Oncogenèse: introduction générale

Oncogenèse: introduction générale Nathalie Boulle (2011-2012) MIB Oncogenèse cancérogenèse Histoire naturelle des cancers: item 138 de l examen national classant 1

PLAN 1- Evolution et Cancer 2- Quelles sont les propriétés de la cellule tumorale? 3- Quelles sont les bases de la cancérogenèse? 4- Comment ces altérations de l ADN aboutissent à une cellule tumorale? 5- Comment la cellule tumorale parvient-elle accumuler plusieurs altérations de son ADN? 6- Comment l instabilité génétique apparaît-elle? 1-Evolution et cancer: Dans quels organismes apparaît le cancer au cours de l évolution? 2

Organismes eucaryotes Unicellulaire Pas de cancer Levure Multicellulaires, simples: Pas de tissus renouvelables chez l adulte Pas de cancer Drosophile Multicellulaires, complexes: Tissus renouvelables chez l adulte Mammifères, oiseaux, plantes Cancer C. Elegans L apparition du cancer est étroitement lié à la prolifération cellulaire Eucaryotes multicellulaires à tissus «renouvelables» Prolifération cellulaire = risque d altérations de l ADN Equilibre entre différentes populations cellulaires Risque de cancer Mise en place de systèmes de contrôle «anti-tumeurs» 3

2-Quelles sont les propriétés de la cellule tumorale? Plus de 100 différents types de cancers décrits. Complexité +++ Autant de cellules tumorales ayant des comportements différents? 4

Hanahan et Weinberg (Cell; 2000) Les cellules tumorales partagent des propriétés communes qui les différencient des cellules «normales» Facteurs paracrines/ endocrines Cellules voisines Matrice extracellulaire Environnement Cellule normale Sénescence Prolifération Quiescence Différenciation Mort cellulaire (apoptose, autophagie.) 5

Facteurs paracrines/ endocrines Cellules voisines Matrice extracellulaire Environnement Cellule tumorale 1-Indépendance visà-vis des signaux de prolifération 2- Insensibilité aux signaux antiprolifératifs 3-Résistance à l apoptose Les cellules tumorales sont caractériseés par 6 propriétés caractéristiques : Indépendance vis-à-vis des signaux provenant de l environnement 1- indépendance vis-à-vis des signaux de prolifération 2- insensibilité aux signaux anti-prolifératifs 3- Résistance à l apoptose 6

Les cellules tumorales sont caractérisées par 6 propriétés caractéristiques : 1- indépendance vis-à-vis des signaux de prolifération 2- insensibilité aux signaux anti-prolifératifs 3- Résistance à l apoptose Indépendance vis-à-vis de l environnement 4- Prolifération illimitée (perte de la sénescence) 5- Capacité d angiogenèse 6- Capacité d invasion et de diffusion métastatique Les comportements de la cellule sont strictement régulés - Multiplicité des mécanismes de contrôle - Systèmes de contrôles interconnectées et redondants Défense anti-tumorale de l organisme +++ Pour acquérir ces 6 propriétés, la cellule tumorale doit franchir de multiples barrières. 7

Importance de l environnement péri-tumoral (stroma) +++ Cellule immunitaire Protéases extracellulaires Facteurs de croissance Facteurs angiogéniques chemokines Fibroblaste D après Hanahan and Weinberg (2000; Cell 100: 57-70) Cellule endothéliale Cellule tumorale Tumeur = tissu complexe Cellules normales péri-tumorales: collaboratrices actives + ou - de la progression tumorale 8

3-Quelles sont les bases de la cancérogenèse? Cancer: 2 hypothèses: Anomalies intrinsèques de la cellule ou phénomène environnemental? Cancer = Maladie génétique résultant d altérations de l ADN dans les cellules somatiques (90% des cas) Les lésions de l ADN de la cellule tumorale sont transmissibles aux cellules filles au cours des divisions cellulaires. 9

Altérations de l ADN : Altérations génétiques ou épigénétiques Touchent la séquence de l ADN (mutations, délétions ) Marquent la séquence de l ADN (méthylation ) Modifient, perturbent l expression des gènes 4- Comment ces altérations de l ADN aboutissent à une cellule tumorale? 10

Clonalité des tumeurs - Leucémie myéloide chronique et translocation t(9,22) - X inactivé dans des tumeurs issues de femmes Toutes les cellules tumorales proviennent d une même cellule à l origine 1 mutation = 1 cellule tumorale = 1 cancer? 11

