Chapitre 10 : Réparation de l'ADN dans les conditions pathologiques

1. Introduction

Qu’est-ce qu’une lésion de l’ADN selon la définition du cours ?

Toute modification de la structure moléculaire de l’ADN.

Quels composants de l’ADN peuvent être touchés par une lésion ?

Les bases (N, C, O), le désoxyribose ou le lien phosphodiester.

Quels types d’ADN peuvent accumuler des lésions dans la cellule ?

L’ADN nucléaire (nDNA) et l’ADN mitochondrial (mtDNA).

Pourquoi le mtDNA est-il proportionnellement plus exposé aux lésions que le nDNA ?

Parce qu’il n’est pas protégé par des histones et il est plus exposé aux espèces réactives de l’oxygène.

Quelles sont les trois grandes origines possibles des lésions de l’ADN ?

• Processus intrinsèques
• Agents physiques (γ, X, UV)
• Substances chimiques endogènes ou exogènes

Quels sont les types de lésions de l’ADN ?

Les lésions peuvent être variées :

• Perte d’une base → formation d’un site apurinique/apyrimidique (AP),

• Mésappariement (mismatch),

• Désamination (ex. : G → U),

• Liaisons croisées (crosslinks) :

  • Intra-brin : entre deux bases du même brin,

  • Inter-brin : entre deux brins complémentaires,

• Agents intercalants : insertion de molécules entre les bases,

• Cassures simple brin (SSB) ou double brin (DSB).

• Dimères de pyrimidines

• Adduits volumineux

Quel est l’effet d’un blocage de la réplication induit par une lésion de l’ADN ?

Un effet létal.

Quelle est la conséquence d’un blocage de la transcription ?

Un effet cytostatique ou toxique (ralentissement du métabolisme cellulaire)

Quel est l’effet mutagène des lésions de l’ADN ?

L’induction de mutations → risque de transformation cancéreuse.

Quelles sont les conséquences globales communes de ces effets ?

• Instabilité génomique
• Risque accru de cancer
• Vieillissement accéléré
• Maladies neurodégénératives

2. Réparation par inversion directe de la lésion

Quelles sont les caractéristiques principales de la réparation par inversion directe ?

Mécanisme simple et rapide pours les petites lésions chimiques :

• Une seule étape

• Une seule enzyme

• Mécanisme sans erreur

• Faible consommation d’ATP

Quelle enzyme est impliquée dans la réparation directe des O6-alkylguanines ?

O6-Méthylguanine Méthyltransférase (MGMT) / AGT.

Quelle lésion spécifique est réparée par MGMT ?

Le groupe alkyle (CH₃) lié à l’oxygène en position 6 de la guanine.

Vers quel acide aminé MGMT transfère-t-elle le groupe alkyle ?

Un résidu cystéine situé en position 145 de la protéine MGMT.

Pourquoi dit-on que MGMT est une protéine suicidaire ?

Parce qu’elle agit une seule fois après le transfert du groupe alkyle.

Quelle est la structure générale de MGMT ?

Une petite protéine monomérique.

Quelle lésion s’accumule lorsque MGMT est inactive ?

L’O6-méthyl-guanine (O6-meG).

Pourquoi l’O6-meG est-elle considérée comme mutagène ?

• Si O6-meG s’apparie avec C → pas de mutation

• Si O6-meG s’apparie avec T → transition GC → AT

Quels effets l’O6-meG a-t-elle sur la réplication ?

Elle bloque la réplication, entraînant une instabilité chromosomique et des échanges entre chromatides sœurs.

Quels autres effets cellulaires sont induits par l’O6-meG ?

• Blocage de la transcription
• Pontages anormaux → SSB ou DSB

Comment varie l’expression de MGMT dans les tissus et les tumeurs ?

Elle est très variable : surexprimée ou éteinte par hyperméthylation des îlots CpG du promoteur.

Que révèle l’étude des niveaux de MGMT chez les patients atteints d’un même cancer ?

Une forte hétérogénéité interindividuelle.

Comment MGMT protège-t-elle contre le cancer ?

En éliminant les lésions alkylantes, elle prévient la mutagenèse et la transformation maligne.

Pourquoi MGMT peut-elle poser problème en oncologie ?

Parce qu’elle protège aussi les cellules cancéreuses contre les effets délétères de la chimiothérapie.

