Selon une nouvelle étude, un petit sous-ensemble de sites d’ADN vulnérables peut rendre les cellules cancéreuses très sensibles à des médicaments ciblés appelés inhibiteurs de PARP.
Dirigés par des chercheurs de NYU Langone Health et de son Perlmutter Cancer Center, les travaux portaient sur les échecs de l’ADN à se copier à certains sites des chaînes génétiques, ce qu’il doit faire pour que les cellules se divisent et se multiplient dans le cadre de la guérison et de la croissance. Les cellules cancéreuses dépendent de mécanismes de protection qui ont évolué pour surmonter ces échecs lorsqu’ils sont déclenchés par des médicaments anticancéreux.
Publié en ligne dans Biologie cellulaire naturelle Le 5 novembre, l’étude révèle comment les échecs de réplication de l’ADN sur des sites critiques des chromosomes, les superstructures protéiques qui hébergent et donnent accès à l’ADN, déterminent la vulnérabilité des cellules cancéreuses aux inhibiteurs de PARP..
L’équipe de recherche a identifié des problèmes de réplication dans des régions chromosomiques critiques et identifié la réponse protectrice qui permet de contrôler les échecs de réplication de l’ADN. Le blocage de cette réponse protectrice permet aux dommages localisés causés par les traitements contre le cancer de s’accumuler, compromettant ainsi la survie des cellules cancéreuses.
La découverte révèle comment la localisation des dommages à l’ADN peut façonner la réponse au traitement et constitue une base pour le développement de nouveaux biomarqueurs de sensibilité aux médicaments anticancéreux.
Nous pensons souvent aux dommages causés à l’ADN en termes de quantité : plus de dommages signifie une plus grande chance de tuer une cellule cancéreuse. Nos travaux révèlent un talon d’Achille génomique : un petit sous-ensemble de sites où les problèmes de réplication peuvent avoir des conséquences disproportionnellement graves. L’identification de ces sites permet d’expliquer de quoi dépendent les cellules cancéreuses pour survivre et pourquoi un traitement particulier peut être si efficace.
Eli Rothenberg, PhD, auteur co-correspondant, professeur, Département de biochimie et de pharmacologie moléculaire, NYU Grossman School of Medicine
Comprendre quels problèmes de réplication créent une dépendance à l’égard d’une voie de protection particulière pour les résoudre nécessite que les chercheurs détectent les événements moléculaires sous-jacents. Les chercheurs ont identifié ces sites vulnérables à l’aide d’une imagerie moléculaire ultrasensible rendue possible par des méthodes et des technologies de microscopie avancées développées dans le laboratoire du Dr Rothenberg.
Ces approches sont particulièrement puissantes car elles révèlent des événements moléculaires distincts au sein des cellules, notamment des sous-types de sites de dommages associés à la réplication que d’autres méthodes ne peuvent pas distinguer facilement, a déclaré le Dr Rothenberg. Cela a permis aux chercheurs d’identifier exactement où les problèmes surviennent et comment les cellules réagissent.
L’étude actuelle s’est concentrée sur ESCO2, une protéine qui aide à établir les connexions qui maintiennent ensemble les chromosomes nouvellement copiés. Les écrans CRISPR dans les modèles de cancer du sein et du poumon à petites cellules ont identifié ESCO2 comme un puissant déterminant de la sensibilité aux inhibiteurs de PARP. Des expériences de suivi ont montré que même une réduction partielle d’ESCO2 augmentait la sensibilité aux inhibiteurs de PARP dans les cellules cancéreuses colorectales, ovariennes et pulmonaires.
Les inhibiteurs de PARP sont utilisés pour traiter certains cancers, notamment certains cancers du sein et des ovaires présentant des mutations de BRCA1 ou BRCA2. Ces mutations peuvent altérer la recombinaison homologue, un processus important de réparation de l’ADN. Les cellules appauvries en ESCO2 sont cependant devenues sensibles aux inhibiteurs de PARP tout en conservant la réponse de recombinaison homologue testée, ce qui a incité les chercheurs à étudier ce qui a créé leur dépendance à l’égard de l’activité de PARP.
