DÉRÉGULATIONS DE LA VOIE P53 DANS LES CANCERS

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Cancer et processus de tumorigénèse

Généralités sur le cancer

Le cancer est une maladie provoquée par la transformation de cellules qui deviennent anormales et prolifèrent de façon excessive. Ces cellules échappent aux mécanismes de régulation qui assurent habituellement le développement harmonieux de notre organisme. En se multipliant de façon anarchique, elles donnent naissance à des tumeurs qui se développent en envahissant puis en détruisant les tissus et les organes qui les entourent. Elles peuvent parfois se détacher et migrer par les vaisseaux sanguins et lymphatiques pour envahir les tissus voisins et former d’autres tumeurs appelées métastases. C’est en détruisant son environnement que le cancer peut devenir un réel danger pour la survie de l’organisme.
Le cancer constitue aujourd’hui un enjeu mondial de santé publique puisqu’il s’agit de la deuxième cause de mortalité dans le monde, après les maladies cardiovasculaires, avec une estimation, pour l’année 2015 de 17,5 millions de personnes atteintes de cancer et de 8,7 millions de décès liés à cette maladie. Le nombre de personnes touchées est en progression constante, comme l’indique l’augmentation du nombre de cas de 33 % entre 2005 et 2015 (Fitzmaurice et al., 2017). Selon plusieurs études, cette tendance pourrait se maintenir et le cancer pourrait devenir dans quelques dizaines d’années la principale cause de mortalité dans le monde, notamment en raison du vieillissement de la population, de la croissance démographique et de l’adoption de mode de vie aggravant les risques de cancers (tabac, alcool, alimentation, surpoids…). Dans la plupart des pays développés, le cancer est déjà la première cause de mortalité. C’est le cas notamment en France où, selon l’Institut National du Cancer, le nombre total de nouveaux cas a été estimé, en 2018, à 382 000. Chez les hommes, 204 600 nouveaux cas (54 %) ont été détectés avec une majorité de cancers de la prostate, du poumon et colorectaux. Chez les femmes, c’est 177 400 nouveaux cas (46 %) qui ont été estimés avec une prévalence de cancers du sein, colorectaux et du poumon.

Processus de tumorigénèse

Un cancer est une maladie complexe qui se met en place sur plusieurs années et qui résulte de l’accumulation d’altérations génétiques et épigénétiques qui apparaissent au sein d’une cellule et des cellules qui en découlent. En effet, nos cellules subissent quotidiennement de nombreuses agressions qui endommagent leur matériel génétique. Ces agressions peuvent avoir une origine environnementale (exposition à des carcinogènes, rayonnements, virus…) ou provenir de facteurs génétiques (mutations germinales et somatiques, réarrangements chromosomiques…) ou épigénétiques. En règle générale, des points de contrôle efficaces existent dans la cellule et des mécanismes de réparation interviennent pour rétablir ces anomalies. En cas de dommages trop importants, d’autres mécanismes peuvent déclencher la mort de la cellule ou l’empêcher de se diviser pour éviter de propager les anomalies. Si une cellule anormale passe au travers des mailles du filet, elle peut aussi, dans certains cas, être repérée et éliminée par le système immunitaire. Cependant, il est parfois possible qu’une cellule déjoue ces systèmes de surveillance et parvienne à se multiplier pour créer une descendance qui possède les mêmes altérations. Tout comme le mécanisme darwinien de l’évolution, qui suggère que les espèces les plus adaptées survivent dans leur environnement, les anomalies génétiques et épigénétiques conférant un avantage sélectif de prolifération et de survie cellulaire vont être maintenues. Ces altérations vont pouvoir s’accumuler au fur et, à mesure du temps et progressivement, vont conduire à une reprogrammation de la cellule qui va complètement perdre le contrôle des divisions cellulaires. Les cellules qui accumulent ces altérations vont alors se multiplier plus vite que les autres et se développer au détriment des cellules voisines, pour former une tumeur.
Bien que chaque tumeur soit unique, on considère aujourd’hui que les cellules tumorales partagent un ensemble de caractéristiques communes (« hallmarks » en anglais) (Figure 1). Ainsi l’autosuffisance en signaux de croissance, l’insensibilité aux signaux inhibiteurs de la croissance, la capacité à éviter l’apoptose, la capacité à se répliquer indéfiniment, l’induction de l’angiogenèse et la capacité à former des métastases permettent aux cellules cancéreuses de survivre, proliférer et de se disséminer. La dérégulation du métabolisme énergétique cellulaire et la capacité à éviter une destruction par le système immunitaire ont été reconnues, plus récemment, comme deux autres caractéristiques importantes. Enfin l’inflammation et l’instabilité du génome qui favorise l’apparition de nouvelles mutations sont deux autres critères importants favorisant le développement tumoral (Hanahan et Weinberg, 2011). Cette vision intégrée des cancers a changé notre façon de percevoir leurs traitements et les stratégies anti-tumorales mises en place aujourd’hui tentent de cibler simultanément plusieurs de ces caractéristiques de façon à limiter au maximum la progression tumorale et la dissémination métastatique (Bailón-Moscoso et al., 2014).
Figure 1 : Caractéristiques des cellules cancéreuses. Les cellules cancéreuses peuvent survivre, proliférer et se disséminer grâce à leur autosuffisance en signaux de croissance, leur insensibilité aux signaux inhibiteurs de la croissance, leur capacité à éviter une destruction par le système immunitaire, à se répliquer indéfiniment, à favoriser l’inflammation, à former des métastases et à induire l’angiogenèse, mais aussi grâce à leur instabilité génomique, leur capacité à éviter l’apoptose et à déréguler le métabolisme énergétique. D’après (Hanahan et Weinberg, 2011).

