Mutations silencieuses : un moyen de vaincre le cancer ?

Sur la voie de l’exploration scientifique, il est souvent nécessaire de briser des concepts de longue date afin de créer de nouvelles théories.

Écrit par | XZ

Nous savons que les mutations génétiques peuvent provoquer le cancer. Une mutation dans une paire de bases d'un fragment d'ADN modifiera la séquence d'acides aminés codée par le gène - ce type de mutation est souvent considéré comme le principal facteur à l'origine de la maladie, appelée « mutation non synonyme », et constitue également le principal objectif de la recherche sur le cancer.

Il existe également une mutation « silencieuse », également appelée « mutation synonyme » ou « mutation neutre », qui ne modifie pas le type d’acide aminé codé.

Les mutations synonymes n’affectent pas la séquence d’acides aminés d’une protéine et ont donc longtemps été considérées comme inoffensives. Ils sont « silencieux » parce qu’ils sont « inutiles » et ne peuvent être décrits que comme un étrange phénomène biologique. Pendant longtemps, les mutations synonymes n’ont pas reçu beaucoup d’attention dans la recherche sur le cancer.

Mais les choses changent et le tournant finira par se produire.

Les mutations qui réduisent au silence les gènes peuvent également provoquer des maladies

De plus en plus d’études ont montré que les mutations synonymes ne sont pas « inoffensives » mais peuvent néanmoins provoquer des maladies. Lu Xin, biologiste spécialisé dans le cancer à l’Université de Notre Dame, s’en est rendu compte il y a quelques années.

Un jour, Lu Xin a reçu un patient atteint de la maladie de Von Hippel-Lindau (syndrome de VHL) et a analysé son état. Le syndrome VHL est une maladie génétique autosomique dominante rare causée par des mutations du gène suppresseur de tumeur VHL (gène suppresseur de tumeur de Von Hippel-Lindau) situé sur le chromosome 3P25.3. La protéine VHL fonctionnelle joue un rôle important dans la prolifération cellulaire et la régulation vasculaire. Lorsque le gène suppresseur de tumeur VHL mute, les cellules ne peuvent pas exprimer la protéine VHL fonctionnelle, ce qui se manifestera par un syndrome tumoral multi-organique. En termes simples, les tumeurs peuvent se développer n’importe où dans le corps.

Le gène VHL est hérité de manière autosomique dominante, donc seulement lorsque les deux allèles VHL sur le chromosome (gènes situés à la même position sur une paire de chromosomes homologues qui contrôlent différentes formes du même trait) sont mutés, les cellules seront incapables d'exprimer la protéine VHL, conduisant à la formation de tumeurs.

Au cours de la conversation, Lu Xin a appris que les deux filles du patient avaient également hérité du syndrome VHL. Les jumelles de sept ans présentaient des tumeurs non résécables qui se développaient sur leur rétine. Cependant, après avoir vérifié les données de séquençage du génome des trois personnes, Lu Xin a été surpris de constater qu'il n'y avait aucune mutation modifiant la protéine dans le gène VHL de ces trois personnes, mais seulement une mutation synonyme, c'est-à-dire que la séquence CCA a muté en séquence CCG. Les deux séquences codent le même acide aminé (les deux sont de la proline). Théoriquement, une telle mutation ne produira aucun effet biologique et ne devrait pas provoquer de maladie, mais tous les trois souffrent du syndrome VHL !

Lu Xin était très confus. Pour découvrir ce qui se passait, il a collecté des échantillons de peau de la famille, en a isolé des lignées cellulaires et a effectué une série d'analyses[1]. Il a découvert que des mutations synonymes dans le gène suppresseur de tumeur VHL affectaient le processus d’épissage de l’ARNm. L'épissage de l'ARNm fait référence au processus de suppression des introns du produit de transcription initial transcrit à partir de la chaîne de matrice d'ADN et de connexion des exons pour former une molécule d'ARN continue (voir « 20 ans après le séquençage des gènes, nous avons enfin compris à quoi sert l'ADN poubelle » pour plus de détails). Dans ce processus, des mutations synonymes détruisent la liaison des protéines d'épissage à des séquences nucléotidiques spécifiques, ce qui entraîne la coupure d'un segment d'ARNm, produisant une « version simplifiée » de l'ARNm. Par conséquent, ces trois patients n’avaient pas de protéine VHL complète dans des tissus spécifiques, ce qui a conduit aux symptômes du syndrome VHL.

