitions Le terme tumeur (du latin tumere, enfler) désigne, en médecine, une augmentation de volume d'un tissu, sans précision de cause. Les tumeurs peuvent être bénignes ou malignes. B. Cellule normale et cellule cancéreuse Il existe plus de 100 types de cancers mais toutes les cellules cancéreuses ont des propriétés communes. Ces cellules cancéreuses sont insensibles aux signaux et ont des comportements propres autonomes indépendants des signaux. Elles ont 6 propriétés : Indépendance vis-à-vis des signaux de prolifération Insensibilité aux signaux antiprolifératifs Résistance à l'apoptose Prolifération illimitée Capacité à induire l'angiogenèse (création de vaisseaux, pour apporter de l’oxygène des nutriments, en outre : nourrir la tumeur) Capacité d'invasion tissulaire et de diffusion métastatique Kevin CHEVALIER 1 C. Environnement péri-tumoral Il existe des cellules non tumorales comme les fibroblastes qui peuvent sécréter des protéases, des facteurs de croissance, …. On a aussi des vaisseaux pour nourrir la tumeur. La tumeur peut induire l'angiogenèse, elle est donc plus vascularisée que la moyenne. II. Cancérogenèse A. Transformation d'une cellule normale en cellule cancéreuse 1. Agents cancérigènes Des agents mutagènes (induisant des mutations de l'ADN) et des agents cancérigènes (induisant des tumeurs) peuvent induire la transformation d'une cellule normale en cellule cancéreuse. Le cancer résulte d'une anomalie intrinsèque de la cellule, résultat d'altérations de son génome (ADN). Ces anomalies de l'ADN peuvent être d'origine génétique ou épigénétique (méthylation de l'ADN) et sont transmises aux cellules filles lors des divisions cellulaires. Elles surviennent dans 90% des cas dans les cellules somatiques (altérations requises). Dans 10% des cas, elles surviennent dans les cellules germinales donnant lieu à des prédispositions héréditaires aux cancers. 2. Agents conduisant au développement d'un cancer Kevin CHEVALIER 2 Une injection unique de DMBA ne conduit à aucun changement phénotypique. Par contre l'injection successive de DMBA à intervalle régulier entraîne l'apparition de tumeur. Une injection unique de DMBA suivi d'injections a intervalles réguliers de TPA induit une tumeur. Une injection répétée de TPA puis une injection unique de DMBA ne change rien. L'injection unique de DMBA puis l'injection répétée à long intervalle de TPA, ne donne pas de changement. Ainsi, le DMBA est un agent initiateur et le TPA est un agent promoteur. Les agents initiateurs sont des agents qui induisent une lésion définitive de l'ADN (par exemple une mutation). Ce sont des agents génotoxiques (carcinogènes chimiques, virus, radiations ionisantes). Les agents promoteurs n'induisent pas de lésions de l'ADN mais favorisent l'expression d'une lésion, préalablement induite par un agent initiateur. B. Caractéristiques multi-étapes du cancer 1. Cycle d'altération de l'ADN/sélections Une tumeur est issue d'une même cellule (on parle de monoclonalité). L'accumulation de plusieurs événements génétiques ou épigénétiques, rares et indépendants, est nécessaire à la transformation d'une cellule normale en cellule tumorale. Le développement d'une tumeur procède à des cycles d'altération de l'ADN / sélection. 2. Instabilité génétique La cellule normale possède de nombreux systèmes de contrôle veillant à l'intégrité de son génome (Exemple : anomalies caryotypiques). 3. Vieillissement et développement tumoral Le vieillissement péritumoral (environnement de la tumeur) et le vieillissement du système de correction font que l'on a des erreurs de réparation de l'ADN Kevin CHEVALIER 3 4. Cellules souches tumorales Ces cellules souches tumorales sont des cellules initiatrices de tumeurs, définies par leur capacité à s'auto-renouveler et à maintenir la croissance de la tumeur et son hétérogénéité. Ces cellules rares sont dans des niches où elles restent quiescente en dormance. Un jour, un signal ou une situation entraîne la prolifération de ces cellules entraînant une tumeur. C. Gènes impliqués dans l'oncogenèse 1. Oncogène et gène suppresseur de tumeur Un oncogène est un gène altéré, dont le produit (protéine) est impliqué dans la transformation d'une cellule normale en cellule tumorale. L'équivalent cellulaire normal de ce gène est appelé proto-oncogène. L'oncogène peut être altéré de différentes façons (mutations, amplification…) et cette altération aboutit à un gain de fonction. Il suffit qu'un seul des 2 allèles soit altéré pour observer l'effet oncogénique (mode dominant). Un gène suppresseur de tumeur (Exemple : P53) est un gène dont la perte de fonction est impliquée dans la progression tumorale. L'altération du gène suppresseur de tumeur aboutit à une perte de fonction de la protéine correspondante, les 2 allèles du gène devant être altérés pour observer l'effet oncogénique (mode récessif). 