Maladie Génétique PDF

Maladie génétique L'inactivation du chromosome X ============================== Pendant le développement des mammifères femelles, un des chromosomes X des cellules est inactivé. (il est très fortement condensé) apparait par coloration spécifique sous forme de tache sombre, corpuscule Barr. (existe...

Maladie génétique L'inactivation du chromosome X ============================== Pendant le développement des mammifères femelles, un des chromosomes X des cellules est inactivé. (il est très fortement condensé) apparait par coloration spécifique sous forme de tache sombre, corpuscule Barr. (existe pas chez l'homme). Cette inactivation chromosomique persiste pendant toutes les divisions mitotiques ultérieur qui produisent l'organisme animal mature ; le processus d'inactivation est aléatoire affectant l'un ou l'autre des chromosomes X. La suite de cette inactivation, l'organisme femelle adulte est un mélange ou une mosaïque de cellules possédant l'un ou l'autre des génotypes des 2 X. Au cours de la croissance et du développement de ces tissus les descendants mitotiques d'une cellules mère restent souvent proches les unes des autres formant des groupes. Donc si une femelle hétérozygote pour un gène liée à l'X qui exerce son action dans ce tissue, les deux allèles de l'hétérozygote seront exprimés sous forme de tache ou de secteur. Un phénotype en mosaïque qui nous est familier à tous est celui de la pigmentation des chats "écaille de tortue". Certains de ces chats sont des femelles hétérozygotes pour les allèles O (qui détermine une fourrure orange) et o (une fourrure noire). L'inactivation du chromosome X portant l'allèle O produit une tâche noire expriment o ; l'inactivation du chromosome X portant l'allèle o produit une tâche orange expriment O. Bien que toutes les femmes aient l'un de leur chromosome X inactivé dans chaque cellule, cette inactivation n'est décelable que si la femme est hétérozygote pour un gène lié à X. C'est particulièrement frappant lorsque, comme dans le cas des chats "écaille de tortue", le phénotype est exprimé è la surface de la corp. La dysplasie anhidrotique de l\'ectoderme (Anhidro x) est une maladie de ce type. les hommes porteurs d'allèle incriminer (appelons-le d) dans l'état hémizygote n'ont pas de glandes sudoripares, le corp d'une femme hétérozygote (D/d) est une mosaïque de secteurs (D/d). La localisation du gène responsable de la féminisation testiculaire sur le chromosome X a été confirmé, lorsque on a montré que chez la femme hétérozygote pour ce gène, une moitié de leur fibroblaste fix les androgènes tandis que l'autre moitié ne fix pas. Il faut savoir qu'aucun chromosome X n'est inactivé dans le tissu germinal, c'est pourquoi l'un comme l'autre X est transmis aux ovules. 💡 L\'inactivation du chromosome X est un processus crucial qui se produit chez les femelles de mammifères, permettant d\'équilibrer l\'expression des gènes liés au chromosome X entre les sexes. 💡 La dysplasie anhidrotique de l\'ectoderme est une maladie génétique rare caractérisée par l\'absence ou la réduction importante de la transpiration (anhidrose), affectant le développement des tissus dérivés de l\'ectoderme comme la peau, les cheveux et les dents. Hérédité liée au chromosome Y ============================= Le gène qui joue un rôle primordial dans la détermination de la masculinité est les gène TDF, qui code le facteur de détermination testiculaire. Le gène TDF a été localisé dans la région différentiel du chromosome Y. À part le caractère male lui-même, aucun phénotype humain n'a pu être identifié avec certitude. La pilosité du bord de l'oreille a été suggérée comme un cas possible. Ce phénotype est extrêmement rare parmi les populations de la plupart des pays mais plus curant en Inde (K Ddonamraju). Tous les hommes de la famille de ce généticien qui descendent d'un ancêtre masculin particulier présentent ce phénotype. Dans d'autre famille indienne, les hommes semblent ne transmettre le phénotype qu'à certain de leur fils, ce qui est une des raisons pour lesquelles les preuves de liaison à l'Y de ce caractère ne sont pas considéré comme concluantes. Les polymorphisme autosomiques humaines ======================================= Le polymorphisme est la coexistence de deux ou plusieurs phénotypes courants d\'un caractère dans une population. Les phénotypes alternatifs constituants des polymorphismes sont souvent transmit sous la forme d'allèle d'un même gène. Il en existe de nombreux exemples chez l'homme (le dimorphisme des yeux marron, cheveux bruns ou blonds. des fossettes au menton ou de leur absence et des lobes des oreilles soudés ou non). L'interprétation des arbres génétiques pour les polymorphismes est quelque peu différente de celle des maladies rares, car par définition les morphes sont courants. Regardons un arbre généalogique concernant un dimorphisme humain intéressant. La plupart des populations humain sont dimorphiques pour la capacité de prévoir le goût d'une substance chimique le Phenylthiocarbamide (PTC) On peut soit détecter un goût amer très désagréable soit, à la grande surprise on ne peut aucunement sentir le goût. D'après l'arbre généalogique on peut voir que deux goûteurs peuvent parfois engendrer des enfants non-goûteur. Ceci montre clairement que l'allèle de détection de goût est dominant et que l'allèle de l'incapacité correspondante est récessif. On remarque alors que presque toutes les personnes mariées au membre de cette famille portaient un allèle récessif soit sous forme hétérozygote, soit sous forme homozygote. Un tel arbre diffère de ceux des maladies récessives rare pour lesquelles par convention, on suppose que toutes les personnes mariées à des membres de la famille sont des homozygotes normaux. Comme les deux allèles du PTC sont courants, il n'est pas surprenant que tous les membres de cette famille, sauf un, se soient mariées à des individues possédant au moins une copie de l'allèle récessif. Le polymorphisme est un phénomène génétique intéressant. Les généticiens des populations ont été surpris de la quantité de polymorphisme qui existent généralement dans les populations naturelles de végétaux et animaux. De plus, même si la génétique des polymorphismes est simple il y a peu de polymorphisme pour lesquelles il existe une explication satisfaisante de la coexistence des morphes. Mais le polymorphisme est foisonnant à tout niveau d'analyse génétique (au niveau de l'ADN). En fait, les polymorphismes au niveau de l'ADN servent maintenant de point de repère au généticien pour les chromosomes d'organisme complexe. L'une des caractéristiques chromosomiques moléculaire (ou marqueurs) utiles est le polymorphisme de la longueur des fragments de restriction (RFLP pour restriction fragment length polymorphism). Nous savons que les enzymes de restriction sont des enzymes bactériens qui coupent l'ADN de séquences de bases spécifique dans le génome. un marqueur génétique polymorphe est transmis d'une façon mendélienne. Les séquences cible n'ont aucune importance biologique chez les organismes autre que les bactéries où elles apparaissent par hasard. Bien que les cites cibles se retrouvent en générale au niveau de position spécifique. parfois, sur n'importe quel chromosome, un site spécifique est absent ou bien il existe un site supplémentaire. Si la présence ou l'absence de ce site se trouve à proximité d'une séquence hybride par une sonde, alors une hybridation par la technique du southern révèlera un polymorphisme de longueur ou RFLP. Si on considère (exemple) un chromosome de l'un des parents qui contient un site supplémentaire qui ne se retrouve pas dans l'autre chromosome du même type impliqué dans ce croissement. Les hybridations par southern laissent apparaitre deux bandes dans la piste de la femelle et une dans la piste du mâle. Les fragments hétérozygotes seront transmis exactement de la même manière qu'un gène Les populations de végétaux et d'animaux y compris l'homme sont hautement polymorphes. Les différents morphes sont généralement déterminés par allèles transmis selon un mode mendélien simple. Maladies Autosomiques Récessives ================================ Le phénotype affecté par une maladie autosomique récessive est déterminé par un allèle récessif et le phénotype normal correspondant est déterminé par un allèle dominant. Par exemple, la maladie humaine appelée phénylcétonurie (PCU) se transmet de façon mendélienne comme un phénotype récessif, la PCU étant déterminée par l\'allèle p et l\'état normal par P. Les personnes affectées par cette maladie ont donc le génotype p/p et celles qui n\'en souffrent pas sont soit P/P ou P/p. Quel type de filiation généalogique permettrait de déceler ce mode de transmission héréditaire ? Les deux indices clefs sont : 1. La maladie apparaît généralement dans la descendance de parents affectés, 2. Les descendants atteints comprennent des personnes des deux sexes. Sachant que les descendants des deux sexes peuvent être affectés, nous pouvons conclure que nous avons affaire à une transmission héréditaire de type mendélien simple et non à un cas lié au sexe. Il existe une autre caractéristique intéressante de l\'analyse des arbres généalogique : bien que les lois de Mendel s\'y appliquent, les rapports mendéliens ne sont que rarement observés dans les familles, en raison de la petite taille des échantillons. Dans les arbres généalogiques de maladies autosomiques