CM7 Epigénétique et Cancer UE onco 2024 - PDF

Licence 3 Sciences pour la Santé UE Bases moléculaires en oncologie Epigénétique et Cancer Slovénie PYNDIAH [email protected] Lundi 29 février 2024  SOMMAIRE 1. Epigénétique 1.1 Définition générale 1.2 Ac...

Licence 3 Sciences pour la Santé UE Bases moléculaires en oncologie Epigénétique et Cancer Slovénie PYNDIAH [email protected] Lundi 29 février 2024  SOMMAIRE 1. Epigénétique 1.1 Définition générale 1.2 Acteurs de l’épigénétique ➮ 1.2.1 L’ADN et la méthylation ➮ 1.2.2 Les protéines du nucléosome -Histones, pièces maîtresses du nucléosome -Modifications post-traductionnelles des histones ➮ 1.2.3 Les ARN non codants 2. Facteurs d’influence de l’épigénétique 3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? 4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques Conrad Hal Waddington (1900-1975) Embyologiste et généticien britannique 1. Epigénétique Robin Holliday (1932-2014) Biologiste moléculaire britannique  Définition générale - Au niveau cellulaire, La régulation épigénétique de l'expression des gènes est un processus dynamique et réversible (non-covalent) qui établit des phénotypes cellulaires normaux mais contribue également aux maladies humaines. stimuli Réception permanente de multiples stimuli par les cellules  Définition générale - Au niveau moléculaire, Le phénotype moléculaire de l’épigénétique repose sur une régulation de l’activité d’enzymes impliquées dans une modification covalente hiérarchique de l'organisation de l’ADN et les protéines qui conditionnent l'ADN, telles que les histones. Impact des stimuli sur plusieurs générations cellulaires  Définition générale 2 brins d’ADN brin d’ADN de la cellule mère DNMT1, brin nouvellement synthétisé enzyme ADN méthyltransférase 1 marqueur épigénétique (groupement chimique) ➜ Le marqueur épigénétique est conservé sur les deux brins de la molécule d’ADN pendant la réplication du génome  SOMMAIRE 1. Epigénétique 1.1 Définition générale 1.2 Acteurs de l’épigénétique ➮ 1.2.1 L’ADN et la méthylation ➮ 1.2.2 Les protéines du nucléosome -Histones, pièces maîtresses du nucléosome -Modifications post-traductionnelles des histones ➮ 1.2.3 Les ARN non codants 2. Facteurs d’influence de l’épigénétique 3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? 4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques  L’ADN et la méthylation Acide Désoxyribo Nucléique Sucre Sucre Phosphate paires de bases Phosphate ➜ Dinucléotide CpG, un enchaînement 5’ 3’ liaison hydrogène des nucléotides Cytosine et Guanine le long d’un brin d’ADN (5’ -> 3’) ➜ Présence d’un groupement méthyle (noté Me) sur un site CpG de la molécule d’ADN Me Me 3’ Un nucléotide 5’  L’ADN et la méthylation groupement méthyle ➜ 1983, découverte de la méthylation Méthylation 4 5 3 2 de la molécule d’ADN humaine 1 DNMT ➜ Ajout d’un groupement CH3 Cytosine 5-méthylCytosine (méthyle) à la base azotée du génome par des enzymes DNMT DNMT : ADN MéthylTransférase (enzymes de la méthylation de l’ADN) ➜ Enzymes DNMT essentielles pour préserver la mémoire épigénétique Ajout d’un groupement méthyle par les pendant la multiplication cellulaire enzymes DNMT  L’ADN et la méthylation méthylation d’un îlot de CpG ➜ 60% des promoteurs du génome est riche en îlots de CpG ➜ Méthylation des îlots de CpG du promoteur freine l’activité transcriptionnelle enzymes ➜ Méthylation de la molécule d’ADN peut modifier l’architecture de la chromatine région promotrice  L’ADN et la méthylation READER ➜ Hyperméthylation ou hypométhylation simultanée du génome est possible selon la région nucléique WRITER ERASER ➜ Méthylation aberrante des îlots de CpG est souvent observée dans diverses pathologies. ➜ Dynamique de la méthylation maintenue grâce à l’activité des enzymes DNMT (“writer”), MBD WRITER : ajout du groupement méthyle READER : reconnaissance de