Archives pour l'étiquette telomère

[Flash Info Chimie] #16 Cibler les quadruplexes de guanine

Quand Marie-Paule Teulade-Fichou publie un article dans la revue Angewandte, cela ne se rate pas. En fait, j’aime bien M.-P. Teulade. Parce que c’est une copine à mon ancien directeur de thèse, et qu’elle a travaillé sur des molécules assez similaires à celles qui m’intéressaient à l’époque. Et aussi parce qu’elle a eu l’intelligence de remettre profondément en cause les pré-supposés scientifiques dans son domaine de spécialisation.

C’est qu’elle, et son équipe, travaille sur la mise au point de composés qui ciblent, et qui stabilisent les « quadruplexes de guanine ». Ces structures ont été découvertes in vitro, avant d’être mises en évidence in vivo récemment. Elles sont présentes à plusieurs niveaux dans l’ADN, et en particulier à ses extrémités, où l’ADN est localement « simple brin » (on n’a plus une double hélice, mais… une simple) Un petit schéma pour essayer de mieux voir :

En haut, on voit, à partir de quatre guanines (une des bases azotées de l'ADN), comment se forme les quadruplexes (appelés G4). En dessous, les différentes façons de se former de ces G4. Avec 4 brins (B), 2 brins (C), ou un seul (D et E)

En haut, on voit, à partir de quatre guanines (une des bases azotées de l’ADN), comment se forme les quadruplexes (appelés G4). En dessous, les différentes façons de se former de ces G4. Avec 4 brins (B), 2 brins (C), ou un seul (D et E)

Lorsqu’on a découvert que les G4 pouvaient se trouver à l’extrémité des chromosomes (au niveau des « télomères »), on s’est dit qu’ils pouvaient, s’ils étaient stabilisés, inhiber la télomérase, une protéine qui bloque l’horloge biologique et permet aux cellules cancéreuses d’être immortelles. Manque de pot, ça ne marche pas très fort.

Par contre, la stabilisation de ces structures présentes aussi au coeur de l’ADN peut provoquer la suppression de la traduction de deux oncogènes (impliqués dans la survenue de cancer). donc les molécules stabilisatrices ont un intérêt biomédical certain. J’avais abordé en deux billets la question des télomères, de la télomérase, et des ses inhibiteurs (et par ici pour la seconde partie)

Dans cet article, l’équipe de Teulade-Fichou a mis au point de nouveaux stabilisateurs de G4 (il en existe déjà quelques uns, voir dans mes billets cités plus haut). Leurs intérêts est d’être activés par irradiation aux UV. Vous imaginez la situation (idéalisée, bien sûr) : ces composés, inoffensifs au départ, vont partout dans le corps, dans les cellules cancéreuses comme dans toutes les autres. Mais on éclaire aux UV la tumeur : là ils deviennent hyper-agressifs, et bloquent l’ADN sous forme de G4 : les cellules tumorales meurent, et le patient… survit ! Cette technique a déjà fait ses preuves dans les laboratoires de recherche, mais j’avoue ne pas avoir fait de recherche approfondie pour savoir si cela a déjà été testé sur l’homme. (on peut trouver par exemple un brevet sur la question). Les chercheurs sont plus prudents, et parlent ici d’un outils pour la recherche en biologie, même si in vitro, l’inhibition des cellules cancéreuses (lignées MCF7 (cancer du sein) et A549 (cancer du poumon) est déjà intéressante.

Alors les voilà, ces loup-garous prêts à ce transformer en tueurs de cellules dès que la pleine lune (heu…, des UV) les éclairent :

le "XL" indique une partie variable des molécules. 6 exemples différents ont été ici publiés

le « XL » indique une partie variable des molécules. 6 exemples différents ont été ici publiés

Une dernière chose, et non des moindres : ces stabilisateurs de G4 montrent in vitro une sélectivité pour les différents quadruplexes de guanine, en fonction de leur emplacement dans l’ADN, en bout de chaîne (au niveaux des télomères) ou au milieu de l’ADN. Il s’agit là d’une première dans ce type de composés, et permettra, espèrent les auteurs, de mieux comprendre le rôle de ces structures dans l’expression, la protection de l’ADN.

