Recombinaison, réparation et cancer : de la molécule au patient

Mots clés : réparation de l’ADN, recombinaison, irradiation, médicaments anti-tumoraux, réponse transcriptionnelle

Depuis la découverte du radium par Pierre et Marie Curie en 1898, le rayonnement ionisant est utilisé pour le diagnostic et le traitement de maladies. En particulier, il constitue un outil efficace pour tuer les cellules cancéreuses. Cependant, il peut également induire des effets secondaires, y compris des réactions cutanées aiguës et des modifications génétiques pouvant elles-mêmes provoquer un cancer à long terme. Notre travail a pour objectif de caractériser les effets du rayonnement ionisant sur des cellules de levure et humaines, tout particulièrement ses effets sur l'ADN. Le rayonnement ionisant entraîne des dommages sur l'ADN.

Fig. 1 

Nous étudions les deux principaux mécanismes réparant ces ruptures d'ADN double-brins : la recombinaison homologue (RH) et la jonction des extrémités non-homologues (NHEJ). Ces mécanismes contribuent également à la résistance tumorale contre la radiothérapie. Selon nos données récentes, nous avons conçu une nouvelle famille de médicaments inhibant la voie de réparation de la NHEJ et améliorant l'efficacité de la radiothérapie.

Pour analyser l'induction des mécanismes de réparation de l'ADN par des agents génotoxiques, nous utilisons des études sur la survie clonale et des tests comètes, ainsi que l'immunocytologie pour observer les effets de la signalisation des lésions d'ADN. Afin de mesurer les effets des traitements anti-tumoraux in vitro et in vivo, nous utilisons des cultures cellulaires et des tumeurs xénotransplantées.

En utilisant des techniques par biopuce ADN, nous avons utilisé les changements de transcription de tous les gènes dans la levure Saccharomyces cerevisiae induits par une dose faible et constante d'irradiation, pour imiter la pollution environnementale, ou une dose aiguë élevée d'irradiation typique des doses radiothérapeutiques. Nous avons trouvé que les effets des doses faibles ne peuvent être extrapolés à partir des études d'irradiation aiguës. Au cours de ce projet, nous avons développé de nouveaux outils pour l'analyse des données des biopuces ADN et pour la déduction des changements fonctionnels dans les voies régulatrices. Ces techniques sont à présent appliquées à des études similaires sur les cellules humaines.

Ces dernières années, nous avons développé de nouvelles molécules à base d'acide nucléique, appelées Dbait, qui peuvent se fixer et « capturer » le complexe de réparation de la protéine kinase dépendante de l'ADN (DNA-PK) impliqué dans la réparation NHEJ (Fig. 2). Par conséquent, ces molécules inhibent la ligation d'ADN coupé ainsi que l'intégration de plasmides induite par le rayonnement, qui dépend également de la DNA-PK.

Fig. 2 

Comme prévu pour une molécule qui inhibe les étapes clés de la réparation par NHEJ, Dbait rend les cellules plus sensibles au rayonnement. Nous avons également démontré que le traitement par Dbait de tumeurs hétérotransplantées permet de contrôler la croissance tumorale et favorise leur disparition lorsqu'il est associé à la radiothérapie. Nous étudions à présent la capacité de ces molécules à améliorer l'efficacité de la chimiothérapie (Fig.3).

Fig. 3 

Le développement des molécules Dbait et la mise en place des essais cliniques a été confié à la société DNA Therapeutics (www.dna-therapeutics.com).

Dernière mise à jour : octobre 2008

Publications clés

2009

• Quanz M, Chassoux D, Berthault N, Agrario C, Sun J-S, and Dutreix M
  Hyperactivation of DNA-PK by Double-Strand Break Mimicking Molecules Disorganizes DNA Damage Response
  PLoS ONE, 4(7): e6298 - Abstract
  Cellular response to DNA damage involves the coordinated activation of cell cycle checkpoints and DNA repair. The early steps of DNA damage recognition and signaling in mammalian cells are not yet fully understood. To investigate the regulation of the DNA damage response (DDR), we designed short and stabilized double stranded DNA molecules (Dbait) mimicking double-strand breaks. We compared the response induced by these molecules to the response induced by ionizing radiation. We show that stable 32-bp long Dbait, induce pan-nuclear phosphorylation of DDR components such as H2AX, Rpa32, Chk1, Chk2, Nbs1 and p53 in various cell lines. However, individual cell analyses reveal that differences exist in the cellular responses to Dbait compared to irradiation. Responses to Dbait: (i) are dependent only on DNA-PK kinase activity and not on ATM, (ii) result in a phosphorylation signal lasting several days and (iii) are distributed in the treated population in an “all-or-none” pattern, in a Dbait-concentration threshold dependant manner. Moreover, despite extensive phosphorylation of the DNA-PK downstream targets, Dbait treated cells continue to proliferate without showing cell cycle delay or apoptosis. Dbait treatment prior to irradiation impaired foci formation of Nbs1, 53BP1 and Rad51 at DNA damage sites and inhibited non-homologous end joining as well as homologous recombination. Together, our results suggest that the hyperactivation of DNA-PK is insufficient for complete execution of the DDR but induces a “false” DNA damage signaling that disorganizes the DNA repair system.
  - Version complète
• M. Quanz, N. Berthault, C. Roulin, M. Roy, A. Herbette, C. Agrario, C. Alberti, V. Josserand, J_L. Coll, X. Sastre-Garau, J-M. Cosset, L. Larue, J-S Sun and M. Dutreix
  Small molecular drugs mimicking DNA damage (Dbait): a new strategy for sensitizing tumors to radiotherapy
  Clinical Cancer research, 15(4) February 15, 2009 - Abstract
  Purpose: Enhanced DNA repair activity is often associated with tumor resistance to radiotherapy. We hypothesized that inhibiting DNA damage repair would sensitize tumors to radiation-induced DNA damage.
  Experimental Design: A novel strategy for inhibitingDNA repair was tested.We designed small DNA molecules that mimic DNA double-strand breaks (called Dbait) and act by disorganizing damage signaling and DNA repair.We analyzed the effects of Dbait in cultured cells and on xenografted tumors growth and performed preliminary studies of their mechanism(s) of action.
  Results: The selected Dbait molecules activate H2AX phosphorylation in cell culture and in xenografted tumors. In vitro, this activation correlates with the reduction of Nijmegen breakage syndrome1and p53-binding protein1repair foci formation after irradiation. Cells are sensitized to irradiation and do not efficiently repair DNA damage. In vivo, Dbait induces regression of radioresistant head and neck squamous cell carcinoma (Hep2) and melanoma (SK28 and LU1205)
  tumors. The combination of Dbait32Hc treatment and fractionated radiotherapy significantly enhanced the therapeutic effect.Tumor growth control by Dbait molecules depended directly on the dose and was observed with various irradiation protocols.The induction of H2AX phosphorylation in tumors treated with Dbait suggests that it acts in vivo through the induction of ‘‘false'' DNA damage signaling and repair inhibition.
  Conclusions:These data validate the concept of introducing small DNAmolecules,whichmimic DNA damage, to trigger ‘‘false'' signaling of DNA damage and impair DNA repair of damaged chromosomes. This new strategy could provide a new method for enhancing radiotherapy efficiency in radioresistant tumors.