Arguments épidémiologiques, anatomopathologiques et expérimentaux Le cancer est un processus multi-étapes La cellule doit accumuler plusieurs altérations de l ADN pour acquérir un phénotype cancéreux Cancer : Accumulation de plusieurs évènements rares et indépendants 12

Accumulation d anomalies génétiques Cycles d Altérations de l ADN / Sélections Altération ADN 1 Propriétés caractéristiques de la cellule tumorale Etc Sélection (avantage) Altération Barrière ADN 2 (contrôle) Altération ADN 3 Barrière Génotypes/ Phénotypes différents 5- Comment la cellule tumorale parvient-elle accumuler plusieurs altérations de son ADN? 13

Des altérations de la molécule d ADN surviennent en permanence au cours de la vie de la cellule Agressions endogènes Erreurs de réplication de l ADN (radicaux libres ) Altérations spontanées Agressions exogènes (environnement, agents chimiques, RX, virus ) La cellule possède différents systèmes pour détecter et réparer ces altérations Lésions de l ADN et systèmes de réparation Rayons X Radicaux libres Agents alkylants Réactions spontanées UV Polycycliques aromatiques hydrocarbures Rayons X Agents antitumoraux Erreurs de réplication ADN D après Hoeijmakers JHJ Nature (2001) 411 : 366 Cassure simple brin Excision / réparation des bases mutation d une base Excision / réparation des nucléotides Liaisons interbrins d ADN Cassure double brin BRCA1/2 Réparation par recombinaison homologue Insertion, délétion MMR Réparation des misappariements 14

Cellule normale ADN Altération de l ADN Détection Réparation Points de contrôle du cycle cellulaire «Contrôles de qualité» Arrêt du cycle cellulaire ± Apoptose Cellule normale Accumulations de lésions de l ADN = processus inefficace 15

Cellule tumorale ADN Altération de l ADN Détection Réparation Arrêt du cycle cellulaire Apoptose Propriétés de la Cellule tumorale Cellule cancéreuse Dysfonctionnement des systèmes de surveillance et de réparation du génome (non fonctionnel ou débordé) Accumulation de lésions de l ADN avantages à la cellule (mutation / sélection) = Instabilité génétique de la cellule tumorale Mécanisme essentiel dans la genèse et l évolution du Processus tumoral 16

6-Comment cette instabilité génétique apparaît-elle? Cancer Facteurs génétiques (Terrain) (prédisposition héréditaire aux cancers, polymorphismes génétiques, ) Environnement (nutrition, agents chimiques, f.hormonaux, virus, radiations ) Instabilité génétique / Cancer Vieillissement Systèmes de détoxification (carcinogènes) Système immunitaire? 17

Environnement - Mode de vie: alcool / tabac / nutrition: contrôle impact sur 1/3 des cancers les plus communs - Environnement (contaminants, pollution ) - Expositions professionnelles (amiante, benzène, rayonnements ) - Agents infectieux (impliqués dans 18% des cancers OMS, 2006) 18

Nouvelles hypothèses? Nat Rev Mol Cell Biol 2010: 11: 220 19

Mécanismes moléculaires de l oncogenèse PLAN 1- Les modèles utilisés en cancérologie 2- Quels sont les gènes impliqués dans la progression tumorale? 3- Quels sont les mécanismes moléculaires aboutissant à l altération de ces gènes? 4- Quelles sont les fonctions de ces gènes? 20

1- Les modèles utilisés en cancérologie Modèles in vitro Modèles in vivo 21

Modèles in vitro: Cellules tumorales en culture Tumeur Analyse prolifération / apoptose Manipulations génétiques Cellules en culture + protéine transformante / irradiation Réponse à différents agents Etc. Cellules tumorales en culture 22

Modèles in vivo: Modèles animaux Souris ex: souris nude Greffe de cellules tumorales Tumeurs? ex: souris transgéniques Avec surexpression ou extinction d un gène Tumeurs? Greffe de cellules cancéreuses luminescentes et observation de la progression tumorale Souris Nude Injection sous cutanée ou orthotopique de cellules tumorales fluorescentes J0 J7 J10 J14 J17 J21 J24 J28 J31 J35 J38 -Etude de la progression tumorale -Etude du potentiel métastatique -Etude de l effet de molécules anticancéreuses 23

