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LSPS3 – Parcours Biotechnologies en santé UE « Bases moléculaires en oncologie » Aurélie DUPUY Bases cellulaires et moléculaires [email protected] pour comprendre Oncologie...

LSPS3 – Parcours Biotechnologies en santé UE « Bases moléculaires en oncologie » Aurélie DUPUY Bases cellulaires et moléculaires [email protected] pour comprendre Oncologie 12/02/2024 12/02/2024 Définitions et généralités Tumeurs bénignes Tumeurs malignes Bien limitées Mal limitées Encapsulées Non encapsulées Croissance lente Croissance rapide Cancer = Maladie Refoulement des tissus voisins sans Tumeur = Grosseur plus les détruire Envahissement des tissus voisins provoquée par la ou moins volumineuse transformation de cellules Histologie semblable au tissu dûe à une multiplication qui deviennent anormales d'origine (différenciation) Histologie +/- semblable excessive de cellules avec une multiplication normales (tumeur Recidive possible après exérèse anarchique et anormale bénigne) ou anormales Pas de récidive après exérèse totale supposées totale au sein d’un organe ou (tumeur maligne). d’un tissu. Pas de métastases Métastases Métastase: Tumeur formée à partir de cellules cancéreuses qui se sont détachées d'une première Carcinogenèse: Processus tumeur (tumeur primitive) par lequel une cellule et qui ont migré par les normale se transforme en vaisseaux lymphatiques ou cellule tumorale les vaisseaux sanguins dans une autre partie du corps où elles se sont installées Composition d’une tumeur Composition complexe et hétérogène Cellules tumorales Tumor Micro- Environment (TME) Vascularisation From: Fernandes et al, International Journal of Molecular Sciences, 2019  Modèles de la carcinogenèse Modèle stochastique = toutes les cellules cancéreuses ont la même capacité à former des tumeurs et leur évolution dépend exclusivement d'influences stochastiques. Le modèle hiérarchique postule que les cellules souches cancéreuses (CSC) sont les seules capables d'initier, de maintenir et d'ensemencer de nouvelles tumeurs. From: Carvalho et al, Pharmaceuticals, 2021  Modèles de la carcinogenèse L'accumulation progressive de processus génétiques et épigénétiques conduit au développement tumoral. Les mutations importantes des gènes suppresseurs de tumeurs et des oncogènes confèrent des avantages sélectifs à la croissance et provoquent la progression du cancer. Evolution clonale induite par la From: Anupriya et al, Mutation Research-Reviews in Mutation Research (2022) pression thérapeutique + l'hétérogénéité intra-tumorale Les différentes étapes du développement tumoral Local : tumeur développée au sein d’un organe « primitif » Régional : envahissement, de proche en proche, des ganglions et organes de voisinage Métastatique : maladie systémique, syndromes paranéoplasiques. 3 voies de dissémination : sanguine lymphatique (ganglion) intracavitaire (abdomen, cavité pleurale,...) From: Lemaire et al, Aspects fondamentaux du développement tumoral, 2020 Processus métastatique Les cinq phases du processus métastatique: Invasion Intravasion = passage dans le flux sanguin Circulation Extravasation = passage de produits intraveineux d'un vaisseau sanguin vers les tissus environnants Colonisation Epithelial–mesenchymal transition = EMT Capacité d’envahir, résister au stress et se disséminer Phénotype mésenchymateux From: Molecular principles of metastasis: a hallmark of cancer revisited, Fares et al, Signal Transduction and Targeted Therapy (2020) Les « hallmarks » du cancer Autosuffisance en Indépendance aux Résistance à la mort signaux de signaux d’inhibition cellulaire prolifération de croissance Activation de Immortalité de Induction de l’invasion tissulaire et réplication l’angiogenèse de la dissémination métastatique Reprogrammation du Échappement à la Inflammation pro- métabolisme destruction tumorale énergétique immunitaire Plasticité Polymorphic Instabilité génétique phénotypique microbiomes From AACR: “Hallmarks of Cancer: New Dimensions” provides an update to the landmark “Hallmarks of Cancer” series. Graphic from Cancer Discovery Les « hallmarks » du cancer From AACR: “Hallmarks of Cancer: New Dimensions” provides an update to the