CYCLE CELLULAIRE ET CANCER

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1 CYCLE CELLULAIRE ET CANCER Le cancer est une maladie génétique des cellules somatiques Le néoplasme est le terme utilisé en médecine pour désigner une tumeur ou un cancer.

2 Multiplication incontrôlée d une cellule somatique anormale, jusqu à la formation d une masse principale (tumeur) et de masses satellites (métastases)

3 classification des cancers suivant le type de cellule, de tissu ou l organe affecté au départ. Quatre grandes familles de cancer: -Les carcinomes sont les plus fréquents (plus de 85%): tissus épithéliaux (tissus minces formés d une ou plusieurs couches de cellules jointives). - Les Sarcomes sont très rares (moins de 1%): tissus conjonctifs de soutien de la structure de l organisme (osseux, cartilagineux, musculaires, adipeux, vasculaires ). - Les lymphomes: tissu hématopoïétique (moelle rouge des os où les cellules du sang se forment et tissu lymphoïde) ; se développent le plus souvent dans les ganglions lymphatiques. - Les Leucémies concernent les tissus de la moelle osseuse responsable de la production des globules blancs.

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5 CELLULE CANCEREUSE 1 Indépendance vis à vis des signaux de prolifération provenant de l environnement 1 2 Insensibilité aux signaux antiprolifératifs 3 Résistance à l apoptose Prolifération illimitée (perte de la sénescence) 5 Capacité à induire l angiogénèse 6 Capacité d invasion tissulaire et diffusion métastatique 5 6 4

6 Il est nécessaire que plusieurs gènes soient conjointement déréglés pour que la cellule se cancérise. Le cancer est une pathologie multigénique.

7 The development and metastasis of human colorectal cancer and its genetic basis.

8 On appelle instabilité génétique la non-conformité des cellules filles par rapport à la cellule mère, en raison de mutations.

9 L'instabilité génétique Est une caractéristique des cellules cancéreuses. Les déterminants de l'instabilité génétique sont en majorité liés à des mécanismes cellulaires fondamentaux, comme le cycle cellulaire, la réplication ou la réparation de l'adn. Ces mécanismes sont normalement reliés entre eux par de multiples interconnexions, qui forment autant de points de contrôle dont les cellules tumorales s'affranchissent. A ces mécanismes s'ajoutent les modifications épigénétiques qui sont transmises de cellules mères à cellules filles. Celles-ci, sans affecter directement l'intégrité du génome, peuvent en changer le fonctionnement et la dynamique.

10 On appelle instabilité génétique la non-conformité des cellules filles par rapport à la cellule mère, en raison de mutations. 1. par l'altération de systèmes de réparation de l'adn qui favorise la survenue de lésions génétiques 2. par l'altération des gènes impliqués dans la surveillance du génome et la régulation de l'apoptose qui autorisent la survie de cellules anormales 3. par l'avantage de prolifération et de survie qui augmente le nombre de divisions cellulaires et la probabilité de mutations. 4. par l'instabilité caryotypique résultant de l'altération des mécanismes de recombinaison et de ségrégation des chromosomes lors de la mitose les mutations touchant les gènes qui contrôlent le checkpoint de l attachement du fuseau mitotique (Bub1, Mad2, kinases Aurora) ont les conséquences les plus dévastatrices. ex: ségrégation inégale des chromatides Au cours de la croissance tumorale l'accumulation d'altérations géniques successives, favorisées par l'instabilité génétique des cellules cancéreuses, conduit à la sélection de clones de plus en plus agressifs capables d'envahir les tissus adjacents et de métastaser.

11 L apparition d un cancer est le résultat d un processus qui s étend chez l homme sur de nombreuses années, voire des décennies. The growth of a typical human tumor such as a tumor of the breast.

12 Stages of Cancer Formation

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14 Des carcinogènes chimiques, physiques et viraux peuvent collaborer à la transformation d'une cellule altérations de la structure ou de l'expression des gènes impliqués dans la carcinogenèse On estime que dans certains cancers, plus de 1000 gènes ont une expression altérée dans les cellules tumorales! Ces gènes qui ont un rôle crucial dans le processus de transformation maligne sont classés en oncogènes et gènes suppresseurs de tumeur.

15 les oncogènes sont des gènes qui, à l état normal, influent positivement sur la croissance et la division cellulaire; ils sont alors appelés proto-oncogènes. C est lorsqu ils sont mutés qu ils prennent la nomination d oncogène. C est la trop grande présence ou activité de leurs produits qui sont dangereuses pour la cellule. La mutation d un seul allèle est suffisante. Les suppresseurs de tumeurs sont des gènes qui, lorsque normaux dans la cellule, contribuent à l élimination des tumeurs puisqu ils agissent sur la répression du cycle cellulaire et sont impliqués dans l induction de l apoptose. Lorsque mutés, ils se comportent comme des allèles récessifs, ce qui implique que les deux allèles doivent être mutés pour que la cellule soit en danger, et c est la perte de fonctionnalité de ce gène qui est dommageable pour la cellule.