Oncogènes et suppresseurs de tumeur

Les altérations qui surviennent au sein d’une cellule ne sont pas toujours synonymes de cancer car elles ne fournissent pas nécessairement un avantage sélectif de prolifération et de survie cellulaire. Dans le cas du cancer, c’est souvent la mutation de gènes critiques, comprenant des oncogènes, des gènes suppresseurs de tumeur et des gènes impliqués dans la réparation de l’ADN qui va conduire à une instabilité génétique et à une perte progressive du contrôle des divisions. Les oncogènes sont des gènes dont l’expression favorise la survenue d’un cancer. Ils résultent de l’activation de gènes normaux, appelés proto-oncogènes, impliqués dans le contrôle des divisions cellulaires. Suite à leur activation en raison d’une mutation, amplification génique ou autre, ils vont stimuler la division et entrainer une prolifération désordonnée des cellules. L’oncogène MYC par exemple, parmi les plus connus, est capable, chez la souris lorsqu’il est surexprimé, d’induire une forte incidence de lymphomes B (Harris et al., 1988). La modification d’un seul allèle est suffisante pour activer un oncogène.
A l’inverse, certains gènes sont capables de réguler négativement la prolifération cellulaire : ce sont les gènes suppresseurs de tumeurs. Contrairement aux oncogènes dont l’activité est fortement augmentée dans les cellules cancéreuses, les gènes suppresseurs de tumeur vont subir une perte de leur fonction. Pour cela, il est nécessaire que les deux copies du gène soient inactivées (mutations ponctuelles, modifications épigénétiques…). Pour qu’un gène soit formellement considéré comme un suppresseur de tumeur, au moins un critère supplémentaire est requis : des mutations germinales de ce gène doivent conférer une susceptibilité au cancer chez l’Homme, ou sa perte de fonction dans un modèle animal doit conduire au développement de tumeurs in vivo. Le gène TP53 codant pour la protéine p53, qui est muté dans plus de la moitié des cancers, remplit tous ces critères (Vogelstein et Kinzler, 2004, 2015).