la modification (“reader”) et TET (“eraser”). ERASER : délétion de la modification ➜ Déméthylation des sites CpG est possible par les Les trois groupes d’enzymes impliquées dans la méthylation des îlots CpG enzymes de la famille TET  L’ADN et la méthylation Gènes Gènes suppresseurs de Proto-oncogènes suppresseurs de Oncogènes tumeurs tumeurs Hyperméthylation Hypométhylation îlots de CpG doublets de CpG dispersés Cas d’une cellule saine Cas d’une cellule tumorale DNMT : ADN MéthylTransférase (enzymes de la méthylation de l’ADN) TET : Tet-Eleven Translocation (famille d’enzymes de la déméthylation)  SOMMAIRE 1. Epigénétique 1.1 Définition générale 1.2 Acteurs de l’épigénétique ➮ 1.2.1 L’ADN et la méthylation ➮ 1.2.2 Les protéines du nucléosome -Histones, pièces maîtresses du nucléosome -Modifications post-traductionnelles des histones ➮ 1.2.3 Les ARN non codants 2. Facteurs d’influence de l’épigénétique 3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? 4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques Les histones, pièces maîtresses du nucléosome 2µm Différents états de condensation de la chromatine d’une cellule (photographie, MET) ➜ Accessibilité différente de l’ARN polymérase au génome selon l’état de condensation de la chromatine  Les histones, pièces maîtresses du nucléosome chromatine compactée chromatine relâchée compactage intermédiaire molécule d’ADN méthylation de la molécule d’ADN Représentation à différentes échelles de l’état de condensation de la molécule d’ADN dans le noyau cellulaire Arrowsmith CH, et al. Nat Rev Drug Discov, 2012 (doi:10.1038/nrd3674)  Les histones, pièces maîtresses du nucléosome queue protéique protéine globuleuse ADN ➜ Nucléosome, unité de base d’organisation de la chromatine Hétérochromatine ➜ Plus la molécule d’ADN est embobinée (ADN compacté) autour des protéines, plus la chromatine est condensée ➜ Diamètre d’un nucléosome 11nm, un un nucléosome solénoïde 30 nm, une chromatide 700 nm Euchromatine (ADN relâché)  Les histones, pièces maîtresses du nucléosome Un nucléosome ➜ Le coeur d’un nucléosome comprend un octamère d’histones 2 x (dimère H2A-H2B + dimère H3-H4) Dimère H2A-H2B molécule d’ADN ➜ Un nucléosome comprend une Dimère H3-H4 molécule d’ADN de 147 pb embobinée extrêmité COOH autour d’un octamère d’histones extrêmité NH2 Octamère d’histones ➜ L’extrémité NH2 des histones se projette à l’extérieur de la partie Représentation structurale du coeur formé d’histones au sein d’un nucléosome globuleuse du nucléosome  Les histones, pièces maîtresses du nucléosome READER WRITER ERASER WRITER : ajout du groupement chimique READER : reconnaissance de la modification ERASER : délétion de la modification partie protéique globuleuse (extrêmité COOH) partie protéique en forme de queue (extrêmité NH2) ➜ Histone, protéine de faible PM (13-15 kDa), protéine de structure de la chromatine ➜ Protéine basique, la charge globale de la protéine est positive à un pH physiologique. Forte affinité avec le groupement phosphate de la molécule d’ADN qui elle, est chargée négativement ➜ Extrémité protéique en forme de queue est soumise à des modifications épigénétiques  Modifications post-traductionnelles des histones partie protéique en forme de queue (extrémité NH2) ➜ Queues d’histones représentent partie protéique globuleuse 25-30% de la masse des histones (extrémité COOH) ➜ Queues d’histones sont riches en Lysine (code K), un acide aminé essentiel ➜ Méthylation (noté Me) de la Lysine ou ADN de l’Arginine (code R) tend à inactiver la transcription des gènes (gène en mode OFF) Représentation schématique d’un ➜ Acétylation (noté Ac) de la Lysine tend nucléosome et des queues d’histones à activer la transcription des gènes (gène en mode ON)  Modifications post-traductionnelles des histones groupement méthyle Cas de la méthylation KMT : Lysine MéthylTransférase (enzymes de la méthylation protéique) KDM : Lysine DéMéthylase Lysine Lysine Lysine Lysine (enzymes de la déméthylation protéique) non méthylée monométhylée diméthylée triméthylée (me1) (me2) (me3) Cas de l’acétylation HAT HAT : Histone AcétylTransférase (enzymes de l’acétylation protéique) groupement acétyle HDAC : Histone DéACétylase (enzymes de la déacétylation protéique) Lysine Lysine acétylée  Modifications post-traductionnelles des histones Représentation de diverses modifications des acides aminés sur les queues d’histones ➜ Les différentes combinaisons de ces modifications post-traductionnelles forment un code épigénétique des histones qui entraîne diverses réponses à des endroits précis du génome eucaryote DOI: 10.1051/jbio/2010007  Modifications post-traductionnelles des histones ➜ Multiples enzymes mises en jeu READER dans la modification WRITER ERASER post-traductionnelle des histones ➜ Dynamique épigénétique, des enzymes qui ont un pouvoir de réguler le transcriptome ➜ Dynamique épigénétique, une Exemples de mécanismes cible thérapeutique potentielle pour épigénétiques au niveau des histones une médecine personnalisée Park JW & Han JW. 2019 Arch Pharm Res  Modifications post-traductionnelles des histones Chromatine hyperacétylée Chromatine hypoacétylée et accessible à l’ARN polymérase et condensée Activation Répression (gène en mode ON) (gène en mode OFF) HAT : Histone AcétylTransférase (enzymes de l’acétylation protéique) HDAC : Histone DéACétylase (enzymes de la déacétylation protéique)  SOMMAIRE 1. Epigénétique 1.1 Définition générale 1.2 Acteurs de l’épigénétique ➮ 1.2.1 L’ADN et la méthylation ➮ 1.2.2 Les protéines du nucléosome -Histones, pièces maîtresses du nucléosome -Modifications post-traductionnelles des histones ➮ 1.2.3 Les ARN non codants 2. Facteurs d’influence de l’épigénétique 3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? 4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques  Les ARN non codants Splicing Traduction Régulation de Traduction la transcription Diverses fonctions Modifications de l’ARN et extinction de gène ➜ 2% du génome est transcrit en ARN codant des protéines ➜ 80% des ARN transcrits sont non codants ➜ Diverses classes, des petits (~30nt), des longs (>200nt) ARN non codants ➜ Mécanismes moléculaires souvent indépendants entre les petits et les longs ARNnc ➜ Longtemps identifiés comme des régulateurs négatifs de la traduction des protéines  Les ARN non codants Principaux ARN non codants impliqués en épigénétique ➜ Dans les années 1990, les premiers découverts sont les micro-ARN ➜ 1998, première thérapie à ARN non codant contre une infection virale de la rétine ➜ Plusieurs essais thérapeutiques en cours (phase III) pour diverses pathologies  Les ARN non codants Mécanisme d’action d’un miARN ➜ Inhibition de la traduction et déstabilisation de la molécule d’ARN messager ➜ Biomarqueur pour une classification moléculaire de diverses pathologies  Les ARN non codants ARN nc ➜ ARN non codants sont impliqués dans des processus biologiques complexes DNMT KDM ➜ ARN non codants, des modulateurs Méthylation Etat de la Modifications directs ou indirects des mécanismes de l’ADN chromatine de l’histone épigénétiques Exemple de fonction des ARN non codants ➜ Régulation épigénétique des ARN non en épigénétique codants grâce aux enzymes DNMT  Les acteurs de l’épigénétique ➜ Méthylation de l’ADN ➜ Modification des histones ➜ ARN non codants mi https://doi.org/10.32607/actanaturae.11043  SOMMAIRE 1. Epigénétique 1.1 Définition générale 1.2 Acteurs de l’épigénétique ➮ 1.2.1 L’ADN et la méthylation ➮ 1.2.2 Les protéines du nucléosome -Histones, pièces maîtresses du nucléosome -Modifications post-traductionnelles des histones ➮ 1.2.3 Les ARN non codants 2. Facteurs d’influence de l’épigénétique 3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? 