En fait, il existe de plus en plus de preuves que les mutations synonymes ne sont pas toujours inoffensives, et la découverte de Lu Xin n’est que la pointe de l’iceberg. Au cours de l’évolution de la vie, la pression extérieure va changer la direction de l’évolution. Sous une telle pression sélective, des mutations synonymes se produisent généralement. Les mutations synonymes peuvent affecter l’expression des gènes de diverses manières et ont été liées à des maladies telles que la fibrose kystique, l’autisme et le cancer[2]. Néanmoins, comme il n’y a pas eu d’analyse systématique des mutations synonymes, chaque fois que le sujet du cancer est abordé, l’impact des mutations synonymes est fondamentalement ignoré par les chercheurs, et les mutations non synonymes sont le « cœur » de la discussion.

Certains scientifiques changent désormais l’attitude dédaigneuse des chercheurs envers les mutations synonymes. On estime que certaines mutations synonymes dans l’ADN peuvent représenter 5 à 8 % de toutes les mutations cancérigènes[3]. Ces scientifiques s’efforcent de déchiffrer l’impact de ces mutations sur le cancer grâce à des études systématiques et de comprendre l’étendue de leur impact sur l’ensemble du génome, ce qui pourrait non seulement identifier les mécanismes à l’origine de la maladie chez certains patients, mais aussi potentiellement ouvrir de nouvelles voies de traitement.

Comment les mutations synonymes créent-elles du « bruit » ?

Les codons synonymes ont des séquences nucléotidiques différentes mais codent le même acide aminé, ils sont donc appelés « synonymes ». Cependant, les recherches menées par Lu Xin et d’autres ont montré que les choses ne sont pas aussi simples qu’un « échange de synonymes » : les codons synonymes ne sont pas complètement interchangeables. En fait, une séquence spécifique de codons peut affecter la liaison des protéines régulatrices de l’expression génétique (telles que les facteurs de transcription) aux sites de régulation de l’ADN, et peut également affecter l’interaction entre les protéines d’épissage et les précurseurs de l’ARNm. Par exemple, certains précurseurs d’ARNm expriment à l’origine des gènes suppresseurs de tumeurs, mais certaines mutations synonymes perturbent leur épissage, ce qui favorise la croissance tumorale[4].

Les mutations synonymes peuvent également modifier les effets des mutations non synonymes, c'est-à-dire favoriser l'expression de gènes mutants non synonymes en affectant l'épissage de l'ARNm [5]. Par exemple, les chercheurs ont utilisé la technologie d’édition génétique pour introduire diverses mutations dans des lignées cellulaires cancéreuses humaines et ont découvert qu’en raison du changement de type de base, le site d’épissage d’origine était détruit. La mutation non synonyme a produit un nouveau site d'épissage, qui a effectivement supprimé une partie de la séquence codante de la protéine mutante de l'ARNm, rendant impossible l'expression complète de la protéine mutante. Cependant, la mutation synonyme peut détruire le site d'épissage produit par la mutation non synonyme, conduisant finalement à l'expression complète de la protéine mutante[6]. Autrement dit, certaines mutations non synonymes doivent se produire en même temps que certaines mutations synonymes afin d'exprimer ensemble la protéine mutante. Un cadre aussi étrange a surpris et intrigué les scientifiques.

Différents codons synonymes affectent également la structure bidimensionnelle de l'ARNm, affectant ainsi le temps de survie de l'ARNm dans le cytoplasme et sa liaison au ribosome. Par exemple, des mutations synonymes dans le gène codant pour le récepteur de dopamine humain D2 provoquent le repliement de l'ARNm dans une conformation moins stable, ce qui entraîne une traduction insuffisante de l'ARNm en protéine[7].

Les codons affectent également l’efficacité de la traduction de l’ARNm. Différentes espèces, et même différents tissus et gènes au sein d'un organisme, utiliseront préférentiellement certains codons synonymes pour coder des acides aminés spécifiques afin d'optimiser leurs mécanismes de traduction spécifiques. Un codon synonyme rarement utilisé prend souvent plus de temps à traduire qu'un codon fréquemment utilisé car moins d'ARN de transfert (ARNt) sont disponibles pour la traduction. Dans les cellules humaines, on a observé que des mutations synonymes ralentissaient la traduction en remplaçant les codons communs par des codons rares ou accéléraient la traduction en convertissant les codons rares en codons communs, modifiant ainsi la structure ou la concentration des protéines [ 8 , 9 ].