Quel est le mode d’action du Temozolomide (TMZ) ?

Un agent méthylant (O6-meG, O4-meT).

→ Il est considéré comme la thérapie standard la plus efficace pour les glioblastomes nouvellement diagnostiqués.

Pourquoi le TMZ est-il utilisé dans le traitement des glioblastomes ?

Il pénètre la barrière hémato-encéphalique et induit des méthylations toxiques de l’ADN/

Comment l’expression de MGMT influence-t-elle l’efficacité du TMZ ?

L’efficacité de TMZ est inversée par l’expression de l’enzyme O6-MGMT.

→ les gliomes malins exprimant de faibles niveaux de MGMT sont plus sensibles à la suppression tumorale induite par le TMZ et présentent une survie accrue.

Chez quels patients le TMZ est-il administré ?

Uniquement lorsque MGMT n’est pas fonctionnel.

Quels agents chimiothérapeutiques nitrosourés sont mentionnés ?

La Bis-chloroéthylnitrosourée (BCNU, Carmustine) et la Chloroéthyl cyclohexyl nitrosourée (CCNU, Lomustine) 

= Agents alkylants

Quel type de lésions induisent BCNU et CCNU ?

Des pontages inter-brins, principalement via l’oxygène en position 6 de la guanine. Ils réagissent aussi avec la cytosine et l’adénine.

→ Crée des liaisons croisées entre deux bases qui bloquent la polymérase pendant la réplication et donne des cassures double-brins.

Dans quel contexte clinique ces composés sont-ils utilisés ?

Comme chimiothérapie de deuxième intention du glioblastome.

Quel est leur bénéfice clinique principal ?

Une augmentation de la survie globale d’environ 6 mois.

Comment MGMT influence-t-elle la réponse aux nitrosourées ?

Elle empêche la formation des pontages inter-brins, induisant une résistance.

Quelles stratégies permettent de restaurer la sensibilité des cellules à la chimiothérapie ciblant l’ADN ?

• Fournir des substrats de MGMT pour saturer l’enzyme
• Utiliser des siRNA pour bloquer la transcription et/ou la traduction de MGMT

3. Mécanismes de réparation complexes de l’ADN

Quelles sont les caractéristiques des mécanismes de réparation complexes de l’ADN ?

• Plusieurs protéines/enzymes qui agissent séquentiellement ou simultanément de manière coordonnée
• Plusieurs étapes
• Majoritairement sans erreur
• Consommation élevée d’ATP
• Cassure transitoire de l’ADN

Quels sont les mécanismes de réparation de l’ADN considérés comme sans erreur ?

• BER (excision de base)
• SSBR (cassures simple brin)
• NER (excision de nucléotides)
• MMR (mésappariements)

Quel mécanisme de réparation peut être sans erreur ou sujet à erreurs ?

La DSBR (réparation des cassures double brin)

Quels types de dommages de l’ADN sont réparés par la BER ?

• Désamination spontanée (uracile, xanthine, hypoxanthine)
• Sites AP générés par la perte spontanée d’une base
• ROS endogènes
• ROS induites suite à une exposition (UV-A, radiations ionisantes)
• Composés alkylants (petits groupes comme CH³ ou moyens groupes comme le groupe éthyl)

Quel type de distorsion de l’ADN est réparé par la BER ?

Les petites distorsions de la double hélice.

Quelle est l’ampleur quotidienne des lésions réparées par la BER dans une cellule ?

Environ 10 000 bases endommagées par cellule et par jour.

Pourquoi la BER est-elle considérée comme un mécanisme essentiel ?

• Essentielle durant l’embryogenèse
• Prévient la dégénérescence cérébrale
• Prévient le vieillissement prématuré
• Prévient les cancers

Quelle particularité existe concernant les protéines de reconnaissance des dommages durant l’embryogenèse ?

Elles ne sont pas essentielles, en raison de redondances fonctionnelles.

Quel est le lien entre la BER et la chimiothérapie ?

La BER interfère avec les traitements, ce qui en fait une cible thérapeutique potentielle.

Combien d’étapes composent la réparation par BER et SSBR ?

