Du gène muté à la protéine, cancer. Je tiens à souligner que ce cours a été donné par le saint patron De T., grand maître spirituel d'elisa. Amen.

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1 Du gène muté à la protéine, cancer Je tiens à souligner que ce cours a été donné par le saint patron De T., grand maître spirituel d'elisa. Amen. I. Généralités II. Histoire naturelle du développement d'une tumeur III. Comment est-ce que ça a été approché au niveau de l'histoire des sciences? (p53, virus, oncogène dominant/récessif, cytogénétique) IV. Théorie moderne V. Maladie résiduelle VI. Convergence de fonctions

2 I. Généralités Qu'est ce que le cancer? Le cancer est une maladie génétique acquise de la. C'est donc une maladie dans laquelle une va subir un certain nombre de changements génétiques qui vont coopérer pour lui donner un phénotype de croissance et d'invasion indéfinie. La conception moderne : grâce a ces modifications génétiques, une qui n'était pas immortelle va le devenir. Changement de paradigme concernant le diagnostic du cancer : jusqu'à maintenant étude microscopique du tissu (forme, prolifération, rapports des suspectes avec les tissus normaux : anormales qui envahissent le tissu normal). Et forme nucléole (raisons pas forcément claire) : cancéreuses ont un très gros nucléole. Aujourd'hui : révolution : anomalies génétiques et épigénétiques : à ce diagnostic purement morphologique, est en train de se substituer un diagnostic moléculaire : techniques biochimiques et cette classification moléculaire vont permettre d'aborder la pathogénie (l'étude des mécanismes entraînant le déclenchement ou le développement (évolution) d'une maladie.) de la maladie qui est extrêmement liée à la sensibilité aux médicaments. Thérapeutiques ciblées : on va identifier une lésion génétique contre laquelle on va fabriquer un médicament. Ce qui implique un diagnostic moléculaire : présence d'une altération d'une protéine qui va être ciblée par les médicaments. Changement de paradigme aussi dans le sens où la définition des lésions cancéreuses étaient anatomiques (cancer de telle ou telle partie), maintenant : collection extrêmement vaste de maladies toutes différentes : maladies orphelines (extrêmement rares). On ne sait pas aujourd'hui à quel niveau de granularité on va s'arrêter ou si on va réussir a faire des groupes homogènes (et

3 donc une thérapeutique homogène) ou si on va finir par arriver à chaque cancer est différent de l'autre. Ce changement de concept pose aussi des problèmes pratiques : comment va-t-on pouvoir séparer toutes ces maladies, ou avoir des centres de compétences. II. Histoire naturelle du développement d'une tumeur Accumulation d'anomalies génétiques. Notion de carcinogénèse : multi-étapes, longue progression. Si on prend l'âge du cancer de la peau : première lésion dans l épithélium, qui dans la majorité des cas, va disparaître, et dans d'autres cas, une deuxième qui va être de plus grande taille, et une troisième, que l'on peut commencer par voir anatomiquement, elle va traverser la membrane basale, et dernière capacité : passer dans les vaisseaux et aller coloniser d'autres vaisseaux : processus métastatique. s'étend sur plusieurs dizaines d'années. Pari actuel : toutes ces cancéreuses seraient dépendantes de la première qui a poussé. Addiction à l'oncogène : idée naturellement venue des systèmes monogénique (leucémies par exemple). Mais comme processus multiétapes : hiérarchie, et plus l'événement est récent, plus

4 l'addiction va être grande beaucoup de recherches pour savoir quel est le premier événement. C'est l'idée que le premier événement est la condition nécessaire pour tout le reste. III. Comment est-ce que ça a été approché au niveau de l'histoire des sciences? 1ère chose (18è siecle) : certaines substances chimiques qui vont favoriser les cancers : substances mutagènes/cancérigènes (goudron, radioactivité, tabac, arsenic...). Elles ont en général été trouvées par des approches épidémiologiques : en comparant une population exposée au produit chimique à une population normale. (médecin anglais s'est rendu compte que ramoneurs (enfants) dans cheminées où il y a beaucoup de goudron, avaient des tumeurs du scrotum, mais il n'en avait jamais vu sur qui que ce soit d'autre : hypothèse : goudron responsable = épidémiologie descriptive. Deuxième phase : épidémiologie interventionnelle: conseil de se laver, et plus de développement de ces tumeurs) (deuxième épidémiologiste anglais : a découvert rôle carcinogène du tabac à une époque où 90% des médecins anglais fumaient) Epidémiologie géographique : comparer type de tumeurs qui peut exister selon les modes de vie : pas du tout les mêmes (Afrique noire : beaucoup de tumeurs liées à infection virales, pays développés : beaucoup de tumeurs du sein, prostate, colon extrêmement liés à alimentation.) Parfois poches avec cancer extrêmement rare : on peut trouver une cause précise un certain type de leucémie qu'on ne trouve qu'au sud du japon, infection virale par allaitement maternel (risque 5% de développer leucémie) : mesure interventionnelle : arrêter allaitement On sait qu'il existe de très rares mutations qui ont des bases génétiques (facteurs de prédisposition) : autosomique dominant ou récessif (sporadique) L'ensemble assez complexe des systèmes biochimiques qui vont