16 L origine des altérations qui modifient les oncogènes et les gènes suppresseurs est multiple. On les classe généralement en deux grandes catégories, exogène et endogène. L origine exogène correspond à toutes les expositions environnementales auxquelles un organisme est soumis. Les altérations d origine endogène sont provoquées en partie par des molécules issues de notre métabolisme comme les espèces réactives à l oxygène. Chaque jour notre ADN subit des millions d agressions de la part de ces molécules mais dans la très grande majorité des cas, celles-ci sont réparées de manière très efficace.

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19 LES ONCOGENES Les oncogènes sont des gènes qui, à l état normal, influent positivement sur la croissance et la division cellulaire; ils sont alors appelés proto-oncogènes. La trop grande présence ou activité de leur produit transforme un protooncogène en oncogène par une altération structurale directe du gène et / ou une expression exagérée de son produit. La mutation d un seul allèle est suffisante pour amener le danger. Ils ne sont pas impliqués dans la prédisposition héréditaire au cancer.

20 What do oncogenes encode? Proteins that are involved in growth control and differentiation Growth factors Growth factor receptors Signal transduction proteins Transcription factors 20

21 - LA PLUPART DES ONCOGENES DECOUVERTS A CE JOUR INTERVIENNENT DANS L UNE DES GRANDES VOIES DE TRANSMISSION DES SIGNAUX MITOGENES OU DE DIFFERENCIATION

22 Les oncogènes cellulaires occupent des places importantes dans les voies de signalisation Les altérations, qui sont toutes de type dominant, correspondent : à des mutations activatrices, dont le prototype est ras à des dérèglements d expression (juxtaposition de promoteur activateur comme pour myc dans la translocation 8:14 ou amplification comme pour c-erbb2) à des gains de fonction dans les cas où une nouvelle protéine, dite de fusion, résulte d une translocation mettant bout à bout deux gènes (bcr/abl de la translocation 9:22)

23 Mécanismes moléculaires de l'activation des oncogènes. - des mutations (par substitution, insertion ou délétion) - des amplifications - des translocations - des mécanismes épigénétiques - l'apport de matériel génétique exogène d'origine virale

24 EXEMPLES 1) MUTATION PONCTUELLE Activation of ras Oncogenes by Point Mutations Normal RasH Met Thr Glu Tyr Lys Leu Val Val Val Gly Ala Gly Gly ATG ACG GAA TAT AAG CTG GTG GTG GTG GGC GCC GGC GGT... Activated EJRasH GTC Met Thr Glu Tyr Lys Leu Val Val Val Gly Ala Val Gly Ras mutations in tumors usually involve codons 12, 13, 59 and 61. Mutated ras is found in 50% of colorectal cancers and 95% of pancreatic cancers.

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26 2) AMPLIFICATION Proto-oncogene amplification Multiple copies of proto-oncogenes have been found in various tumors. Homogeneous staining regions Double minute chromosomes

27 3) TRANSLOCATION Translocation of c-myc The c-myc proto-oncogene is translocated from chromosome 8 to the immunoglobulin heavychain locus (IgH) on chromosome 14 in Burkitt's lymphomas, resulting in abnormal c-myc expression.

28 Translocation of abl: The abl oncogene is translocated from chromosome 9 to chromosome 22, forming the Philadelphia chromosome in chronic myelogenous leukemias.

29 Mechanism of Tel/PDGFR oncogene activation

30 DETECTION DES ONCOGENES la possibilité de transformer les cellules grâce à des rétrovirus, ont poussé les auteurs à tester l'effet des Transfert de DNA : Technique de transfection pour l étude des oncogènes Trois éléments sont nécessaires pour réussir un transfert de DNA : -une cellule ne possédant pas le gène recherché, -une cellule possédant ce gène en abondance, -un moyen de sélectionner les cellules ayant reçu le gène.

31 DIVERS TESTS DE TRANSFORMATION Clonage des oncogènes Perte de l inhibition de contact

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34 ming: morphologically alters rescue cells and make origenic rc, RTKs.

