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Unité « De la molécule à la cellule » Oncogénétique: Génétique et génomique du cancer Dr Thierry Nouspikel, MD, PhD Laboratoire de Diagnostic Moléculaire et Génomique Service de Médecine Génétique Département Diagnostique, HUG [email protected]  Cancer = maladie du g...

Unité « De la molécule à la cellule » Oncogénétique: Génétique et génomique du cancer Dr Thierry Nouspikel, MD, PhD Laboratoire de Diagnostic Moléculaire et Génomique Service de Médecine Génétique Département Diagnostique, HUG [email protected]  Cancer = maladie du génome Sporadique Le plus fréquent Familial Environnement  mutations somatiques Hasard 1ère mutation, dans le mauvais gène, dans toutes les cellules. + Hasard  on hérite du risque élevé, pas forcément du cancer Monogénique Dans le "mauvais" gène Souvent: accumulation de Dans la "mauvaise" cellule risques faibles dans la famille Plusieures (4-7) par cellule Polygénique  Plan du cours Les caractéristiques des cellules cancéreuses Les causes des mutations Les gènes du cancer Oncogènes Suppresseurs de tumeurs (caretakers, gatekeepers, détection des dommages) Mutations Gain-de-fonction Perte-de-fonction Somatique vs constitutive Driver vs passenger Conséquences cliniques Médecine de précision Médecine personnalisée  Les caractéristiques du cancer Douglas Hanahan & Robert Weinberg. The Hallmarks of Cancer. Cell 100:57-70, 2000.  La nouvelle génération Hanahan & Weinberg. Hallmarks of Cancer: The Next Generation. Cell 144:646, 2011.  Indépendance des facteurs de croissance L’accélérateur est coincé à fond ! Ligands Facteurs solubles Matrice extra-cellulaire Cellules voisines Récepteurs Tyrosine kinases (EGFR, HER2) Ser/Thr kinases G protein-coupled Cascade de transmission GTPases (e.g. ras) Cascade de kinases (akt, MAPK, PI3K) Facteurs de transcription fos + jun = AP1 myc Contrôle du cycle cellulaire Cyclines CDK Insensibilité aux facteurs anti-croissance Les freins ne marchent plus ! Ligands Récepteurs Cascade de transmission Facteurs de transcriptions Contrôle du cycle cellulaire  Potentiel réplicatif illimité Le réservoir d’essence est inépuisable! Limite de Hayflick: 50-70 divisions Raccourcissement des télomères Séquences répétitives: ~2’500 x TTAGGG + protéines spécifiques Protègent les extrémités des chromosomes Sinon: reconnus comme cassures  tentative de réparation  dégradés / fusionnés  arrêt du cycle cellulaire  Maintenance des télomères Plus court à chaque division cellulaire (environ 10 répétitions) Génération suivante ? Telomérase Exprimée dans les gamètes Exprimée dans ~90% des cancers Rallonge les télomères  Capacité d’échapper à l’apoptose Programmée Réactive p53 Bax Bak Bid + Echappement Bim Mutation inactivant TP53 (déclencheur de l’apoptose) - Bcl-2 Bcl-XL Changement balance pro/anti apoptose Bcl-W  Capacité de stimuler l’angiogénèse O2 diffuse max 100 µ Angiogénèse ≠ vasculogénèse Nécrose Invasion tissulaire, métastatisation EPITHELIAL-MESENCHYMAL TRANSITION MESENCHYMAL-EPITHELIAL TRANSITION  Migration cellulaire CAM: cell-adhesion molecules Cadhérines  cellules voisines (e.g. E-cadherin dans les épithélia = «suppresseur d’invasion») Perte d’expression: facilite le détachement = Transition épithélio-mésenchymateuse Intégrines  matrice extracellulaire Changement de types: facilite migration Matrix metalloproteases Digèrent la matrice extracellulaire - Invasion (cancer  tissus voisins) - Métastatisation (à distance) - Angiogénèse  Cancer et immunité Toute cellule présente à sa surface des peptides provenant de toutes les protéines qu’elle contient, associés aux MHC classe I Cellules T cytotoxiques (CD8+): reconnaissent les peptides «non-self» Cibles: -Protéines virales -Protéines mutées ( néoantigènes) -Protéine fœtales (exprimées si cancer) Cellules NK: ciblent les cellules qui ne présentent pas de MHC classe