• Reconnaissance, liaison et élimination des bases endommagées : deux systèmes indépendants pour la BER et la SSBR

• Incision du site AP (2 possibilités) : spécifique à la BER

• Traitement des extrémités de la cassure (plusieurs systèmes possibles)

• Synthèse de l’ADN pour combler le vide (1 ou 2 à 8 nucléotides)

• Ligation

Mécanisme de réparation par excision de base (BER)

Quel est le rôle des ADN-glycosylases dans la BER ?

La reconnaissance, la liaison et l’élimination des bases endommagées.

Quelle liaison est rompue par les ADN-glycosylases ?

La liaison N-glycosidique entre la base et le désoxyribose.

Quelle structure est générée après l’action des ADN-glycosylases ?

Un site AP, avec libération de la base modifiée dans le nucléoplasme.

Quels sont les deux types d’ADN-glycosylases selon leur activité enzymatique ?

• Monofonctionnelles
• Bifonctionnelles

Que fait une ADN-glycosylase monofonctionnelle ?

Elle coupe la liaison glycosidique, génère un site AP puis se dissocie.

Quelle activité supplémentaire possèdent les ADN-glycosylases bifonctionnelles ?

Une activité AP-lyase qui génère une cassure simple brin (SSB).

Comment le site AP est-il clivé lors de la BER ?

• Par l’activité AP-lyase d’une glycosylase bifonctionnelle
• Ou via le recrutement de l’AP-endonucléase 1 (APE-1)

Mécanisme de réparation des cassures simple brins (SSBR)

Quelle enzyme assure la reconnaissance et la détection des cassures simple brin (SSB) lors de la SSBR ?

La PARP-1 (poly(ADP-ribose) polymérase 1).

→ Elle reconnait et se lient aux bases endommagées.

Qu’est-ce que la poly(ADP-ribosyl)ation (parylation) ?

Une modification post-traductionnelle où des polymères d’ADP-ribose sont ajoutés aux protéines par les PARP.

→ Cette réaction nécessite du NAD+.

Quelles enzymes permettent de retirer la parylation ?

PARG (PAR glycohydrolase) et ARH3 (PAR hydrolase).

Pourquoi la parylation est-elle importante pour la réparation de l’ADN ?

Elle introduit des charges négatives qui favorisent le recrutement des protéines de réparation.

Que se passe-t-il lorsque PARP-1 se fixe sur une cassure simple brin ?

Elle se lie à l’ADN, s’auto-paryle et génère des polymères d’ADP-ribose au site de la cassure.

Pourquoi dit-on que la PARP-1 parylée agit comme un “porte-avions” ?

Parce qu’elle facilite l’assemblage coordonné des protéines de réparation sur l’ADN endommagé.

Étapes 3, 4 et 5 communes au BER et au SSBR

Quel est le rôle principal de l’enzyme APE-1 dans la BER et la SSBR ?

Traiter les extrémités pour générer un 3’-OH et un 5’-P.

Quelles activités enzymatiques possède APE-1 ?

• 5’-AP endonucléase
• 3’-phosphatase
• 3’-phosphodiestérase

Pourquoi les cellules dépourvues d’APE-1 ne sont-elles pas viables ?

Parce qu’APE-1 est essentielle à la réparation de l’ADN.

Quelle autre enzyme peut traiter les extrémités après une SSB ou un site AP ?

PNKP (polynucléotide 5’-OH kinase / 3’-phosphatase).

Quelle enzyme assure le comblement du vide lors de la BER et de la SSBR ?

La DNA polymérase β (Pol β).

Quelles sont les deux activités enzymatiques de la Pol β ?

• Activité polymérase (ajout de 1 à 8 nucléotides)
• Activité lyase désoxyribose phosphate dRPase (élimination du désoxyribose phosphate)

Pourquoi la Pol β est-elle considérée comme une enzyme essentielle ?

Grâce à son activité dRPase.

Qu’est-ce que le short patch BER ?

Une réparation impliquant 1 nucléotide, réalisée par Pol β (~80 % des cas).

Qu’est-ce que le long patch BER ?

Une réparation de 2 à 8 nucléotides, réalisée par Pol δ / ε.

Quelle enzyme possède une activité endonucléase lors du long patch BER ?

FEN1.

→ Elle sert à la maturation des fragments d’Okazaki

Quelles enzymes assurent la ligation finale de l’ADN réparé ?

DNA ligase I ou DNA ligase III / XRCC1.