récessives, celles-ci n\'apparaissent que de loin en loin, avec peu de symboles en noir. Une maladie récessive se manifeste par groupes de descendants affectés au sein d\'une même fratrie alors que les personnes des générations antérieures et postérieurs porteuses ont tendance à ne pas être touchées. Pour en connaître la raison, il est important de comprendre la structure génétique des populations porteuses de telles affections rares. Par définition, si la maladie est rare, peu de personnes possèdent l\'allèle anormal, et la plupart d\'entre elles sont hétérozygotes. les hétérozygotes sont beaucoup plus fréquents que les homozygotes récessifs car les deux parents d\'un tel homozygote doivent porter l\'allèle a alors qu\'un seul parent porteur suffit pour engendrer un hétérozygote. Les généticiens peuvent exprimer d\'une manière quantitative la relation entre la rareté d\'un allèle et la fréquence ou la rareté hétérozygotes et homozygotes au sein d\'une population. Ils obtiennent les fréquences relatives des génotypes qui composent une population en supposant que celle-ci est dans l\'état d\'équilibre défini par Hardy-Weinberg. Si nous faisons cette supposition simplificatrice, et si les proportions relatives des allèles A et a au sein d\'une population sont respectivement p et 9, alors les fréquences des trois génotypes possibles sont p² pour A/A, 2pq pour A/a et q² pour a/a. Illustrons cela par un exemple numérique. Si nous supposons que la fréquence q d\'un allèle récessif provoquant une maladie est 1/50, p est alors de 49/50 et la fréquence des homozygotes atteints de la maladie est q2 = (1/50)2=1/2500, tandis que la fréquence des hétérozygotes est 2pq = 2 X 49 /50 X 1/50 soit approximativement 1/25. Dans cet exemple, nous voyons donc que les hétérozygotes sont 100 plus fréquents que les individus malades et plus ce rapport augmente, plus l\'allèle est rare. L\'apparition d\'un individu affecté dépend habituellement de l\'union aléatoire de deux hétérozygotes non apparentés. Toutefois, les unions consanguines (unions entre personnes de la même famille) augmentent le risque d\'unions entre les hétérozygotes. Deux cousins peuvent porter le même allèle récessif rare, reçu d\'un ancêtre commun. Pour que deux personnes non apparentées soient hétérozygotes, elles devraient avoir reçu l\'allèle rare de leurs deux familles. Le risque de produire des phénotypes anormaux à cause d\'une homozygotie pour des allèles récessifs est en général plus élevé pour les unions entre personnes apparentées qu\'entre sans lien de parenté. C\'est pour cette raison les mariages entre cousins germains produisent une proportion importante d\'individus affectés de maladies récessives au sein de la population. La PCU est une maladie due au fait que le corps ne peut plus métaboliser normalement l\'acide aminé phénylalanine, un composant de la protéine de notre nourriture. Donnons quelques exemples d\'affections récessives chez l\'homme. Nous avons déjà mentionné la PCU dans une analyse généalogique, mais quel est son phénotype ? La phénylalanine est normalement transformée en tyrosine par l\'enzyme phénylalanine hydroxylase. Cependant si une mutation dans le gène codant cette enzyme modifie la séquence d\'acides aminés au voisinage du site actif de l\'enzyme, l\'enzyme ne peut ni fixer ni transformer la phénylalanine (son substrat). La phénylalanine s\'accumule donc dans l\'organisme et est transformée à la place en acide phénylpyravique, un composé qui empêche le développement normal du système nerveux entraînant ainsi un retard mental. Test à la naissance effectué et si la déficience est détectée, l\'accumulation de la phénylalanine peut être évitée par la mise en place d\'un régime spécial et le développement de la maladie peut être interrompu. La mucoviscidose est une autre maladie héréditaire transmise de façon mendélienne sous la forme d\'un phénotype récessif. L\'allèle responsable a été isolée en 1989 et la séquence de son ADN déterminée. Ceci a permis de comprendre la fonction du gène chez les personnes saines ou affectées, et permet d\'espérer la mise au point d\'un traitement plus efficace qu\'actuellement. La mucoviscidose est une maladie dont le symptôme principal est la sécrétion de mucus en quantité importante dans les poumons, ce qui, par une combinaison d\'effets, provoque la mort généralement accélérée par une infection des voies respiratoires supérieures. Le mucus peut être délogé par une succession de chocs sur la poitrine (clapping) et l\'infection pulmonaire est empêchée avec des antibiotiques. Ces traitements permettent aux patients atteints de mucoviscidose d\'atteindre l\'âge adulte. Cette maladie est due à une protéine déficiente qui transporte des ions chlorures à travers la membrane cellulaire. La modification de l\'équilibre ionique qui en résulte modifie la constitution du mucus des poumons. L\'albinisme, qui sert de modèle à la détermination allélique de phénotype contrastés a également un mode de transmission autosomique récessif standard. La nature moléculaire et le mode de transmission héréditaire de cet allèle albinos sont schématisés dans la figure 3. Ce schéma montre une transmission autosomique récessive simple dans un arbre généalogique et présente la nature moléculaire des allèles impliqués. Dans cet exemple l\'allèle récessif a apparaît à la suite du changement d\'une paire de base qui introduit un codon stop au milieu du gène, conduisant à la formation d\'un polypeptide tronqué. La mutation, par chance, introduit également un nouveau site cible pour une enzyme de restriction. Une sonde de ce gène détecte donc deux fragments dans le cas de a et un seul dans le cas de A. (D\'autres types de mutations pourraient produire des effets différents détectés par des analyses par transferts Southern, Northen et Western). Dans tous les exemples examinés jusqu\'ici, la maladie est provoquée par un allèle codant une protéine déficiente. Chez les hétérozygotes, l\'unique allèle fonctionnel fournit suffisamment de protéine active pour combler les besoins de la cellule. Cette situation est appelée halosuffisance. Dans les arbres généalogiques humains, l\'apparition de la maladie chez les descendants masculins et féminins de personnes non touchées révèle une maladie autosomique récessive. Maladies Autosomiques Dominantes ================================ Ici c\'est l\'allèle normal qui est récessif et l\'allèle anormal, dominant. Il peut sembler paradoxal qu\'une maladie rare puisse être dominante mais rappelons que la dominance et la récessivité reflètent simplement la manière agissent les allèles et qu\'elles ne sont aucunement définies en termes de prédominance dans la population. La Pseudo achondroplasie, une sorte de nanisme est un bon exemple de phénotype dominant et rare, transmis de façon mendélienne. Dans ce cas les personnes de stature normale sont de génotype d/d et les personnes de phénotype nain peuvent être D/d ou D/D. On pense cependant que la présence de deux « doses » de l\'allèle D dans le génotype D/D a des conséquences tellement graves que ce génotype est létal. Si c\'est vrai tous les achondroplasiques sont hétérozygotes. Dans l\'analyse des arbres généalogiques, les principaux indices permettant d\'identifier une maladie dominante à transmission mendélienne sont la tendance du phénotype à apparaître à chaque génération et le fait que pères et mères affectés transmettent le phénotype à leurs filles comme à leurs fils. Une fois encore, le fait que les deux sexes soient représentés parmi les descendants affectés exclut l\'éventualité d\'un transmission héréditaire liée au sexe. Le phénotype se manifeste à chaque génération car généralement, l\'allèle anormale porté par un individu donné doit provenir d\'un parent de la génération précédente. Des allèles anormaux peuvent apparaître de nouveau par mutation. Ce phénomène est relativement rare mais constitue une possibilité à ne pas perdre de vue. De plus les rapports observés dans une généalogie au sein des familles ne sont pas nécessairement mendéliens. Comme dans les cas de maladie récessives, les individus porteurs d\'un seul exemplaire de l\'allèle rare A (A/a) sont beaucoup plus fréquents que ceux qui en portent deux copies (A/A). La plupart des personnes affectées sont hétérozygotes et pratiquement toutes les unions impliquant des anomalies dominantes sont du type A/a X a/a. Par conséquent, lorsqu\'on totalise les descendants de telles unions on s\'attend à trouver un rapport 1 : 1 entre les individus non touchés (a/a) et les personnes atteintes (A/a). La Chorée de Huntington est un exemple de maladie transmise comme un phénotype dominant déterminé par un allèle d\'un gène unique. Il s\'agit d\'une dégénérescence du système nerveux entraînant des convulsions et une mort prématurée. C\'est cependant une maladie qui se déclare tardivement, les symptômes n\'apparaissant généralement pas avant que l\'individu soit en âge de procréer. Chaque enfant d\'un porteur de l\'allèle anormal a une probabilité de 50% d\'en hériter et de contracter la maladie qui lui est associée. Cette situation tragique a suscité d\'importants efforts pour créer des méthodes permettant de détecter les porteurs de l\'allèle anormal avant que la maladie ne se déclare. L\'application de techniques moléculaires a permis de mettre au point une méthode prometteuse de dépistage. Parmi les autres maladies dominantes rares, citons la Polydactylie (doigts surnuméraires) et la Brachydactylie (doigts courts) ainsi que la bigarrure de la peau. Les arbres généalogiques de maladies dominantes autosomiques à transmission mendélienne comportent des individus, hommes et femmes, atteints dans chaque génération. Les hommes et les femmes affectés transmettent la maladie à leurs fils et à leurs filles dans des proportions égales Les Maladies Récessives liées à l'X =================================== Les phénotypes récessifs dont la transmission est liée à l\'X présentent typiquement les caractéristiques suivantes dans les arbres généalogiques : 1. Beaucoup plus d\'hommes que de femmes présentent le phénotype étudié. Ceci est dû au fait qu\'une femme présentant le phénotype ne peut être issue d\'une union entre une mère et un père portant tous deux l\'allèle (par exemple, XA / X a x Xa/Y), tandis qu\'un homme présentant le phénotype peut apparaître lorsque la mère seule porte l\'allèle. Si l\'allèle récessif est particulièrement rare, presque tous les individus présentant le phénotype sont des hommes. 