Télomères et cancer

Consultez le rapport d'activité scientifique. (pdf 164Ko, mise à jour 4 mai 2007)

Pour proliférer indéfiniment, les cellules cancéreuses doivent maintenir la longueur de leurs télomères. En interférant avec le mécanisme d'élongation télomérique dans ces cellules, on pourrait forcer l'arrêt de la prolifération cellulaire et stopper la progression de la tumeur. Comprendre les bases moléculaires de ces mécanismes peut conduire à l'identification de molécules d'intérêt thérapeutique.

Les télomères sont des structures répétées, (TTAGGG)n chez tous les vertébrés, situées à la fin des chromosomes linéaires. Ils font partie d'une structure macromoléculaire appelée le télosome qui protège et assure la réplication complète des extrémités chromosomiques. La télomérase est un complexe ribonucléoprotéique qui possède une activité transcriptase reverse spécifique d'ARN et capable d'allonger l'extrémité 3' des chromosomes. Cette activité enzymatique est absente dans la plupart de cellules somatiques dans lesquelles le nombre de répétitions télomériques diminue avec chaque division cellulaire à cause du « end replication problem ». Lorsque la longueur télomérique atteint un certain seuil (différent selon le type cellualire), une sénescence mitotique est déclenchée dans la cellule, suggérant un rôle télomérique dans le contrôle de la prolifération cellulaire. Lors de la transformation cellulaire, ce blocage est levé et, en absence d'activité télomérase, le raccourcissement télomérique continue provoquant une instabilité génomique généralisée et la mort cellulaire. La réactivation de l'activité télomérase est le mécanisme le plus fréquemment utilisé par les cellules tumorales afin de re-stabiliser le génome et assurer une capacité illimitée de prolifération. Une faible proportion de tumeurs utilise des mécanimes alternatifs (ALT) pour maintenir leurs télomères. En fin, l'instabilité chromosomique est une caractéristique des cellules tumorales et pourrait concourir à la progression tumorale. Le dysfonctionnement télomérique, avant la réactivation de la télomérase ou en présence des mécanismes ALT, contribuerait à cette instabilité in vivo.

Nous utilisons des modèles cellulaires cultivés in vitro pour étudier le métabolisme des télomères. Nous utilisons notamment la transgenèse et la microscopie pour déterminer les mécanismes moléculaires de réplication télomériques dépendant et indépendant de la télomérase.

Fig. 1 

I. Polymorphisme de longueur télomérique et son impact dans l'évolution caryotypique des tumeurs

Pour être fonctionnel, un télomère doit posséder une taille minimale et la présence de protéines de « capping », dont plusieurs ont été identifiées. La plupart de ces protéines sont exprimées de façon constitutive et sont nécessaires pour la protection, stabilité, la réplication et l'élongation des télomères par la télomérase. Chez l'homme, les longueurs télomériques des chromosomes individuels dans les cellules comatiques sont très hétérogènes. L'utilisation de techniques de Q-FISH nous a permis de mesurer la longueur de télomères individuels et de montrer que des variations alléliques existent. Ces polymorphismes sont définis dans le zygote et maintenus tout au long de la vie. Lorsqu'une cellule est transformée et que ces télomères raccourcissent de façon exagérée, les extrémités chromosomiques deviennent instables, fusiones les unes avec les autres et déclenchent des cycles de cassure-fusion. In vitro, nous avons pu montrer que les extrémités chromosomiques qui portaient auparavant les télomères les plus courts sont les premières à subir des cycles de cassure-fusion. Ceci suggère que la distribution des longueurs télomériques dans une cellule est une variable importante déterminant qualitativement la façon dont le caryotype évolue dans les cellules cancéreuses, du moins pendant les premiers stades de la transformation tumorale. Puisque la distribution de longueurs télomériques est propre à chaque individu, il est concevable que le risque pour une extrémité chromosomique de devenir instable à cause d'un raccourcissement télomérique exagéré varie entre individus. Notre travail vise à présent l'identification de facteurs génétiques qui définissent les polymorphismes de longueurs télomériques chez l'homme et déterminer l'impact de ces polymorphismes sur l'évolution caryotypique dces tumeurs in vivo.