Greffe de cellules cancéreuses et étude de l angiogenèse TUMOR WINDOW MODEL Modèles in vivo: Analyse de tumeurs humaines - Analyse morphologique des tissus (anatomopathologie) - Niveau d expression d une protéine? Ex: Récepteur aux estrogènes dans une tumeur du sein O % 9O % - Niveau d expression d un gène? 24

Modèles in vivo: Analyse de tumeurs humaines Profil d expression de plusieurs milliers de gènes dans le tissu tumoral = «Carte d identité des tumeurs» Puces à ADN 2- Quels sont les gènes impliqués dans la progression tumorale? 25

2 grandes familles de gènes sont impliqués dans la progression tumorale - Les oncogènes Gain de fonction - Les gènes suppresseurs de tumeur Perte de fonction Les oncogènes Oncogène = gène altéré gain de fonction Gène altéré : L équivalent cellulaire normal = proto-oncogène 1 seul allèle altéré (muté ) progression tumorale Exemples: gène RET muté, Bcr-Abl, Her2 26

Les gènes suppresseurs de tumeurs Gène suppresseur de tumeur = verrou protecteur contre la transformation tumorale de la cellule Progression tumorale perte de fonction complète Protéine absente ou non fonctionnelle - Les 2 allèles de l anti-oncogène doivent être altérés: Altération bi-allélique 2 familles de gènes suppresseurs de tumeur Gènes impliqués dans le maintien de l intégrité du génome cellulaire (surveillance, réparation) (gènes mutateurs ou «Caretakers») Gènes impliqués dans la prolifération et la survie cellulaires (cycle cellulaire / apoptose) («Gatekeepers») Exemples: MMR, BRCA1, ATM Exemples: prb, p53 27

Cellule normale ADN Altération de l ADN Détection Réparation Gènes mutateurs Arrêt du cycle cellulaire ± Apoptose Cellule normale ADN Altération de l ADN Détection Réparation Gatekeepers P53, Rb Arrêt du cycle cellulaire ± Apoptose 28

3- Quels sont les mécanismes moléculaires aboutissant à l altération de ces gènes? Mécanismes génétiques et épigénétiques 29

Mécanismes épigénétiques Troubles de la méthylation: Evénements précoces dans la progression tumorale Troubles de la méthylation de certaines régions du génome Instabilité génétique Hypo ou hyper-méthylation de gènes Modification de l expression de gènes Mécanismes «génétiques» Oncogènes Conversion proto-oncogène oncogène Gain de fonction 3 grands mécanismes: Mutation ponctuelle, délétion Amplification génique Recombinaison chromosomique 30

Oncogènes Mutation ponctuelle, délétion ADN ARN Protéine hyperactive Ex: RET (cancer médullaire de la thyroide) D après Molecular Biology of the cell Alberts et al. (4th Ed) p 1338 Oncogènes Exemple de RET Mutations (non exhaustives) de l oncogène RET 10q11.2 CMTF NEM2A 532 603 609 611 618 620 624 630 631 634 635 637 640 768 790 791 804 806 844 NEM2B 883 891 912 918 922 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 3 31

Relation phénotypes-génotypes CMTF (95%) NEM2A (98,5%) NEM2B (99%) 618 620 532 630 631 634 768 790 791 804 844 891 50% Exon 10 Exon 8(1 famille) Exon 11(rares) Exon 13 61% Exon 14 Exon 15 609 611 618 634 620 624 635 637 640 790 791 804 Exon 10 Exon 11 Exon 10 Exon 11 Exon 13 Exon 14 98% 883 918 804 806 912 922 Exon 15 Exon 16 Exon 14 Exon 16 98% 2% Mutations aggressives Fort potentiel oncogenique : Age de survenue du CMT : 1 à 2 ans Adénopathies 2 à 3 ans Mutation potentiel moyen Mutations à potentiel oncogénique faible Survenue tardive du CMT 40 ans Oncogènes Amplification génique ADN ARN protéine Ex: HER2 (cancer du sein) N-myc (neuroblastome) D après Molecular Biology of the cell Alberts et al. (4th Ed) p 1338 32

Mise en évidence de l amplification de Her2 dans une tumeur du sein Absence d amplification de Her2 Amplification de Her2 Her2 + Oncogènes Réarrangement chromosomique + Promoteur fort Protéine hybride Ex: IgH, IgL / Myc t(8,14) Lymphome de Burkitt D après Molecular Biology of the cell Alberts et al. (4th Ed) p 1338 Ex: - BCR / ABL Leucémie myéloide chronique - virus à ADN : Hépatite B (HBV) HBV / RARβ Hépatocarcinome 33