landmark “Hallmarks of Cancer” series. Graphic from Cancer Discovery  Le cycle cellulaire Interphase = croissance cellulaire et réplication Phase G1, G2 et S Mitose = Processus dynamique et contrôlé, par lequel les cellules somatiques se divisent, se multiplient et répartisssent de façon équitable les chromosomes dupliqués dans chacune des cellules filles. From: Matthews et al, Nature reviews molecular cell biology, 2022  Le cycle cellulaire La progression du cycle cellulaire est pilotée par l'accumulation de l'activité des kinases cycline-dépendante (CDK) L'accumulation de cycline D-CDK4/6 permet l'entrée dans le cycle cellulaire. La transcription dépendante de l'E2F entraîne l'accumulation des cyclines E et A  fenêtre de décision pour l'entrée en phase S. Created with BioRender.com L'activité de la cycline E-CDK2 active la transcription dépendante de E2F  boucle de rétroaction positive  augmentation de l'activité de la cycline E-CDK2 et de cycline A- CDK2. Accumulation de l'activité de la cycline A-CDK2 initiation de la réplication et l'entrée en phase S. Accumulation complexe cycline A/B-CDK1 crée une deuxième fenêtre de décision pour l'entrée en mitose. Dans des conditions favorables: accumulation de la cycline D From: Matthews et al, Nature reviews molecular cell biology, 2022 CDK4/6  entrée à nouveau dans le cycle cellulaire. Les points de contrôle du cycle cellulaire Empêcher l'accumulation et la propagation d'erreurs génétiques au cours de la division cellulaire. Voies de signalisation conservées au cours de l'évolution Surveillance des dommages à l'ADN pendant l'interphase Intégrité de la fourche de réplication de l'ADN pendant la phase S Assemblage complet du fuseau pendant la phase M From: Matthews et al, Nature reviews molecular cell biology, 2022 La réplication Réplication bidirectionnelle, complémentaire, antiparallèle, dans le sens 5’→3’, semi-discontinue Les ADN polymérases eucaryotes requièrent: les 4 désoxynucléotides tri-(P), une matrice d'ADN simple brin et une amorce Les ADN polymérases eucaryotes possèdent une activité de correction des erreurs d'incorporation (proofreading).  Topologie de l’ADN Réplication Transcription negatively supercoiled positively catenanes supercoiled From:Schvartzman et al, Nucleic acid research, 2019 From:Hanke et al, Molecules, 2021  Topoisomérases TOP2A TOP1 Topoisomérase I Topoisomérase II Cut one of the two strands of Cut both strands of the DNA helix double-stranded DNA, relax the simultaneously in order to manage strand, and reanneal the strand DNA tangles and supercoils Generates single-strand breaks Generates double-strand breaks Occurs in both eukaryotes and Occurs in eukaryotes prokaryotes Does not require ATP hydrolysis Requires ATP hydrolysis Three Subclasses : Type IA, IB, IC Two Subclasses : Type IIA, IIB  Topoisomérases Mécanismes d’action de TOP1 (a) et TOP2 (b) TOP2A TOP1 Topoisomérase I Topoisomérase II Cut one of the two strands of Cut both strands of the DNA helix double-stranded DNA, relax the simultaneously in order to manage strand, and reanneal the strand DNA tangles and supercoils Generates single-strand breaks Generates double-strand breaks Occurs in both eukaryotes and Occurs in eukaryotes prokaryotes Does not require ATP hydrolysis Requires ATP hydrolysis From:Chan et al, Journal of biotechnology, 2013 Three Subclasses : Type IA, IB, IC Two Subclasses : Type IIA, IIB Topoisomérases et cancer Adapted From: S. Frese and B. Diamond, Nat Rev Rheumatol, 2016 From:Bjornsti et al, Topoisomerases and cancer chemotherapy: recent advances and unanswered questions, 2019 From:Victor M. Matias-Barrios and Xuesen Dong, Pharmaceuticals, 2023 Le fuseau mitotique Constitué de deux réseaux symétriques et antiparallèles de microtubules dont l’une des extrémités interagit avec les chromosomes et l’autre est ancrée aux deux pôles. Après rupture de l’enveloppe nucléaire, les chromosomes sont « capturés » par les Centrosome microtubules et oscillent entre les deux pôles, avant de se positionner sur la plaque équatoriale en métaphase. En anaphase, chaque copie des chromosomes dupliqués migre vers chacun des pôles Centrioles Le fuseau mitotique Microtubules = éléments majeurs du cytosquelette