2. Aucun des descendants d\'un homme affecté n\'est lui-même atteint, mais toutes ses filles seront des « porteuses », portant l\'allèle récessif masqué dans l\'état hétérozygote. La moitié des fils nés de ces filles porteuses seront affectés. Il est à noter que dans le cas de phénotypes courants liés à l\'X l\'expression du phénotype peut être masquée par la transmission de l\'allèle récessif par une mère ou un père hétérozygote. 3. Aucun des fils d\'un homme affecté ne présente le phénotype étudié, ni ne transmettra la maladie à sa descendance. La raison de cette absence de transmettre d\'homme à homme est que le fils reçoit son chromosome Y de son père et ne peut donc normalement pas recevoir également le chromosome de son père. Dans l\'analyse d\'arbres généalogiques de maladies récessives liées à l\'X, une femme normale de génotype inconnu est supposée homozygote sauf s\'il y a des preuves du contraire. L\'exemple sans doute le plus familier de maladie récessive liée à l\'X est le daltonisme, l\'incapacité de distinguer le rouge du vert. Les gènes déterminant la vision des couleurs ont été caractérisés au niveau moléculaire. La vision des couleurs est basée sur trois sortes de cellules en forme de cônes dans la rétine, chacune étant sensible aux longueurs d\'ondes du rouge et du vert ou du bleu. Les déterminants génétiques des cônes du rouge et du vert sont situés sur le chromosome X. Comme pour toute maladie récessive liée à l\'X il y a bien plus d\'homme que de femmes atteintes. Un autre exemple familier est celui de l\'hémophilie, l\'absence de coagulation du sang. De nombreuses protéines doivent interagir pour que le sang coagule. Le type le plus courant d\'hémophilie est provoqué par l\'absence ou le dysfonctionnement de l\'une de ces protéines, appelées facteur VIII. Les cas d\'hémophilie les plus célèbres se trouvent dans l\'arbre généalogique des familles royales d\'Europe. L\'allèle initiale de l\'hémophilie dans l\'arbre généalogique est apparu spontanément sous la forme d\'une mutation dans les cellules reproductrices des parents de la reine Victoria ou de la reine elle-même. Alexis, le fils du dernier tsar de Russie reçut l\'allèle de la reine Victoria qui était la grand-mère de sa mère Alexandra. De nos jours, l\'hémophilie peut être soignée médicalement mais il s\'agissait autrefois d'une maladie potentiellement létale. Il est intéressant de remarquer que dans le Talmud juif il existe des règles sur l\'exemption de circoncision pour certains garçons, qui montrent clairement que le mode de transmission de la maladie par l\'intermédiaire de femmes porteuses non touchées était bien connu dans les temps anciens. Par exemple, les fils des femmes dont les sœurs avaient eu des fils qui avaient saigné abondamment lors de la circoncision, étaient exemptés. La Dystrophie musculaire de Duchenne est une maladie récessive fatale liée à l\'X. Le phénotype est une dégénérescence et une atrophie des muscles. La maladie se manifeste généralement vers l\'âge de 6 ans, l\'enfant doit utiliser un fauteuil roulant vers 12 ans et meurt vers 20 ans. Le gène de la Dystrophie musculaire de Duchenne a été isolée et on sait qu\'il code une protéine du muscle, la dystrophine. Une telle avancée permet d\'espérer une meilleure compréhension de la physiologie de cette maladie et pour finir, de concevoir une thérapie. Un phénotype récessif rare lié à l\'X qui est intéressant du point de vue de la différenciation sexuelle est une maladie appelée Syndrome de Féminisation Testiculaire dont la fréquence est voisine de 1 homme sur 65 000. Les personnes affectées par ce syndrome sont au niveau chromosomique des hommes, comportant 44 autosomes plus un X et Y mais ils se développent comme des femmes. Ils ont des organes externes féminins, un vagin clos et pas d\'utérus. Les testicules peuvent être présents soit dans les lèvres soit dans l\'abdomen. Bien qu\'un grand nombre de ces personnes soient mariées avec bonheur, elles sont stériles. Leur état ne peut inversé par traitement par une hormone mâle (androgène) C\'est pourquoi on appelle parfois cette maladie syndrome d\'insensibilité aux androgènes. La raison de cette insensibilité est le mauvais fonctionnement du récepteur d\'androgènes. L\'hormone mâle ne peut donc avoir d\'effet dur cibles impliqués dans la masculinité. caractères féminins apparaissent lorsque le système déterminant caractères masculins n\'est pas fonctionnel. Les Maladies Dominantes liées à l'X =================================== Ces maladies présentent les caractéristiques suivantes : 1. Les hommes affectés transmettent la maladie à toutes leurs filles mais à aucun de leurs fils. 2. Les femmes mariées à des hommes non affectées transmettent la maladie à la moitié de leurs fils et de leurs filles. Il existe peu d'exemples de phénotypes dominants liés à l'X chez l'homme. L'un d'eux est l'Hyphosphatémie, une sorte de rachitisme résistant à la vitamine D. le cancer comme maladie génétique Le cancer est une maladie génétique des cellules somatiques. Dans le cancer, les mécanismes de sûreté mis en place pour garantir un nombre équilibré de cellules répondant aux besoins de l\'organisme ne fonctionnent plus et les cellules cancéreuses prolifèrent de manière incontrôlée. Pour comprendre de quelle façon les cellules peuvent être mutées et se retrouver dans un état cancéreux, il nous faut d\'abord connaitre les mécanismes élémentaires qui gouvernent le nombre de cellules dans la situation normale. La Machinerie de la Prolifération Cellulaire ============================================ Certains aspects du contrôle de la prolifération cellulaire sont communs à tous les organismes. Dans tous les cas, la division cellulaire comporte de nombreux événements qui doivent se dérouler de façon séquentielle pour produire des cellules filles viables. De plus le cycle de division cellulaire comporte des points de contrôle pour empêcher un événement d\'avoir lieu avant la fin des événements qui le précèdent. Par exemple, il serait létal que la mitose commence avant la fin de la réplication de l\'ADN. Des mécanismes ont été élaborés pour empêcher ce type de désastre cellulaire. Nous verrons la régulation du cycle cellulaire eucaryote. Les protéine kinases, enzymes qui phosphorylent spécifiquement certains acides aminés sur des protéines cibles, et les phosphatases, enzymes qui exercent l\'action inverse, modulent les activités des protéines essentielles du cycle de division cellulaire. Ces voies de phosphorylation- déphosphorylation communiquent pour déterminer quelles protéines essentielles activer dans chaque partie du cycle de division cellulaire. En d\'autres termes, ce sont les variations cycliques de ces protéines essentielles qui définissent les parties du cycle cellulaire en cours d'exécution. La Machinerie de la Mort Cellulaire =================================== Certains aspects du contrôle cellulaire semblent n\'avoir évolué que chez les organismes pluricellulaires. Pour se développer et se maintenir dans un état normal, les organismes pluricellulaires doivent équilibrer correctement le nombre de cellules de chaque type cellulaire dans leurs différents tissus. Presque tous ces types cellulaires sont somatique, c'est-à-dire qu'ils n'appartiennent pas à la lignée germinale, la perte de ces cellules somatiques n\'est pas un problème pour l\'organisme d\'un point de vue de la conservation de l\'espèce, tant que la prolifération des cellules restantes de ce type dans un tissu donné compense les cellules éliminées. De plus les cellules anormales peuvent causer des dégâts considérables. Des mécanismes ont donc été créés pour éliminer ces cellules- grâce à un processus appelé mort cellulaire programmée ou apoptose. Une cascade d\'enzymes appelées caspases tuent ces cellules en perturbant un grand nombre de leurs systèmes structuraux et fonctionnels. Les dépouilles des cellules mortes ensuite enlevées par des « éboueurs cellulaires ». Accorder la Prolifération et la Mort des Cellules avec l\'Environnement ======================================================================= Les machineries de prolifération et de mort cellulaires doivent être étroitement liées afin que chacune soit activée uniquement dans les conditions environnementales adéquates. Par exemple, dans les organes adultes, le maintien du nombre correct de cellules et la mort de cellules existantes. Les