Leucémie myéloïde chronique, Darwin et évolutions clonales

Darwin
et l’hématologie :
la clonalité revisitée
dossier
Leucémie myéloïde chronique,
Darwin et évolutions clonales
Chronic myeloid leukemia, Darwin and clonal evolution
C. Roche-Lestienne*, E. Boudry-Labis*
RÉSUMÉ
cytogénétique, d’une apparente simplicité puisqu’elle se
caractérise par la présence d’une unique translocation réciproque :
la t(9;22)(q34;q11). De plus, son modèle de progression
s’adapte bien avec la théorie d’évolution linéaire des cancers
(adaptation simplifiée de la théorie de l’évolution de Darwin),
puisqu’il s’agit de l’acquisition d’anomalies cytogénétiques
sous-clonales additionnelles conférant, au niveau fonctionnel,
une meilleure adaptation de la tumeur à son environnement.
À l’échelle moléculaire, ce modèle d’expansion linéaire peut
également être retrouvé après sélection des sous-populations
clonales résistantes par les traitements par inhibiteurs de tyrosine
kinases. En revanche, grâce aux nouvelles techniques d’analyse
pangénomique et de séquençage à haut débit, la découverte
d’une architecture sous-clonale beaucoup plus complexe remet
en cause ce modèle de progression linéaire. Cette évolution du
concept de progression linéaire des cancers vers un retour au
modèle initial d’évolution en branches proposé par Darwin en
1837 est illustrée ici à l’aide d’exemples dans la LMC.
Summary
» La leucémie myéloïde chronique (LMC) est, du point de vue
Mots-clés : LMC − Évolution − Progression linéaire − Architecture
clonale − Oligoclonalité − Darwin.
L
a leucémie myéloïde chronique (LMC) se caractérise par la présence d’une seule anomalie
cytogénétique au diagnostic : la translocation
réciproque entre les bras longs d’un chromosome 9 en
q34 et d’un chromosome 22 en q11. De ce remaniement
t(9;22)(q34;q11) résulte la fusion entre les gènes BCR et
ABL, événement oncogénique puissant et suffisant pour
permettre l’apparition de la maladie. La LMC semble
donc être, au diagnostic, d’une apparente homogénéité
clonale.
LMC, évolutions clonales et Darwin revisité
* Institut de génétique
médicale, hôpital Jeannede-Flandre, CHRU de Lille.
240
D’un point de vue théorique, la LMC pourrait s’apparenter au modèle d’évolution linéaire des cancers. Évoqué
At the cytogenetic level, chronic myeloid leukemia (CML)
seems to be a simple model of disease as it is characterized
by a unique abnormality: the translocation t(9;22)(q34;q11).
Moreover, its progression with stepwise accumulation of
subsequent cytogenetic abnormalities fits with an adapted
model of Darwinian evolution, the linear model of cancer
progression. Indeed, under selective pressure, subclones
presenting the most adaptive phenotype for tumor survival
and expansion are selected. At the molecular level, this
concept can also be observed, notably through the ABL
mutated sub-population of CML cells resistant to treatment
by tyrosine kinase inhibitors. However, recent technologies
of whole genome analysis and deep sequencing challenge
this longstanding model of linear progression, as a very large
genetic diversity is observed, associated with a complex
kinetics of subclonal cells populations. These recent data
are in agreement with a more complex clonal architecture
in CML and are indicative of a branching rather than a linear
model of CML progression.
Keywords: CML − Evolution − Linear progression − Complex
clonal architecture − Darwin.