I  Immunotolérance acquise -Sélection des cellules exprimant les protéines les moins immunogéniques (immunoediting) -Exprimer des antigènes de surface inhibiteurs (e.g. PDL1) -Sécréter des facteurs diminuant l’immunité (e.g. TGF-b, IL10)  cellules Treg -Encapsulation dans du stroma  Rôle facilitant de l’inflammation Facteurs de croissance Facteurs stimulant l’angiogénèse Enzymes dégradant la matrice (métalloprotéinases) Inflammation chronique (e.g. cirrhose hépatique): stimulation permanente Changements métaboliques «Warburg effect» ↓ production d’énergie Lactate ↓ dépendance à l’O2 ↑ synthèse acides aminés et nucléotides ?  Acquisition de ces caractéristiques Par une série de mutations (dans la même cellule)  Cellules souches cancéreuses Division asymétrique Avantage sélectif / prolifération Chimio Cellule souche  cancéreuse / cellule cancéreuse  souche ?  Instabilité génomique Inactivation des gènes "Caretakers"  Phénotype mutateur Accumulation de mutations (mélanome: 70’000 mutations / tumeur) Instabilité chromosomique (extrême: chromotripsis) Instabilité chromosomique Chromotripsis  Drivers & passengers Mutations somatiques causatives (drivers) vs collatérales (passengers) 4-7 drivers 1’000-10’000 passengers  Causes de mutations Initiateur + promoteur = cancer Mutation fixée Mutation Lésion ADN Réparation  Erreurs de réplication Initiateur et promoteur à la fois…  Dommages à l’ADN Endogènes: Dépurination (18’000/cellule/jour) Déamination (cytosines: 500/cell/j) Oxydations Mésappariements Environmentaux: UV (dimères de pyrimidines) Radiations ionisantes Agents alkylants (nitrosamines) Résidus massifs (benzopyrène) Cross-links (cisplatine) Ruptures de brins simples/doubles  Les gènes du cancer Oncogènes vs suppresseurs de tumeurs Gain de fonction Perte de fonction  Oncogènes Les grandes familles Hyperactif (signale trop) - Facteurs de croissance Autonome (signale spontanément) - Leurs récepteurs Ectopique (dans la mauvaise cellule) - Seconds messagers - Facteurs de transcription - Facteurs de contrôle du cycle Surstimule la division cellulaire cellulaire - Remodelleurs de la Dérègle la transcription chromatine Hétérochromatine Euchromatine Compacte Ouverte Gènes inactifs Gènes actifs Bax Bak Bid + Bim - Inhibiteurs de l’apoptose - Bcl-2 Bcl-XL Bcl-W  Oncogènes viraux Exemple: HPV (human papilloma virus)  Verrues communes, cancer du col utérin Intégration (accidentelle) dans le génome de la cellule infectée  stimulation permanente par E6 et E7  Suppresseurs de tumeurs Kinzler KW, Vogelstein B. (1997) Cancer-susceptibility genes. Gatekeepers and Caretakers. Nature. 386:761 Caretakers Gatekeepers Landscapers Microenvironnement Michor, F; Iwasa, Y; Nowak, M. A. (2004). Dynamics of cancer progression. Nature Reviews Cancer. 4:197  Microenvironnement tumoral Compétition entre cellules Les cellules gagnantes induisent l’apoptose dans les perdantes Développement du SNC, du cœur, lutte contre les cellules mutées (prévention du cancer) EDAC: Epithelial defense against cancer Extrusion apicale «Entose» / cannibalisme cellulaire Induction apoptose / aponécrose Graisses  inflammation Sucres Supercompétition Cellules cancéreuses  Supercompétitrices - Apoptose cellules voisines: invasion - Cannibalisme: source de nutriments Génes impliqués ?  