Quel est le rôle spécifique de XRCC1 dans la réparation de l’ADN ?

Elle stabilise la ligase III, sert de protéine échafaud et améliore l’activité d’APE-1.

Les ligases impliquées dans la BER/SSBR sont-elles essentielles ?

Oui, les deux sont essentielles.

Syndromes humains associés à la BER

Pourquoi n’existe-t-il pas de syndrome humain dû à une défaillance complète de la BER ?

Parce que plusieurs protéines BER (telles que APE-1, Pol b, XRCC1 et Ligase III) sont essentielles, et leur perte entraîne une létalité embryonnaire.

Quel syndrome humain est associé à une mutation d’une ADN-glycosylase de la BER ?

Le syndrome MAP (MutYH Associated Polyposis).

Quel gène est muté dans le syndrome MAP et quelle est sa fonction ?

Le gène MYH, codant pour une ADN-glycosylase.

Quelles sont les conséquences cliniques du syndrome MAP ?

Le développement de multiples adénomes colorectaux.

Quelle mutation clé est favorisée dans le gène APC chez les patients MAP ?

Une transversion G → T.

APC est un gène gardien essentiel à la tumorigénèse du côlon, dont les mutations apparaissent très tôt dans le développement des cancers colorectaux.

BER, cancer et thérapie anticancéreuse

Quel est le rôle général de la BER dans la cellule ?

Maintenir l’intégrité du génome en réparant les lésions de bases et les SSB causées par des mutations endogènes ou exogènes.

Quel est le lien entre variations de la BER et cancers sporadiques ?

Des variations de capacité BER sont responsables de nombreux cancers sporadiques.

Pourquoi la BER favorise-t-elle la survie des cellules cancéreuses ?

Parce qu’elle répare les dommages de l’ADN, modulant la sensibilité et la résistance aux traitements.

→ Les cellules cancéreuses détournent BER à leur avantage.

Quels types de résistances thérapeutiques la BER peut-elle induire ?

Une chimiorésistance et une radiorésistance.

Pourquoi cibler les enzymes de la BER est-il envisagé en oncologie ?

Pour développer une thérapie anticancéreuse personnalisée.

Pourquoi le développement d’inhibiteurs BER reste-t-il difficile ?

Par manque de compréhension complète des conséquences de l’inhibition de la BER.

Quelles enzymes BER ont été ciblées avec un succès modéré ?

• ADN-glycosylases (UNG, NEIL1, OGG1)
• Pol β
• Ligases

Pourquoi les inhibiteurs de PARP-1 sont-ils une réussite thérapeutique ?

• Ils empêchent la reconnaissance des cassures simple brin

• Les cassures SSB non réparés se transforment en cassures double brin ce qui conduit à la mort cellulaire.

• Ils augmentent la sensibilité des tumeurs à divers agents génotoxiques.

À quels traitements les inhibiteurs de PARP-1 potentialisent-ils la réponse tumorale ?

• Radiothérapie (rayon γ) : création de ROS et SSB
• Inhibiteurs de topoisomérase I/II : création de SSB & DSB
• Cisplatine : création de pont inter- et intra-brins

Quels inhibiteurs de PARP-1 sont approuvés en clinique ?

Olaparib (Lynparza), Niraparib (Zejula), Rucaparib (Rubraca).

Pour quels types de cancers les inhibiteurs de PARP-1 sont-ils utilisés ?

Les cancers du sein, de l’ovaire et du pancréas.

BER/SSBR et autres maladies : dommages de l’ADN nucléaire et mitochondrial dans la maladie d’Alzheimer

Quelle est une cause majeure de la neurodégénérescence selon le cours ?

L’accumulation de dommages à l’ADN nucléaire (nDNA) dans les cellules neuronales.

Combien de types de lésions de l’ADN nucléaire sont observés dans le cerveau vieillissant ?

Environ 100 types différents.

Quels types de lésions de l’ADN sont particulièrement associés à la dégénérescence neuronale ?

• Pontages inter-brins
• Cassures simple et double brin (SSB, DSB)
• Modifications des bases (ex. 8-oxoguanine)

Quelle est la lésion de l’ADN la plus fréquente dans les neurones ?

Les cassures simple brin (SSB).

Quelles sont les principales causes des SSB dans les neurones

Les ROS et les radiations ionisantes.