INITIATION |
L'initiation consiste dans un processus irréversible et rapide par lequel une lésion définitive du DNA est produite, et sera transmise aux cellules filles. Les molécules produisant cette initiation sont appelées génotoxiques.
La mutation produite est souvent le résultat d'un adduit (addition d'un produit à la molécule d'ADN) entre le carcinogène chimique et un nucléotide du DNA. Une corrélation existe entre le nombre d'adduits produits expérimentalement et le nombre de tumeurs qui vont se développer. Peu de tumeurs ne comportent pas d'adduits.
L'adduit covalent, provoqué par un agent chimique, ne produit pas une cellule initiée par lui-même, les mécanismes de réparation du DNA intervenant pour empêcher la transmission d'un matériel génétique altéré. Pour que l'initiation survienne, une division cellulaire non contrôlée doit survenir,
- soit en réaction à la nécrose cellulaire voisine induite par le toxique lui-même,
- soit par d'autres toxiques associés,
- soit par des agents biologiques tels que virus, parasites, troubles diététiques ou hormonaux.
Les cellules initiées ne sont pas des cellules tumorales. Elles n'ont pas acquis une autonomie de croissance. On ne peut les distinguer morphologiquement des autres cellules non initiées.
Principales étapes de l’initiation cellulaire.
Le carcinogène est souvent détoxifié et excrété avant d'agir.
C'est sous forme soluble que les composants électrophiles peuvent pénétrer dans les cellules et former des adduits sur le DNA.
Vis à vis de ces adduits, soit
une réparation est possible,
soit elle aboutit à une mort cellulaire,
soit une initiation est produite et transmise aux cellules filles
Diversité des structures chimiques
Les carcinogènes chimiques humains connus sont variés dans leur structure chimique et leur origine. Ils peuvent être issus des produits industriels ou être des produits naturels.
Leur structure biochimique inclut :
- les hydrocarbures polycycliques aromatiques, formés par la combustion incomplète des carburants fossiles (pétrole, charbon), des aliments ou du tabac, (benzopyrène et dérivés),
- les amines aromatiques, qui se retrouvent dans les colorants, l'industrie du caoutchouc, mais aussi la fumée de cigarette, les gaz d'échappement du diesel, les produits de pyrolyse de certains aliments (poissons grillés, huiles alimentaires),
- les nitrosamines, nitrosamides et nitrosurées, contaminants universels de la nourriture, des boissons, des cosmétiques, du tabac,
- l'aflatoxine B1 contaminant des cacahuètes, grains et céréales mal stockés,
- les fibres comme l'asbestose.
La fumée de tabac contient de nombreux carcinogènes : hydrocarbones polycycliques aromatiques, n-nitroso-nor-nicotine, amines aromatiques.
Métabolisme des carcinogènes chimiques
Les carcinogènes chimiques ne sont pas actifs par eux-mêmes. Les réactions métaboliques qui conduisent à la formation d'un métabolite génotoxique sont paradoxalement des réactions de détoxication.
Enzymes de la phase I
Les enzymes de la phase I de détoxication catalysent la modification des groupements fonctionnels. Les monooxygénases des enzymes microsomiales du cytochrome P-450 introduisent un atome d'oxygène sur le substrat biologique selon la formule :
Les principales réactions de la phase I produites par ces monooxygénases du cytochrome P-450 sont les oxydations, des époxydations, (époxyde du chlorure de vinyle par exemple), les N-déalkylations, les déshydrogénations, et les a -hydroxylations des nitrosamines.
D'autres monooxygénases ont été décrites dans les fractions microsomiales, notamment les enzymes à flavine. D'autres enzymes sont impliqués : les peroxydases (notamment celles des prostaglandines), et les réductases.
Enzymes de la phase II
Les réactions de conjugaison permettent le transport des différentes molécules peu solubles, par transferts de groupements variés (acétyle, sulfo, méthyle) de produits hydrophiles endogènes (acide glucuronique, glutathion, glycine). On aboutit à une molécule hydrosoluble pouvant être éliminée dans les urines ou la bile. Cependant, ces mécanismes aboutissent aussi à la formation de produits génotoxiques absorbables par les cellules cibles.