« Photo-Cross-Linking Probes for Trapping G-Quadruplex DNA » D. Verga, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, Early View

 

Les télomères et la télomérase (2)

On en était où déjà ? Ah oui, et la télomérase, alors ? (Voir précédent billet )

La télomérase est une protéine, comme son nom l’indique. Elle sert à rallonger les télomères qui, comme on l’a déjà dit, se raccourcissent à chaque division cellulaires. En fait, cette protéine va rajouter quelques séquences télomériques « -G-G-T-T-A-G- » à l’extrémité du brin G (voir billet précédent pour la définition) (L’autre brin pourra alors être à son tour allongé par une autre polymérase).

C’est une protéine couplée à un brin d’ARN, qui va servir en particulier comme modèle pour allonger le brin : complémentaire de la séquence télomérique, il va permettre le recrutement des bonnes bases, dans le bon ordre, et qui vont se lier au reste de l’ADN.

Source : Wikipédia

Source : Wikipédia

Mais quel est l’intérêt de la télomérase ?

Ben à ne pas vieillir, tiens ! Les télomères se raccourcissent à chaque division cellulaire, et lorsqu’ils sont trop courts, la cellule entre en sénescence, c’est à dire qu’elle ne se divise plus. C’est la raison pour laquelle on dit que ces telomères sont des horloges biologiques. Plus ils sont courts, plus la cellule est vieille.

Seulement dans le corps, il y a des cellules qui ne doivent pas vieillir : ce sont par exemple les cellules germinales, qui doivent pouvoir se diviser un nombre très important de fois, pour former les gamètes nécessaires à la reproduction. Les télomérases vont être très actives dans ces cellules, ce qui permet l’allongement des télomères, c’est-à-dire… l’immortalité, et la capacité à se diviser autant de fois que cela est nécessaire ! Par contre, il y a très très peu de télomérase dans les cellules somatiques, de durée de vie limitée. [Il y aurait aussi une forte activité des télomérases dans les cellules souches]

Il y a un autre type de cellules dans lesquelles les télomérases ont une forte (très forte) activité : il s’agit des cellules cancéreuses : de 60% à 80% d’entre elles exprimeraient la télomérase, ce qui est une proportion énorme. Ces télomérases permettent tout simplement de les rendre « immortelles », et elles peuvent ainsi se multiplier, sans jamais entrer en sénescence.

Ces découvertes autour des télomères et de la télomérase, ont énormément intéressé les chercheurs en cancérologie : on tenait un des facteurs clé de l’immortalité des cellules tumorales ! L’inhiber, le rendre inefficace, pourrait ainsi signifier priver ces cellules de leur longévité, et ainsi, les rendre innoffensives.

Seulement voilà, inhiber la télomérase, on ne sait pas bien faire, à l’heure qu’il est.

C’est pas toujours facile de trouver un inhibiteur : grosso modo, on a deux solutions :

  • On prend des dizaines de milliers de molécules différentes, et on les teste sur des modèles in vitro. Y en a peut-être une qui fonctionnera à peu près ! Encore faut-il avoir le matériel, la « chimiothèque » (collection de molécules), et aussi le « modèle » qui fonctionne ! En général, on prend simplement des lignées de cellules cancéreuses, et lorsqu’on trouve une molécule qui les détruit efficacement, on cherche à retrouver avec quelle protéine elle interagit.
  • On étudie à fond et en détail la protéine à inhiber, et on sort, grâce à des simulations in silico, et grâce à l’intelligence du chimiste. biochimiste, LA molécule qui conviendra. Reste à la fabriquer ensuite… Et encore faut-il avoir de quoi étudier à fond la télomérase, connaître sa structure 3D in vivo, etc…
  • Bien sûr, en général, on fait un mélange de ces deux solutions, on teste, on étudie et simule, on affine, et on re-teste des composés un peu plus adaptés, etc…