Jusqu’à présent, les effets des mutations synonymes sur l’expression des gènes peuvent être résumés comme suit :

1. Modifier le site de liaison des protéines régulatrices et de l’ADN ;

2. Détruire les sites d’épissage ;

3. Affecter la stabilité de l’ARNm ;

4. Affecter la traduction de l’ARNm.

Une recherche plus approfondie

Dans le passé, la plupart des mutations synonymes affectant le cancer étaient découvertes par hasard, et il y avait un manque d’analyse systématique jusqu’à ce qu’une étude de 2019 fasse quelques progrès. Dans cette étude, les chercheurs ont analysé une base de données de près de 3 millions de mutations provenant de plus de 18 000 échantillons de tissus provenant de 88 types de tumeurs. Sur cette base, ils ont créé une nouvelle base de données contenant plus de 650 000 mutations synonymes. Les données montrent que, comme les mutations non synonymes, les mutations synonymes ont également tendance à se regrouper dans les gènes associés au cancer[10].

Sur la base de cette conclusion, l’équipe de recherche a sélectionné le célèbre oncogène KRAS, identifié des mutations synonymes et continué à mener des recherches plus détaillées. Un par un, ils ont utilisé des plasmides (voir « Qu'est-ce qu'un plasmide ? Il est lié à tout, des armes biologiques aux aliments génétiquement modifiés ») pour exprimer des gènes mutants dans des lignées cellulaires humaines. Comme prévu, certaines mutations synonymes entraînent une augmentation des niveaux de protéine KRAS, ce qui augmente le risque de développer un cancer pour l'organisme.

Comme mentionné précédemment, les mutations synonymes peuvent affecter le repliement de l’ARNm et ainsi affecter l’expression des gènes. Pour vérifier cette hypothèse, l’équipe de recherche a détecté l’interaction chimique entre l’ARNm et les solutions contenant des nucléotides, en utilisant cette méthode pour déterminer la structure réelle de l’ARNm. Les résultats ont montré que les mutations synonymes affectent le repliement de l’ARNm. Il s’agit de la première preuve que des mutations synonymes pouvaient modifier la structure de l’ARNm des gènes du cancer[11].

Cependant, la recherche est loin d’être parfaite. Étant donné que le plasmide introduit dans l’expérience est du matériel génétique déjà épissé, il n’est pas suffisant d’évaluer l’impact des mutations sur l’épissage. Si des mutations synonymes peuvent être systématiquement introduites dans le génome nucléaire de la cellule, les données obtenues seront plus convaincantes ; Bien entendu, cela pose également des défis plus importants à la technologie.

Parallèlement, d’autres scientifiques recherchent également de nouvelles façons de prédire l’impact des mutations synonymes sur l’expression des gènes, principalement la traduction des protéines. Tamir Tuller, biologiste computationnel et synthétique à l'Université de Tel Aviv en Israël, construit des modèles informatiques pour prédire les effets des mutations synonymes sur l'initiation et la vitesse de traduction des protéines.

Helena Persson, généticienne moléculaire à l'Université de Lund en Suède, utilise la fréquence des codons communs mutant en codons rares comme nouvel indicateur pour refléter l'impact des mutations synonymes sur la traduction des protéines, car les changements de fréquence peuvent refléter la vitesse de traduction. L'équipe de Persson a introduit une mutation synonyme dans le récepteur des œstrogènes (un facteur de transcription associé au cancer du sein), convertissant les codons communs en codons rares. Ils ont découvert que le taux de traduction de la protéine était réduit, ce qui est essentiel au repliement correct de la protéine, ce qui fait que la protéine ne se replie peut-être pas correctement. Cependant, curieusement, ce phénomène ne se produit que lorsque plusieurs mutations synonymes se produisent ensemble, ce qui suggère qu’il pourrait y avoir un lien entre différentes mutations synonymes. Ce lien pourrait aider à expliquer pourquoi certains patients présentant des mutations spécifiques ne répondent pas aux médicaments conçus pour les traiter.

En général, l’étude de la manière dont les mutations synonymes interagissent est essentielle pour comprendre non seulement la tumorigenèse, mais également la sensibilité tumorale et la résistance aux médicaments. Actuellement, l’équipe de Persson étudie des combinaisons de mutations synonymes pour expliquer ce lien.

Distance par rapport au « traitement des tumeurs »

En plus d’approfondir la compréhension du cancer, l’étude des mutations synonymes peut également apporter certains avantages aux patients. Par exemple, il pourrait être utilisé pour améliorer le dépistage des cancers familiaux tels que le cancer du sein[12]. Actuellement, environ 5 à 10 % des cas de cancer du sein sont héréditaires, mais les scientifiques n’ont découvert les mutations pathogènes que pour un petit nombre d’entre eux. Les réponses à d’autres mutations pathogènes peuvent être trouvées dans des mutations synonymes. À l’avenir, nous pourrons peut-être inclure ces mutations dans le dépistage du cancer afin d’améliorer les indicateurs de dépistage du cancer.