Fig. 2 

II. Mécanismes alternatifs de maintenance des télomères

Un certain pourcentage de tumeurs chez l'homme utilise des mécanismes alternatifs pour la maintenance de leurs télomères. Les mécanismes ALT semblent impliquer des réactions de recombinaison homologue ou homéologue dans lesquelles un télomère est utilisé comme matrice pour l'élongation d'une autre extrémité télomérique. L'évidence de l'utilisation de ALT par certaines tumeurs in vivo est basée sur la détection, à l'examen histologique, des longueurs télomériques extrêmement hétérogènes et la présence de corps d'inclusion spécialisés, les APB. Avec l'intention initiale de développer un test plus spécifique d'activité ALT, nous avons appliqué des techniques de CO-FISH (chromosome oriented FISH) aux télomères. A cause de leur composition asymétrique, chaque brin est identifié séparément sur des chromatides sœurs différentes. Dans toutes les cellules ALT examinées jusqu'à aujourd'hui un pourcentage variable d'extrémités chromatidiques présente une co-localisation de signaux indiquant que des échanges ont eu lieu. Ces échanges ont probablement lieu entre chromatides sœurs (T-SCE), uniquement au niveau télomérique, et ne sont jamais ou rarement observés dans les cellules non ALT. Les T-SCEs pourraient correspondre à une réaction accessoire de la réaction de recombinaison d'allongement télomérique ou la conséquence d'une réponse de dommage à l'ADN déclenchée par des télomères déprotégés (« uncapped »). Nous allons aborder l'étude des mécanismes impliqués dans la dérépression de T-SCEs et des voies de signalisation impliquées dans les réponses aux dommages d'ADN dans les cellules ALT.

À l'avenir, nous allons étudier l'impact de l'instabilité télomérique sur la progression tumorale et notamment son impact dans les profils d'expression de microRNAs. Nous allons aussi étudier les relations entre l'instabilité télomérique et les modifications dans le paysage épigénétique des celllules transformées.

Fig. 3 

Dernière mise à jour : novembre 2008

Publications clés

2010

• Arnoult N, Schluth-Bolard C, Letessier A, Draskovic I, Bouarich R, Campisi J, Kim S-h, Boussouar A, Ottaviani A, Magdinier F, Gilson E and Londono-Vallejo A.
  Replication timing of human telomeres is chromosome-arm specific, influenced by subtelomeric structures and connected to nuclear localization
  PLoS Genet, Apr 22;6(4):e1000920 - Version complète

2009

• Arnoult N, Saintomé C, Ourliac-Garnier I, Riou J-F and Londono-Vallejo A.
  Human Pot1 is required for efficient replication of the telomeric C-rich strand in the absence of WRN
  Genes and Dev., Dec 15, 2009; 23 (24) - Abstract
  Mechanisms of telomere replication remain poorly defined. It has been suggested that G-rich telomeric strand replication by lagging mechanisms requires, in a stochastic way, the WRN protein. Here we show that this requirement is more systematic than previously thought. Our data are compatible with a situation in which, in the absence of WRN, DNA synthesis at replication forks is uncoupled, thus allowing replication to continue on the C strand, while single G strands accumulate. We also show that in cells in which both WRN and POT1 are limiting, both G- and C-rich telomeric strands shorten, suggesting a complete replication block. Under this particular condition, expression of a fragment spanning the two POT1-OB (oligonucleotide-binding) fold domains is able to restore C (but not G) strand replication, suggesting that binding of POT1 to the lagging strand allows DNA synthesis uncoupling in the absence of WRN. Furthermore, in vitro experiments indicate that purified POT1 has a higher affinity for the telomeric G-rich strand than purified RPA. We propose a model in which the relative enrichments of POT1 versus RPA on the telomeric lagging strand allows or does not allow uncoupling of DNA synthesis at the replication fork. Our study reveals an unanticipated role for hPOT1 during telomere replication.
• Draskovic I, Arnoult N, Steiner V, Bacchetti S, Lomonte P and Londoño-Vallejo A.
  Probing PML body function reveals spatiotemporal requirements for telomere recombination
  PNAS, 106(37):15726-31 - Abstract
  Promyelocytic leukemia (PML) bodies (also called ND10) are dynamic nuclear structures implicated in a wide variety of cellular processes. ALT-associated PML bodies (APBs) are specialized PML bodies found exclusively in telomerase-negative tumors in which telomeres are maintained by recombination-based alternative (ALT) mechanisms. Although it has been suggested that APBs are directly implicated in telomere metabolism of ALT cells, their precise role and structure have remained elusive. Here we show that PML bodies in ALT cells associate with chromosome ends forming small, spatially well-defined clusters, containing on average 2-5 telomeres. Using an innovative approach that gently enlarges PML bodies in living cells while retaining their overall organization, we show that this physical enlargement of APBs spatially resolves the single telomeres in the cluster, but does not perturb the potential of the APB to recruit chromosome extremities. We show that telomere clustering in PML bodies is cell-cycle regulated and that unique telomeres within a cluster associate with recombination proteins. Enlargement of APBs induced the accumulation of telomere-telomere recombination intermediates visible on metaphase spreads and connecting heterologous chromosomes. The strand composition of these recombination intermediates indicated that this recombination is constrained to a narrow time window in the cell cycle following replication. These data provide strong evidence that PML bodies are not only a marker for ALT cells but play a direct role in telomere recombination, both by bringing together chromosome ends and by promoting telomere-telomere interactions between heterologous chromosomes.
  - Version complète

