Xavier Treton

Objectifs pédagogiques

• Définition et rôles des micro-ARN
• Connaître l’implication des micro-ARN en physiopathologie humaine et en cancérologie
• Connaître les perspectives des micro-ARN comme biomarqueurs des cancers

Introduction

Les connaissances sur la physiopathologie des cancers ont fortement progressé ces dernières années. Elles ont permis d’identifier des mécanismes importants d’anomalies de réparation de l’ADN, comme les systèmes mismatch repair ou MMR, dans les formes génétiques de cancer du côlon, et BRCA1 et 2 dans les cancers du sein génétiques. D’autres découvertes ont permis de préciser le pronostic et la réponse de certains cancers aux traitements médicamenteux, comme les mutations RAS et la résistance aux traitements anti-EGRF dans le cancer du côlon ou l’expression d’Her2 par les carcinomes mammaires guidant la thérapie ciblée par un anticorps monoclonal spécifique (Herceptine®). Dans cette optique, les micro-ARN offrent un nouvel espoir en cancérologie, offrant la perspective de développer un nouveau type de biomarqueurs, à la fois diagnostiques et possiblement pronostiques. Sur le plan physiopathologique, les micro-ARN sont des acteurs majeurs de l’épigénétique, qui regroupe tous les mécanismes régulant le fait qu’un gène, dont la séquence est normale, s’exprime ou non dans une cellule. L’ensemble de ces mécanismes épigénétiques sont fortement dépendants de facteurs environnementaux et rentrent donc dans la physiopathologie de nombreuses maladies complexes multifactorielles, comme les cancers. Ainsi, ces petits ARN non codants (ils ne sont pas traduits en protéines) exercent un puissant rôle de régulation de l’ensemble du génome et sont, à ce titre, des acteurs majeurs de nombreux mécanismes pathologiques, incluant la carcinogenèse.

Les micro-ARN : généralités

Les micro-ARN ont été identifiés en 1993 par Ambros et al. chez le nématode C. elegans. Ces molécules ont un rôle clé dans la régulation post-transcriptionnelle de l’expression des gènes et leur expression est elle-même finement régulée. Leur rôle principal est donc de bloquer la traduction en protéines, des ARN messagers auxquels ils vont se fixer [1].

La synthèse du micro-ARN s’initie dans le noyau par la transcription de gènes spécifiques pouvant être localisés dans des parties non codantes ainsi que dans les exons de gènes codants. Leur expression est assurée par l’ARN polymerase I permettant la formation d’un précurseur à longue chaîne (pri-micro-ARN). Ce transcrit primaire est clivé dans le noyau par la RNase Drosha, en une structure irrégulière en épingle à cheveux (pré-microARN). Les pré-microARN sont transportés du noyau au cytoplasme par l’exportine-5 où ils sont clivés, par Dicer, une seconde RNase III, en des oligonucléotides double brin de 18 à 24 paires (Fig. 1).

À la séparation du double brin facilitée par une hélicase, l’un des deux brins devient le micro-ARN mature et est incorporé au complexe RISC (RNA-induced silencing complex). Au sein du complexe RISC, le micro-ARN va se fixer, avec une complémentarité totale ou partielle, à son ARN messager cible pour induire sa dégradation, sa séquestration ou l’inhibition de sa traduction (Fig. 1).

À ce jour, plus de 2 500 micro-ARN matures ont été découverts chez l’homme, ciblant plus de 50 % du génome. Un seul gène peut être régulé par plusieurs micro-ARN et, inversement, un seul micro-ARN peut réguler plusieurs gènes du fait de la complémentarité souvent partielle [1].

Les études fonctionnelles réalisées sur les micro-ARN indiquent que ces petits ARN participent à la régulation de ­quasiment tous les processus cellulaires. Leur expression tissus-spécifique explique en partie qu’ils jouent un rôle majeur dans les processus de développement et de maintien de la différentiation [2]. De plus, des altérations dans leur niveau d’expression ont été associées à bon nombre de pathologies (cancers, maladies cardiovasculaires, inflammatoires…).

Figure 1. Synthèse et mode d’action des micro-ARN.
D’après www.snv.jussieu.fr

Figure 2. Exemples d’action des micro-ARN comme oncogènes et gènes suppresseurs de tumeurs