des cellules eucaryotes Les microtubules sont formés de dimères de tubulines constitués chacun de deux sous- unités, la tubuline α et la tubuline β, liées par des liaisons non covalentes. Responsables du maintien de la forme de la cellule. Implication dans le trafic intracellulaire en formant des « rails » le long desquels des protéines motrices se déplacent et transportent divers organites. Essentiels à la division cellulaire au cours de laquelle ils forment une structure bipolaire, complexe et dynamique, nécessaire à la ségrégation correcte des chromosomes pendant la mitose. Ils peuvent basculer de manière stochastique entre les phases de croissance et de décroissance  Liaison  désorganisation de la ségrégation des chromosomes au moment de la mitose  la mort de la cellule. Les poisons du Plusieurs types en fonction de leur structure, de leur origine (souvent naturelle) et de leur site de liaison sur la tubuline: Alcaloïdes de la Pervenche ou vinca-alcaloïdes (vinblastine, vincristine, vindésine, vinorelbine, vinflunine) = empêchent la polymérisation des microtubules et les déstabilisent. fuseau mitotique Taxanes (paclitaxel, docétaxel et cabazitaxel) = stabilisateurs du fuseau car ils empêchent sa dépolymérisation et stimule sa polymérisation. Eribuline  inhibe la croissance des microtubules sans altérer la phase de raccourcissement en piégeant la tubuline From:Victor Dhyani et al. Cancer Cell International, 2022 Autosuffisance en signaux de prolifération B C B C D B C F A A E A G Pas de signal Signal de survie Signal de division Signal de différenciation Cellule en Survie de la cellule apoptose Division cellulaire Cellule différenciée  Site de fixation du ligand Premier messager Domaine Récepteur transmembranaire Ext. Site catalytique Mb plasm intracellulaire Int. Protéines de signalisation Autosuffisance en intracellulaire signaux de prolifération Enzyme métabolique Protéines Protéine du cytosquelette cibles Facteur de transcription Modification de cytosquelette l’expression des gènes Modification de la Modification du forme et des métabolisme ADN mouvements Chaînons noyau cellulaires métaboliques  Facteurs de croissance des cellules tumorales: Autosuffisance en ◦ Auto-production de facteurs de croissance → autocrine signaux de ◦ Augmentation du nombre de récepteurs transmembranaires ◦ Modification de structure du récepteur améliorant la liaison avec le ligand prolifération Activation structurelle de molécule d’aval dans la cascade de transduction Signaux de croissance divers selon le type cellulaire, la situation (stress), stimuli  Facteurs de croissance des cellules tumorales: Autosuffisance en ◦ Auto-production de facteurs de croissance → autocrine signaux de ◦ Augmentation du nombre de récepteurs transmembranaires ◦ Modification de structure du récepteur améliorant la liaison avec le ligand prolifération Activation structurelle de molécule d’aval dans la cascade de transduction Signaux de croissance divers selon le type cellulaire, la situation (stress), stimuli From: Mary Luz Uribe , Ilaria Marrocco and Yosef Yarden, Cancers,2021  Oncogène Oncogène = Gène qui participe à la régulation de la croissance et de la division cellulaires (par extension : favorise le processus oncogénique) Un oncogène peut être un gène normal qui a subi une mutation (proto-oncogène), un gène normal dont l’expression génétique est anormale ou un gène qui provient d’un virus pouvant déclencher l’apparition d’un cancer (virus oncogène) Exemple de virus oncogénique: virus HPV16 et 18 (carcinome du Created with BioRender.com col utérin), Virus EBV (lymphoprolifération, lymphome de Burkitt…), virus HTLV1 (ATLL) Proto-oncogène = gène normal qui participe à la régulation de la croissance et de la division cellulaires et qui peut subir une mutation (changement) et devenir oncogène Les mutations peuvent être d'origine héréditaire ou être causées par une exposition à un agent carcinogène dans l'environnement  Oncogène Oncogène = Gène qui participe à la régulation de la croissance et de la division cellulaires (par extension : favorise le processus oncogénique) Un oncogène peut être un gène normal qui a subi une mutation (proto-oncogène), un gène normal dont l’expression