2008

• Arnoult N, Shin-Ya K and Londoño-Vallejo A.
  Studying telomere replication by Q-CO-FISH: the effect of telomestatin, a potent G-quadrupex ligand
  Cytogenet Genome Res, 122:229-36. Epub 2009 Jan 30 - Abstract
  Telomere replication is a critical process for preserving genome integrity. The telomere replication fork proceeds unidirectionally from the last subtelomeric origin towards the end of the chromosome, replicating the 5'-3' G-rich strand by lagging mechanisms and the complementary C-rich strand by leading mechanisms. It has been proposed that the G-rich nature of telomeres may favor the formation of secondary structures such as G-quadruplexes during replication and that specific mechanisms must prevent this to allow the fork to progress unimpeded. The potential of G-quadruplex formation by telomeric sequences has been clearly demonstrated in vitro but it is not known whether these structures form in vivo. We tested the effect of a potent and specific G-quadruplex ligand, telomestatin (TMS), on telomere replication using a novel quantitative approach applied to CO-FISH. We show that TMS, although it penetrates and persists within cells, does not affect telomere replication after short or long-term treatments of mouse embryonic fibroblasts. It does however affect the hybridization efficiency of FISH telomeric probes that recognize the G-rich strand. Our work illustrates the use of a novel technique to measure telomere replication efficiency and suggests that G-quadruplex ligands do not affect telomere replication in a non tumoral context.
• Kappei D, Londoño-Vallejo JA.
  Telomere length heritability and ageing
  Mech. Ageing and Dev, Oct 30; [Epub ahead of print]

2007

• Gilson E, Londoño-Vallejo A.
  Telomere Length Profiles in Humans: All Ends are Not Equal
  Cell Cycle, 6(20):2486-94
• Zhdanova NS, Minina1 JM, Karamisheva TV, Draskovic I, Rubtsov NB, Londoño-Vallejo JA
  The very long telomeres in Sorex granarius (Soricidae, Eulipothyphla) contain ribosomal DNA
  Chromosome Res., 15(7):881-90
• Gabet A-S, Accardi R, Popp S, Boukamp P, Sylla BS, Londoño-Vallejo A, Tommasino M.
  Impairment of the Telomere/telomerase System and Genomic Instability are Associated with Keratinocyte Immortalization Induced by the Skin Human Papillomavirus Type 38
  Faseb J., Sept 26. [Epub ahead of print]

2006

• Graakjaer J, der-Sarkissian H, Schmitz A, Bayer J, Thomas G, Kolvraa S and Londoño-Vallejo JA.
  Allele-specific relative telomere lengths are inherited
  Human Genetics, 119(3):344-50

2005

• Goldman F, Bouarich R, Kulkarni S, Freeman S, Du H, Harrington L, Mason PJ, Londoño-Vallejo A and Bessler M
  The effect of TERC haploinsufficiency on the inheritance of telomere length
  PNAS, 102(47):17119-17124