5 assurer la sauvegarde du patrimoine génétique vont pouvoir se manifester lorsque sont mis en défaut par maladies avec des spectres qui vont souvent être des tumeurs très rares:immédiatement faire penser au diagnostic, ou des tumeurs multiples qui sont également de très bon signes de ce syndrome de prédisposition exemple : Syndrome de Li-Fraumeni : avaient repéré familles avec des tumeurs extrêmement peu habituelles survenant chez de jeunes adolescents et surtout tumeurs multiples de type différent à endroits différents. Ont proposé défaut génétique (famille) qui allait favoriser le développement de ces tumeurs: gène extrêmement important : p53 (gardien du génome) : facteur de transcription qui agit comme senseur et effecteur du stress il va ordonner à la : soit de s'arrêter pousser transitoirement (pour réparer ADN), soit définitivement (sénescence), soit de mourir tout de suite (apoptose). protéine absolument centrale dans protection du génome/cancer et vieillissement. Chez ces patients : un allèle du gène p53 présente une inactivation germinale : par vieillissement vont perdre allèle sain ou la malade va la remplacer (au détour d'un problème de mitose), et il ne suffit de pas grand chose pour définitivement l'action de la : hypersensibles au stress. Mécanisme génétique et moléculaire : transmission de l'anomalie peut être de type autosomique dominant, mais mécanisme de la maladie : de type récessif : par perte de fonction, et cette perte de fonction qui peut survenir n'importe où dans l'organisme : abondance de ces cancers et peuvent toucher un large spectre de tissus. P53 va être muté dans à peu près la moitié des cancers : n'est plus une mutation germinale mais somatique (acquise). On sait que dans le vieillissement cutané, si on prend plage de et coloration à P53 : on trouvera des qui expriment beaucoup p53 alors que ce sont des normales. Génétique : outil extrêmement précieux pour faire le catalogue de ces gènes impliqués dans la protection contre le cancer.

6 Virus Pendant assez longtemps : recherche en cancérologie s'est confondue à la recherche en virologie : virus à ARN et virus à ADN. virus à ADN : en premier car plus simples : papilloma virus (verrues (bénignes), mais aussi cancer du col (maligne)) : ont besoin pour se répliquer d'une en cycle, mais c'est pas toujours le cas ont développé des protéines virales qui vont être capable de déverrouiller le cycle de la : remettre la en cycle même quand elle ne l'était pas : ces virus ont eu rôle extrêmement important pour comprendre le contrôle du cycle cellulaire. L'intégralité de ce qu'on sait sur le cycle cellulaire a été obtenu grâce à ces virus à ADN virus à ARN : principalement rétrovirus : études qui ont permis de comprendre les mécanismes du cancer. Structures qui une fois intégrés dans génome ont des structures symétriques ( 2 boites ) Ils vont agir de deux manières : à travers leur insertion dans le génome : dans le cycle de réplication de ce rétrovirus (analogue à celui du HIV), il va y avoir une insertion dans des sites raisonnablement différentiels : se fait pas n importe où : souvent à proximité des promoteurs de gènes. Va entrer là où la chromatine est ouverte (près pour accepter facteurs de transcription) : mutagénèse d'insertion/insertionnelle dans laquelle un de ces virus va se mettre à proximité d'un gène.