Généralités sur la protéine p53

Découverte de la protéine p53

Depuis sa découverte en 1979, près de 100 000 publications ont été recensées sur la protéine p53. D’après les résultats de recherches PubMed, alors qu’une centaine d’articles étaient publiés à son sujet en 1990, il y a trente ans, c’est désormais entre 4 000 et 6 000 articles qui sont publiés chaque année sur cette protéine, soit environ 14 par jour. L’histoire de cette protéine a débuté en 1979, année durant laquelle elle a été découverte de façon surprenante par quatre équipes de recherche différentes (Lane et Crawford, 1979 ; Linzer et Levine, 1979 ; De Leo et al., 1979 ; Kress et al., 1979). A cette époque, de nombreuses équipes s’intéressaient à l’origine virale des cancers. Elles souhaitaient comprendre comment des virus comme le SV40 ou le Papillomavirus pouvaient entrainer le développement de tumeurs chez l’Homme ou mener à la transformation de cellules en culture. C’est en recherchant les mécanismes biologiques sous-jacents qu’ils ont alors identifié une protéine de 53 kDa, d’origine cellulaire, capable d’interagir avec l’antigène T du virus SV40. Suite au constat que cette protéine était surexprimée dans de nombreuses cellules tumorales et qu’elle était aussi capable de former des complexes avec des protéines exprimées par d’autres virus tumoraux (adénovirus, papillomavirus…), la protéine p53 a été initialement identifiée comme un oncogène. Elle était donc suspectée d’accompagner, via sa surexpression, le virus dans le processus de transformation tumorale. Cependant, dans les dix années ayant suivi sa découverte, d’autres équipes de recherche ont constaté que p53 était induite en réponse aux dommages à l’ADN (Maltzman and Czyzyk, 1984) et qu’elle était altérée chez des patients souffrant de leucémies et dans plusieurs lignées de cellules tumorales, ce qui prendra son importance bien plus tard.
C’est ensuite, entre 1988 et 1994, que l’on a remis en question l’identification de p53 en tant qu’oncogène. En effet, Levine et Oren ont démontré que l’ADNc de p53 WT pouvait inhiber la transformation tumorale de cellules de rat en culture. Par ailleurs, le laboratoire de Vogelstein et d’autres ont révélé qu’on retrouvait de nombreuses mutations ponctuelles de p53 dans des carcinomes colorectaux et d’autres cancers. Dans la plupart des cas, un allèle de p53 était perdu tandis que l’autre était muté, ce qui correspondait totalement à la définition d’un suppresseur de tumeur (Lane et Levine, 2010). Il a également été constaté que l’on retrouvait de nombreuses mutations de p53 chez les personnes souffrant du syndrome de Li-Fraumeni de prédisposition au cancer (Malkin et al., 1990). Finalement, c’est la création de souris p53 KO qui a démontré cette hypothèse puisque ces souris présentent une forte hausse de l’incidence de cancer et développent principalement des lymphomes et des sarcomes (Donehower et al., 1992 ; Armstrong et al., 1995 ; Donehower, 2009 ; Lozano, 2010). Dans les années qui ont suivi, les études portant sur l’activation de p53, en réponse aux dommages à l’ADN et son effet sur le cycle cellulaire et l’apoptose notamment, lui ont valu le titre de « gardien du génome ». La complexité sur cette protéine s’est fortement accentuée lorsque l’on a découvert qu’elle faisait partie d’une famille de protéines, incluant p63 et p73, présentant de fortes ressemblances structurelles. Depuis 1995, les équipes de recherches essayent encore de comprendre toute la complexité de cette protéine, de ses fonctions à sa régulation, en vue de développer de nouvelles thérapies anti-tumorales.