2. Gènes suppresseurs de tumeurs Ces gènes suppresseurs de tumeurs (tumor suppressor genes) constituent lorsqu'ils sont actifs, de véritables "verrous" protecteurs empêchant la transformation tumorale de la cellule. Les gènes suppresseurs de tumeurs peuvent être classés en 2 familles de gènes. a. Les gènes impliqués dans le contrôle de la prolifération et de la survie (gatekeepers) Les principaux gènes suppresseurs de tumeur de cette famille sont, par exemple : pRb (protéine du rétinoblastome) et p53. Ces gènes sont apparus tardivement au cours de l'évolution (chez les eucaryotes pluricellulaire) et protègent la cellule contre la transformation tumorale en régulant le cycle cellulaire contre l'apoptose. Pour de tels gènes, la réintroduction dans la cellule cancéreuse d'un gène fonctionnel abouti à une réversion du phénotype tumoral. Kevin CHEVALIER 4 b. Les gènes du maintien de l'intégrité du génome (caretakers) Ces gènes contrôlent la stabilité et l'intégrité du génome cellulaire. On les retrouve dans tous les organismes vivants, des procaryotes aux humains. L'altération des 2 allèles de ces gènes conduit à une susceptibilité accrue aux cancers par instabilité génétique (accumulation de mutations). Contrairement aux gènes suppresseurs de tumeurs contrôlant la prolifération et la survie cellulaire, la réintroduction d'un allèle normal n'entraîne pas, pour ces gènes, de réversion du phénotype tumoral. Ils agissent en amont des gènes cités précédemment permettant leur activation (oncogène) ou leur inactivation (gatekeepers). Exemples de gènes de maintien de l'intégrité du génome : BRCA1 (cancer du sein), ATM 3. Premiers oncogènes Les premiers oncogènes identifiés par cette approche appartiennent à la famille Ras (H-ras, N-ras). Le proto-oncogène correspondant, c-ras, code pour une GTPase monomérique impliqué dans la signalisation cellulaire. H-ras et N-ras sont des formes mutées de c-Ras aboutissant à une protéine hyperactive. Les oncogènes de la famille ras sont fréquemment retrouvés dans les cancers humains (25% des cancers environ). L'approche par transformation cellulaire a permis de mettre en évidence des oncogènes préalablement identifiés par l'approche rétrovirale ainsi que de nouveaux oncogènes. 4. Transformation cellulaire La transformation cellulaire correspond à l'acquisition par une cellule, d'un ou plusieurs caractères propres à la cellule tumorale. Ceci se manifeste en culture par un phénotype cellulaire particulier comprenant la perte de l'inhibition de contact, la perte de la dépendance vis-à-vis de l'ancrage, la perte de l'indépendance vis-à-vis des facteurs de croissance, l'immortalité et l'induction de tumeurs dans des modèles animaux. III. Cytogénétique des cancers A. Origine Des remaniements (translocations) chromosomiques, souvent uniques, sont fréquemment observés dans les leucémies humaines (environ 65% des leucémies), telle que la translocation t(9,22) dans la leucémie myéloïde chronique. Ces translocations conduisent à une sous ou une surexpression génique. Kevin CHEVALIER 5 L'analyse précise des points de cassure chromosomique dans ces leucémies a permis d'identifier les gènes localisés au niveau de ces cassures tels que : Le gène Myc dans des lymphomes de Burkitt (translocation t(8,14) Le gène Abl dans les leucémies myéloïdes chroniques (translocation t(9,22)). Une analyse systématique, au niveau moléculaire, des translocations chromosomiques présentes dans les hémopathies malignes humaines a ensuite été réalisée permettant la mise en évidence de nouveaux oncogènes. B. Cancers héréditaires : exemple du rétinoblastome Le rétinoblastome est une tumeur rare de la rétine survenant de manière héréditaire (1/ 20 000 enfants atteints) ou sporadique. Ces cancers héréditaires sont rares. L'analyse précise de la région 13q14 a permis d'identifier le gène dont la perte sur les 2 allèles était liée à l'apparition de la tumeur. Il s'agit du gène du rétinoblastome, codant pour la protéine pRb. C. Conversion d'un proto-oncogène en oncogène La conversion d'un proto-oncogène vers un oncogène aboutit à un gain de fonction. Cette conversion fait appel à 3 types de mécanismes : la survenue d'une mutation ponctuelle ou d'une délétion activatrice, l'amplification génique et le réarrangement chromosomique. 