Parmi les enzymes, citons epoxyde hydrolase, glutathion S transferase, sulfotransferase, UDP-glucuronyl-transferase, méthyl-transférase, sulfotransférase, acétylase, etc..
Les activités enzymatiques de la phase II varient suivant les tissus et les individus, expliquant les sensibilités variables rencontrées en clinique. La capacité d'acétylation est variable chez l'homme : on distingue des acétylateurs rapides (risque plus élevé de développer un cancer rectocolique) et des acétylateurs lents.
Les adduits
Plusieurs types d'adduits ont été décrits.
Les alkylants ajoutent un radical méthyle
ou éthyle sur un radical azote ou oxygène de l'une des 4 bases du DNA, ou sur le
déoxyribose ou sur le radical phosphate. L'azote N7 de la guanine est le site
privilégié de l'alkylation, mais c'est la liaison avec l'oxygène O6 qui est la plus
importante pour la mutagenèse ou la cancérogenèse, car elle est impliquée dans
l'appariement des bases (erreurs de transcription).
Les amines aromatiques (notamment le N-2-acetylaminofluorène) ou le benzopyrène, après activation epoxidique, se lient avec le carbone C8 des guanines. L'adduit, par sa masse, ne peut se glisser dans l'hélice du DNA, et entraîne une distorsion dans la structure hélicoïdale du DNA, perturbant gravement sa transcription.
D'autres types d'adduits ont été définis et étudiés : malgré leur diversité, il semble exister une homogénéité pour les adduits provoqués par le même type de structure chimique, permettant une reconnaissance du carcinogène.
Les méthodes récentes d'étude (par vecteurs nucléaires, mutagenèse ciblée, mutants, transfection de mutants, etc.) permettent de définir exactement la mutation induite par les adduits.
La propriété commune à tous les types de molécules initiatrices est la présence de formes réactives dites électrophiles. Ces sites (électron déficients) se lient avec des sites riches en électrons ou nucléophiles rencontrés au niveau des protéines et du DNA, pour former des liaisons covalentes ou adduits. Les sites réactifs sont les nucléotides, les liaisons phosphates du DNA ou la base elle-même (atome d'azote, atome d'oxygène, altération des ponts hydrogènes).
Une lésion au niveau du DNA va entraîner une mutation ayant une certaine spécificité pour l'agent : on décrit une atteinte fréquente de l'O6 de la guanine aboutissant à une mutation G-> T induite par les agents alkylants, une mutation base purique vers T induite par les hydrocarbures polycycliques, une double mutation CC-> TT par les radicaux oxydants (ou encore par les rayons UV).
Les agents chimiques inducteurs sont ainsi non seulement carcinogènes mais également mutagènes, ce qui va permettre de les dépister par des tests bactériens de mutagenèse.
Il existe un effet de dose utile pour la prévention qu'elle peut permettre : il existe un effet seuil puis une proportionnalité jusqu'au maximum. Chacune des courbes varie pour un produit, pour une espèce animale, et à l'intérieur d'une espèce pour une race d'animaux. On imagine la complexité de l'extrapolation à l'homme.
Il est difficile d'établir quelle est la dose sans risque, puisqu'il faudrait pour cela connaître la forme de la courbe à des dilutions plus faibles, c'est-à-dire lorsque le risque se rapproche de ce que l'on constate en clinique humaine. Ce phénomène rejoint la notion de 'petites doses' d'irradiation.
Après lésion du DNA, les enzymes de réparation vont être impliqués pour une transmission fidèle du DNA.
Les mécanismes appelés conservatifs maintiennent l'intégrité de l'information génétique. Ils sont constitutifs et toujours présents dans la cellule, prêts à intervenir à tout instant. On décrit des insérases, des glycosylases et méthyltransférases qui réparent les liaisons localisées à une base. En cas de lésion plus importante, le mécanisme d'excision et de resynthèse intervient, faisant appel aux protéines de reconnaissance uvrA, uvrB et uvrC (uvr pour ultraviolet rays), à l'endonucléase, à l'exonucléase, à l'ADN polymérase puis à une ligase.