pour la première fois en 1976 par P.C. Nowell (l’un des
codécouvreurs du chromosome Philadelphie) [1], le
modèle de progression linéaire des cancers est une
adaptation de la théorie de Darwin sur la sélection naturelle et l’évolution, théorie qui permet d’expliquer et
de comprendre comment l’environnement influe sur
l’évolution des espèces et des populations en sélectionnant les individus les plus adaptés. Ainsi, selon Darwin,
l’émergence de mutations est à l’origine d’une variété
phénotypique, mais ce ne sont que les mutations favorables qui sont transmises et maintenues dans la descendance. Par analogie, un cancer en progression peut
donc être assimilé à une succession clonale linéaire à
partir d’une cellule leucémique initiale, avec l’acquisition
successive d’altérations additionnelles contribuant à
l’amélioration du phénotype, de mieux en mieux adapté
Correspondances en Onco-Hématologie - Vol. VIII - n° 6 - novembre-décembre 2013
Leucémie myéloïde chronique, Darwin et évolutions clonales
à une expansion efficace de la tumeur (2). Par rapport
à la théorie initiale de Darwin, ce concept d’évolution
linéaire diffère donc par sa simplicité, puisque l’évolution des espèces se conçoit sur un modèle d’évolution
en branches. Effectivement, concernant la LMC, il est
possible d’observer au caryotype, au cours de la progression de la maladie, des anomalies additionnelles
récurrentes en plus de la t(9;22)(q34;q11). Ces anomalies
peuvent être, par exemple, l’acquisition d’une duplication du chromosome 22 remanié (le chromosome
Philadelphie) ou un isochromosome 17q (figure 1).
Ces anomalies additionnelles au caryotype ne sont
pas aléatoires et peuvent s’expliquer par un avantage
fonctionnel. C’est le cas de la duplication du chromosome Philadelphie, équivalente à une amplification de
l’oncogène BCR-ABL. C’est aussi le cas de l’isochromosome 17q, qui présente une monosomie partielle du
bras court du chromosome 17 aboutissant à la perte
d’une copie du gène suppresseur de tumeur TP53 (3).
À l’échelle moléculaire, cette théorie de l’évolution clonale linéaire des cancers se retrouve également dans
la LMC. Une très bonne illustration concerne la population des cellules tumorales résistant aux inhibiteurs
de tyrosine kinases (ITK) par mutations ponctuelles
d’ABL (4). En effet, l’émergence de ces mutations est
9
22
t(9;22)(q34;q11)
9
22
t(9;22)(q34;q11)
der(9)
sous-clonale et liée à l’instabilité génétique accrue de la
cellule porteuse de la fusion BCR-ABL (5-7). Parce qu’elles
modifient la conformation du site actif de la kinase ABL,
ces mutations confèrent une résistance aux ITK. C’est,
par exemple, le cas de la mutation ponctuelle de la
thréonine 315 en isoleucine (T315I), affectant un acide
aminé directement impliqué dans le site de liaison des
ITK (8, 9). Le changement de configuration du site de
liaison causé par cette mutation aboutit à une stabilisation de la protéine sous forme active et ne permet
plus la fixation de l’ITK dans le site actif de la kinase.
Cela confère alors un avantage de survie sous traitement, la mutation T315I, lorsqu’elle est présente dans la
population sous-clonale, permettant alors l’expansion
de ce sous-clone résistant lors du traitement par ITK (10,
11). Il a par ailleurs été montré que l’enrichissement par
sélection fonctionnelle de ce sous-clone résistant pouvait alors aboutir à une population cellulaire majoritaire,
et conduire, sur le plan clinique, à des rechutes et à des
échecs thérapeutiques (figure 2, A et B, p. 242) [12, 13].
Néanmoins, à l’échelle pangénomique, les analyses par
hybridation génomique comparative (CGH) de prélèvements obtenus soit au diagnostic, soit au cours de
l’évolution de la LMC et/ou en cas de résistance aux
traitements, ou encore au moment de la réponse cyto-
der(22)
der(9) der(22)
+ der(22)
der(9) der(22)
+ i(17)(q10)
+ der(9;22)t(9;22)
der(9)
der(22)
+ i(17)(q10)
Figure 1. Cytogénétique de 2 cas de LMC en progression : modèle de succession clonale linéaire.