1. Mutation ponctuelle La survenue d'une mutation ou d'une délétion (délétion d'une région régulatrice par exemple) au niveau du protooncogène aboutit à la production d'une protéine hyperactive. Kevin CHEVALIER 6 2. Amplification génique L'amplification génique correspond à une duplication d'un gène en plusieurs exemplaires, aboutissant à une surexpression de ce gène. 3. Réarrangement chromosomique Les réarrangements chromosomiques peuvent aboutir à la surexpression d'un gène par juxtaposition de ce gène près d'une région activatrice de la transcription. Exemple : Dans les lymphomes de Burkitt, le gène Myc (facteur de transcription) est placé à proximité de régions régulant l'expression des gènes d'immunoglobulines (IgH). Ce réarrangement aboutit à une forte expression du gène Myc favorisant la prolifération cellulaire. Une autre conséquence possible des réarrangements chromosomiques est la formation d'un gène hybride aboutissant à une protéine hybride (protéine de fusion) hyperactive. C'est le cas de la translocation t(9,22), observée dans la leucémie myéloïde chronique, qui aboutit à la protéine de fusion Bcr-Abl ayant une forte activité tyrosine kinase comparée à la protéine Abl seule, qui est un intermédiaire de la signalisation cellulaire. Kevin CHEVALIER 7 D. Les virus Le génome viral peut s'intégrer près d'un gène régulateur de la cellule hôte et aboutir à un gène et à une protéine hybride. Par exemple : le virus à ADN de l'hépatite B peut s'intégrer près du récepteur de l'acide rétinoïque (facteur de transcription RAR) et altère son activité, aboutissant à un cancer du foie ou hépatocarcinome. Le virus peut également s'intégrer au hasard dans le génome de la cellule hôte mais exprimer des protéines régulatrices modifiant l'activité des gènes de la cellule hôte. C'est le cas du rétrovirus HTLV1 pourtant le gène Tax, qui peut induire des lymphomes ou certains types de leucémies. E. Les gènes suppresseurs de tumeurs Ces gènes sont impliqués dans le processus cancéreux par le biais de leur inactivation (altération de 2 allèles). Différents mécanismes aboutissent à cette double inactivation : Des mutations inactivatrices Des délétions Des anomalies lors de la mitose : non disjonction des chromosomes avec perte d'un chromosome, recombinaison mitotique. Une conversion génique F. Mécanismes épigénétiques Les modifications des mécanismes épigénétiques, arrivent, vraisemblablement à un stade précoce de la progression tumorale, aboutissant à l'activation de proto-oncogènes ou à l'inactivation de gènes suppresseurs de tumeurs. La méthylation de l'ADN au niveau de régions promotrices de gènes clés est impliquée dans ces phénomènes par hypo ou hyperméthylation. Kevin CHEVALIER 8 V. Les gènes impliqués dans la progression tumorale A. Progression tumorale et signalisation cellulaire Les moyens possibles pour avoir une progression tumorale au niveau cellulaire sont : 1. Par surproduction de facteurs de croissance par la cellule tumorale 2. Par surproduction ou activation constitutive des récepteurs des facteurs de croissance (récepteur transmembranaire à activité tyrosine kinase). 3. Par activation constitutive des intermédiaires de la signalisation. 