Caretakers Réparation directe Base excision repair Nucleotide excision repair Ca du côlon avec polypose Ca cutanés (Xeroderma pigmentosum) Mésappariements Cassures double-brin Ca du côlon sans polypose (Lynch) Non Homologous End Joining Cassures simple-brin Recombinaison homologue Ca du sein  Gatekeepers Système de détection des dommages Arrêt temporaire du cycle cellulaire Arrêt définitf: sénescence Effectors Autodestruction: apoptose SENESCENCE Système de détection des dommages Arrêt temporaire Arrêt définitif Mort cellulaire  Détecteurs de dommages à l’ADN Examples: Targets Caretakers Gatekeepers  Arrêt du cycle cellulaire Arrêt avant la réplication  Évite de créer une mutation en face d’une lésion S-phase "checkpoint"  Sénescence 1. Arrêt du cycle cellulaire (rapide mais temporaire) 2. Réorganisation de la chromatine: réprime les gènes ciblés (permanent) Mutations constitutives vs somatiques Constitutive Somatique Transmissible Non transmissible (risque de 1/2) (sauf si germinal) Récessif (2 mutations) Dominant (1 mutation) Une mutation n’est ni dominante ni récessive: elle cause une maladie à transmission dominante ou récessive. Une mutation peut être un gain de fonction ou une perte de fonction Gain-de-fonction vs perte-de-fonction Gain de fonction Perte de fonction Fonction absente Récessif  Transmission récessive Mucoviscidose Xeroderma pigmentosum Nucleotide excision repair Canal au Chlore Répare: - Lésions par les UV (dimères) - Adduits massifs (bulky adducts) - Crosslinks Xeroderma pigmentosum Photosensibilité: effet des UV Anomalies cutanées: atrophie, dyscoloration Cancer cutanés multiples, âge moyen 8 ans Cancers internes (légèrement augmentés) Gain-de-fonction vs perte-de-fonction Gain de fonction Perte de fonction Fonction délétère Rare Fonction Hyperfonction (souvent absente Néofonction léthal) Dominant Récessif Récessif  Mutation gain-de-function Hyperfonction FGFR3 Fibroblast growth factor receptor 3. Nanisme achondroplasique - Tyrosine kinase. - Detecte FGF ligands, - Transmet signal intracellulaire Dans les chondrocytes (cartilage de croissance): - Inhibe prolifération, - Diminue différentiation  Diminue croissance osseuse >98% des mutations: p.Gly380Arg Activation constitutive du récepteur Homozygote Très sévère (léthal) Oncogène RET et syndrome MEN2 Mutations activatrices  Hyperfonction  Indépendance des facteurs de croissance    tumeurs endocrines multiples (MEN2) Multiple Endocrine Neoplasia type 2 Thyroïde, parathyroïdes, surrénales  Mutation gain-de-function Néofonction Huntingtin Gène HTT Répétitions (CAG)n  polyglutamine n < 27 normal 27-35 normal « mutable » 36-39 pénétrance ~15-95% n > 39 pénétrance ~100%  Chorée de Huntington Maladie de Huntington Contrôle normal 20 ans >35 ans Cas particulier du “gain de fonction”: nouvelle fonction = toxicité Cancer: Protéines virales E6 et E7  cancer du col de l’utérus Gain-de-fonction vs perte-de-fonction Gain de fonction Perte de fonction Fonction délétère Rare Fonction Fonction Hyperfonction (souvent diminuée absente Néofonction léthal) Haploinsuffisance Dominant négatif Perte d’hétérozygotie Dominant Récessif Dominant Récessif  Haploinsuffisance Une demi-dose de protéine ne suffit pas Transporteurs du glucose: GLUT1 à GLUT14 Gène SLC2A1 Mutation hétérozygote chr1 GLUT1: transporte glucose à travers la Déficience en GLUT1 barrière hémato-encéphalique Epilepsie infantile Retard de développement Microcéphalie Problème neurologiques (dystonie, ataxie, dysarthrie)  PTEN et syndrome de Cowden Phosphatidyl inositol Syndrome de Cowden Mutation PTEN hétérozygote: ↓ inhibition d’AKT  hyperfonction    Multiples tumeurs bénignes et malignes  Dominant négatif La protéine mutante empêche la protéine normale de fonctionner Par exemple: Compétition pour un partenaire Souvent: Agit sous forme de multimères  une sous-unité défectueuse empêche la fonction  Osteogenesis imperfecta Maladie des os de verre (brittle bones disease) Fibre de collagène (gène COL1A2) contient répétitions Gly-AA-AA Trois chaines s’associent en tresse (homotrimère) Gly muté en AA plus volumineux: gêne l’association  WT1 et tumeur de Wilms Liaison à l’ADN Dimérisation Facteur de transcription  Inhibe le cycle cellulaire, active la différentiation    Tumeur de Wilms (néphroblastome)  Perte d’hétérozygotie Hypothèse de Knudson 1 allèle muté dans toutes les cellules (= hétérozygotie) 1 cellule / 100 millions: perte du 2ème allèle Normalement