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Darwin
et l’hématologie :
la clonalité revisitée
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génétique complète, révèlent un nombre d’altérations
secondaires beaucoup plus important que ce qui était
initialement estimé en cytogénétique conventionnelle
(14-16). Cela complique le concept d’évolution linéaire
et remet définitivement en cause l’idée que la LMC est
une maladie homogène. Ces altérations concernent souvent des délétions, plus rarement des gains, et peuvent
être retrouvées sur tous les chromosomes. Indécelables
au caryotype parce que de très petite taille (de l’ordre
d’une centaine à quelques milliers de paires de bases),
ces anomalies sont variables, parfois récurrentes. Nous
avons montré que le nombre de ces altérations génétiques accumulées dans les progéniteurs leucémiques
triés CD34+ est directement corrélé au stade d’évolution
de la LMC ou à la résistance au traitement (17). Parmi
ces altérations, il est possible d’observer des délétions
concernant une partie ou la séquence entière de gènes
impliqués dans le processus de leucémogenèse, comme,
par exemple, PRDM16, IKZF1, ETV6, CDKN1 ou encore RB.
Ces altérations peuvent également concerner des translocations impliquant le gène RUNX1 (18). Ainsi, même
si cet enrichissement sous-clonal concerne des cibles
différentes, il est possible d’y entrevoir, pour certaines
d’entre elles, des altérations de fonctions concernant
des étapes cruciales, comme le contrôle de la prolifération, de l’apoptose et de la différenciation cellulaire. Cela pourrait encore, dans une certaine mesure,
correspondre au modèle d’évolution clonale linéaire.
Cependant, devant la multitude des lésions observées,
il est difficile d’évaluer leur contribution individuelle
dans l’apparition et l’évolution de la maladie.
Un autre exemple concerne des données obtenues
par séquençage, comme la recherche de mutations
des gènes TET2 ou ASXL1. Ces gènes sont impliqués
dans la régulation transcriptionnelle de gènes de
l’hématopoïèse (mécanismes épigénétiques) et ont été
Pression de sélection (traitements, etc.)
2A
2B
2C
Figure 2. Comparaison de 2 modèles d’émergence sous-clonale et pression de sélection. A. Modèle de succession clonale linéaire
à partir d’une cellule souche leucémique ayant acquis la t(9;22)(q34;q11) [orange], avec enrichissement d’une population sousclonale avec avantage de survie sous pression de sélection (violet). Un autre sous-clone porteur d’une mutation n’induisant pas
un avantage de survie (rose) n’est pas maintenu. B. Schématisation du modèle de progression linéaire 2A. C. Schématisation
du modèle d’évolution en branches à partir d’une cellule souche leucémique ayant acquis la t(9;22)(q34;q11) [orange], avec
émergence et maintien de plusieurs sous-clones différents et avantage de survie sous pression de sélection (noir, rose, orange,
jaune). Un sous-clone avec une mutation neutre mais non délétère (couleur pétrole) est maintenu. Disparition des sous-clones
avec mutation délétère (rose clair) ou avec mutations ne conférant pas un avantage de survie sous pression de sélection (marron,
bleu clair, violet, noir, vert clair, bordeaux).
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Leucémie myéloïde chronique, Darwin et évolutions clonales
retrouvés mutés dans plusieurs modèles d’hémopathies
myéloïdes, dont les syndromes myéloprolifératifs BCRABL négatifs (19, 20). Mutés, ces gènes pourraient être
impliqués dans les mécanismes de progression et de
transformation. Or, bien que dans la LMC des mutations
de TET2 et ASXL1 aient également été retrouvées, elles le
sont parfois au diagnostic et/ou lors de la transformation de la maladie, mais jamais de façon systématique
(21, 22). Dans ce contexte, il est alors possible de penser
qu’il s’agit de mutations “passagères” liées à l’instabilité
génétique de la LMC sans effet fonctionnel. Le modèle
d’évolution linéaire semble alors moins robuste, dans la
mesure où ces nombreux sous-clones persistent sans
effet de pression de sélection identifié.
sante, la reconstitution de l’architecture clonale chez
un patient donné révèle un modèle stochastique. De
plus, la cinétique d’apparition des mutations d’ABL
montre une succession d’expansions mais aussi de
déplétions variables de certains sous-clones par rapport à d’autres au cours du temps. Ce travail montre
que la cinétique des sous-clones mutés dans la LMC
est dynamique, aléatoire et variable selon le traitement, ce qui n’est plus en adéquation avec un modèle
d’évolution linéaire.
Ainsi, tout du moins dans le modèle de résistance aux
ITK par mutations, le modèle d’évolution de la LMC se
rapproche plus, actuellement, d’un modèle d’évolution
en branches, modèle suggéré en 1837 par Darwin pour
tenter d’expliquer l’évolution naturelle des espèces
(figure 2C, p. 242).