cellules eucaryotes ont élaboré des voies de signalisation intercellulaires qui fournissent des indications sur l\'environnement. Certains signaux stimulent la prolifération cellulaire, tandis que d\'autres l\'inhibent. Il existe également des signaux activant l\'apoptose et d\'autres qui la bloquent. Les voies de signalisation intercellulaire sont typiquement constituées de plusieurs composants : les signaux eux-mêmes, les récepteurs de ces signaux et les systèmes de transductions de ces signaux, responsables de leur transmission vers les différentes régions de la cellule. Exactement comme les effecteurs allostériques régulent l\'activité de nombreuses protéines qui se fixent à l\'ADN chez les bactéries, les modifications des différents composants de ces systèmes de signalisation intercellulaire- la phosphorylation des protéines, les interactions allostériques entre protéines et petites molécules ou l\'interaction entre des sous-unités protéiques contrôlent l\'activité de ces voies. La Machinerie de la Prolifération Cellulaire ============================================ Le Cycle Cellulaire ------------------- Le cycle cellulaire est divisé en quatre grandes parties : La phase M- la mitose et les trois parties qui constituent l\'interphase - G1, l\'intermède (gap) entre la fin de la mitose et le début de la réplication de l'ADN ; S, la période durant laquelle se déroule la synthèse d\'ADN et G2, l\'intermède entre la réplication de l\'ADN et l\'initiation de la prophase mitotique. a Chez les mammifères pour lesquels le cycle cellulaire est bien compris, les différences entre durées des divisions cellulaires sont largement dues aux différences de durées de la phase G1. Cette variation s\'explique par l\'existence d\'une phase de repos facultative GO, dans laquelle les cellules en phase G1 peuvent s\'engager et demeurer pendant un temps variable, selon le type cellulaire et les conditions environnementales. A l\'inverse, les phases S, G2 et M ont normalement une durée quasiment fixe. Nous allons tout d\'abord nous intéresser aux molécules qui interviennent dans le déroulement du cycle cellulaire. Les Cyclines et les protéines kinases cycline- dépendantes ---------------------------------------------------------- Les moteurs qui permettent le passage d\'une étape à l\'autre dans le cycle cellulaire sont une série de complexes protéiques composés de deux sous-unités : une cycline et une protéine kinase cycline- dépendante (abrégé en CDK pour cyclin dependent protein). Chaque eucaryote possède une famille de cyclines apparentées du point de vue structural et fonctionnel. Les cyclines sont ainsi nommées car elles ne sont présentes qu\'à des moments précis (propres à chacune) du cycle cellulaire. C\'est la transcription contrôlée par le cycle cellulaire qui détermine l\'apparition d\'une cycline spécifique. En effet, le complexe cycline-CDK précédemment actif conduit à l\'activation d\'un facteur de transcription, qui active à son tour la transcription de la nouvelle cycline. La disparition d\'une cycline dépend de trois événements l\'inactivation rapide de l\'activateur de transcription du gène de cette cycline (qui empêche la production de tout ARNm), un haut degré d\'instabilité de l\'ARNm de la cycline (de sorte que la réserve existante d\'ARNm est éliminée) et un degré élevé d\'instabilité de la cycline elle-même (ce qui entraîne la destruction de la réserve de cette cycline). Les protéines kinases cycline dépendantes constituent également une famille de protéines apparentées structuralement et fonctionnellement. Les kinases sont des enzymes qui ajoutent des groupements phosphates aux substrats cibles. Les substrats des protéines kinases telles que les CDK sont des protéines. On appelle ainsi les CDK car leurs activités sont régulées par des cyclines et parce qu\'elles catalysent la phosphorylation de résidus sérine et thréonine spécifiques de protéines cibles données. Les protéines phosphorylées par les CDK sont déterminées par la cycline qui leur est associée (la cycline ancre la protéine cible de façon à ce que la CDK puisse phosphoryler, modifiant ainsi l\'activité de chaque protéine cible. Les différentes cyclines étant présentes à des stades distincts du cycle cellulaire, les phases du cycle cellulaire sont caractérisées par la phosphorylation de protéines cibles différents. Les événements de phosphorylation sont transitoires et réversibles. Lorsque le complexe cycline-CDK disparait, les substrats protéiques phosphorylés sont rapidement déphosphorylés par des phosphatases. Les Cibles des CDK ------------------ De quelle façon la phosphorylation de certaines protéines cible contrôle-t-elle le cycle cellulaire ? La phosphorylation initie une cascade d\'événements qui aboutit à l\'activation de certains facteurs de transcription. Ces derniers entraînent à leur tour le début de la transcription de certains gènes dont les produits sont nécessaires au stade ultérieur du cycle cellulaire. Une grande des connaissances actuelles sur le cycle cellulaire viennent à la fois des études génétiques de levure et des études biochimiques de cellules de mammifères en culture. La voie Rb-E2F dans les cellules de mammifères en est un exemple bien compris. Rb est la protéine cible d\'un complexe CDK-cycline appelé Cdk2-cycline A et E2F est le facteur de transcription régulé par Rb. De la fin de la phase M au milieu de G1, les protéines Rb et E2F se combinent en un complexe protéique incapable d\'initier la transcription. Vers la fin de la phase G1, le complexe Cdk2-cycline A est produit et phosphoryle la protéine Rb, Cette phosphorylation entraine un changement de conformation de Rb qui ne peut plus se fixer à la protéine E2F. La protéine libre E2F devient alors capable d'initier la transcription de certains gènes qui codent des enzymes essentielles à la synthèse d'ADN. Ceci permet le déroulement de la phase suivante du cycle cellulaire : La phase S. Rb et E2F sont en fait les représentants de 2 familles de protéines apparentées. Chez les mammifères, on pense que différents complexes cycline-CDK phosphorylent de façon sélective des protéines distinctes de la famille Rb, qui libèrent chacune à leur tour le membre spécifique de la famille E2F auquel elles sont liées. Les différents facteurs de transcription E2F initient alors la transcription de gènes spécifiques qui exécutent des aspects particuliers du cycle cellulaire. L'activation séquentielle de différents complexes CDK-cycline assure le contrôle du déroulement du cycle cellulaire. La Machinerie de la Mort Cellulaire =================================== La Voie de l\'Apoptose ---------------------- Les organismes pluricellulaires ont mis au point des systèmes pour éliminer les cellules endommagées (et donc potentiellement dangereuses) qui comportent un mécanisme d\'autodestruction et d'élimination des déchets : la mort cellulaire programmée ou apoptose. Ce mécanisme d\'autodestruction peut être activé dans de nombreuses circonstances différentes. Toutefois les événements de l\'apoptose semblent être toujours les mêmes. Tout d\'abord l\'ADN des chromosomes est fragmenté, la structure des organites est détruite et la cellule perd sa forme normale (les cellules apoptotiques deviennent sphériques) Puis, la cellule se rompt en petits fragments cellulaires appelés corps apoptotiques qui sont phagocytés (littéralement dévorés) par des éboueurs cellulaires mobiles Quelles sont les molécules responsables de l'apoptose ? ### Les Caspases Les moteurs de l\'autodestruction sont une série d\'enzymes appelées caspases (cysteine-containing aspartate-specific proteases protéases contenant des cystéines, spécifiques de de l\'aspartate). Les protéases sont des enzymes qui clivent d\'autres protéines. Chaque caspase est une protéine riche en cystéine, qui une fois activé, clive certaines protéines cibles au niveau de résidus aspartate spécifique dans les chaînes polypeptidiques cibles. Chaque organisme contient une famille de caspases, dont les séquences polypeptidiques, sont apparentées les unes aux autres. Chez l\'homme par exemple 10 caspases ont été identifiées jusqu'à présent. Dans les cellules normales, chaque caspase est présente dans un état enzymatiquement inactif, appelé la forme zymogène. Un zymogène est une forme précurseur inactive d\'une enzyme, dont la chaîne polypeptidique est plus longue que celle de l\'enzyme active finale. Pour convertir la forme zymogène en une caspase active, une partie du polypeptide est coupée par clivage enzymatique (on parle également de protéolyse). On pense actuellement que les caspases se répartissent en deux classes : *les initiatrices et les exécutrices*. La cascade d\'événements de clivage dans laquelle elles interviennent n\'est pas encore bien comprise. Il est possible que les caspases initiatrices soient clivées en réponse à des signaux d\'activation émis par d\'autres classes de protéines. Elles cliveraient leur tour l\'une des caspases exécutrices, qui en cliverait une autre et ainsi de suite. La mort cellulaire programmée est réalisée par l\'intermédiaire d\'une cascade d\'événements de protéolyse qui activent des enzymes programmées pour détruire plusieurs composants cellulaires essentiels. Comment les caspases exécutent-elles la sentence de mort ? En plus d\'activer d\'autres caspases, les caspases exécutrices coupent enzymatiquement les protéines cibles. L\'une des cibles est une protéine e de « séquestration » qui forme un complexe avec une endonucléase de l\'ADN, maintenant ainsi cette dernière (l\'emprisonnant, la séquestrant) dans le cytoplasme. Après le clivage de la protéine de séquestration, l\'endonucléase est libre de pénétrer dans le noyau et de le couper en morceaux. Les caspases ont une autre cible Il s\'agit d'une protéine qui, une fois coupée clive l'actine, un composant essentiel du cytosquelette. Ce clivage entraîne la perturbation des filaments d\'actine, conduisant ainsi à la perte de. forme normale de la cellule. De même, tous les autres aspects du phénotype de l\'apoptose semblent avoir pour intermédiaire des protéases activées par des caspases. Contrôler la Prolifération Cellulaire et la Machinerie de l\'Apoptose ===================================================================== Nous avons utilisé le terme de moteur pour décrire le rôle du complexe cycline-CDK et de la caspase lors de la prolifération cellulaire et de la mort cellulaire programmée, respectivement. Pour poursuivre cette logique nous allons parler de contact et d\'accélérateurs (contrôles positifs) pour démarrer les moteurs et faire avancer les processus, et de freins (contrôles négatifs) pour ralentir ou interrompre ces processus lorsque cela est nécessaire. Comme le cycle cellulaire et l'apoptose, les contrôles positif et négatif comportent une série d'ajustements d\'activités protéiques par le biais d\'interactions protéine-protéine et de modifications de protéines. Les signaux Intercellulaires ---------------------------- Certains des éléments de circuits de contrôle positif et négatif sont constitués de signaux émis à partir de la cellule ### Le cycle cellulaire : les contrôles intercellulaires négatifs. Grâce à l\'activation de protéines capables d\'inhiber l\'activité protéine kinase des complexes CDK-cycline, le cycle cellulaire peut être maintenu sous contrôle jusqu\'à ce que différents mécanismes de surveillance donnent leur « feu vert » indiquant la cellule qu\'elle peut s\'engager dans la phase suivante du cycle cellulaire. Le sort de l\'ADN endommagé illustre la façon dont fonctionne ce système de contrôle. Lorsque l\'ADN est endommagé au cours de la phase G1 (par exemple après une irradiation par des rayons X), l\'activité CDK des complexes CDK-cycline est inhibée. L\'inhibition semble passer par l\'intermédiaire d\'une protéine appelée p53. une partie de la protéine p53 reconnaît certains types de mésappariement dans l\'ADN. En Présence de ces erreurs P53 est capable d'activer une autre protéine, p21 lorsque la concentration de p21 est élevée, celle-ci se fixe au complexe CDK-cycline et inhibe l\'activité enzymatique protéine kinase d ce complexe. En l'absence de cette activité. les protéines cibles des CDK ne sont pas phosphorylées et le cycle cellulaire est bloqué. Lorsque les erreurs dans l\'ADN ont été réparées, les processus inhibiteurs sont levés. Cette évolution est due à une baisse de la concentration de p53 et à la levée de l\'inhibition de l\'activité protéine kinase de la CDK-cycline, ce qui conduit à la levée du blocage par le point de contrôle de la transition G1-S. De cette façon, les points de contrôles surveillent l\'état de la réplication de l\'ADN, du fuseau et d\'autres constituants essentiels du cycle cellulaire et peuvent jouer le rôle de systèmes de freinage lorsque cela est nécessaire. L\'élément clé est l\'existence de protéine régulatrices capables de moduler l\'activité protéine kinase du complexe cycline-CDK. Les dispositifs de sûreté (points de contrôle) garantissent qu\'une cellule ne poursuit pas sa progression dans le cycle cellulaire avant d\'y être prête. ### Le cycle Cellulaire : les contrôles intracellulaires positifs Il est nécessaire non seulement de relâcher le « frein » du cycle cellulaire, mais également d\'engager la « transmission » et le « moteur » pour que le cycle cellulaire puisse se poursuivre. Une fois le frein levé, des signaux indépendants provenant de l\'extérieur ou de l\'intérieur de la cellule induisent une cascade de protéines kinases qui phosphorylent le complexe cycline-CDK, adéquat, ce qui conduit à son activation. Cette activation permet à son tour au complexe de phosphoryler ses protéines cibles. ### L\'apoptose : les contrôles intracellulaires positifs. On sait depuis plusieurs années que d\'une manière ou d\'une autre, de nombreuses sortes de dégâts cellulaires déclenchent la rupture des mitochondries, entrainant ainsi la réponse apoptotique. En effet, il semble maintenant qu\'un des systèmes des « démarreurs » soit le cytochrome c, l\'une des protéines mitochondriales qui participe normalement à la respiration cellulaire. L\'arrivée du cytochrome c dans le cytoplasme est détectée et déclenche l\'activation des caspases initiatrices On suppose que cette détection est due la fixation du cytochrome c à une autre protéine appelée Apaf (apoptotic protease activating factor. facteur activant des protéases apoptotiques). Le complexe cytochrome c-Apaf se fixe ensuite à la caspase initiatrice et l\'active. ### L'apoptose les contrôles cellulaires négatifs. L\'irréversibilité de la mort cellulaire a probablement été le facteur déterminant dans l\'évolution des systèmes de sauvegarde, qui maintiennent les voies de l\'apoptose « fermées » dans les conditions normales. Les protéines telles que BcI-2 Bcl-x chez les mammifères assurent cette fermeture. Il est possible que ces protéines Bcl bloquent ente autres, la libération de cytochrome c à partir des mitochondries (sans doute en rendant plus difficile l\'éclatement de celles-ci) en se fixant à l\'Apaf et en empêchant son interaction avec la caspase initiatrice. Les signaux extracellulaires ---------------------------- Une cellule appartenant à un organisme pluricellulaire évalue en permanence sa propre prolifération et sa survie. Néanmoins, les capacités de prolifération et de survie d\'une cellule doivent obéir aux besoins de populations de cellules à laquelle elle appartient (une population telle qu\'un embryon aux premiers stades de développement, un tissu ou encore une partie de l\'organisme telle qu\'un membre ou un organe). Dans de nombreux organes adultes par exemple, les cellules souches ne se divisent pour produire des cellules de remplacement, que lorsque le nombre de cellules diminue. Sans l\'existence de ces mécanismes homéostatiques, les organes n\'auraient pas les proportions adaptées à la taille de l\'organisme qui les abrite. ### Les mécanismes de la communication intercellulaire La coordination de la plupart des aspects du développement et de la physiologie de nombreux organismes pluricellulaires requiert la transmission de multiples signaux entre les cellules. Nous allons évoquer brièvement les principales voies de communication intercellulaire. Tous les systèmes de communication intercellulaire possèdent plusieurs constituants. Une molécule appelée ligand est sécrétée par des cellules de signalisation. Certains ligands, les hormones, sont des signaux endocrines agissant à longue distance, produits par des organes endocrines qui les transmettent dans tout le corps, en les libérant dans le système circulatoire. Les hormones peuvent agir comme des interrupteurs généraux de contrôle pour de nombreux tissus, qui peuvent alors répondre de façon coordonnée. D\'autres ligands sécrétés jouent le rôle de signaux paracrines ; c\'est-à-dire qu\'ils ne pénètrent pas dans le système circulatoire mais exercent uniquement une action locale, dans certains cas uniquement sur des cellules adjacentes. certains ligands sont des protéines tandis que d'autres sont de petites molécules telles que les stéroïdes ou la vitamine D. La plupart des signaux endocrines (mais pas tous) sont de petites molécules comme les hormones stéroïdes de mammifères responsables des phénotypes sexuels spécifiques mâle (androgènes) ou femelle (œstrogènes). A l\'inverse, la plupart des signaux paracrines sont des protéines. Les ligands protéiques jouent le rôle de signaux en se fixant, et de fait, en activant des protéines transmembranaires réceptrices, intégrées dans la membrane plasmique à la surface de la cellule. Ces complexe ligand-récepteur initient des signaux chimiques dans le cytoplasme. juste à l\'intérieur de la membrane plasmique de la cellule. Ces signaux sont transmis par une succession d\'intermédiaires moléculaires jusqu\'à ce qu\'ils modifient la structure de facteurs de transcription présent dans le noyau. Cette modification conduit à l\'activation de la transcription de certains gènes et à la répression de certains autres. Les récepteurs transmembranaires possèdent une partie située à l\'extérieure de la cellule (le domaine extracellulaire), une partie centrale qui traverse une ou plusieurs fois la membrane plasmique et une partie (le domaine cytoplasmique) à l\'intérieur de la cellule. C'est sur les domaine extracellulaire du récepteur qui se fixent les ligands. Cette fixation simultanée rapproche les domaines cytoplasmiques des deux sous unités du récepteur et déclenche l\'activité de signalisation de ces domaines cytoplasmiques. Certains récepteurs sont à activité tyrosine kinase (RTK pour receptor tyrosine kinase) les domaines cytoplasmiques, une fois activé, peuvent phosphoryler certains résidus tyrosine sur des protéines cibles. D'autre kinases phosphorylent des sérines/thréonines. D\'autres récepteurs encore n'ont pas d'activité enzymatiques, mais les changements conformationnels