7 Activité promoteur part de LTR mais comme structure symétrique, la deuxième LTR va pouvoir lancer des gènes s'il en est proche (exemple : gène MYC). Mais pas les leucémies les plus rapides (car pas toujours le même locus qui est touché, forcément) mécanisme le plus rapide : capture d'oncogène : capturer un gène aire, dans certains cas, ce gène peut être un gène qui favorise la croissance, par exemple MYC. Ce ont des systèmes extrêmement délétères : va permettre de transmettre d'une à l'autre un oncogène majeur. Au départ, on pensait que ces gènes étaient viraux, mais en fait étaient des gènes aires qui avaient été capturés, mutés. Va permettre de trouver des oncogènes positifs/dominants, dans les cancers humains naturels ils existent, mais les gènes les plus nombreux : oncogènes récessif (dont la perte va provoquer la maladie plus que le gain, ils sont dit récessifs car la perte d'un allèle : reste toujours la protéine de l'autre allèle, pour perte totale de la fonction, il faut mutation sur les deux) : prototype de l'oncogène récessif : p53. Chevauchement entre oncogène récessif et oncogène dominant possible : protéines ayant une activité dominante négative : la plupart des protéines régulatrices fonctionne sous forme de dimère ou plus (p53 sous forme de tétramère). Si protéine mutée, elle va quand même pouvoir faire dimère ou tétramère, et si abondante, elle va pouvoir titrer (je le comprends comme : équilibre chimique régulant les proportions, la cassée est là, elle prend la place de la pas cassée) la protéine normale et l'empêcher de fonctionner (oncogène agissant par perte de fonction va pouvoir être activé par une seule mutation) Cytogénétique : regarder les K. Découverte d'un certain nombre de tumeurs (leucémies et sarcomes) liées à translocation chromosomique : une seule anomalie chromosomique récurrente. On a réussi à caractériser ces translocations : 2 familles : celles dans lesquelles on a un K qui apporte le promoteur et l'autre qui apporte le gène : anomalie de l'expression génétique :

8 beaucoup trop d'un gène et donc d'une protéine, l'exemple le plus connu : MYC dans le lymphome de Burkitt (tumeur des ganglions de la face, dans région du monde avec beaucoup de paludisme, et virus oncogène Epstein Barr) : liée à translocation touchant le gène des Ig : le promoteur est très fort (les LyB synthétisent énormement d'ig) sur MYC : forte expression de MYC : processus de leucémiogénèse : ce mécanisme est classique dans les lymphocyte. Car quand formation du récepteur lymphocyte T ou B : cassures double brins physiologiques, mais parfois mal réparées et go translocation cassure d'un gène au milieu du gène : ARN hybride/protéine hybride : protéine dans laquelle on a collé 2 domaines qui n'ont rien à voir l'un avec l'autre : ce genre d'accident chromosomique est est un des moteurs de l'évolution, mais là : blocage des deux fonctions, et gain parfois d'une troisième. Exemple : leucémies myéloïdes, avec facteurs de transcription : d'un côté un domaine de liaison a ADN et de l'autre côté un domaine de répression : super répresseur qui va bloquer la cascade normale d'activation transcriptionnelle et de répression. On part de modèles disparates qui finissent pas converger vers un petit nombre de modèle, de mécanismes simples sur lesquels on va pouvoir agir grâce à des médicaments IV. Théorie moderne Expérience (le manitou aime bien mettre ça à l'examen) : on prend une tumeur (induite par carcinogène chimique, exemple tumeur), dont on extrait ADN : on incorpore cet ADN par la transfection dans des normales (fibroblastes). Quand expérience a bien marché : on voit apparaître champignon qui traduit une prolifération anormale de ces au départ normales. Ensuite, on va reprendre de l'adn de ces nouvelles anormales : si on remet sur d'autres : va pouvoir refaire la même chose. Variante : ADN de départ chez lapin et mettre sur souris (caractéristiques des séquences ALU différentes entres souris et