Dans le cas de la télomérase, on a trouvé une magnifique molécule qui semble l’inhiber : appelée la télomestatine, extraite de la bactérie Streptomyces Anulatus :

La télomestatine ; découverte en 2001, sa structure est unique : quasiment répétitive, elle est aussi quasiment plane, comme un grand plateau

La télomestatine ; découverte en 2001, sa structure est unique : quasiment répétitive, elle est aussi quasiment plane, comme un grand plateau

Sa structure a tout de suite intrigué les chimistes et biologistes : quel pouvait être son mode d’action ?

Stabiliser les quadruplexes de guanine

Pour que la télomérase fasse son travail d’élongation, il a été établi que l’extrémité de l’ADN télomérique doit être libre, et pas sous forme de G-quadruplexe, ni de T-loop. Or on a vu qu’a priori, afin de protéger le patrimoine génétique, ce n’était pas le cas. En stabilisant ces structures, la télomérase ne pourrait plus, en principe, allonger les télomères, et la cellule redeviendrait mortelle.

La télomestatine est justement un stabilisateur de G-quadruplexe. Elle s’insère entre deux plateaux de guanine, et maintient l’édifice dans les conditions où il devrait se défaire pour permettre l’élongation.

En jaune, le quadruplexe de Guanine. En bleu blanc rouge la télomestatine. (modélisation numérique) (source)

En jaune, le quadruplexe de Guanine. En blanc et couleurs, la télomestatine. (modélisation numérique) (source)

Stabiliser ce type de structure a un autre intérêt : les G-quadruplexes apparaissent dans d’autres région de l’ADN, riche en guanine. En particulier, ces structures apparaissent dans deux gènes (ou dans leurs régions promotrices, qui permettent leur traduction), nommés c-Kit et c-Myc. Or dans un nombre important de cancers, un de ces deux apparaît sous forme muté, et favorise le développement anarchique de la cellule. Cibler les G-Quadruplexes, c’est aussi cibler ces gènes !

Beaucoup de molécules ont été mises au point pour stabiliser les quadruplexes de guanine (la télomestatine est beaucoup trop toxique pour l’homme pour servir en chimiothérapie…). Et certaines sont très efficaces, comme l’acridine BRACO-19 , d’une des grandes spécialistes du sujet, Marie Paule Teulade-Fichou, de l’Institut Curie.

Quelques stabilistateurs de G-Quadruplexes, dont le BRACO 19 de M.P. Teulade-Fichou (source)

Quelques stabilistateurs de G-Quadruplexes, dont le BRACO 19 de M.P. Teulade-Fichou (source)

Certains de ces stabilisateurs sont ainsi aujourd’hui en phase clinique II pour la chimiothérapie de certaines tumeurs, comme la quarfloxine (en bas à droite).

Cependant, l’étude de leur activité montre que l’inhibition de la télomérase reste très modeste (sauf dans le cas de la télomestatine), et l’élongation des télomères peut se poursuivre (on pourra lire cet article de M.P. Teulade Fichou). Par contre, l’inhibition de la traduction des gènes c-Kit et c-Myc par la stabilisation des G-quadruplexes semble être réellement importante, et prometteuse en terme de développement de nouveaux agents anticancéreux (voir cet article ou celui-là par exemple. C’est réellement passionnant, il faut le dire)

La preuve apportée récemment que les G-quadruplexes existent in vivo (Etude publiée dans Nature Chemistry), et qui a fait les gros titre d’une certaine presse scientifique, permet surtout de confirmer le mode d’action des stabilisateurs de ces structures. Il s’agit ainsi plus une confirmation qu’une réelle avancée (sauf peut-être sur la méthodologie employée, mais j’avoue que je ne me suis pas renseigné sur ce sujet)

Quant à la télomérase, il reste encore tout à faire pour trouver de véritables inhibiteurs, qui, compte tenu de sa quasi omniprésence dans les cellules cancéreuses, seraient des agents anticancéreux au large spectre d’action.