génétique est anormale ou un gène qui provient d’un virus pouvant déclencher l’apparition d’un cancer (virus oncogène) Exemple de virus oncogénique: virus HPV16 et 18 (carcinome du Created with BioRender.com col utérin), Virus EBV (lymphoprolifération, lymphome de Burkitt…), virus HTLV1 (ATLL) Proto-oncogène = gène normal qui participe à la régulation de la croissance et de la division cellulaires et qui peut subir une mutation (changement) et devenir oncogène Les mutations peuvent être d'origine héréditaire ou être causées par une exposition à un agent carcinogène dans l'environnement Indépendance aux signaux d’inhibition de croissance Gènes suppresseurs de tumeur: agissant normalement pour inhiber la prolifération cellulaire et le développement des tumeurs. Dans de nombreuses tumeurs, ces gènes sont perdus ou inactivés  élimination des régulateurs négatifs de la prolifération cellulaire  prolifération anormale des cellules tumorales. Récessifs au niveau cellulaire et les deux allèles sont supprimés, mutés ou rendus silencieux par méthylation dans le cancer Contrôler les mutations de l’ADN: 1) Activation des systèmes de réparation 2) Activation des systèmes pour que la cellule déclenche sa mort From: Wang et al, Cell Physiol Biochem, 2018 P53 : le gardien du génome From: Bieging et al, Nature reviews cancer, 2014 P53 : le gardien du génome P53 est muté dans plus de 50% des cancers humains From: Chen et al, Cell Death and Disease, 2022 P53 : le gardien du génome Arrêt du cycle cellulaire  p21 Induction de la mort cellulaire (apoptose)  NOKA, PUMA, BAX From: Pitolli et al, Cancers, 2019  pRb : Protéine du rétinoblastome From: Witkiewicz and Knudsen, Breast cancer research, 2014 From: ScienceDirect  Oncogène vs suppresseur de tumeur Tumor suppressor genes proto-oncogenes Normal genes wich, when altered by Protective genes that help to mutation, become oncogene that control cell growth can contribute to cancer Mutations alter gene products in Mutations alter gene products that such a way to increase their inhibit the progression of the cell expression --> increasing cell cycle division Suppress cell division Activate cell division Inactivation (loss of function) Activation (gain of function) Point mutations, gene amplification, Deletions or point muatations translocation Mutations in somatic or germline cells Mutations in somatic cells Exhibit a high tissue preference Exhibit a low tissue preference Cancer development is recessive --> Cancer development is dominant --> both copies of alleles have to be single copie of allele have to be mutated mutated  Apoptose = mort cellulaire programmée = barrière naturelle au Résistance à la développement tumoral Déclenchée par situations de stress physiologique mort cellulaire La croissance tumorale est dûe à l'incapacité des cellules cancéreuses à équilibrer la division cellulaire par la mort cellulaire (apoptose) From: Yuan & Ofengeim, Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2023  Résistance à la mort cellulaire Manque de stimuli pro- apoptotique ou blocage de la voie apoptotique Perte de fonction de TP53 Diminution des protéines pro- apoptotiques (Bax) Diminution des récepteurs de mort (Fas/FasL, FADD) Court-circuit de la voie extrinsèque Augmentation des protéines anti- apoptotiques (Bcl-2, Bcl-xL)  Résistance à la mort cellulaire Manque de stimuli pro- apoptotique ou blocage de la voie apoptotique Perte de fonction de TP53 Diminution des protéines pro- apoptotiques (Bax) Diminution des récepteurs de mort (Fas/FasL, FADD) Court-circuit de la voie extrinsèque Augmentation des protéines anti- apoptotiques (Bcl-2, Bcl-xL) Surexpression et activation des inhibiteurs de l’apoptose comme XIAP ou c-FLIP  10x 40x Résistance à la mort cellulaire BCL-2 expression Breast Cancer (k et l = contrôles négatifs) From: Mihalyova et al, Experimental Hematology, 2018  Capacité réplicative illimitée Télomères: structure coiffant l'extrémité du double brin d'ADN des chromosomes. Ils sont constitués d'une répétition de un à quelques dizaines de kilobase(s) d'une séquence de type TTAGGG Les cellules normales subissent le processus de sénescence réplicative L’état sénescent est un arrêt irréversible du cycle