Famille TP53

La notion d’une famille TP53 a été proposée il y a plus de vingt ans, après la découverte de deux gènes homologues à TP53 : TP63 et TP73 (Aylon et al., 2011). Les trois gènes présentent de fortes homologies de séquence et de structure ce qui suggère qu’ils dérivent d’un même gène. Au cours de l’évolution, le gène ancestral, dont TP63 est le plus proche, aurait subi deux duplications successives : la première donnant naissance à TP53, la seconde aboutissant à l’apparition de TP73 (Belyi et al., 2010). Ces deux événements ont eu lieu tard dans l’évolution puisque seuls les vertébrés possèdent les trois gènes (Caron de Fromentel et al., 2012).
Les trois membres de cette famille ont une structure modulaire similaire qui inclut un domaine de transactivation (TAD), un domaine de liaison à l’ADN (DBD) et un domaine d’oligomérisation (OD). Ainsi, les protéines p63 et p73 sont capables de former des oligomères, de lier l’ADN et de transactiver des gènes cibles de p53. Elles sont capables d’induire les mêmes réponses que p53 aux dommages à l’ADN tels que l’arrêt du cycle cellulaire, la sénescence et l’apoptose et également de coopérer avec p53 dans un réseau d’interactions complexes (Dotsch et al., 2010). Chacun de ces trois gènes est exprimé sous forme de multiples isoformes protéiques générées par la présence de promoteurs alternatifs, de multiples sites d’initiation de la traduction et de sites d’épissage alternatif (Kaghad et al., 1997 ; Yang et al., 1998 ; Inoue et Fry, 2014). En effet, TP73 est capable d’exprimer au moins deux types d’isoformes : TAp73 qui possède un domaine de transactivation complet et ΔNp73 dont le domaine de transactivation est tronqué. Il peut également exprimer les isoformes Δ2, Δ’N, Δ2/3 à la suite d’un épissage alternatif en 5’ et les isoformes α, β, γ, ζ, δ, ε et η par un épissage alternatif en 3’ (Candi et al., 2014). TP63, quant à lui, peut générer des isoformes TAp63 et ΔNp63 à partir de deux promoteurs distincts et les isoformes α, β, γ, δ et ε par épissage alternatif en 3’. En général, les isoformes TA exercent des fonctions similaires à celles de p53 pour la suppression tumorale en raison de leur capacité à transactiver des gènes cibles de p53. Les isoformes ΔN, quant à elles, sont capables de se lier à l’ADN mais ne peuvent pas transactiver les gènes cibles de p53, ce qui peut leur conférer un rôle dominant négatif, inhibiteur de l’activité transcriptionnelle de p53 (Inoue et Fry, 2014 ; Meek, 2015). Les protéines p73 et p63 ont également des fonctions biologiques spécifiques et distinctes de p53. p73, par exemple, exerce un rôle majeur au cours du développement des systèmes nerveux et olfactif (Poznia et al., 2000), tandis que p63 joue un rôle majeur dans le développement des cellules épithéliales (Candi et al., 2008).
Le gène TP53 lui-même code pour au moins 12 isoformes différentes (Khoury et Bourdon, 2010). Ces isoformes ont en commun le domaine de liaison à l’ADN mais elles présentent des domaines N-terminaux et C-terminaux différents. Elles sont exprimées différemment dans les tissus normaux et sont souvent dérégulées dans les cancers humains, suggérant des fonctions biologiques variées (Vieler et Sanyal, 2018). Par exemple, la surexpression de l’isoforme 40p53α dans des cellules issues d’un carcinome hépatocellulaire déficientes pour p53 inhibe la prolifération cellulaire (Ota et al., 2017) suggérant un effet suppresseur de tumeur. A l’inverse, l’isoforme 133p53β, dont l’expression chez des patientes atteintes de cancer du sein est associée à une mortalité plus élevée, favorise l’invasion cellulaire (Gadea et al., 2016). Le gène Trp53 murin code lui pour au moins 6 isoformes différentes. La séquence des gènes TP53 humain et Trp53 murin ainsi que la structure, les fonctions et les régulations des différentes isoformes pour lesquelles ils codent sont très similaires et conservées au cours de l’évolution (tout comme leurs homologues p63 et p73). Ainsi, les souris de laboratoire semblent être un modèle pertinent pour étudier la complexité de la voie p53.