Les mécanismes de réparation 'fautifs' (système SOS) prennent le relais des systèmes de réparation conservatifs. En cas d'une agression massive, les systèmes conservatifs sont saturés, pouvant aboutir à la mort cellulaire. Les systèmes fautifs suppléent au prix d'un manque de fidélité dans la transmission du code génétique
Gènes sensibles : les gènes de la mitose
Les mutations induites par les agents initiateurs sont importantes lorsqu'elles touchent des gènes très sensibles, codant pour les protéines influençant le déroulement de la mitose.
Ces gènes mutés répondront à deux concepts différents :
- soit oncogènes (la mutation entraîne un dérèglement positif),
- soit gènes suppresseurs de tumeurs (la mutation dévoile un contrôle négatif constant).
L'étude des mutations a permis de comprendre le contrôle de la division cellulaire et de la différenciation.
Le gène ras
Ainsi, l'oncogène H-ras (gène muté codant pour les protéines Ras) peut être révélé par exposition de rats femelles à la méthyle nitrosurée, avec une atteinte élective de la guanine 35 du gène transformé en adénine. L'hydrocarbone polycyclique aromatique DMBA provoque une mutation du gène H-ras au niveau de l'adénine 181, transformé en thymine. Le gène Ras muté est activé, et induit un signal anormal vers le noyau.
Chez l’homme, les mutations de la
protéine Ras portent sur les codons 12, 13 et 61. Les mutations peuvent être très
fréquentes (90% des cancers du pancréas, 50% des cancers du colon, 50% des cancers de la
thyroïde ou dans 30% des leucémies myéloïdes) ou peu fréquentes (6% dans les cancers
de la vessie, 15% des cancers de l’ovaire). Ces mutations portent sur les trois
protéines Ras connues, H-Ras, K-Ras, N-Ras. Les mutations, très sélectives, semblent
inhiber l’activité GTPasique et donc laisser en permanence Ras sous forme active
liée à un groupe GTP.
Le gène p53
Les mutations sur le gène de la protéine p53 ont été très étudiées dans les tumeurs humaines dont certaines sont typiques de l'organe et de l'agent initiateur. Elles se concentrent sur le site de liaison de la protéine p53 avec le DNA (un des 4 codons), et en particulier dans la zone 245 à 251.
Dans les tumeurs ‘spontanées’ coliques et cérébrales, les mutations consistent en une transition (changement d’une base purique pour un autre : G->A ou A->G, ou d’une base pyrimidique pour une autre C-> T ou T->C), concentrées, le plus souvent, sur une séquence dinucléotide CpG. A ce niveau, on observe une méthylation fréquente de la cytosine en 5-méthylcytosine, ce qui augmente le risque de mutations d’un facteur 10 à 40, par déamination de la 5-méthylcytosine en thymidine. Trois codons sont particulièrement sensibles à ce type de mutation avec déamination : les codons 175, 248 et 273.
Dans les tumeurs du poumon, elle consiste en
une transversion (passage d’une base purique à une base pyrimidique) G – C vers
T - A, sur les bases 155, 273 et 246. L’atteinte du codon 246 est retrouvée
constamment in vitro avec les carcinogènes de la fumée de cigarette (notamment le
benzopyrène). Une telle transversion n’est pas retrouvée avec les tumeurs
‘spontanées’ non liées au tabac (colon, ovaire, sein, etc.).
Dans les cancers primitifs du foie, la mutation par transversion G->T du codon 249 ressemble à celle observée avec l'aflatoxine in vitro. La mutation de ce codon supprime la fonction de la protéine p53.
On verra plus loin la façon dont les virus peuvent s’associer avec la p53 et expliquer certaine inactivation.
De même, les ultraviolets, qui sont responsables de l’accroissement du nombre de cancers cutanés, agissent spécifiquement sur des sites di-pyrimidiques (TT, CT, CC, TC) et aboutissent à une transition de C vers T. Un certain nombre de transitions sont doubles (CC vers TT). Le plus souvent, c’est le codon 245 qui est atteint.
Tabac