En outre, l’étude des mutations synonymes joue également un rôle dans le développement d’outils diagnostiques et pronostiques du cancer plus généraux. Dans une étude de 2021[13], les chercheurs ont formé un algorithme d’apprentissage automatique en utilisant un ensemble de données de mutations synonymes trouvées dans des échantillons de cancer humain pour prédire le type de cancer et la probabilité qu’un patient soit en vie 10 ans après le diagnostic initial. Lorsqu’ils ont testé les algorithmes sur un nouveau sous-ensemble de données, ils ont constaté que leur précision était aussi bonne que celle des algorithmes formés uniquement sur des mutations non synonymes. Ce pouvoir prédictif des mutations synonymes n’indique pas nécessairement un effet favorisant la maladie, mais il peut simplement refléter le paysage mutationnel dans les génomes du cancer. Cela fournit aux scientifiques une justification solide pour inclure des mutations synonymes comme biomarqueurs dans les outils de classification des tumeurs et de détermination des traitements appropriés.

Toutes les recherches sur le cancer visent en fin de compte à le traiter, et les cancers causés par des mutations synonymes semblent être plus difficiles à traiter que les cancers causés par des mutations non synonymes. La plupart des thérapies ciblant les cancers causés par des mutations non synonymes sont conçues pour inhiber la protéine pathogène produite par le gène muté, tandis que la plupart des mutations synonymes peuvent ne pas affecter du tout la structure de la protéine finale. Mais encore une fois, même si une mutation synonyme n’affecte pas la structure des protéines mais a plutôt un effet sur d’autres processus d’expression génétique, elle peut être traitée en utilisant les mêmes traitements que les mutations non synonymes. Par exemple, pour les mutations qui provoquent des changements dans la structure de l'ARNm, un oligonucléotide antisens peut être utilisé (les oligonucléotides antisens se lient à l'ARN du gène cible et peuvent affecter l'expression du gène cible par divers mécanismes) pour bloquer les effets des mutations synonymes. Actuellement, les oligonucléotides antisens ont été approuvés pour le traitement de certaines maladies, comme la correction de l’épissage génétique défectueux qui cause la dystrophie musculaire de Duchenne[14].

Au cours des dernières décennies, la génomique du cancer a fait des progrès significatifs dans l’étude mécaniste et le traitement des mutations non synonymes, mais la recherche sur les mutations synonymes ne fait que commencer. Ces dernières années, de nouvelles preuves ont continué de montrer qu’ils ont un impact sur le cancer ; Bien que les mutations synonymes aient été ignorées dans le passé, les scientifiques devraient désormais s'intéresser à nouveau aux mutations synonymes, ce qui pourrait ouvrir une nouvelle voie de recherche au bénéfice de l'humanité.

Références

[1]Liu, F., Calhoun, B., Alam, MS et al. Rapport de cas : une mutation synonyme de VHL (c.414A > G, p.Pro138Pro) provoque un hémangioblastome familial pathogène par épissage dérégulé. BMC Med Genet 21, 42 (2020). https://doi.org/10.1186/s12881-020-0976-7

[2]https://www.spectrumnews.org/news/synonymous-mosaic-mutations-may-autism-risk/

[3]https://www.cell.com/cell/pdfExtended/S0092-8674(14)00145-7

[4]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3746936/

[5]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30321177/

[6]https://www.science.org/doi/10.1126/scisignal.abp8972

[7]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12554675/

[8]https://www.science.org/doi/10.1126/science.1135308?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed

[9]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0163272

[10]https://www.nature.com/articles/s41467-019-10489-2

[11]https://www.nature.com/articles/nprot.2006.249

[12]https://www.createhealth.lth.se/canfaster/finished-canfaster-projects/functional-analysis-of-silent-mutations-in-familiar-breast-cancer/

[13]https://www.nature.com/articles/s41525-021-00229-1

[14]https://practicalneurology.com/news/fda-approves-antisense-oligonucleotide-therapy-for-duchenne-muscular-dystrophy-subtype

Cet article est soutenu par le projet de vulgarisation scientifique « Chine Ciel étoilé ».

Produit par : Association chinoise pour la science et la technologie, Département de vulgarisation scientifique

Producteur : China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.