Les télomères et la télomérase (1)

Ah, les télomères, et les télomérases. Rien à voir avec un quelconque lien de parentalité avec qui que ce soit. Par contre, il semblerait que c’est pas mal la mode, du côté des biologistes moléculaires et des chimistes. Va falloir expliquer tout ça maintenant, surtout quand Futura Science publie un petit billet sur les G-Quadruplexes en passant à côté des éléments les plus intéressants ! Alors c’est quoi, les télomères ? Le web scientifique regorge d’information sur ces extrémités des chromosomes, surtout depuis l’obtention du prix Nobel de médecine par Elizabeth H. Blackburn, Carol W. Gleider et Jack W. Szostak en 2009 sur leur étude, ainsi que l’étude de la télomérase.

Pour essayer en quelques lignes et schéma d’être clair, il faut d’abord se souvenir que l’ADN est constitué de 2 très longues molécules, formant les montants d’une échelle immense, où chaque barreau est constitué des fameuses « bases azotés ».

Vue d'artiste d'une portion d'ADN. On voit les deux brins, en bleu, reliés entre eux par les bases azotées.

Vue d’artiste d’une portion d’ADN. On voit les deux brins, en bleu, reliés entre eux par les bases azotées.

Si on prend un groupe de 2 brins d’ADN en entier, on a, grosso modo, ce qu’on appelle un chromosome. Oui, ces fameux X, Y, qui donnent notre sexe, ou chromosome 21 qui vont malheureusement parfois par 3 (et provoque la trisomie 21).

Alors c’est quoi, les télomères ?

Les chromosomes sont tous fait de la même manière : de l'ADN enroulé sur lui même, et condensé, à l'aide de certaines protéines...

Les chromosomes sont tous fait de la même manière : de l’ADN enroulé sur lui même, et condensé, à l’aide de certaines protéines…

Comme on le voit (mal) sur cette image, les extrémités du chromosome, qui sont les extrémités de la longue double hélice de l’ADN, sont appelés les télomères.

 Bon, maintenant, on sait où ils se trouvent. Ce qui est amusant/intéressant/passionnant (barrer les mentions inutiles), c’est que ces extrémités ont une structure toute particulière : la séquence des bases azotées qui composent l’ADN devient répétitive : cela dépend des espèces, mais par exemple, chez l’homo sapiens, un brin a la séquence TTAGGG qui se répète plusieurs centaines de fois [ Rappel inutile pour beaucoup : il existe au sein de l’ADN quatre bases azotés, dont la séquence constitue l’information génétique : A Adénine C Cytosine G Guanine T Thymine ]. L’autre brin a la séquence complémentaire, qui permet de former la fameuse échelle au complet. Enfin, pas tout à fait…

Reprenons un peu de la hauteur : les cellules sont bien faites, et, heureusement, toute une machinerie cellulaire est là pour protéger le patrimoine génétique des intrus, virus et compagnie, et pour réparer l’ADN endommagé. Les extrémités des chromosomes posent évidemment des soucis : Rien ne distingue un morceau d’ADN libre, potentiellement pathogène, de la fin ‘brutale’ du chromosome ! Des enzymes sont là pour dégrader alors cet ADN. Ou encore, d’autres enzymes pourraient « réparer » le chromosome en le greffant à un autre, en croyant reconnaître de l’ADN accidentellement coupé (et donc à ressouder illico) !

Alors comment les télomères protègent l’ADN ?

La plupart des procaryotes ont résolu le problème en ayant un ADN circulaire. Pour les autres organismes, il fallait trouver un moyen d’éviter ce problème. Et, évidemment, c’est là que les télomères interviennent.

