Les grandes voies de transmission du signal en cancérologie : où en sommes-nous?

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1 Les grandes voies de transmission du signal en cancérologie : où en sommes-nous? Dynamique des réseaux de signalisation et réponse aux thérapies ciblées Pascal GAUDUCHON Unité "Biologie et Thérapies Innovantes des Cancers Localement Agressifs" (BioTICLA) D.E.S. d ONCOLOGIE, 20 juin 2014

2 Les caractéristiques des cellules cancéreuses comme cibles thérapeutiques Hanahan et Weinberg, Cell, 2011

3 Changements des voies de signalisation dans les cellules cancéreuses Altérations génétiques et épigénétiques touchant des (proto)oncogènes et des gènes suppresseurs de tumeurs Hanahan et Weinberg Cell, 2000 Hanahan et Weinberg, Cell, 2000

4 Signalisation oncogène à partir de l EGFR Surexpression Stimulation autocrine Mutation activatrice Signal oncogène Défaut de régulation négative Hétérodimérisation et «dialogue»

5 Dancey et al., Cell, 2012 Personalized cancer medicine is based on increased knowledge of the cancer mutation repertoire and availability of agents that target altered genes or pathways Mutation Frequencies in Common Cancers Cancer genetics is accelerating the time from driver mutation discovery to clinical proof-ofconcept and the approval of new drugs Chin et al., Nature medicine(2011)

6 Thérapies ciblées en cancérologie : exemples de voies fréquemment ciblées

7 Importance de l identification des altérations moléculaires en lien avec la réponse à un traitement ciblé (biomarqueurs prédictifs) Exemple : thérapies ciblant le récepteur EGFR et mutations du gène K-Ras Blocage du récepteur Anticorps monoclonaux Cetuximab, panitumumab Inhibition de l activité kinase du récepteur Erlotinib, gefitinib Quand le récepteur est bloqué, la protéine KRAS normale n est pas activée et ne transmet plus de signal de prolifération KRAS muté transmet en permanence un signal, que le récepteur soit actif ou bloqué Amélioration de la survie Blocage de la prolifération, de l invasion, mort cellulaire, Prolifération, Survie cellulaire Invasion, métastases Pas d amélioration de la survie

8 Les voies de signalisation sont organisées en réseaux Dialogue entre voies Boucles de rétroaction positives et négatives ( feedback ) Dynamique non linéaire Exemple : voie de l EGFR La nature des constituants et la structure du réseau dépendent du contexte cellulaire particulier

9 Dynamique des réseaux de signalisation Boucles de rétroaction et nature de la réponse à un stimulus L exemple de la voie Ras-MAPK Modulation de la synthèse de MKP-1 (MAPK Phosphatase) Variabilité de la réponse selon l efficacité de la boucle de rétroaction Stimulus (EGF) Bhalla, Progress in Biophysics & Molecular Biology 81 (2003) 45 65

10 Propriétés dynamiques des réseaux biologiques Si un élément est inactivé, le réseau peut prendre une autre configuration, utilisant des solutions de connexion alternatives («recâblage», «rewiring») : Possibilité de produire le même résultat («output») par des stratégies d organisation différentes : phénotype inchangé ~ «résistance» (robustesse) Dans d autres situations, la sortie du réseau peut être changée, selon deux possibilités : phénotype «dégradé» ~ «régression» Apparition de nouvelles propriétés ~ «évolution»

11 Développement de nouvelles thérapies ciblées L adaptation de l architecture du réseau peut générer des effets inattendus lors d une thérapie ciblée La complexité du réseau peut générer de nouvelles cibles, non prédictibles a priori, mais d intérêt thérapeutique Exploiting Complexity and the Robustness of Network Architecture for Drug Discovery Hellerstein Journal Of Pharmacology And Experimental Therapeutics, 2008 Modélisation du fonctionnement?

12 Un chaînon manquant dans le développement de thérapies ciblées basé sur la recherche de cibles altérées Bernards, Cell (2012) L organisation en réseau des voies de signalisation vient souvent compromettre l action de médicaments dirigés contre une cible unique Circuits de rétroaction entre les voies de signalisation l inactivation ciblée d un élément oncogène unique d une voie majeure peut induire en retour l activation d une autre voie Survie cellulaire Survie cellulaire Mort cellulaire Les cellules cancéreuses survivent, malgré le traitement Pour que les promesses des thérapies ciblées deviennent réalité, il est nécessaire de mieux comprendre la structure des réseaux de signalisation et leur fonctionnement L association de médicaments dirigés contre des cibles différentes constitue une piste prometteuse pour éviter l échappement au traitement (stratégies multicibles)

13 Inhibition des voies mtor et MAPK/Erk et sensibilisation à l ABT-737 Lignée Lignée IGROV1-R10 SKOV3 PIP3 PIP2 PI3K Ras Bim T308 P PDK1 Raf Jebahi et al., 2014 Akt P S473 mtorc2 BEZ235 MEK CI-1040 Puma Bim Noxa CREB GSK3 mtorc1 ERK Bim P 4E-BP1 p70s6k CREB Traduction ABT-737? APOPTOSE Dégradation 13

14 Unresponsiveness of colon cancer to BRAF(V600E) inhibition through feedback activation of EGFR Prahallad et al, 2012, Nature 483, % des mélanomes primaires ~10% des cancers colorectaux (CRC) Mutation activatrice de l oncogène BRAF (BRAF(V600E)) Resistant to vemurafenib Réponse clinique : ~80% Réponse clinique : ~5 % Intérêt d une thérapie combinatoire associant anti-braf et anti-egfr dans les CRC BRAF(V600E)