sans importance mais… Si gène impliqué dans: - Contrôle du cycle cellulaire - Apoptose - Anti-oncogène  pRB et rétinoblastome Rétinoblastome Gène RB1 Protéine pRB Régulateur négatif du cycle cellulaire  Mécanismes de dominance 1. Mutation gain-de-function (hyperfonction) FGFR3  Nanisme achondroplasique RET  MEN2 Oncogènes 2. Mutation gain-de-function (néofonction) HTT  Chorée de Huntington HPV E6+E7  Cancer du col utérin 3. Haplo-insuffisance SLC2A1  Déficience en GLUT1 PTEN  Syndrome de Cowden 4. Dominant négatif Suppresseurs de tumeur COL1A2  Ostéogenèse imparfaite WT1  tumeur de Wilms 5. Perte d’hétérozygotie RB1  Rétinoblastome  Mutations gain-de-fonction Copies multiples Surexprimé Hyperactif Cycline D1 Télomérase RET Gain de fonction -Translocations -Amplifications -Mutations ponctuelles Leucémie myéloïde chronique: BCR-ABL  Mutations perte-de-fonction Met Leu Arg Cys Leu Faux-sens Met Leu Ser Cys Leu 1. Séquence codante (exons) Non-sens Met Leu Indel Met Leu His Val 2. Sites d’épissage (donneur / accepteur) Décalage du cadre de lecture Souvent: décalage du cadre de lecture  Stop 3. Promoteurs, enhancers ↓ expression 4. Introns Enhancer  ↓ expression Exon cryptique  perturbe épissage 5. Grande délétion Promoteur 2 2 1 Enhancer Intron 3 3 Exon Exon 4 5  Mutations constitutives vs somatiques Constitutive Somatique Transmissible Non transmissible (risque de 1/2) (sauf si germinal) Suppresseurs de tumeurs Récessif (2 pertes de fct) 2 mutations (2 pertes de fct) Suppresseurs tumeur (rare) Dominant (1 gain / perte fct) 1 mutation perte de fct (rare) 1 mutation (gain de fct) Oncogènes Oncogènes Suppresseur de tumeur (rare) Dominant négatif Haploinsufisance Hypothèse de Knudson 1 mutation héritée (perte de fct) + 1 mutation somatique (perte d‘hétérozygotie) Cancers familiaux monogéniques Cancers sporadiques (la majorité)  Conséquences: Gènes Conséquences pour la famille Conseil génétique Dépistage de porteurs (= test présymptomatique) Pronostic, surveillance Prévention Thérapie: médecine de précision / personnalisée  Médecine de précision A C Mêmes symptômes  même maladie  même pronostic + même traitement Différentes causes Mêmes symptômes  Adapter le pronostic / traitement à la cause de la maladie  Médecine personnalisée Génome Environnement (lifestyle) Histoire personnelle Scores polygéniques  Adapter le pronostic / traitement à l‘individu Médecine de précision: inhibiteurs d’EGFR Récepteur tyrosine kinase Mutations activatrices  stimulent le cycle cellulaire (hyperfonction) «Companion test»: test génétique à faire avant de prescrire un médicament donné Inhibiteurs d’EGFR Inhibiteur spécifique Mutation activatrice Mutation de résistance Mutation T790M  Immunothérapie anti-PDL1 Exprime PD-L1 Néoantigènes Médecine de précision en oncologie Impact sur la thérapie et le pronostic Identification des mutations «drivers» Séquençage de la tumeur (! hétérogène, métastases) ADN tumoral circulant: "Biopsie liquide"  ADN tumoral circulant Analyse « à distance » minimalement invasive Potentiellement surmonte le problème de l’hétérogénéité tumorale Sensibilité ? Probablement pas 100%...  Médecine personnalisée: cytochrome P450 Facteurs diminuant l’effet d’un médicament Import diminué Efflux augmenté Polymorphismes fonctionnels - Dans la tumeur seulement (médecine de précision) - Dans le génome du patient (médecine personnalisée) Activation précurseur diminuée Inactivation augmentée  Cytochrome P450 et chimiothérapie  Dose plus élevée Risque de toxicité (ADR: adverse drug reaction)  Dose plus faible  Objectifs d’apprentissage - Bases moléculaires de la cancérogénèse - Les altérations génomiques à l’origine des cancers, causes et conséquences - Les prédispositions héréditaires aux cancers - Les variants somatiques - Oncogènes et gènes suppresseurs de tumeurs - Importance clinique de l’analyse génomique des tumeurs