4. Par surproduction ou activation de facteurs de transcription La cellule devient insensible aux signaux extérieurs régulant cette signalisation. La cellule devient alors capable de proliférer et de survivre de manière autonome, indépendamment de son environnement. La connaissance du rôle des oncogènes dans la signalisation cellulaire a permis d'imaginer de nouvelles thérapies anti-cancéreuses adaptées ("thérapies ciblées"). De nombreuses thérapies ciblées agissent sur la voie de signalisation des récepteurs transmembranaires à activité tyrosine kinase soit au niveau du domaine extracellulaire de liaison au ligand, soit au niveau intracellulaire. Kevin CHEVALIER 9 B. Progression tumorale et cycle cellulaire Pour passer d'une partie de cycle à une autre, on a la nécessité d'un couple Cdk/cycline. L'intervention des oncogènes / gènes suppresseurs de tumeur au niveau du cycle cellulaire aboutit ainsi à un "emballement" du cycle cellulaire avec une rupture de points de contrôle. On aura donc une prolifération incontrôlée de la cellule, indépendamment des signaux antiprolifératifs. L'altération du cycle cellulaire dans la progression tumorale est illustrée par l'exemple des virus HPV (Human Papilloma Virus) à haut risque dans la genèse du cancer du col utérin. Les protéines virales E6 et E7 ont pour effet d'inactiver les 2 verrous du cycle cellulaire que sont pRB (E7) et p53 (E6) en les orientant vers le système de dégradation des protéines qu'est le protéasome. Les cellules filles issues des mitoses successives n’exprimeront ni pRb ni p53. Kevin CHEVALIER 10 C. Progression tumorale et apoptose La progression tumorale s'accompagne d'une inhibition de l'apoptose, favorisant la survie de la cellule cancéreuse. Cette inhibition de l'apoptose peut se faire à différents niveaux. On a une signalisation excessive via les facteurs de croissance et de survie. On a une inactivation de la protéine p53 et donc un déséquilibre de la balance des facteurs pro- et anti-apoptique en faveur de la survie. On observe par exemple, une surexpression du gène de survie Bcl2 dans certains lymphomes (lymphomes folliculaires). Bcl2 est donc un exemple d'oncogène impliqué dans le déficit en apoptose des cellules tumorales. D. Progression tumorale et immortalité cellulaire Les cellules normales en culture sont caractérisées par le phénomène de la sénescence, c'est-à-dire qu'elles arrêtent de se diviser au bout d'un certain nombre de division (par exemple, 6070 divisions pour des fibroblastes). Une cellule continuant à proliférer au-delà de ce nombre de divisions, est caractérisée par l'accumulation d'anomalies chromosomiques induisant la mort cellulaire par apoptose. Contrairement aux cellules normales, les cellules tumorales ne présentent pas ce phénomène d'érosion des télomères. En effet, ces cellules présentent, dans 85 à 90% des cas, une surexpression de la télomérase, enzyme ayant pour fonction de maintenir les télomères au cours des divisions cellulaires successives par ajout de séquences répétées Cette maintenance des télomères aboutit à une propriété caractéristique des cellules tumorales qu'est l'immortalité (capacité à proliférer indéfiniment). Kevin CHEVALIER 11 E. Contrôle de l'intégrité du génome Il existe des molécules qui sont là pour veiller à ce que l'intégrité du génome soit bien respectée. Ce complexe est par ailleurs en relation étroite avec la protéine P53 Ce complexe comprend des protéines ayant pour rôle de détecter les lésions de l'ADN (MSH2, MSH6 ou ATM par exemple), et des protéines impliquées dans la réparation de l'ADN (telles que BRCA1 ou MLH1). Kevin CHEVALIER 12 F. Mécanisme moléculaires impliquée dans la progression tumorale : exemple du cancer du colon VI. Angiogenèse tumorale L'angiogénèse tumorale est le fait que la tumeur va utiliser la vascularisation périphérique pour sa propre vascularisation. A. Angiogénèse et vasculogénèse On va différencier l'angiogénèse et vasculogénèse. La vasculogénèse et l'angiogénèse sont deux processus responsables de la formation du système circulaire, première unité fonctionnelle lors du développement de l'embryon. La vasculogénèse correspond à la différenciation in situ de cellules précurseurs des cellules endothéliales et leur association pour former de nouveaux vaisseaux sanguins. La vasculogénèse conduit au développement du réseau vasculaire chez l'embryon des vertébrés. L'angiogénèse est le processus au cours duquel de nouveaux capillaires se forment par bourgeonnement de vaisseaux préexistants. B. Angiogénèse 1. Cadre d'apparition L'angiogénèse apparait dans les conditions physiologiques dans l'endomètre utérin et la cicatrisation. Elle apparaît de façon pathologique dans l'athérome, la rétinopathie diabétique, l'arthrite rhumatoïde ou la croissance et la dissémination tumorale. Kevin CHEVALIER 13 2. Etapes de l'angiogénèse On a activation des cellules endothéliales par un signal, changeant son phénotype en phénotype angiogénique. On a rupture de la membrane basale et une dégradation de la matrice extracellulaire. Il y a migration et prolifération des cellules endothéliales. On a ensuite une maturation ou régression du néo-vaisseau. 