35 LES GÈNES SUPPRESSEURS DE TUMEUR ou anti-oncogènes

36 Ce sont des gènes dont l inactivation est impliquée dans le processus de transformation maligne. Concernent: Des fonctions de contrôle négatif du CYCLE CELLULAIRE ex: p16/ink4, p21, Rb, p53 MAINTIENT DE LA STABILITE DU GENOME ex: p53, ATM REPARATION DE L ADN ex: BRCA1, BRCA2 GENES PRO-APOPTOTIQUES ex: p53 Les altérations doivent nécessairement concerner les deux allèles, la première mutation étant récessive Les CKI, la protéine Rb et la protéine p53, qui ont un rôle important dans la régulation négative du déroulement du cycle cellulaire sont des gènes suppresseurs de tumeurs. Soit la protéine p53, soit un inhibiteur de cdk, soit Rb sont inactivés dans plus de 90% des tumeurs

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38 Locus INK4a/ARF (région 9p21) P16/INK4a 13 Kb P14/ARF (Mouse P19/ARF)

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40 Le Phénotype tumoral est récessif

41 Mécanismes de l'inactivation bi-allélique des gènes suppresseurs de tumeur. Hypothèse de Knudson

42 Six ways of losing the remaining good copy of a tumor suppressor gene + méthylation (p16ink4) La conversion Génique est un transfert non réciproque d information génétique.

43 Loss of heterozygosity (LOH) of tumor suppressor genes.

44 Il est maintenant évident que l action de certains gènes est extrêmement sensible à la quantité des produits qu ils engendrent certaines mutations (de TGFβ ou p27, par exemple) se font déjà ressentir à l état haploïde. On parle d haplo-insuffisance

45 Cellules souches

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48 niche Cellules souches Cellule souche Division asymétrique Cellule différenciée

49 Durant la division symétrique, les déterminants cellulaires ségrégent de façon égale pour donner naissance à deux cellules filles de type cellule souche. Durant la division asymétrique, l orientation du fuseau mitotique et des déterminants cellulaires sont coordonnés, donnant ainsi naissance à une cellule fille qui retient la capacité de devenir une cellule souche, alors que la deuxième cellule va se différencier. Dans ce cas, la mitose est orientée de telle sorte que la cellule est proximale à la niche qui envoie les signaux nécessaires à l acquisition d un devenir de type cellule souche. Au contraire, la cellule qui va différencier se localise distalement à cette niche.

50 avant

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55 Sur le plan fondamental, la découverte du phénomène de «plasticité» des cellules souches, représente un bouleversement de certains dogmes, et éventuellement une ouverture thérapeutique majeure. De nombreuses études in vitro et in vivo seront cependant nécessaires pour déterminer si ces observations pourront conduire à des approches de thérapie cellulaire chez l homme.

56 CELLULE SOUCHE TUMORALE Définition fonctionnelle: cellules capables de redonner naissance à la tumeur dans un modèle de xeno transplantation (NOD-SCID) Cellules initiatrices de la tumeur Présentes en faible nombre dans la tumeur initiale Partagent un certain nombre de propriétés avec les cellules souches non tumorales dont l autorenouvellement Décrites en 1994 (Dick et al) dans les leucémies aigues myéloïdes puis dans différentes tumeurs solides: cancer, sein, SNC, colorectal, pancréas, mélanome.

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58 La progression Tumorale -Selon le modèle classique, la progression tumorale se fait par une série de sélections darwiniennes. Des cellules avec de nouvelles caractéristiques favorables dues à des mutations ou modifications épigénétiques apparaissent avec une faible probabilité et sont ensuite sélectionnées. Ce processus se répète successivement lors de la progression. -À chaque stade, toutes les cellules d'une tumeur sont plus ou moins équivalentes et peuvent être la cible de ces modifications. Pour une thérapie, il faut cibler la masse tumorale. -Selon le nouveau modèle, uniquement les cellules souches cancéreuses contribuent à la progression tumorale, alors que les cellules qui en dérivent en forme la masse. Le relativement petit nombre de cellules souches cancéreuses partage déjà beaucoup de caractéristiques de cellules tumorales et elles restent des cibles pour des modifications génétiques ou épigénétiques successives pendant beaucoup plus longtemps que d'autres types de cellules somatiques. Pour une thérapie, il faut principalement cibler les cellules souches.

59 Différenciation de l épithélium mammaire normal et tumoral. A. Le pool de cellules souches de l épithélium mammaire normal (CSN) est globalement dans un état quiescent. B. Lors de l oncogenèse, les cellules ciblées par la transformation maligne pourront être soit les cellules souches, soit les progéniteurs de l épithélium normal.

60 Deux modèles hypothétiques de la transformation maligne.

61 Afin d expliquer l hétérogénéité tumorale régnant au sein d une tumeur, deux hypothèses modélisant la transformation maligne ont été proposées. D une part, le modèle stochastique dans lequel chaque cellule de l épithélium mammaire peut être transformée et donner un clone tumoral composé de cellules qui ont toutes la capacité de proliférer de façon indéfinie et d évoluer en réponse à l accumulation de nouvelles altérations oncogéniques. D autre part, le modèle hiérarchique dans lequel seule une cellule souche ou progénitrice peut être la cible de l oncogenèse. Ainsi, seules les cellules souches cancéreuses vont proliférer de façon indéfinie et donneront naissance à l hétérogénéité tumorale en contrôlant la différenciation.