9 lapin) : à partir de cet ADN, on peut savoir grâce aux séquences ALU quel est celui qui venait de la tumeur d'origine : a permis de montrer que créer ce foyer de transformation est bien lié à la présence d'adn et aussi en recherchant séquences qui venaient de lapin isoler le gène muté : a permis de mettre en évidence le gène Ras. (extrêmement souvent muté surtout dans tumeurs digestives) Aujourd'hui, problèmes biologiques : coté multi étapes et longue évolution : par la série d'évolution clonale (de la normale au cancer) : le système qui est touché pratiquement à chaque fois : le système de sauvegarde de l'adn : pour une tumeur évoluée : processus de complète anarchie ou plein plein de gènes mutés secondairement (une fois que la tumeur est déjà faite) : mutations qui conduisent (origine de la maladie : driver, pour qui on va avoir addiction) et dégâts collatéraux : passenger en utilisant techniques moléculaires extrêmement poussées : la première étant cytogénétique, et une plus récente : CGH (hybridation génomique comparative) : par des artifices extraordinaires de comparaison : catalogue de toutes les lésions, mais des centaines, et il n'y en a qu'un tout petit nombre qui soit très importantes, les autres étant liées à la progression tumorale, qui ont une évolution extrêmement tardive. Grace à ces outils, on trouve des tas de mutations partout mais on ne sait pas encore très bien quelles sont celles qui sont importantes ++. Si on trouve quelque chose qui touche à l'immortalité aire : surement importante, et d'autres dans métabolisme graisses, probablement moins importante mais on sait pas. études (ça aussi, il aime à l'examen) : on crée une mutation chez la souris : est-ce qu'elle va développer tumeurs? (exemple, si on enlève p53, elle va faire un peu de tumeurs, et si en plus, on fait un tout petit peu de stress, quelques irradiations par exemple : tumeurs +++++) Dans la plupart des cas, cancer n'est pas monogénique : il va falloir tester la coopération de ces mutations : si p53 et Ras ensemble : transforme instantanément (souris n'a même pas le temps de naitre, déjà couverte de tumeurs). La limitation de ces

10 expériences : argent et place au final Cette typologie moléculaire a pu être construite dans certaines maladies simples. Par exemple, ce qui sous tend cela, il existe une hiérarchie. Leucémie par exemple, ce qui est très important : translocation initiale et tous les autres éléments sont dans la progression de la maladie, et n'interviennent pas dans le traitement, ne sont pas fondamentaux (font que croissance ± vite...) V. Maladie résiduelle maladie caractérisée par translocation, pouvoir être vue en cytogénétique ou PCR quantitative. En faisant une amplification par PCR sur le point de jonction (de la translocation) on va pouvoir faire le diagnostic sans faire de cytogénétique On peut aussi faire mesure de la quantité de leucémiques : tant qu'il y en a 5-10% on peut les voir, mais en dessous de ça, morphologiquement, ce n'est plus possible, car une leucémique ressemble aussi à une normale. Cela permet de faire deux choses : si on regarde évolution dans le temps : maladie où moelle 100% leucémique et vitesse de disparition des leucémiques sous traitement est extrêmement variable (on peut mesurer jusqu'à 1 / ) : quand descend très vite : très bon signe (et ne revient pas). Mais si ne descend pas très vite : le risque de rechute est important : on va pouvoir intensifier le traitement (plus de médocs ou d'autres en plus) : mesure de la clairance de la maladie. Parfois, maladie qui revient : diagnostic de rechute moléculaire : moelle encore complètement normale : 1 / mais moelle normale : et ça va remonter : plus intelligent de retraiter dès qu'on retrouve de la maladie et ne pas attendre. mesure de la maladie résiduelle a changé la prise en charge (on peut détecter à de très faibles doses)

11 Oncogènes dominants (système de peau de lapin traitée avec du goudron). Au départ on pensait que tous les oncogènes étaient dominants (en fait plus faciles à trouver). On sait maintenant que oncogènes récessifs (perte de fonction) sont probablement plus importants et plus nombreux mise en évidence des récessifs : hybrides somatiques : une cancéreuse et une normale pas de la même espèce : on les fait fusionner (colle, notamment des virus) hétérocaryion : grosse : plein de réarrangements et va garder morceaux de l'un et de l'autre. On va chercher ensuite des presque uniquement cancéreuse mais qui a récupéré un tout petit morceau ou un K de souris : phénotype normal : ont perdu phénotype cancéreux : corrigé par apport K normal : phénotype cancéreux déterminé par perte d'un gène et non un gain. = anti-oncogènes = oncogènes récessifs (la perte est responsable de la prolifération) expérience génétique de Knudson (épidémiologiste) : rétinoblastome (tumeur de la rétine) : prolifération cancéreuse sur les de la rétine : les spécialistes savaient qu'il existait deux formes : une qui touche l'enfant dans laquelle les tumeurs étaient multiples et indépendantes et pouvaient toucher les deux yeux, on arrivait parfois à les traiter, et si on attendait 10ans de plus, allaient faire d'autres tumeurs dans d'autres organes (tôt, bilatérale, et peut être familiale : souvent en faveur d'une transmission dominante) le rétinoblastome sporadique : pas d'histoire familiale, unilatérale, pas d autres tumeurs associées, une seule tumeur sur la rétine, et patients généralement plus âgés. Knudson a proposé qu'il y avait un certain nombre de gènes nécessaires à ce que la ne soit pas cancéreuse. Pour obtenir phénotype cancéreux : il fallait perdre les deux allèles : et perdre les deux dans la même est rare, ce qui explique les formes sporadiques. Inversement,