3. Stimulation des cellules endothéliales Le stimulus peut aussi être d'origine inflammatoire suite à une blessure ou une infraction, ou encore tumorale. On aura une production locale accrue de facteurs angiogéniques ou une diminution de facteurs anti-angiogéniques. Normalement on aura un équilibre entre les facteurs angiogéniques et les facteurs antiangiogéniques. Si on a plus de facteurs angiogéniques et moins de facteurs anti-angiogéniques, on aura une angiogénèse, c'est ce qui se passe dans les tumeurs vascularisées. 4. Angiogénèse tumorale et hypoxie Jusqu'à ce que la tumeur primaire établisse une néo-angiogénèse, sa croissance est limitée à un volume de quelques mm3. En effet, ceci est du à une balance entre la vie et la mort cellulaire, conséquence de la diffusion limitée de l'oxygène par les vaisseaux préexistants. L'angiogénèse joue aussi un rôle crucial dans la formation des métastases. Un degré important de vascularisation dans certaines tumeurs est un mauvais pronostic et constitue un risque élevé de métastases. C. Thérapies Cette angiogénèse va être la cible de nombreuses thérapies. Le facteur angiogénique (ici VEGF) est capté par un récepteur au niveau de la cellule endothéliale, permettant l'angiogénèse. Il existe des molécules qui vont agir sur la production par la cellule tumorale de VEGF pour l'inhiber, par exemple en utilisant des anticorps. On peut aussi inhiber les récepteurs à l'EGF. On peut aussi jouer sur les molécules qui détruisent la membrane extracellulaire (métalloprotéase), ou directement sur les cellules endothéliales (thalidomide). Kevin CHEVALIER 14 VII. Invasion et dissémination tumorale A. Détachement du milieu d'origine et invasion de la matrice environnante Cette étape met en jeu 3 éléments : Les molécules d'adhésion Les protéases extracellulaires Une modification du comportement cellulaire (transition épithélio-mésenchymateuse) 1. Protéases extracellulaires Les protéases extracellulaires sont impliquées dans la migration et l'invasion tumorale par différents mécanismes : Par la dégradation de la matrice extracellulaire et de la lame basale, favorisant la migration cellulaire Par la libération de facteurs de croissance et de survie séquestrés au sein de cette matrice extracellulaire (par exemple, le facteur de croissance FGF). Par le clivage de molécules d'adhésion telles que la E-Cadhérine En stimulant la migration cellulaire Kevin CHEVALIER 15 2. Modification du comportement On a la modification du comportement de la cellule tumorale ou transition épithéliomésenchymateuse. Lors de la transition d'une tumeur bénigne à une tumeur métastatique, la cellule tumorale passe d'un phénotype épithélial très différencié à un phénotype de cellule migratrice, mobile et invasive. C'est ce qu'on appelle la transition épithélio-mésenchymateuse. Au cours de cette transition, les cellules modifient leurs molécules d'adhésion et ré-expriment des molécules mésenchymateuses. C. Passage dans la circulation et conséquences Lorsqu'une cellule tumorale survit dans le site secondaire dans lequel elle a migré, elle peut donner lieu à : Une cellule tumorale dormante Des micro-métastases Des métastases actives D. La tissu-spécificité des métastases 1. Affinité On a une affinité particulière de certaines tumeurs pour certains organes : Tumeur primaire Prostate Cancer du sein Lieu préférentiel des métastases osseuses Métastases osseuses Métastases ganglionnaires, pulmonaires, hépatiques et osseuses 2. Hypothèses sur cette affinité Cette spécificité pourrait être due à une ressemblance mécanique entre la cellule originelle et son lieu de métastases. De plus, les cellules tumorales ne peuvent proliférer dans un site secondaire qu'en présence des facteurs adéquats Les chimiokines qui seraient les mêmes entre le site originel et le site secondaire pourrait aussi expliquer cette dissémination préférentielle. Kevin CHEVALIER 16