4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques  2. Les facteurs d’influence de l’épigénétique ➜ L’épigénétique change selon : la croissance et le développement ➤ Même patrimoine génétique mais des caractères différents ➤ Certains gènes sont activés et pas d’autres, divers transcriptomes ➤ Des profils de transcrits qui nécessitent des marqueurs Cellule Organe épigénétiques pour chaque type cellulaire  2. Les facteurs d’influence de l’épigénétique ➜ L’épigénétique change selon : la croissance et le développement ➤ Même patrimoine génétique mais Blastocyste Type cellulaire ARN transcrit des caractères différents ➤ Certains gènes sont activés et pas d’autres, divers transcriptomes ➤ Des profils de transcrits qui nécessitent des marqueurs ADN méthylé épigénétiques pour chaque type cellulaire doi:10.1038/nature14233  2. Les facteurs d’influence de l’épigénétique ➜ L’épigénétique change selon : la croissance et le développement l’âge ➤ Comparaison du méthylome de la molécule d’ADN de nouveaux-nés et de centenaires ➤ Avec l’âge la molécule d’ADN des lymphocytes T est moins méthylée ➤ Un profil de transcrits plus complexe chez les centenaires Méthylation du génome des lymphocytes T doi: 10.1073/pnas.1120658109  2. Les facteurs d’influence de l’épigénétique ➜ L’épigénétique change selon : ➤ Fumer peut changer le profil de la croissance et le développement méthylation de la molécule d’ADN l’âge l’hygiène de vie ➤ Méthylation du génome est moins l’environnement importante chez les fumeurs ➤ Différence de méthylation accentuée lors d’une intoxication aiguë ou chronique non fumeur ➤ Possibilité aux anciens fumeurs de ancien fumeur retrouver le méthylome des non fumeurs fumeur doi: 10.1016/j.ebiom.2018.10.051  2. Les facteurs d’influence de l’épigénétique ➜ Des modifications épigénétiques peuvent affecter notre état de santé : les infections ➤ Impact des microbes sur le système HDAC1 HDAC2 épigénétique peut fragiliser le système immunitaire ➤ M. tuberculosis modifie les histones 1 2 3 1 2 3 pour éteindre le gène IL-12B Niveau d’expression cellulaire de l’histone 1, non infecté désacétylase ➤ Gène IL-12B “OFF” fragilise le système 2, microbe actif 3, microbe inactivé immunitaire et favorise la survie du microbe DOI: 10.3389/fcimb.2015.00090  2. Les facteurs d’influence de l’épigénétique ➜ Des modifications épigénétiques peuvent affecter notre état de santé : les infections l’alimentation Microbiote intestinal altéré chez le foetus Dérégulation de Risque d’obésité Nutrition à risque chez l’adulte l’adipogenèse Altération épigénétique pendant le développement du jeune enfant doi.org/10.3389/fgene.2018.00342  2. Les facteurs d’influence de l’épigénétique ➜ Des modifications épigénétiques peuvent affecter notre état de santé : les infections l’alimentation le cancer 9 types de cancers : BR, Sein CNS, Système Nerveux Central CO, Colon LC, Poumon LE, Leucémie ME, Mélanome OV, Ovaire PR, Prostate RE, Rein https://doi.org/10.1126/science.abj5089  SOMMAIRE 1. Epigénétique 1.1 Définition générale 1.2 Acteurs de l’épigénétique ➮ 1.2.1 L’ADN et la méthylation ➮ 1.2.2 Les protéines du nucléosome -Histones, pièces maîtresses du nucléosome -Modifications post-traductionnelles des histones ➮ 1.2.3 Les ARN non codants 2. Facteurs d’influence de l’épigénétique 3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? 