Mécanismes «génétiques» Gènes suppresseurs de tumeurs Double évènement Gène inactif au niveau des 2 allèles - Mutation - Délétion - Anomalies au moment de la mitose: Non-disjonction des chromosomes (perte d un chromosome ) Recombinaison mitotique - Conversion génique 4- Quelles sont les fonctions de ces gènes? 34

Oncogènes / Gènes suppresseurs de tumeur Signalisation cellulaire Prolifération / Cycle cellulaire Apoptose +++ Différenciation Thérapies ciblées Progression tumorale et Apoptose Apoptose: Barrière majeure contre la progression tumorale cellule tumorale cellule apoptotique Progression tumorale +/- Apoptose Progression tumorale +++ «Restauration» de l Apoptose: nouvelles thérapeutiques anti-cancer? 35

Conséquences de cette survie «anormale»: Survie de la cellule tumorale malgré un ADN endommagé, un environnement inadéquat Thérapeutique: résistance aux chimiothérapies, à la radiothérapie. Les gènes de maintien de l intégrité du génome Gènes suppresseurs de tumeur, «Caretakers» ou gènes mutateurs 36

Lésions de l ADN et systèmes de réparation + p53 - Arrêt du cycle cellulaire - Apoptose RAD50 BRCA1 ATM MLH1 MSH2 MSH6 ADN Complexe multi-fonctionnel de surveillance de l intégrité du génome: Exemples: MSH2, MSH6, ATM, BRCA1, RAD50, MLH1 Gènes de maintien de l intégrité du génome et cancer Quelques exemples de prédisposition aux cancers Syndrome Xéroderma pigmentosum HNPCC (human non polyposic colon cancer) BRCA1, BRCA2 Ataxietelangiectasie Mécanisme de réparation affecté Excision /réparation des nucléotides Réparation des misappariements gènes MMR: MSH-2; MSH-6, MLH1 Réparation par recombinaison homologue Détection des cassures double brin de l ADN (protéine ATM) Prédisposition Cancer de la peau induit par les UV Cancer du colon Cancer du sein, de l ovaire Leucémies, lymphomes, sensibilité aux rayons γ 37

Exemple d application clinique Dépistage des formes familiales de cancer du colon non polyposique: HNPCC Statut MSI (ou RER) Test de dépistage: Comparaison des séquences microsatellites tissu sain (sang ou colon) vs tumeur du colon Sang MSI - Sang MSI + Colon tumoral Tumeur Colon sain Mutations des Gènes MMR? 38

= Tests de dépistage Recherche MSI et étude immunohistochimique de l expression des protéines hmlh1, hmsh2, hmsh6 dans le colon tumoral Instabilité microsatellites Recherche d un cancer du colon héréditaire: HNPCC «Human Non Polyposic Colon Carcinoma» Etude génétique constitutionnelle Recherche d une mutation germinale des gènes MMR: hmlh1 +++, hmsh2 +++ et hmsh6 par séquençage Consultation d oncogénétique préalable En conclusion 39

L identification des Oncogènes / Gènes suppresseurs de tumeur permet de comprendre les propriétés des cellules tumorales Indépendance vis-à-vis des signaux de prolifération Insensibilité aux signaux anti-prolifératifs Résistance à l apoptose Prolifération illimitée (perte de la sénescence) Et d envisager des «thérapeutiques ciblées» 40

Angiogenèse Invasion et dissémination tumorales Angiogenèse 41

Angiogenèse et progression tumorale Judah Folkman (1933-2008) Une tumeur solide ne peut pas se développer au delà d une certaine taille (1 à 2 mm 3 ) en l absence de néovascularisation New England Journal of medecine 1971: «Tumor angiogenesis: therapeutics implications» «antiangiogenesis therapy, perhaps by immunization against TAF, should provide a powerful adjunct to the control of solid neoplasms.» Facteurs antiangiogéniques Angiogenèse et progression tumorale Facteurs angiogéniques VEGF / VEGF-R Thrombonspondine PDGF/ PDGF-R FGF/ FGF-R Angiogenèse 42