Régulation de p53

Dans les cellules non stressées, la protéine p53 est maintenue à un faible niveau et son temps de demi-vie est de quelques minutes seulement. En réponse à divers stress, p53 est stabilisée et activée et régule alors l’expression de nombreux gènes de façon à éviter la prolifération de cellules dont le génome est altéré. Du fait de ses effets cytotoxiques et cytostatiques, la protéine p53 doit être finement régulée. Les protéines MDM2 et MDM4, souvent surexprimées dans les cancers, sont les principaux régulateurs négatifs de p53 (Toledo et Wahl, 2006). MDM2 est une E3 ubiquitine ligase qui régule plutôt la stabilité de p53 en induisant son ubiquitination et sa dégradation par le protéasome. MDM4 qui présente de fortes homologies avec MDM2 va plutôt inhiber l’activité transcriptionnelle de p53. La régulation de p53 par MDM2 et MDM4 est détaillée dans le chapitre 5) de cette première partie. Si ces deux protéines jouent un rôle majeur dans la régulation de p53, elles ne sont pas les seules. En effet, plusieurs centaines de protéines interviendraient dans sa régulation, rajoutant ainsi un niveau de complexité supplémentaire sur nos connaissances de ce suppresseur de tumeur majeur. La protéase HAUSP, par exemple, est capable de dé-ubiquitiner p53 et d’assurer ainsi sa stabilisation (Kon et al., 2010 ; Sarkari et al., 2010). De nombreuses E3 ubiquitines ligases comme MDM2 interviennent également dans la régulation de p53 (Sane et Rezvani, 2017). Les protéines COP1, PIRH2 et TRIM28, par exemple, sont capables de favoriser l’ubiquitination de p53 et de contribuer ainsi à sa dégradation (Wang et al., 2011a), tandis que les protéines TRIM13 et TRIM19 ciblent MDM2, conduisant à sa dégradation et à une stabilisation de p53 (Joo et al., 2011). En plus de l’ubiquitination, p53 est aussi soumise à d’autres modifications post-traductionnelles qui peuvent moduler l’activité et la stabilité de la protéine telles que la phosphorylation, l’acétylation ou la méthylation à travers les différents domaines de la protéine. L’acétylation du domaine C-terminal de p53 par CBP/p300, par exemple, semble nécessaire pour la stabilisation de p53 et son activation (Akihiro et al., 2001) ; et la phosphorylation du domaine N-terminal de p53 semble être impliquée dans l’activation de p53 suite à des signaux de stress (Bode et Dong, 2004).
Bien que la régulation post-traductionnelle de p53 ait été fortement étudiée, on sait également que p53 peut être régulée au niveau post-transcriptionnel. PARN, par exemple, est une polyA-ribonucléase qui pourrait réguler les niveaux ARNm de p53 via des micro-ARN (Zhang et al., 2015). RPL26, une protéine ribosomale, serait capable de se lier à la région 5’ UTR de l’ARNm de p53 et augmenterait ainsi sa traduction (Chen et Kastan, 2010). De façon surprenante, il a été proposé que MDM2 pourrait aussi directement agir sur l’ARNm de p53 et favoriser sa traduction (Karakostis et al., 2016). Il a également été montré in vitro que des G-quadruplex dans la région 3’ UTR du pré-ARNm de p53 favoriseraient l’expression de p53 en réponse aux dommages à l’ADN (Decorsière et al., 2011 ; Newman et al., 2017). De plus, des G-quadruplex dans l’intron 3 du pré-ARNm de p53 pourraient avoir un impact sur l’expression d’isoformes spécifiques de p53 (Marcel et al., 2011 ; Perriaud et al., 2014). Finalement, la régulation de p53 est très complexe et fait intervenir de très nombreux mécanismes et protéines qui doivent encore être étudiés pour comprendre pleinement le fonctionnement de p53.

p53, un facteur de transcription

Structure modulaire

La protéine p53 est un facteur de transcription, codé par le gène humain TP53, situé sur le bras court du chromosome 17 (17p13.1). La protéine canonique est constituée de 393 acides aminés et a un poids moléculaire de 53 kDa, à l’origine de son nom. Comme la plupart des facteurs de transcription, p53 présente une structure modulaire constituée de différents domaines fonctionnels (Figure 2). On distingue ainsi deux domaines de transactivation (TAD1/2 : Transactivation Domain 1/2), un domaine riche en proline (PRR : Proline Rich Region), un domaine de liaison à l’ADN (DBD : DNA Binding Domain), un domaine d’oligomérisation (OD : Oligomerisation Domain) et enfin un domaine C-terminal régulateur (Joerger et Fersht, 2010 ; Sullivan et al., 2018). Chez la souris, le gène Trp53 est localisé sur le chromosome 11. Il code pour une protéine de 390 acides aminés ayant une séquence et structure très similaire à celle de la protéine humaine (85 % d’identité).