12 dans les formes héréditaires : un des K altérés de manière constitutionnelle et il suffisait de perdre l'autre pour que manière se déclare. Ensuite les choses ont été assez vite : dans une de ces familles : micro-délétion visible en cytogénétique : travail de cartographie qui a permis assez rapidement de trouver le gène (Rb) son produit est une protéine très importante pour l'organisation du noyau : fonctionne un peu comme répresseur de la transcription universel et en particulier des gènes E2F qui contrôlent la mise en cycle de la Pourquoi la rétine alors? N'importe quelle de l'organisme devrait pouvoir être touchée. Plusieurs familles de ce type de répresseurs : 5 ou 6 gènes (duplication par nature d'un système qui marche bien) : c'est ça qui va protéger les normales. Dans la rétine, les autres gènes ne s'expriment pas : la rétine est particulièrement fragile car une seule pédale de frein. Quand on a voulu modéliser maladie chez la souris : échec : patron d'expression n'est pas tout à fait le même : autre gène qui s'exprimait dans la rétine, mais, pas très loin de la rétine : tissu hypophysaire qui n'exprime qu'un seul gène : limites qu'il peut y avoir à ce genre d'approche. VI. Convergence de fonctions Un certain nombre de fonctions qui vont converger au même endroit : sur la même protéine ou sur le même locus. On ne sait pas très bien pourquoi, mais c'est très généralement observé : fonctions importantes convergent vers même locus dans la (un peu finaliste : vaut mieux mourir si délétion de gène capital plutôt que de vivre cassé) p53 : facteur transcription et aussi transporteur de protéine à la mitochondrie, et activation de la transcription va provoquer des choses pratiquement diamétralement opposées : de l'arrêt de cycle de la (pour réparer, très important pour les souches

13 pour empêcher de se multiplier trop) ou mort immédiate : première souris p53ko : très rapidement irradiée (quelques minutes) : thymocytes très sensibles aux irradiations : thymus toutes les go apoptose, mais chez les P53 KO : le thymus va bien : la P53 n'étant pas là pour dire «oulala, c'est tout caca, il faut tuer tout ça». On connait pas mal de protéines impliquées dans cancer qui ont convergé plusieurs fonctions importantes, p53 est un exemple (autre ex dans cancer colon : APC) Autre région très impliquée dans les cancers dans laquelle on a une situation unique : un gène codant pour deux protéines différentes, alors que leurs séquences sont différentes (bien connu chez virus et bactérie, mais quasi seul exemple chez Homme : P16 et P19(ARf) : au même endroit dans le génome : vont contrôler les fonctions de deux régulateurs maitres : p19 p53 et P16 Rb. Nécessité d'avoir une co-régulation/modulation de ces deux voies indépendantes : point extrêmement fragile : souvent perdu dans les tumeurs (cartographie grâce à CGH : cette région perdue dans 30% tumeurs) ou alors, comme région riche ++ en CG : pouvoir être méthylée en épigénétique : extinction transcriptionnelle de cette région et donc se comporter comme une perte de ces régions. Convergence des fonctions au sein du génome (ça a été noté pour de nombreux autres exemples, y compris pour organismes inférieurs) Pour reconstruire biologie : il faut intégrer ça dans modèles biologiques : parfois c'est la même fonction qui va être touchée : p53 : se fixe sur des promoteurs et va activer des gènes : p21 (bloque le cycle) et mdm2 (ubiquitine ligase qui dégrade p53) : système de rétrocontrole négatif. L'interaction entre mdm2 et p53 régulée par p19/arf On va pouvoir avoir 3 types de lésions génétiques qui ont même effet : muter ou perdre p53, on peut amplifier mdm2, perdre ARF : même fonction peut être ciblée par événements génétiques différents. Permet de mettre en évidence que pas de perte de ARF et de p53 à la fois : cohérence et interne logique du système. Et

14 voir dans les systèmes qu'on ne connait pas encore bien : si événements exclusifs les uns des autres : peuvent appartenir à la même voie.