Diversité clonale dans la LMC :
Darwin réhabilité ?
Architecture clonale de la LMC
Finalement, le développement récent des technologies de séquençage dites de “haut débit”, beaucoup
plus sensibles, a montré un panorama plus complexe
d’évolutions sous-clonales. Cela est vrai même pour
des mutations ayant des effets fonctionnels importants, comme celles liées à la résistance aux ITK. En
effet, ces techniques ont permis de détecter des sousclones minoritaires présentant des mutations dans le
site actif d’ABL dès le diagnostic et en dehors de tout
contexte d’évolution ou de résistance de la maladie.
Près d’une centaine de mutations d’ABL ont été mises
en évidence. Ces différents sous-clones peuvent être
présents de manière simultanée et peuvent également être porteurs de plusieurs mutations (clones
à mutations composites). Devant ce panorama
d’hétérogénéité de la LMC, y compris au diagnostic,
la reconstitution d’une séquence d’apparition des
lésions génétiques additionnelles de manière linéaire
devient impossible. Par ailleurs, une approche récemment publiée de séquençage à haut débit ciblant la
région codant pour le domaine kinase d’ABL a été
réalisée rétrospectivement et longitudinalement sur
une cohorte de 33 patients en échec de traitement
après 2 à 4 lignes thérapeutiques sous ITK (18 LMC et
15 LAL-Ph+) [23]. Tous les patients inclus avaient initialement bénéficié d’une recherche de mutations d’ABL
par séquençage dit “classique”, et tous étaient connus
pour être porteurs d’au moins 1 mutation d’ABL. Les
résultats de cette étude montrent la détection d’un
ensemble de mutations supplémentaires (présentes
à des seuils de détection inférieurs à 15 %) dans 55 %
des échantillons analysés, 51 % des patients présentant 2 à 4 mutations simultanées. De manière intéres-
La variété et la coexistence de multiples clones et
sous-clones est une notion validée dans de nombreux
modèles tumoraux, que ce soit dans certaines tumeurs
solides, dans les leucémies aiguës ou encore dans le
myélome (24-26). Cette architecture polyclonale en
multibranches et la chronologie d’apparition des sousclones laissent suggérer que ces différentes populations
peuvent émerger de clones différents et de manière
indépendante (notion de polyclonalité). Ce modèle
d’évolution “buissonnant” est probablement proche
de l’architecture clonale de la LMC, puisqu’il s’agit
d’une hémopathie où l’oncogène BCR-ABL est source
d’instabilité génétique. En revanche, l’acquisition de la
t(9;22)(q34;q11), même si elle survient dans un contexte
génomique différent d’un patient à l’autre, permet de
penser qu’il s’agit d’une évolution en branches à partir
d’une cellule souche unique initiale. Ainsi, il est possible
de concevoir l’évolution de la LMC comme le résultat
de l’émergence indépendante de plusieurs sous-clones
(notion d’oligoclonalité).
Conclusion
Sur le plan thérapeutique, cette notion d’architecture
clonale complexe avec des cinétiques d’expansion/
déplétion des différentes sous-populations en fonction
de l’environnement et des traitements est certainement
à l’origine des difficultés à obtenir des réponses durables
dans de nombreux cancers. Dans la LMC, le succès de
la monothérapie par ITK est probablement lié à la
puissance oncogénique que représente la fusion BCR-
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Darwin
et l’hématologie :
la clonalité revisitée
dossier
C. Roche-Lestienne
déclare ne pas avoir
de liens d’intérêts.
ABL, qui minore les effets de la diversité sous-clonale.
S’apparentant à un modèle d’évolution oligoclonal, la
LMC semble donc plus facile à maîtriser à long terme
sous ITK pour la grande majorité des patients, comparativement à des modèles de cancers polyclonaux.
Mais la certitude de l’éradication complète de cette
hémopathie reste un défi. En effet, le problème majeur
et non résolu dans la LMC concerne l’insensibilité aux
ITK des cellules souches leucémiques, qui constituent
■
la source d’une variété clonale durable.
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