dans un récepteur (lorsqu\'un ligand s\'y fixe) entraînant des changements conformationnelles (et l\'activation) de protéines cytoplasmiques liées au récepteur. Les protéines cible phosphorylées subissent un changement de conformation, qui leur permet de participer à une cascade de transduction du signal. Grace a ces deux processus, l\'activation d\'une RTK peut conduire à l\'activation simultanée de multiples voies de transduction du signal. Très souvent, l\'étape ultérieure de la propagation des signaux est l\'activation d\'une protéine G. Les protéines G sont alternativement liées à du GDP (dans leur état inactif) et à du GTP (dans leur état actif) (la guanosine diphosphate abrégée en GDP, est un nucléotide. C'est une coenzyme de transfert de groupement phosphate). Elle résulte de l\'hydrolyse de la GTP. Le groupement phosphate libéré peut être transféré sur une protéine. La propagation du signal à partir de la RTK conduit à l\'activation d\'une protéine qui se fixe à la protéine G inactive (liée à du GDP), modifiant sa conformation de façon qu\'elle fixe une molécule de GTP. La protéine G en question s\'appelle Ras (importance dans la carcinogenèse). La protéine G activée (liée au GTP) se fixe ensuite à une protéine kinase cytoplasmique. Elle modifie la conformation de celle-ci, déclenchant ainsi son activité protéine kinase. Cette protéine phosphoryle alors d'autre protéines, y compris d\'autres kinases. Les cibles de certaines de ces protéine kinases sont des activateurs ou des répresseurs de la transcription. La phosphorylation des facteurs de transcription modifie leur conformation, ce qui conduit à l\'activation de la transcription de certains gènes et la répression d\'autres gènes. ***La signalisation intercellulaire dépend de changements conformationnels :*** ces changements permettent non seulement une réponse rapide à un signal initial, mais ils sont également facilement réversibles, ce qui permet d\'interrompre rapidement les signaux et de recycler les composants du système de signalisation, qui peuvent alors recevoir d\'autres signaux. ### Le cycle cellulaire : les contrôles extracellulaires POSITIFS la division cellulaire est déclenchée par l\'action de mitogènes, des ligands polypeptidiques libérés généralement à partir d\'une source paracrine (voisine). Un grand nombre de mitogènes, également appelés facteurs de croissance (GF pour *growth factors*) tels que I\'EFG (facteur de croissance de l\'épiderme), activent les RTK et initient le type de voie de transduction du signal déjà décrit. ### Le cycle cellulaire : les contrôles extracellulaires négatifs  On sait que certaines protéines sécrétées inhibent la division des cellules. Le TGF-B en est un exemple. Il s\'agit d\'un ligand qui semble être sécrété dans de nombreux tissus, dans des conditions d\'inhibition de la croissance. Le TGF-B se fixe à son récepteur et déclenche ainsi l\'activité sérine/thréonine kinase de celle-ci. Cette activation conduit à son tour à la phosphorylation de protéines appelées SMAD, qui provoquent des changements dans les activités transformationnelles et sans doute dans la phosphorylation d\'autres substrats. A la suite de cette cascade de transduction du signal, la phosphorylation et l\'inactivation de la protéine Rb (qui empêche l\'activation du facteur de transcription E2F) sont bloquées. Ce blocage de Rb dans son état complexé maintient donc EF2 inactivé et bloque le déroulement du cycle cellulaire. ### L'APOPTOS : les contrôles extracellulaires positifs Souvent l\'ordre d\'autodestruction d\'une cellule vient d\'une cellule voisine Par exemple, dans le système immunitaire, seul un faible pourcentage des cellules B et T subissent une maturation pour fabriquer respectivement des anticorps fonctionnels ou des protéines réceptrices pour les cellules T. Si les cellules B et T immatures n\'étaient pas éliminées par une autodestruction induite, la grande majorité d\'entre elles encombreraient le système immunitaire. Le signal d\'autodestruction est inactivé par le système Fas. Une protéine liée à la face extracellulaire de la membrane plasmique des cellules, appelée FasL (ligand de Fas) se fixe aux récepteurs de surface de Fas, présents sur une cellule adjacente. Cette fixation entraîne la triménsation d\'un domaine cytoplasmique du récepteur transmembranaire de Fas. Ceci active alors, directement ou indirectement, une molécule telle que Apaf, qui active une caspase initiatrice et par conséquent la cascade des caspases ### L\'apoptose : les contrôles extracellulaires négatif Il existe également des facteurs négatifs sécrétés, nécessaires au blocage de l\'activation de la voie de l\'apoptose. On les appelle parfois des facteurs de survie. On ne sait pas exactement de quelle façon ils interviennent dans la voie de l\'apoptose. Les systèmes de signalisation intercellulaire communiquent des instructions entre les cellules, qui déterminent la poursuite ou l\'interruption du cycle cellulaire et la mise en œuvre ou le report de l\'autodestruction. Le Cancer : la Génétique du Contrôle Cellulaire Aberrant ======================================================== Nous avons beaucoup appris sur la biologie en étudiant les propriétés des mutations qui perturbent les processus normaux. C\'est le cas du cancer. On sait maintenant que presque tous les cancers des cellules somatiques sont dus à une série de mutations spéciales qui s\'accumulent dans une cellule. Actuellement, on classe ces mutations en plusieurs grandes catégories : l\'augmentation de la capacité de prolifération d\'une cellule, la diminution de la sensibilité d\'une cellule vis-à-vis de l\'apoptose et l\'augmentation du taux général de mutations dans la cellule, qui rend plus probable l\'apparition d\'une mutation touchant la prolifération ou l\'apoptose de la cellule. Les Différences entre Cellules Cancéreuses et Cellules Normales =============================================================== Les tumeurs malignes, sont de nature clonale. Les cancers sont des amas de cellules, provenant toutes d\'une cellule fondatrice aberrante, qui bien qu\'entourée de tissu normal, n\'est plus intégrée dans l\'environnement. Les cellules cancéreuses se distinguent souvent de leurs voisines normales par une foule de changements phénotypiques spécifiques, tels qu'un taux élevé de division, l\'invasion de nouveaux territoires cellulaires, un métabolisme actif et une forme anormale. Par exemple lorsque des feuillets normaux de cellules épithéliales sont mis en culture, ils ne peuvent pousser que s\'ils sont ancrés à la boîte de culture elle-même. De plus, des cellules épithéliales normales en culture se divisent jusqu\'à ce qu\'elles forment une monocouche continue. Elles reconnaissent alors d\'une façon ou d\'une autre qu\'elles ont formé un feuillet épithélial unique et arrêtent de se diviser. Au contraire, les cellules malignes provenant d\'un tissu épithélial continuent à proliférer et s\'empilent les unes sur les autres. A l'évidence, les facteurs régulant la différenciation cellulaire normale ont été atteints. Quelle est donc la cause du cancer ? De nombreux types cellulaires distincts peuvent être convertis en un état malin. Ces différents types de cancer reposent-ils sur les mêmes mécanismes ou chacun apparaît-il d\'une façon qui lui est propre ? En réalité, on peut envisager le cancer d\'une manière générale : il apparaît à la suite de multiples mutations dans une seule cellule, qui provoquent sa prolifération incontrôlée. Certaines de ces mutations peuvent être transmises à la descendance par la lignée germinale. D\'autres apparaissent *de novo* dans la lignée cellulaire somatique d\'une cellule donnée. Les preuves de l\'origine Génétique des Cancers =============================================== Plusieurs voies de recherches ont révélé l\'origine génétique de la transformation des cellules d\'un état sain en un état cancéreux. La plupart des agents carcinogènes (produits chimiques et radiations) sont également mutagènes. On connaît certains cas de cancers, transmis comme des facteurs mendéliens simples, hautement pénétrants, comme le rétinoblastome héréditaire (la pénétrance est la portion d\'individus possédant un génotype donné qui exprime le phénotype correspondant). Les allèles de prédisposition moins pénétrants constituent peut-être le cas le plus représentatif. Ils augmentent la probabilité de développer un type particulier de cancer. Ces dernières années, plusieurs gènes de prédisposition ont été cartographiés par recombinaison, ont fait I\' objet d\'un clonage moléculaire et ont été localises par cartographie, a l\'aide des RFLP ou de techniques apparentées. Des oncogènes qui sent des gènes mutants dominants contribuant au cancer chez l\'animal, ont été isoles à partir de virus tumoraux. Ces virus sont capables, chez certains animaux de transformer des cellules normales. De tels oncogènes dominants peuvent également être isolés à partir de cellules tumorales, grâce à des études sur des cultures cellulaires qui permettent de distinguer certains types de cellules bénignes et malignes. Les tumeurs n\'apparaissent pas à la suite d'évènements génétiques isoles mais résultant de processus a, atteintes multiples, au cours desquels plusieurs mutations doivent apparaître dans une cellule avant que celle-ci ne devienne cancéreuse. Dans certains cas bien connus, on a montré que le développement du cancer du côlon et de l\'astrocytome (un cancer du cerveau) comportait l\'accumulation séquentielle de plusieurs mutations différentes dans les cellules malignes. Les tumeurs apparaissent à la suite d\'une succession d\'événements mutationnels qui conduisent à un état dans lequel la prolifération cellulaire n\'est plus contrôlée. Les mutations dans les cellules cancéreuses ------------------------------------------- Deux grands types de mutations sont associées aux tumeurs : les mutations oncogènes et les mutations dans les gènes suppresseurs de tumeurs. Lorsque les oncogènes sont mutés, les protéines qu\'ils codent sont activées dans les cellules tumorales possédant l\'allèle mutant dominant. En général, une cellule tumorale est hétérozygote pour une mutation oncogène et pour son équilibre allélique normal. Les allèles mutants tumorigènes **des gènes suppresseurs de tumeurs** inactivent les protéines qu\'ils codent. Dans plusieurs cas de ces mutations, la cellule tumorale est dépourvue de toute copie de l'allèle de type sauvage correspondant. La plupart des mutation suppresseurs de tumeurs présente dans les cellules tumorales sont nécessaire. Comment les mutations induisant des tumeurs ont-elles été identifiées ? Plusieurs approches ont été suivies. On sait bien que certains types de cancers peuvent « apparaître de loin en loin dans une famille ». Grâce aux techniques modernes d\'analyse généalogique, les tendances héréditaires à certains types de cancers peuvent être cartographiées par rapport à des marqueurs moléculaires tels que les microsatellites. Dans plusieurs cas, cela a permis d\'identifier les gènes mutés impliqués. L\'analyse cytogénétique des cellules tumorales elles-mêmes a également donné de très bons résultats. Nombres de tumeurs de nature variée sont caractérisées par des translocations chromosomiques caractéristiques ou des délétions de régions chromosomiques particulières. Dans certains cas, ces réarrangements chromosomiques sont tellement caractéristiques d\'un type de cancer qu\'ils peuvent être utilisés comme outil de diagnostic. Par exemple, 95% des malades atteints de leucémie myéloïde chronique (CML pour chronic myelogenous leucemia) présentent une translocation caractéristique entre les chromosomes 9 et 22. Cette translocation, appelée chromosome Philadelphie, du nom de la ville dans laquelle elle a été décrite pour la première fois, est un élément essentiel du diagnostic de la CML. Des translocations différentes caractérisent d\'autres types de tumeurs. Les translocations qui servent d\'outils de diagnostic sont le plus souvent associées aux cancers des globules blancs (leucocytes, leucémies et les lymphomes). Toutefois, les mutations induisant des tumeurs ne sont pas toutes d\'un type donné de cancer. Ainsi, certaines mutations semblent être capables d\'induire des tumeurs dans différents types cellulaires et se retrouvent donc dans de nombreux cancers. Les mutations induisant les tumeurs peuvent être identifiées de différentes façons. Une fois localisées, elles peuvent être clonées et étudiées pour déterminer de quelle façon elles contribuent à l\'état malin des cellules. On imagine facilement la raison pour laquelle les mutations qui augmentent le taux de prolifération des cellules provoquent des tumeurs. En revanche, il n\'est pas, immédiat de comprendre pourquoi les mutations qui abaissent la probabilité d\'apoptose d\'une cellule entraînent le développement de cancers. La raison semble double : (1) une cellule qui ne peut subir d\'apoptose a une durée de vie bien plus longue qu\'une cellule normale et peut donc accumuler des mutations responsables d\'une prolifération incontrôlée. et (2) les dégâts et les changements physiologiques inhabituels qui se produisent à l\'intérieur d\'une cellule tumorale induisent d\'ordinaire l\'entrée de la cellule dans la voie de l\'apoptose. Déterminer si un élément du cycle cellulaire ou de la voie de l\'apoptose est dû à une mutation oncogène dominante ou à une mutation récessive dans un gène suppresseur de tumeurs dépend de la contribution de la protéine normale à la régulation de la prolifération cellulaire ou à la mort programmée. Les gènes codant des protéines qui exercent un contrôle positif du cycle cellulaire ou bloquent l\'apoptose peuvent être mutés en oncogène. Ces allèles induisant des tumeurs portent des mutations gain-de-fonction. Par ailleurs, les gènes codant des protéines qui exercent un contrôle négatif du cycle cellulaire ou un contrôle positif de l\'apoptose appartiennent à la classe de suppresseurs de tumeurs. Dans ce cas les allèles induisant des tumeurs portent les mutations perte-de-fonction. Les Classes d\'Oncogènes ------------------------ Cent oncogènes environ ont été identifiés. Comment fonctionnent leur équivalents normaux, les proto-oncogènes ? Ces derniers codent généralement une classe de protéines qui ne sont actives que lorsque les signaux régulateurs appropriés le permettent. Un grand nombre de produits de proto-oncogènes sont des éléments des voies de contrôle positif du cycle cellulaire. Parmi eux se trouvent les récepteurs de facteurs de croissance, les protéines de transduction du signal et les régulateurs de la transcription. D\'autres produits de proto-oncogènes interviennent dans la régulation négative de la voie de l\'apoptose. Toutefois, dans une mutation oncogène, l\'activité de l\'oncoprotéine mutante n\'a plus de relation avec la voie régulatrice qui devait contrôler son activation. Cela conduit à l\'expression continue non régulée de cette oncoprotéine. Plusieurs catégories d\'oncogènes présentent des fonctions régulatrices découplées de différentes façons. Les oncogènes codent des oncoprotéine - des formes dérégulées de protéines dont la fonction de type sauvage est de participer au contrôle positif du cycle cellulaire ou au contrôle négatif de l\'apoptose. Les types de mutations oncogènes -------------------------------- ### Les mutations ponctuelles Le changement entre la forme normale d\'une protéine et l\'oncoprotéine comporte souvent des modifications structurales de la protéine elle-même, telles que celles provoquées par une simple mutation ponctuelle. Une seule substitution de pair de bases, qui converti la glucine (acide aminé numéro 12) en valine, dans la protéine Ras par exemple, produit l\'oncoprotéine présente dans le cancer humain de la vessie. La protéine Ras normale est une sous unité de la protéine G qui appartient à la voie de transduction du signal. Elle passe normalement en alternance de l\'état actif (Ras associée au du GPT) à l\'état inactif (associée à du GDP). Le changement d\'acide aminé provoqué par la mutation faux-sens oncogène dans *ras* produit une oncoprotéine qui reste associée en permanence à du GTP, même en l\'absence des signaux habituels tels que la phosphorylation de Ras, nécessaire à la fixation du GTP par la protéine Ras de type sauvage. De cette façon l\'oncoprotéine Ras propage en continu le signal induisant la prolifération cellulaire. ### La perte de domaine protéique Les modifications structurales peuvent également être dues à la délétion de parties d\'une protéine. L\'oncogène v-erbB code une forme mutée de RTK appelée EGFR, un récepteur du facteur de croissance de l\'épiderme (EGF). La forme mutante de I\'EGFR est dépourvue du domaine extracellulaire, auquel se fixe normalement le ligand, ainsi que certains composants régulateurs du domaine cytoplasmique. À la suite de ces délétions, l\'oncoprotéine EGFR codée par v-erbB est capable de se dimériser même en l\'absence de son ligand, l\'EGF. Le dimère constitutif de l\'oncoprotéine EGFR est toujours phosphorylé grâce à son activité tyrosine kinase et initie en permanence une cascade de transduction du signal. ### Les fusions de gènes Le type d\'oncoprotéine structuralement modifié sans doute le plus remarquable est dû à une fusion de gènes. L\'exemple classique de gènes fusionnés provient d\'étude du chromosome Philadelphie translocation 9/22, diagnostic CML). Les techniques de l'ADN recombinant de cette mutation chromosomique ont montré que les points de cassure de la translocation du chromosome Philadelphie se ressemblaient d\'un malade à un autre et entraînaient la fusion de deux gènes, bcrl et abl. Le proto-oncogène abl code une protéine kinase cytoplasmique spécifique des tyrosines. L\'oncoprotéine de fusion Bcrl-Abl possède une activité protéine kinase constitutive, responsable de son état oncogène. Certains oncogènes produisent une oncoprotéine dont la structure est identique à celle de la protéine normale. Dans ce cas la mutation oncogène induit une expression impropre de la protéine, c\'est-à-dire, qu\'elle est exprimée dans des types cellulaires dont elle est absente d\'ordinaire. Plusieurs oncogènes provoquant une expression impropre des protéines et sont également associées au diagnostic de translocations chromosomiques de différentes tumeurs de lymphocytes B. Les lymphocytes B et leurs descendants, les plasmocytes sont des cellules qui synthétisent des anticorps ou des immunoglobulines. Dans les translocations oncogènes de ces cellules, aucune protéine de fusion n\'est produite. Au lieu de cela, le réarrangement chromosomique conduit à l\'expression impropre du gène proche de la cassure chromosomique, dans un tissu dans lequel le gène sauvage ne s\'exprime pas. Les 85% des patients atteints de lymphome folliculaire présentent une translocation entre les chromosomes 14 et 18. Près du point de cassure du chromosome 14 se trouve un enhancer de la transcription pour l\'un des gènes d\'immunoglobuline. Cet enhancer, à la suite de la translocation, est fusionné avec le gène *bcl2*, qui est un régulateur négatif de l\'apoptose. Cette fusion enhancer-bcI2 entraine la production de grandes quantités de Bcl2 dans les lymphocytes B. Ceci bloque quasiment l\'apoptose dans ces lymphocytes B mutants et leur confère une durée de vie exceptionnellement longue, au cours de laquelle peuvent s\'accumuler des mutations induisant la prolifération des cellules. Il existe des parallèles importants dans ce type de mutation oncogène dominante et les phénotypes gain-de-fonction dominants dus à la fusion de l\'enhancer d\'un gène avec l\'unité de transcription d\'un autre gène, qui produit l\'allèle Tab du gène Abd-B. Dans chaque cas, l\'introduction d\'un enhancer donne lieu à un phénotype gain-de-fonction dominant, dû à la dérégulation de l\'unité de transcription. Les mutations telles que Tab apparaissent dans la lignée germinale et sont transmises d\'une génération à la suivante, tandis que la plupart des mutations oncogènes apparaissent dans les cellules somatiques et ne sont pas transmises à la descendance. *Les oncogènes dominants contribuent à l'état oncogène en provoquant l'expression d'une protéine dans sa forme activée ou son expression impropre dans certaines cellules.