L’imagerie de la nouvelle étude a révélé que la réduction d’ESCO2 augmentait les structures d’ADN pliées inhabituelles appelées G-quadruplexes, ou G4, qui peuvent obstruer la copie de l’ADN. La charge accrue était concentrée sur un petit sous-ensemble de sites de réplication. Les sites particulièrement vulnérables se trouvent dans des étendues répétitives d’ADN bordant les centromères, appelées régions péricentromériques, qui contribuent à garantir la distribution correcte des chromosomes lors de la division cellulaire.
« L’imagerie nous a permis d’aller au-delà de la mesure des dommages sur une cellule entière », a déclaré Dipika Gupta, PhD, premier auteur et co-correspondant de l’étude et chercheur postdoctoral dans le laboratoire du Dr Rothenberg. « Nous avons pu détecter des problèmes de réplication subtils, distinguer les sites impliqués et identifier la réponse protectrice sur laquelle s’appuient les cellules. Cela a révélé comment un ensemble limité de sites vulnérables pouvait entraîner une sensibilité aux médicaments. »
La réponse protectrice dépendait de l’activité PARP1 et impliquait deux autres protéines : TIMELESS, qui aide à protéger la réplication de l’ADN, et DDX11, une enzyme capable de dérouler les structures G4. L’inhibition de PARP a perturbé cette réponse dans les cellules appauvries en ESCO2. Les structures G4 se sont encore accumulées, la synthèse de l’ADN a diminué et les dommages ont augmenté près des centromères. Les dommages chromosomiques qui en ont résulté ont contribué à expliquer pourquoi ces cellules étaient particulièrement sensibles aux médicaments.
Les résultats établissent un mécanisme reliant les problèmes de réplication localisés à la sensibilité aux médicaments anticancéreux. Ils soulèvent également une possibilité plus large selon laquelle les traitements qui produisent davantage de dommages à l’ADN pourraient être mortels pour les cellules cancéreuses, en partie parce qu’ils augmentent le risque de toucher des sites génomiques particulièrement vulnérables. Reste à savoir si ce principe s’étend à d’autres contextes génétiques et traitements contre le cancer.
Membre du Perlmutter Cancer Center, le Dr Rothenberg travaille en étroite collaboration avec des cliniciens pour appliquer ces approches aux cellules cancéreuses dérivées de patients et les développer pour un usage clinique. L’objectif est de mieux comprendre comment fonctionnent les médicaments anticancéreux et pourquoi les patients répondent ou ne répondent pas au traitement. En identifiant des modèles spécifiques de stress de réplication et de dommages à l’ADN, l’équipe vise à développer des biomarqueurs qui pourraient aider à prédire la réponse au traitement et à orienter des thérapies ciblées plus efficaces.
Le Dr Rothenberg dirige également le centre de biophotonique à molécule unique de NYU Langone, qui permet à d’autres chercheurs d’accéder à ces méthodes et à l’expertise nécessaire pour les appliquer. L’étude a été menée sur des modèles de cellules cancéreuses. Des recherches précliniques et cliniques supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si ces caractéristiques peuvent guider les décisions de traitement chez les patients.
L’étude était une collaboration entre NYU Langone et Pfizer. Le travail a été soutenu en partie par les subventions R01GM134947, R01AI153040, R01CA247773, R01GM139610 et R01ES031658 des National Institutes of Health. Le Dr Gupta bénéficie d’une bourse postdoctorale de la Huntington Disease Society of America. Le laboratoire du Dr Rothenberg reçoit également le soutien de Pfizer, Ionis Pharma et d’un don caritatif de Chavkin. Ces relations sont gérées conformément à la politique de NYU Langone.
Les autres auteurs sont Xia Ding, Lianglin Zhang, Kate E. Coleman, Grace Tang, Wei Ting C. Lee, Jon Oyer, Xiaolin Kang, Dana J. Ramms, Ziqi Yu, Todd VanArsdale, David Fenyo et Tony T. Huang. Le travail a impliqué des chercheurs de la NYU Grossman School of Medicine et de Pfizer Oncology Research and Development. Ding travaille désormais chez WuXi Biology, qui fait partie de WuXi AppTec, et Lee travaille désormais chez Regeneron Pharmaceuticals.
Zhang, Oyer, Kang, Ramms, Yu et VanArsdale sont des employés de Pfizer ; Ding est un ancien employé de Pfizer.