cellulaire associé à des modifications morphologiques et fonctionnelles de la cellule. La sénescence est causée par le raccourcissement des télomères (sénescence réplicative) ou par l’exposition aiguë ou chronique à d’autres signaux de stress physiologique  Capacité réplicative illimitée From: Alexander Vaiserman and Dmytro Krasnienkov, Frontiers in Genetics, 2021 Comment les cellules tumorales échappent à la sénescence ? Activation de la télomérase = ribonucléoprotéine qui prévient la perte d’éléments TTAGGG par l’ajout de séquences télomériques aux extrémites 3’ Alternative Lengthening of Telomere (recombinaison interchromosomique) Capacité réplicative illimitée La télomérase est constituée de deux sous unités: The human telomerase reverse transcriptase (hTERT) = sous-unite catalytique Human telomerase RNA component (hTR) = molécule d’ARN contenant la séquence complémentaire de la répétition d’ADN télomérique TTAGGG  molécule matrice lors de la réplication des télomères From: Roth et al, Small Molecules in Oncology, 2015  Capacité réplicative illimitée From: Boscolo-Rizzo et al, Cancer Metastasis Rev, 2016 From: Shay and Wright, Seminars in Cancer Biology, 2011  Induction de l’angiogenèse  Embryogenèse ◦ Vasculogenèse : naissance et assemblage des cellules endothéliales en tubes ◦ Angiogenèse : croissance de nouveaux vaisseaux à partir des préexistants  Puis quiescence (sauf transitoirement pour cicatrisation, cycle reproduction féminin)  « switch angiogénique » obligatoire lors de la carcinogenèse ◦ Inducteurs: VEGF-A →VEGFR-1 à 3 stimulations par hypoxie, oncogènes (FGF) ligands VEGF séquestrés dans la matrice extracellulaire, relâchés et activés par des protéases (MMP-9) ◦ Inhibiteurs : thrombospondine-1 (TSP-1)  La néoangiogénèse est le mécanisme, dans le cadre du cancer, qui permet de créer de nouveaux vaisseaux sanguins, dans le but de nourrir les tumeurs cancéreuses et d'assurer leur croissance  Angiogenèse tumorale aberrante : croissance capillaire précoce, branchements vasculaires excessifs, vaisseaux distordus et élargis, flux sanguin erratique, micro-hémorragies, fuites, niveaux anormaux de prolifération endothéliale et d’apoptose  Induction précoce ◦ Implication à la phase prétumorale microscopique From: King et al, World J Gastrointest Oncol, 2021 « Angiogenic switch » Quels facteurs déclenchent le switch angiogénique?? Substances diffusibles provenant de la tumeur From: Molecular Mechanisms of Tumor Angiogenesis, 2012 Basculement par le VEGF (vascular endothelial growth factor) Formation de centaines de néovaisseaux Transformation de la micro-tumeur en grosse tumeur capable de disséminer Comment sont activés ces facteurs? Hypoxie induite par la prolifération des cellules se crée au centre des tumeurs – Transcription des gènes codant pour le VEGF et son récepteur – Inhibition de la production de facteurs antiangiogéniques Hypoxie attire les macrophages dans la tumeur Production de protéases extracellulaires facilitant la migration des cellules endothéliales From: Rahman et al, BioMed Research International, 2020  Inhibiteurs de l’angiogenèse Efcacy of combined bevacizumab and pembrolizumab therapy in humanized mouse models of non-small cell lung cancer From: Qiao et al, Cancer Immunology, Immunotherapy, 2023 From: Biorender  Inhibiteurs de l’angiogenèse From: Katayama et al, Cancers, 2019 From: Biorender  Activation de l’invasion tissulaire et dissémination métastatique Modification de la forme cellulaire, de leur attachement aux autres cellules et à la matrice extracellulaire (perte d’E-cadhérine) Migration cellulaire Autres « Cascade invasion métastase » = invasion locale  intravasation  transit  extravasation  formation de petits nodules micrométastatiques  colonisation « hallmarks » (croissance en gros nodules) du cancer Reprogrammation du métabolisme énergétique Adaptation nécessaire du métabolisme cellulaire à la prolifération tumorale Effet Warburg : même en présence d’O2 les cellules tumorales se limitent à la glycolyse Conséquence: augmentation du Lactate Marqueur sanguin: augmentation LDH (lactate Deshydrogenase) Conclusions Biologie du cancer Mécanismes physiologiques détournés Développement de thérapies Questions ?