Angiogenèse et thérapies ciblées Agent Endostatin Vitaxin Bevacizumab (Avastin ) SU 11248 (Sutent ) Sorafenib (Nevaxar ) Mécanisme d'action Inhibition de l'intégrine αvβ3 Anticorps humanisé dirigé contre l'intégrine αvβ3 Anticorps monoclonal dirigé contre le VEGF inhibant son activité Inhibition des récepteurs du VEGF et du PDGF Inhibition des récepteurs du VEGF et du PDGF Marimastat / BB-2516 Inhibition des Protéases Matricielles MMP Invasion et dissémination tumorales 43

Invasion et dissémination tumorales Def: Invasion des tissus avoisinants puis prolifération des cellules tumorales dans un site secondaire (métastases) 1 - Importance sur le plan clinique +++ responsables de 90% des décès par cancer 2- Processus peu efficace: Injection de millions de cellules tumorales chez la souris Quelques métastases seulement détectables 3- Beaucoup d inconnues persistent (gènes des métastases?) Invasion et dissémination tumorales Plusieurs étapes Lame basale 1-Détachement / invasion Matrice extracellulaire 2-Passage dans la circulation Vaisseaux 3-Survie et multiplication dans un site étranger Cellules voisines Étape limitante Étape assez peu limitante Nouveau tissu Étape limitante +++ 44

Quels sont les problèmes posés par ces 3 étapes? 1-Détachement / invasion Étape limitante Quels sont les gènes impliqués dans la capacité d invasion des cellules tumorales? Quels sont parmi les cellules composant la tumeur primitive, celles ayant la capacité à métastaser? Thérapeutiques spécifiques? 45

2-Passage dans la circulation Etape peu limitante millions de cellules par g de tumeur Problème pratique: Comment détecter (le plus tôt possible) les cellules tumorales circulantes? Quelle est leur valeur pronostique? 2-Passage dans la circulation Société Veridex, LCC (Johnson & Johnson company) CellSearch : Mesure du nombre de cellules tumorales circulantes (CTC) À partir de 7,5 ml de sang Autorisation FDA: - 2004: cancer du sein métastatique - 2006: cancer du colon métastatique - 2008: cancer de la prostate métastatique - seuil de 5 CTC Facteur pronostique / suivi de l efficacité thérapeutique? 46

3-Survie et multiplication dans un site étranger Etape limitante +++ Modèles in vivo: Suivi de cellules tumorales injectées dans la circulation: Ex: Lignée tumorale B16F1 (mélanome) injectée dans la veine mésentérique de souris: - 83% des cellules injectées atteignent le parenchyme hépatique après 3 jours - 2% forment des micrométastases - 0,02% forment des métastases détectables (mort de la souris) 3-Survie et multiplication dans un site étranger Cellule tumorale Cellule dormante (ni prolifération, ni apoptose) Micrométastases (0,2 2 mm) (balance prolifération/ apoptose) Métastases «actives» Développement de l angiogenèse+++ Non détectable Difficilement détectables Détectables 47

3-Survie et multiplication dans un site étranger Quelles sont les cellules tumorales qui, parvenues au niveau du site secondaire, vont évoluer vers des métastases actives, et quelles sont leurs caractéristiques? Quels sont les facteurs qui vont réactiver une cellule dormante et induire sa prolifération? Comment éliminer ces cellules dormantes? Tissu- spécificité des métastases 48

Tissu- spécificité des métastases Stephen Paget: 1889 Plus de 900 autopsies chez des patients atteints de cancers différents Le site des métastases secondaires n est pas lié au hasard mais à l affinité particulière de certaines tumeurs pour certains organes Exemples: Tumeur de la prostate Tumeur du sein os os, poumon, foie Hypothèse «soil and seed» Adéquation entre l environnement (site secondaire) (soil) et la cellule tumorale (seed) Tissu- spécificité des métastases Plusieurs hypothèses non exclusives: - Hypothèse «mécanique» (trajet vasculaire) Ex: Envahissement régional (ganglion), foie et cancer du colon - Hypothèse «soil and seed» Adéquation, compatibilité cellule tumorale / Environnement Survie et la prolifération de la cellule tumorale - Rôle des chimiokines: Substances attirant la cellule cancéreuse sur le site secondaire. Ex: CXCR4 / CXCL12 dans les tumeurs du sein: nouvelles thérapies? 49

Nombreuses voies de recherche actuelles Cellules souches et cancer, Thérapies ciblées / marqueurs de réponse aux thérapies ciblées, Vieillissement et cancer, Environnement et cancer, 50