Tout d’abord, cette structure est non codante (c’est à dire qu’elle n’est pas un gène, elle ne donne pas lieu à une traduction en ARN messager, puis protéines, etc.) et forme une horloge moléculaire : en effet, à chaque division cellulaires, les extrémités des chromosomes sont amputés d’un petit bout (quelques dizaines de bases) ; et lorsqu’il ne reste presque plus de séquence télomérique ( T-T-A-G-G-G-T-T-A-G-G-etc.), la cellule ne se divise plus (c’est ce qu’on appelle la sénescence). Le patrimoine génétique ne souffre donc pas des divisions successives, jusqu’à ce que la cellule stoppe sa reproduction.

Mais cela ne suffit pas. La structure des télomères permet de « cacher »  les extrémités de la longue double chaîne d’ADN, afin de prévenir de sa dégradation. Pour cela, un des deux brins est plus long que l’autre de 150 à 250 bases. Ce brin, riche en guanine (« G ») va pouvoir s’insérer dans la double hélice, en formant une boucle (appelée T-loop) :

A Le télomère avec le brin G ("G-Rich Strand") B La boucle T-Loop, avec formation locale d'ADN triplex C Ne soyons pas si naïf : cette strucutre T-Loop se forme en présence de protéines qui permettent de modeler la structure globale du télomère

A Le télomère avec le brin G (« G-Rich Strand »)
B La boucle T-Loop, avec formation locale d’ADN triplex
C Ne soyons pas si naïf : cette strucutre T-Loop se forme en présence de protéines (en jaune et vert)qui permettent de modeler la structure globale du télomère ( Source )

En formant cette boucle, l’ADN n’offre plus d’extrémité libre, et est donc protégée. Seulement, l’observation de ces structures est commune in vitro, mais pas si triviale in vivo, pose des problèmes de compréhension du mécanisme d’allongement des télomères (On y reviendra un peu plus tard, promis). Un assez large consensus se dégage néanmoins sur l’existence de ces structures in vivo.

Un autre type de structure de l’ADN a été aussi observé in vitro, et plus récemment in vivo : il s’agit des quadruplexes de guanine, ou « G-quadruplexes ». En fait, cet ADN riche en guanine peut se replier sur lui-même, en formant des « plateaux » formés de l’assemblage de 4 guanines :

On voit ici la formation des G-quadruplexes : ces structures peuvent se former à partir de 4 brins (B), 2 brins (C et D), ou un seul (E). Un ion occupe la partie centrale du "plateau" (source)

On voit ici la formation des G-quadruplexes : ces structures peuvent se former à partir de 4 brins (B), 2 brins (C et D), ou un seul (E). Un ion occupe la partie centrale du « plateau » (source)

 Ces structures semblent aussi se former dans les parties double brin du télomère, ou du reste de l’ADN, dès que la séquence est riche en guanine. Leur rôle n’est pas très clair : il semblerait qu’elles induisent plus rapidement la dégradation de l’ADN, et pourrait bloquer l’action de la télomérase, la fameuse protéine qui permet de rallonger les télomères.

Avant la suite de cet article, il est important de redire l’importance des protéines qui interagissent en permanence avec l’ADN : on le représente toujours « nu », comme une double hélice qui flotte dans le noyau de la cellule, alors qu’il est en permanence tordu, replié, enroulé, déroulé par ces protéines. Et au niveau des télomères particulièrement : le nombre de protéines qui interagit avec ces extrémités est impressionnant, et elles sont indispensables à la formation des différentes structures (T-loop, ADN triplex,…) des télomères.

Et les télomérases, alors ?

Un peu de suspense, ça sera pour la prochaine fois !

Sources :

Wikipédia

Riou et al., Bull. Cancer. 2005, 92(1), 13-22 (http://www.jle.com/fr/revues/medecine/bdc/e-docs/00/04/10/33/article.phtml)

Riou et al. Bull. Cancer 2003, 90(4), 305 (http://www.jle.com/fr/revues/medecine/bdc/e-docs/00/03/F9/49/article.phtml?fichier=images.htm)

http://www.ch.ic.ac.uk/local/projects/burgoine/origins.txt.html