Malgré des recherches intensives, le glioblastome reste l’un des types de cancer du cerveau les plus mortels. Le témozolomide (TMZ) est utilisé comme médicament de première ligne dans son traitement. Même si le TMZ pénètre efficacement dans le cerveau et cible les tumeurs, son succès dépend de la tentative des cellules tumorales de réparer les dommages causés à l’ADN par le médicament. Malheureusement, les glioblastomes échappent souvent au traitement en inactivant les différentes voies de réparation de l’ADN, les rendant résistants au TMZ et limitant son efficacité. Dans ces cellules cancéreuses résistantes aux médicaments, l’ADN mute mais n’entraîne pas la mort cellulaire.
Les chercheurs du Centre pour l'intégrité génomique de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) à Ulsan, en Corée du Sud, en collaboration avec l'équipe de bioinformatique de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), ont découvert des informations essentielles sur les mécanismes à l'origine de Résistance TMZ. Leurs travaux pourraient ouvrir la voie à des thérapies plus efficaces contre ce cancer dévastateur.
Comprendre comment TMZ fonctionne et échoue
TMZ fonctionne en introduisant des dommages à l'ADN, en particulier une modification appelée Ô6-méthylguanine (Ô6-meG), qui est une guanine base d'ADN modifiée avec un groupe méthyle ajouté à l'oxygène en position 6. Normalement, le système de réparation des mésappariements (MMR) d'une cellule tente de réparer les dommages, mais dans le cas de Ô6-meG, la paire de bases mutée peut s'associer efficacement à la thymine comme à la cytosine. Cela provoque un dysfonctionnement du processus de réparation, créant un cercle vicieux de tentatives de réparation infructueuses qui finissent par tuer les cellules tumorales. Cependant, si la voie ROR est désactivée, l’O6-meG ne déclenche plus ce cycle toxique. Au lieu de cela, cela conduit à un nombre massif de mutations de la cytosine en thymine sans tuer les cellules. La tumeur avec un ROR défectueux devient 100 fois plus résistante au TMZ.
Il est encore possible de tuer ces tumeurs résistantes en administrant une très forte dose de TMZ. À ces concentrations élevées, TMZ génère une autre base méthylée, la 3-méthyl adénine (3-meA), qui bloque la synthèse de l'ADN dans les cellules cancéreuses. Cette base est réparée par une voie de réparation de l'ADN différente, appelée réparation par excision de base (BER). La première enzyme de la voie BER, appelée MPG, n'excise pas la totalité du nucléotide mais seulement la partie base de celui-ci, créant un site abasique, qui est converti en une cassure d'ADN simple brin par une autre enzyme appelée APE1, et l'espace est alors rempli et scellé. Cependant, si APE1 est inhibée, les cellules de glioblastome deviennent très sensibles au TMZ, même si la voie MMR est inactive. Ainsi, APE1 représente le talon d'Achille (c'est-à-dire l'endroit le plus vulnérable) de la chimiorésistance tumorale.
Aperçu surprenant des mutations et de leur relation avec le vieillissement
Étonnamment, les chercheurs de l'IBS ont découvert que si l'enzyme MPG est inactivée et que le BER ne peut pas être initié, les cellules restent résistantes au TMZ. En effet, le blocage de la réplication peut être surmonté à l'aide d'une polymérase spécialisée qui peut insérer de l'adénine à la place du résidu d'ADN bloquant. En utilisant le séquençage complet du génome, l’équipe IBS/UNIST a pu détecter une « cicatrice » mutationnelle marquant l’endroit où le bloc de réplication s’est produit.
Les ADN polymérases spécialisées qui viennent à la rescousse lorsque la réplication de l'ADN est bloquée par le 3-meA ou toute autre lésion bloquant la réplication sont appelées à juste titre polymérases de synthèse de translésion (TLS). Elles diffèrent des principales enzymes réplicatives, qui synthétisent l’essentiel de l’ADN, en ce sens qu’elles sont moins précises et peuvent insérer des nucléotides incompatibles, ce qui leur permet de contourner la lésion. Cependant, cette caractéristique unique peut avoir des conséquences indésirables : les polymérases TLS non seulement contournent les obstacles sur le chemin de la réplication, mais elles introduisent également des erreurs. Plus la cellule doit utiliser des polymérases TLS, plus les « cicatrices » mutationnelles s’accumulent dans le génome.