* Les Classes de Gènes suppresseurs de Tumeurs ============================================ Les fonctions tumorales des gènes suppresseurs de tumeurs se répartissent en catégories complémentaires de celles des proto-oncogènes. Certains gènes suppresseurs de tumeurs codent des régulateurs négatifs du cycle cellulaire, tels que la protéine Rb ou des éléments de la voie de signalisation de TGF-B. D\'autres codent des régulateurs positifs de l\'apoptose (une partie de la fonction de p53 au moins s\'inscrit dans cette catégorie). D\'autres encore agissent de façon indirecte, en provoquant une augmentation générale du taux de mutations. Nous allons en voir 2 exemples. La Transmission du Phénotype Tumoral ------------------------------------ Dans le rétinoblastome, le gène codant la protéine Rb intervenant dans la régulation du cycle cellulaire, est muté. Le rétinoblastome est un cancer affectant essentiellement des jeunes enfants, chez lesquels les cellules de la rétine dépourvues d\'un gène RB fonctionnel, prolifèrent de manière incontrôlée. Ces cellules sans allèle *rb* fonctionnel sont soit homozygotes pour un même allèle mutant *rb*, soit hétérozygotes pour deux mutations *rb* différentes. La plupart des patients présentent une ou plusieurs tumeurs localisées en un site d\'un œil, et cette maladie est sporadique, en d\'autres termes, il n\' y a pas de cas connu de rétinoblastome dans la famille du patient et celui-ci ne transmet la maladie à aucun de ses descendants masculins ni féminins. Le rétinoblastome n\'est pas transmis dans ce cas, car la ou les mutations rb inactivant les deux allèles de ce gène autosomique apparaissent dans une cellule somatique dont les descendants colonisent la rétine. Il est probable que les mutations apparaissent par hasard à différents moments du développement dans la même lignée cellulaire. Quelques patients présentent toutefois une forme héréditaire de la maladie, appelée rétinoblastome bilatéral héréditaire (HBR pour hereditary binocular retmoblastoma). Ces patients présentent de nombreuses tumeurs et la rétine de chaque œil est affectée. Paradoxalement, même si rb est un caractère récessif au niveau cellulaire, la transmission du HBR est celle d\'un caractère autosomique dominant. Comment expliquer ce paradoxe ? En présence d\'une mutation dans la lignée germinale, qui inactive complètement (knock-out) l\'une des deux copies du gène RB, le taux de mutations de RB garanti quasiment qu\'au moins quelques cellules rétiniennes atteintes de HRB auront acquis une mutation rb dans le seul gène RB normal restant, produisant ainsi des cellules sans protéines Rb fonctionnelle. Pourquoi l\'absence de RB entraîne-t-elle la formation de tumeurs ? La protéine Rb fonctionne en se fixant au facteur de transcription E2F, ceci empêche E2F d\'initier la transcription des gènes dont les produits sont nécessaires aux fonctions de la phase S, telles que la réplication de l\'ADN. Une Rb inactive est incapable de se fixer à E2F. E2F peut dès lors initier la transcription des gènes de la phase S. Dans les cellules mutantes homozygotes pour une mutation complète de rb, la protéine Rb est inactive en permanence. E2F peut donc toujours initier la phase S et au contraire des cellules normales, les cellules touchées par le rétinoblastome ne s\'arrêtent jamais à la fin de la phase G1. Les Gènes suppresseurs de Tumeurs p53 : Un Lien entre le Cycle Cellulaire et l\'Apoptose ---------------------------------------------------------------------------------------- Une autre mutation récessive très importante, a permis de montrer que le gène p53 était un gène suppresseur de tumeurs. Les mutations dans p53 sont associées à de nombreux types de tumeurs, et l\'on estime à 50% les tumeurs humaines dépourvues de gène p53 fonctionnel. La protéine p53 active est un régulateur de la transcription activé en réponse à des lésions dans l\'ADN. La protéine p53 de type sauvage activée joue un double rôle : elle bloque le cycle cellulaire tant que la lésion dans l\'ADN n\'est pas réparée et, dans certaines circonstances, induit l\'apoptose. En l\'absence d\'un gène p53 fonctionnel, la voie de l\'apoptose de p53 n\'est pas activée et le cycle cellulaire se poursuit même si la lésion dans l\'ADN n\'est pas réparée. Cette avancée dans le cycle cellulaire augmente la fréquence totale des mutations, des réarrangements chromosomiques et de l\'aneuploïdie De ce fait, elle augmente la probabilité d\'apparition d\'autres mutations induisant la prolifération cellulaire ou bloquant l\'apoptose. D\'autres gènes récessifs inducteurs de tumeurs, identifiés récemment, sont également impliqués dans la réparation des lésions de l\'ADN Des recherches suggèrent que les gènes qui, une fois inactivés, produisent le phénotype de taux élevés de mutations, jouent un rôle important dans le développement des tumeurs, qui interfèrent avec la réparation de l\'ADN, initient indirectement la croissance des tumeurs. En effet, leur taux élevé de mutations augmente la probabilité d\'apparition d\'autres mutations oncogènes ou de mutations dans des gènes suppresseurs de tumeurs, altérant la régulation normale du cycle cellulaire et de la mort cellulaire programmée. *Les mutations dans les gènes suppresseurs des tumeurs, comme les mutation dans les oncogènes agissent directement ou indirectement pour initier le cycle cellulaire ou bloquer l'apoptose.* La Complexité du Cancer ======================= De nombreuses mutations induisant le développement de tumeurs peuvent apparaître. Ces mutations peuvent être classées par groupe de mutations apparentées et peuvent être comprises d\'après la façon dont elles modifient les processus normaux qui gouvernent la prolifération cellulaire et l\'apoptose. Dans certains exemples tels que le cancer du côlon, il est même possible d\'identifier une série de mutations indépendantes qui contribuent au passage d\'une cellule d\'un état normal, aux différents stades de développement d\'une tumeur bénigne pour finir en un état malin vrai. Toutefois l\'histoire ne s\'arrête pas là. Même parmi les tumeurs malignes, les taux de proliférations et la capacité à envahir d\'autres tissus ou à former des métastases sont très différents. II ne fait aucun doute que même dans un état malin, l\'accumulations d\'autres mutations se poursuit dans la cellule tumorale, ce qui continue d\'activer sa prolifération et sa capacité d\'invasion d\'autres tissus. Il reste donc un long chemin à parcourir avant d\'avoir une compréhension globale de l\'apparition et du développement des tumeurs. La Recherche Sur le Cancer Dans l\'Ère de l\'Analyse Génomique ============================================================== Le séquençage de l\'ADN du génome humain s\'est achevé en 2001. Grâce à cette information, nous devrions pouvoir déduire l\'information codante de tous les produits de gènes (les ARN et les protéines) codés par le génome. Il sera alors possible d\'étudier les niveaux d\'expression des produits des gènes au cours de la formation et du développement d\'un type donné de tumeurs. On espère que cette information systématique donnera de nombreux renseignements sur la gamme étendue des perturbations de l\'expression des gènes, qui caractérisent l\'état malin. De telles études sont en cours, même si elles s\'appliquent pour l\'instant à des échantillons incomplets des transcrits totaux codés par le génome humain. Ces travaux révèlent déjà un ensemble complexe de modulations dans l\'expression des gènes au cours du développement des tumeurs. Ces études permettent d\'identifier de nouveaux oncogènes et des gènes suppresseurs de tumeurs inattendus, ainsi que des facteurs apportant des contributions subtiles à la prédisposition aux tumeurs. De plus, ces études permettront de mettre au point des systèmes de test pour évaluer l\'efficacité de médicaments potentiellement anti-cancéreux. Nous pouvons nous attendre à ce que l\'approche globale du génome dans la biologie du cancer, constitue une part importante de la recherche sur le cancer au vingt-et-unième siècle.