4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques  3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? ➜ Le cancer, une pathologie complexe de nature multifactorielle ➜ Un cancer foudroyant, un phénotype invasif et chimiorésistant ➜ Des modifications épigénétiques aberrantes est un élément moteur dans l’initiation - le développement tumoral et dans la persistance des cellules cancéreuses Avant traitement Sélection clonale Après traitement Résistance acquise mutation cellules résistance mortes Résistance intrinsèque cycles de tumeur chimiothérapie chimiorésistante doi: 10.1016/j.cell.2018.03.041  3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? Cas 1 : cancer du sein triple négatif (TNBC) ➜ TNBC, c’est 15% des cancers du sein diagnostiqués ➜ Médiane de survie globale de 14 mois ➜ TNBC, cancer négatif à 3 récepteurs spécifiques (ER, PR, HER2) ➜ TNBC, cancer du sein métastatique ➜ Hormonothérapie et thérapie ciblée inefficaces  3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? Méthode d’identification de cellules persistantes ➜ Objectif : identifier la plasticité des modifications épigénétiques par l’étude des modifications post-traductionnelles des histones doi.org/10.1038/s41588-022-01047-6  3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? Me Epigénome des cellules tumorales non traitées ➜ Prévenir la disparition de la méthylation H3K27me pour augmenter l’efficacité du traitement ➜ Disparition de la méthylation augmente la chimiorésistance ➜ Thérapie testée : inhibiteur des enzymes de la famille KDM + chimiothérapie classique doi.org/10.1038/s41588-022-01047-6  3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? Cas 2 : glioblastome primaire ➜ Tumeur cérébrale rare ➜ Prolifération maligne des astrocytes (grade IV selon la classification de l’OMS) ➜ Évolution souvent rapide (2 à 3 mois) ➜ 70% des glioblastomes sont opérés ➜ Médiane de survie de 14 mois Immunofluorescences vert, astrocytes ; rouge, neurones ; bleu, noyau  3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? GIC, cellules initiatrices de glioblastome EPSC, cellules souches tumeur globale potentielles dérivées des cellules normales du patient iNSC, cellules souches neuronales induites SYNGLICO, organoïde cérébral de glioblastome dérivé des EPSC SYNIO, organoïde intestinal dérivé des EPSC ➜ Objectif : comparer le méthylome / le transcriptome des cellules tumorales par rapport aux cellules normales du patient pour choisir la meilleure thérapie doi.org/10.1038/s41467-021-26297-6  Profil de méthylation globale Localisation spatiale de chaque tumeur ➜ Mise en évidence d’une signature épigénétique en fonction de la progression spatiale et l’hétérogénéité moléculaire du glioblastome https://doi.org/10.1186/s40478-021-01221-7  SOMMAIRE 1. Epigénétique 1.1 Définition générale 1.2 Acteurs de l’épigénétique ➮ 1.2.1 L’ADN et la méthylation ➮ 1.2.2 Les protéines du nucléosome -Histones, pièces maîtresses du nucléosome -Modifications post-traductionnelles des histones ➮ 1.2.3 Les ARN non codants 2. Facteurs d’influence de l’épigénétique 3. Quels sont les marqueurs épigénétiques associés à un développement tumoral agressif ? 4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques 4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques ➜ Traitements les plus communs pour agir sur les modifications épigénétiques : -inhibiteurs spécifiques des enzymes de la famille ADN méthyltransférase (DNMTs) -inhibiteurs spécifiques des enzymes de la famille histone déacétylase (HDACs) nombre d’études dans chaque région Répartition mondiale des études cliniques utilisant des médicaments épigénétiques (2009-2019) doi: 10.1080/15592294.2019.1640546. 4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques molécules inhibitrices enzymes impliquées Vue d’ensemble des molécules inhibitrices disponibles et leurs cibles en épigénétiques  4. Effets de la chimiothérapie sur les mécanismes épigénétiques ➜ 12 traitements à ARN non codants approuvés par la FDA pour diverses pathologies associées au globe oculaire, foie, SNC et muscle ➜ 22 nouveaux traitements à ARN non codants en essais cliniques (essais de phase II ou III) Winkle et al, 2021, Nat Rev  Licence 3 Sciences pour la Santé UE Bases moléculaires en oncologie Epigénétique et Cancer Slovénie PYNDIAH [email protected] Lundi 29 février 2024