Introduction
Le glioblastome, une tumeur cérébrale agressive, est caractérisé par une hétérogénéité génétique et métabolique importante. L'hypoxie, ou manque d'oxygène, est une caractéristique courante des tumeurs solides, y compris le glioblastome. Cette condition environnementale exerce une pression sélective sur les cellules tumorales, favorisant l'adaptation et la survie. Un acteur clé dans la réponse cellulaire à l'hypoxie est le Facteur Induit par l'Hypoxie (HIF). Cette thèse s'interroge sur l'effet de l'hypoxie sur le métabolisme des cellules, comment différents niveaux d'oxygène vont se répercuter sur l'hétérogénéité, et quel est l'impact sur la croissance tumorale.
Caractéristiques des cellules tumorales
Chez les organismes adultes, les tissus sont maintenus par un équilibre entre mort cellulaire et régénération. Cette homéostasie cellulaire est contrôlée par un ensemble de régulations croisées complexes entre les composants du cycle cellulaire, les molécules de signalisation et la matrice extracellulaire. Il arrive parfois que des cellules échappent à ces contrôles et se mettent à proliférer de manière incontrôlée. Ce dysfonctionnement se met en place progressivement, par accumulation de mutations et sélection des cellules les plus efficaces à échapper aux contrôles de leur prolifération.
Les cellules tumorales échappent notamment aux contrôles qui freinent le cycle cellulaire, maintiennent de manière anormale des voies de signalisation intracellulaire favorables à la prolifération et peuvent se répliquer « à l’infini ». Les cellules tumorales échappent aussi à l’apoptose et aux cellules immunitaires. Elles modifient à leur profit leur micro-environnement, par exemple en favorisant la vascularisation.
L’ADN génomique est soumis à des modifications d’origine interne (dépurinations, actions des espèces réactives de l’oxygène générées par le métabolisme…) et externe (radiations, molécules génotoxiques telles que le benzopyrène qu’on trouve dans la fumée du tabac,…). Les mécanismes de réparation de l’ADN sont dans ce contexte essentiels au maintien de l’intégrité des cellules. Cependant, les cellules tumorales sont issues de l’accumulation de mutations.
Des mutations ponctuelles peuvent s’accumuler mais des modifications de plus grande ampleur peuvent aussi être observées. Les fusions de gènes, résultant de réarrangements chromosomiques, sont des facteurs causatifs importants dans un large éventail de cancers. Ils représentent des indicateurs de première ligne pour le diagnostic, le pronostic et les biomarqueurs de sous-types de cancer, et servent de cibles pour le développement de médicaments.
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Actuellement, plus de 25.000 fusions ont été identifiées dans 33 types de cancer qui correspondent à 16,5 % de cas de cancer (Gao et al., 2018).
Les mutations génétiques peuvent s’accumuler graduellement mais aussi de multiples mutations peuvent avoir lieu simultanément comme lors de la chromothripsis qui est caractérisée par de multiples cassures double brin dans une région chromosomique. Ces fragments de chromosomes sont ensuite « racolés » ensemble par les protéines de réparation de l’ADN mais pas forcément dans le bon ordre.
L’accumulation d’anomalies génétiques à différentes échelles que nous avons vu dans les exemples précédents provient de défauts dans les systèmes de réparation de l’ADN. Normalement, un dommage à l’ADN (cassure simple ou double brin, dimère de thymine induit par les UV…) est détecté et une voie de signalisation est activée provoquant l’intervention d’enzymes de réparation.
ATM contrôle les réponses aux dommages de l’ADN lors de la formation d’une cassure double brin de l’ADN. Il phosphoryle les histones de type H2AX sur la sérine 139 pour former γ-H2AX. Cette forme d’histone permet d’obtenir de l’ADN moins condensé ce qui facilite le recrutement des enzymes de réparation (Paull et al., 2000). La perte d’activité de la kinase ATM ou l’hétérozygotie pour les variants pathogènes du gène ATM augmentent les risques de cancer (Choi et al., 2016).
Parmi les protéines impliquées dans la réparation de l’ADN, il faut mentionner BRCA1 et BRCA2 dont des mutations des gènes sont impliquées dans 50% des cancers du sein et dans 75% des cancers de l’ovaire d’origine familiale.
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Xeroderma Pigmentosum (XP) est une maladie héréditaire rare (2,3/1 000 000 naissances en Europe occidentale) avec une pénétrance de 100 %, autosomique récessive, caractérisée par un défaut enzymatique dans la voie de réparation de l’ADN appelée réparation par excision de nucléotide (NER). Chez ces patients, il existe des mutations perte-de-fonction de l’un ou plusieurs des gènes codant les protéines XPC, XPE, XPA, XPG et XPB qui participent à la reconnaissance des dommages à l’ADN et au déroulement local de l’ADN qui sont nécessaires pour la réparation.
Pour laisser le temps à la cellule de réparer son ADN, le cycle cellulaire doit être stoppé avant la réplication. C’est ce que réalise p53, un facteur de transcription. Habituellement, il est dégradé après ubiquitinylation à la suite de son association avec MDM2.