Une polymérase TLS particulière, appelée polymérase zêta, est appelée plus souvent que d’autres à la rescousse des fourches de réplication bloquées. Il possède sa propre « signature mutationnelle », qui est gravée dans le génome partout où la polymérase zêta est active. Les chercheurs de l'IBS ont découvert que la polymérase zêta augmente le fond mutationnel dans les cellules traitées par TMZ.
Il est important de noter qu’en plus de contribuer au fardeau mutationnel consécutif au traitement par TMZ, la polymérase zêta s’est révélée dans cette étude comme étant également le principal responsable de l’accumulation de mutations dans les cellules non traitées. À mesure que les organismes vieillissent, leurs cellules accumulent des mutations. Il existe une corrélation frappante entre le taux d'accumulation de mutations et la durée de vie de l'organisme : par exemple, une souris à courte durée de vie accumule les mutations plus rapidement qu'un humain à longue durée de vie. Les modèles de mutation laissés par la polymérase zêta ressemblent à l’un des modèles de mutation trouvés chez les mammifères vieillissants. Cette découverte inattendue met en lumière l’un des mécanismes potentiels du vieillissement.
Tracer la voie à suivre
Les chercheurs de l'IBS ont utilisé une collection complète de mutants de réparation de l'ADN pour étudier quels gènes sont nécessaires pour survivre au traitement TMZ. Ils ont analysé les sensibilités TMZ de dizaines de lignées cellulaires, chacune ayant un gène de réparation de l'ADN inactivé. Ils ont également séquencé plus de 400 génomes de cellules traitées et non traitées pour déterminer quelles mutations étaient provoquées par l'inactivation de la voie de réparation de l'ADN, par le traitement TMZ et par leur combinaison.
L'analyse bioinformatique des mutations révèle ce que l'on appelle des « signatures mutationnelles », qui peuvent être provoquées par des substances chimiques, l'irradiation et l'inactivation des gènes de réparation de l'ADN, ce qui se produit fréquemment dans le cancer. Les programmes informatiques analysent toutes les mutations trouvées dans le génome et extraient des modèles de mutation principalement basés sur les nucléotides à gauche et à droite des substitutions nucléotidiques.
Cette étude est la première à utiliser une approche globale utilisant une collection de knock-outs dans les milieux génétiques normaux et déficients en ROR et combinant des tests de survie cellulaire avec le séquençage du génome entier. Au cours de cette recherche, il est devenu évident que les voies de réparation de l'ADN qui sont à l'origine de la résistance aux médicaments sont redondantes : lorsqu'une voie est inactivée, une autre peut servir de relais. Pour révéler cette redondance, il est nécessaire de générer plusieurs knock-outs, désactivant séquentiellement différentes voies, un peu comme éplucher un oignon. À mesure que la cellule est dépouillée de ses défenses de réparation de l’ADN, couche par couche, les signatures mutationnelles génomiques changent, reflétant les mécanismes activés en réponse au médicament.
L'une des découvertes est que l'inactivation de certains gènes, par exemple FANCD2, sensibilise davantage les cellules compétentes en ROR au TMZ, mais n'affecte pas la résistance des cellules déficientes en ROR. Au contraire, l'inactivation de gènes impliqués dans le BER, tels que APE1 et XRCC1sensibilise les cellules déficientes en ROR mais a très peu d'effet sur celles qui sont compétentes en ROR. L’étude permet d’esquisser la voie à suivre pour lutter contre la résistance au TMZ avec les inhibiteurs de la protéine de réparation de l’ADN. Par exemple, les substances inhibant le MPG à elles seules ne sont pas susceptibles de rendre l’effet TMZ plus puissant.
D’un autre côté, l’inhibition de l’APE1 semble être une approche très prometteuse pour lutter contre l’accumulation de résistance au TMZ. À mesure que les médicaments ciblant APE1 sont en cours de développement, il sera important de tester leurs effets synergiques avec TMZ. Une autre approche potentiellement prometteuse consiste à combiner des inhibiteurs d’APE1 et de TLS. Les chercheurs de l'IBS/UNIST prévoient désormais de se concentrer sur l'identification des polymérases TLS pertinentes pour la résistance au TMZ.
Les découvertes de l’équipe IBS/UNIST représentent une avancée significative dans la compréhension de la résistance au glioblastome et offrent l’espoir de nouvelles thérapies plus efficaces. Alors que les chercheurs continuent d’explorer les couches complexes des défenses tumorales, leurs travaux nous rapprochent du développement de traitements capables de déjouer même les cancers les plus tenaces.