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I : DÉRÉGULATIONS DE LA VOIE P53 DANS LES CANCERS
1) Cancer et processus de tumorigenèse
1)1) Généralités sur le cancer
1)2) Processus de tumorigenèse
1)3) Oncogènes et suppresseurs de tumeur
2) Généralités sur la protéine p53
2)1) Découverte de la protéine p53
2)2) Famille TP53
2)3) Régulation de p53
3) p53, un facteur de transcription
3)1) Structure modulaire
3)1)1) Région N-terminale
3)1)2) Région centrale
3)1)3) Région C-terminale
3)2) Transactivation des gènes cibles
4) p53, un suppresseur de tumeur majeur
4)1) p53 : le gardien du génome
4)2) Altération de p53 dans les cancers
4)2)1) Mutations germinales de p53
4)2)2) Mutations « hotspots » de p53
4)3) Polymorphismes de p53
5) MDM2 et MDM4, les principaux régulateurs négatifs de p53
5)1) Généralités sur MDM2 et MDM4
5)1)1) Historique de MDM2 et MDM4
5)1)2) Structure de MDM2 et MDM4
5)1)3) Régulation de p53 par MDM2 et MDM4
5)1)3)1) Deux modèles de régulation
5)1)3)2) Maintien d’un niveau basal de p53 en condition normale
5)1)3)3) Levée de l’inhibition de p53 après un stress génotoxique
5)2) MDM2 et MDM4 dans les cancers
5)2)1) Dérégulations de MDM2 et MDM4
5)2)2) Expression d’isoformes alternatives dans les cancers
5)2)3) Fonctions oncogéniques indépendantes de p53
5)2)4) Polymorphismes de MDM2 et MDM4
PARTIE II : AUTRES FONCTIONS PHYSIOLOGIQUES ET PATHOLOGIQUES DE LA VOIE P53
1) p53 et développement
2) p53 et vieillissement
3) p53 et fertilité
4) p53 et syndromes d’insuffisance médullaire
4)1) Généralités sur les syndromes d’insuffisance médullaire
4)2) Les principaux syndromes d’insuffisance médullaire
4)2)1) La Dyskératose congénitale
4)2)1)1) La Dyskératose Congénitale, un syndrome télomérique
4)2)1)2) Les causes génétiques de la Dyskératose Congénitale
4)2)2) L’Anémie de Fanconi
4)2)3) L’Anémie de Blackfan-Diamond
4)2)4) Le syndrome de Shwachman-Diamond
4)3) Implication de p53 dans les syndromes d’insuffisance médullaire
4)3)1) La souris p53Δ31/Δ31, un modèle de Dyskératose Congénitale
4)3)2) Le modèle p53Δ31/Δ31 et anémie de Fanconi
4)3)3) Que sait-on du rôle de p53 dans les syndromes d’insuffisance médullaire chez l’Homme ?
RÉSULTATS
DISCUSSION
PARTIE I : SURACTIVATION DE P53 DANS LES SYNDROMES D’INSUFFISANCE MEDULLAIRE
1) Activation de p53 et développement de phénotypes de Dyskératose Congénitale
1)1) Rôle controversé de p53 dans le métabolisme télomérique
1)2) Mutations de PARN chez des patients souffrant de Dyskératose
Congénitale
1)3) Mutation de MDM4 chez une famille souffrant d’un syndrome télomérique
2) Implication de la voie p53 dans d’autres syndromes d’insuffisance médullaire
2)1) Mutations germinales de TP53 chez des patients présentant des signes d’une anémie de Blackfan-Diamond
2)2) Implication de la voie p53 dans l’Anémie de Fanconi
PARTIE II : IMPLICATION DE LA VOIE P53 DANS DES SYNDROMES DEVELOPPEMENTAUX
1) Modèles murins de suractivation de p53 : effets sur le développement et le vieillissement
1)1) Conséquences des mutations activatrices p53Δ31 et Mdm4T454M chez la souris
1)2) Autres modèles murins de suractivation de p53
2) Rôle d’une suractivation de p53 dans des syndromes développementaux humains
2)1) Mutations de TP53, MDM2 et MDM4 chez des patients présentant des anomalies du développement et des signes de vieillissement prématuré
2)2) Suractivation de p53 : événement secondaire ou cause principale de syndromes développementaux humains ?
2)3) Implication potentielle d’une suractivation de p53 dans des syndromes développementaux humains
2)3)1) Anomalies crâniofaciales du syndrome de Treacher-Collins.
2)3)2) Anomalies cardiovasculaires dans le syndrome de délétion 22q11.2
2)3)3) Anomalies du tube neural dans le syndrome de Waardenburg de type 1
2)3)4) Le syndrome CHARGE
3) Résumé et perspectives
CONCLUSIONS
BIBLIOGRAPHIE