15 Reprogrammation dynamique du «kinome» en réponse à une thérapie ciblant MEK (MAPKK) dans les cancers du sein triple négatifs Duncan, Cell 149: Voie RAF-MEK1/2-ERK1/2 activée ERK1/2 phosphoryle c-myc c-myc stabilisé bloque l expression de gènes codant pour des RTK L inhibiteur de MEK empêche l activation de ERK c-myc est dégradé via le protéasome L expression de certains RTK est déréprimée Analyse du kinome Grave, Biochem. J. (2013) 450, 1 8

16 Reprogrammation dynamique du «kinome» en réponse à une thérapie ciblant MEK (MAPKK) dans les cancers du sein triple négatifs Duncan, Cell 149: Sorafenib Les RTK activés induisent l activation de MEK2 malgré la présence de l inhibiteur résistance La réponse du kinome est spécifique de l inhibiteur Elle varie d un type tumoral à l autre, pour le même inhibiteur Efficacité de l association AZD Sorafénib (modèle murin)

17 Network Medicine Strikes a Blow against Breast Cancer Erler, 2012 L administration séquentielle de deux médicaments anticancéreux favorise la mort cellulaire grâce au «recâblage» induit par le premier traitement Erlotinib Doxorubicine Cancers du sein triple négatifs Lee et al., 2012, Cell 149, ,

18 Network Medicine Strikes a Blow against Breast Cancer Etude comparative de l influence des différents modalités d administration sur les réseaux de signalisation, par des méthodes à haut débit : expression différentielle des gènes (transcriptome) niveau et état d activation de 35 protéines de signalisation (reverse phase protein microarrays) L adaptation du réseau engendre une vulnérabilité accrue vis-à-vis des dommages à l ADN La sensibilité accrue à la DOX après traitement par l Erlotinib repose notamment sur le clivage de la caspase 8 Dans la lignée HER2+, le traitement préalable au Lapatinib augmente également la sensibilité à la DOX, via la caspase 8 Le protocole ERL DOX est également plus efficace dans des lignées de cancer bronchique Lee, 2012, Cell 149:780

19 A Nanoparticle-Based Combination Chemotherapy Delivery System for Enhanced Tumor Killing by Dynamic Rewiring of Signaling Pathways Morton, Science Signaling, 7 (325), ra44 (2014) La libération décalée dans le temps de l Erlotinib et de la DOX à partir d une nanoparticule (liposome) augmente l efficacité in vitro et in vivo In vivo PBS ph 7.4, 37 C In vitro R. H. Fang, L. Zhang, Combinatorial nanotherapeutics: Rewiring, then killing, cancer cells. Sci. Signal. 7, pe13 (2014).

20 Le recâblage du métabolisme peut participer à la résistance aux thérapies ciblées The glucose-deprivation network counteracts lapatinib-induced toxicity in resistant ErbB2- positive breast cancer cells Komurov et al., 2012, Molecular Systems Biology 8:596 modèle cellulaire de résistance induite par exposition répétée au Lapatinib La résistance repose en partie sur une adaptation métabolique résultant de la réorganisation des réseaux métaboliques Locasale, 2012, Molecular Systems Biology 8:597

21 Les miarns, de petits ARN non-codants régulateurs - Petits ARN interférents simple brin d environ 20 nt miarns matures identifiés chez l Homme (mirbase v20.0, 06/2013) - Régulation négative de l expression génique par interaction avec la région 3 -UTR des ARN messagers - Impliqués dans la régulation de processus physiologiques fondamentaux - Présents dans de nombreux fluides biologiques (sang, urine ) Action sur des réseaux de cibles Schwarzenbach H et al., Nat. Rev. Clin. Oncol. (2014)

22 miarns : oncogènes et gènes suppresseurs de tumeurs Garzon et al, TIMM 12, 580, 2006

23 Caractérisation des cibles de miarns et des réseaux de régulation associés Mlcochova

24 Caractérisation des cibles de miarns et des réseaux de régulation associés Approches pharmacologiques multi-cibles?

25 Différents membres de la famille des protéines Bcl-2 jouent des rôles importants et antagonistes dans le contrôle de l apoptose Anti-apoptotiques Bcl-x L ; Mcl-1 ; Bcl-2 ABT-737 Pro-apoptotiques Bax; Bak Bim; Noxa Bcl-x L et Mcl-1 coopèrent pour les protéger les cellules cancéreuses ovariennes contre l apoptose Bcl-x L / Mcl-1 Leur inactivation concomitante induit une mort massive par apoptose APOPTOSE APOPTOSE Opportunité thérapeutique

26 Identification d un premier miarntueur : mir-491-5p Inutilisable comme médicament Proposition d une nouvelle combinaison d agents pharmacologiques associant un inhibiteur de l EGFR et un BH3 mimétique Denoyelle et al. CDD, under revision Apoptose Lignée IGROV1R10

27 La combinaison de données issues de la génomique, de la protéomique et des réseaux de signalisation est un élément clé du succès thérapeutique en cancérologie Yaffe, Science Signaling 2013 et va de pair avec la prise en compte de la dynamique et de l hétérogénéité des réponses tumorales Tyson & Quaranta, Per Med. 2013; 10(3):

28 Développement des thérapies ciblées : le modèle translationnel

29 Science Signaling 2013, 6 (294), pe32

30 MERCI POUR VOTRE ATTENTION Remerciements Christophe Denoyelle Marie Villedieu D.E.S. d ONCOLOGIE, 20 juin 2014