L’instabilité du génome peut aussi provenir de dysfonctionnements de la mitose si les chromosomes ne sont pas répartis correctement entre les deux cellules-filles ce qui peut mener à une aneuploïdie : un nombre anormal de chromosomes dans les cellules.
Les cellules meurent normalement par apoptose si elles ne reçoivent pas des signaux de survie de la part de leur environnement (ligands solubles ou composants de la matrice extracellulaire). Les cellules tumorales arrivent à échapper à ces mécanismes d’activation de l’apoptose, souvent par perte de protéines promotrices d’apoptose (qui sont alors considérées comme codées par des gènes suppresseurs de tumeurs). Les cellules tumorales expriment aussi généralement des niveaux élevés de protéines anti-apoptotiques telles BCL-2, BCL-xL ou Mcl-1.
A la suite de dommages à l’ADN qui ne sont pas réparées suffisamment rapidement, p53 active normalement l’apoptose. p53 est inactivé dans environ 50% des cancers, ce qui veut dire que dans ce cas, les mutations non réparées peuvent s’accumuler dans les cellules tumorales sans que l’apoptose ne soit déclenchée. Signalons que dans les cancers du col de l’utérus, c’est la protéine virale du papillomavirus HPV appellée E6 qui se fixe spécifiquement sur p53 et le fait dégrader par recrutement d’une ubiquitine ligase. Dans d’autres types de tumeurs, c’est un microARN, miR-3151 qui inhibe la production de p53 (Lankenau et al., 2015).
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En plus de l’apoptose, signalons que la ferroptose est aussi parfois inhibée dans les cellules tumorales. La ferroptose est une mort cellulaire par accumulation de peroxides de phospholipides. Cette accumulation peut être provoquée par des ions Fe2+ d’où son nom.
HIF et son rôle central dans l'adaptation à l'hypoxie
Bien que celle-ci fasse l’objet de nombreuses études, HIF semblent n’être charactérisé seulement via son effet sur des gènes observés durant des expériences biologiques. Ce travail va donc s’atteler à la compréhension de certains des mécanisms par lesquels la protéine HIF va impacter la croissance de la tumeur en se concentrant sur le métabolisme et l’invasion des cellules cancéreuses.
Modélisation mathématique du réseau de gènes régulés par HIF
À cet égard, un modèle multi-agent a été développé et le choix des voies d’investigation ont été déterminées par une analyse statistique.
Le modèle mathématique décrit un réseau de gènes régulés par HIF qui inclut deux gènes métaboliques important que sont les gènes du lactate deshydrogènase (LDH) et de la pyruvate deshydrogènase (PDH). Le but étant de refléter l’effet de HIF sur le métabolisme en se centrant sur l’apparition de l’effet Warburg, un mécanisme souvent considéré comme une caractéristique de la cellule tumorale. Grâce à ce modèle, nous avons pu tester différentes conditions environnementales et régulations génétiques. Nous avons pu observer que des variations rapides des niveaux d’oxygènes ainsi que des niveaux accrûs de HIF ont déclenché l’adoption du phénotype Warburg.
Analyse statistique de données transcriptomiques de glioblastomes
Une analyse statistique de données de transcriptomique provenant de glioblastomes a été réalisée pour déterminer les mécanismes dérégulés dans deux jeux de données : l’un provenant de la plateforme The Cancer Genome Atlas, l’autre comprenant une série de lignées issues de patient (PDCL, fournies par l’ICM). La méthode d’analyse débute par une analyse d’expression différentielle des données de transcriptomique pour trouver les gènes dérégulés dans nos jeux de données. Ces gènes sont ensuite soumis à des outils d’enrichissement de pathways pour en extraire la liste des pathways correspondants. Parmi les résultats, la biosynthèse du collagène remonte comme souvent dérégulée dans les deux jeux de données, et le métabolisme du cholésterol est trouvé souvent dérégulé dans les données de PDCL.
Impact du collagène et de l'oxygène sur la prolifération tumorale
À cause de son lien avec la thématique courante, la biosynthèse du collagène a été retenue comme candidate pour être inclute dans le modèle. Le collagène et le remodellage de la matrice ont un impact notable sur la migration cellulaire et de ce fait l’invasion des cellules cancéreuses dans les tissus distants. Les trois gènes P4HA1, MT1-MMP et LOX sont sur-régulés par la protéine HIF selon la littérature et impactent la sécrétion, la dégradation et la réticulation du collagène. Les résultats obtenus avec la nouvelle version du modèle indiquent que le collagène et l’oxygène génère un effet sur la prolifération et la forme de la tumeur. De plus, les résultats montrent que l’oxygène et le collagène semblent avoir un effet double sur la prolifération de la tumeur. Dans ce modèle, l’effet Warburg n’a été observé dans aucune simulation. La similarité de la production de H+ dans ce nouveau modèle avec les résultats obtenus dans le modèle précédent lorsque la sensibilité de PDH à HIF était réduite indique que cela est dû aux nouveaux paramètres pour les gènes.
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