Micro-ARN et pathologies néoplasiques

Grâce à l’avènement des techniques d’analyse par puce (microarray), des profils d’expression anormaux de certains miARN ont été identifiés dans toutes les tumeurs humaines, hématopoïétiques comme solides. Par exemple, les micro-ARN miRNA-126, miRNA-143 et miRNA-145 sont sous-exprimés dans plus de 80 % des tumeurs par rapport au tissu normal associé, alors que le miRNA-21 est surexprimé dans plus de 80 % des cas, quel que soit l’organe étudié [3]. Les études fonctionnelles de certains miARN impliqués dans la ­carcinogenèse ont permis d’identifier certains d’entre eux comme d’authentiques oncogènes ou gènes suppresseurs de tumeurs. Par exemple, les miARN de la famille de let-7 sont des régulateurs négatifs de l’oncogène Ras et sont sous-exprimés dans plusieurs types de cancer. Mir-21, dont l’expression est augmentée dans de nombreux cancers, y compris digestifs, a été montré comme régulateur négatif de la phosphatase PTEN, impliquée dans la régulation du cycle cellulaire [4]. De plus, miR-143 et miR-145 ont été impliqués in vitro dans le contrôle de la prolifération des cellules épithéliales intestinales. De la même façon, la protéine p 53 (rôle antitumoral), est ciblée par de nombreux micro-ARN exprimés par plusieurs types de cancers [5].

Pour les cancers du système digestif, plusieurs micro-ARN, ont été identifiés comme ayant une expression anormale. Ainsi, le carcinome hépatocellulaire surexprime-t-il les miARN du cluster miRNA-17-92, le miRNA-21 et le miRNA-224 par rapport au parenchyme hépatique sain juxta-tumoral [4]. Pour le cancer colorectal, plusieurs études ont montré une diminution d’expression des miRNA-143 et miRNA-145, ainsi qu’une sur-expression constante du miRNA-21 dans le tissu tumoral par rapport au colon sain. Le Tableau I (d’après Saito et al.) reprend quelques exemples.

Ces constatations revêtent deux intérêts majeurs :

1. La définition d’une signature moléculaire en micro-ARN de diverses pathologies permettant de les utiliser comme biomarqueurs diagnostiques (servant par exemple à déterminer l’origine tissulaire d’une tumeur primitive en cas de découverte de métastases) et/ou pronostiques. Plusieurs profils d’expression tissulaire ou sanguine d’un panel de miARN ont déjà été associés à un pronostic évolutif défavorable au cours de cancers hépatiques, pancréatiques et hématologiques.
2. La découverte de mécanismes physiopathologiques impliquant une expression anormale de miARN dans les étapes initiales de la maladie pose la question de leur potentiel thérapeutique. Cependant, s’il est encore prématuré d’envisager une large utilisation thérapeutique des micro-ARN en cancérologie, un antagomir (antagoniste de micro-ARN) a déjà été utilisé avec succès dans le traitement de l’hépatite virale C [6]. Un micro-ARN synthétique mimant le miRNA-34 (anti-oncogène) est également à l’étude (phase I) dans le carcinome hépatocellulaire à un stade palliatif.

miRNA	Roles in gastrointestinal cancers	Target genes
Potential tumor suppressor miRNAs
miR-15b, miR-16	miR-15b and miR-16 play a role in the development of MDR in gastric cancer cells by modulation of apoptosis via targeting BCL2	BCL2
miR-34a	mrR-34a functions as a tumor suppressor and induces senescence-like growth arrest through modulation of the E2F pathway in human colon cancer cells	E2F pathway
miR-143, miR-145	miR-143 and miR-145 are downregulated in colorectal cancer	ERK5
Potential oncogenic miRNAs
miR-17-92 cluster	miR-17-92 cluster is overexpressed in various human malignancies, including colon cancer	E2F1 (miR-17-5p, miR-20a) TGFBR2 (miR-20a)
miR-21	miR-21 is upregulated in various human malignancies including cholangiocarcinoma, and gastric and colon cancers	PTEN
miR-106a	miR-106a is upregulated in colon cancer	RB-1
miR-106b-25 cluster	miR-106b-25 cluster, which is upregulated in human gastric cancers and activated by E2F1, impairs the TGF-b tumor suppressor pathway	p21 Bim E2F1
miR-155	miR-155 is overexpressed in various human malignancies, including B-cell lymphoma and colon cancer	TP531NP1

Tableau I. Micro-ARN associés aux cancers digestifs et leurs gènes cibles (d’après [4])

Micro-ARN biomarqueurs pronostiques des pathologies néoplasiques

Outre leur rôle dans la cancérogenèse, les micro-ARN constituent des biomarqueurs pronostiques et diagnostiques prometteurs dans les cancers.

Par exemple, dans le carcinome hépato­cellulaire, plusieurs études suggèrent que l’expression tumorale de certains micro-ARN pouvait être associée à un pronostic plus sévère après résection de la tumeur. Ainsi, dans une étude portant sur 112 patients opérés d’un carcinome hépatocellulaire, Zhu et al. ont montré que le groupe de patients qui surexprimaient le miRNA-29a-5p avaient une probabilité de récidive significativement plus importante ainsi qu’une survie significativement plus courte [7]. Avec le même type d’approche, sur une large cohorte de patientes opérées d’un carcinome mammaire, une surexpression tumorale du miRNA-210 a été associée à un pronostic plus sévère de la maladie [8]. Ceci est également le cas pour les patients souffrant de cancer colorectal, pour le sous-groupe surexprimant fortement le miRNA-21-5p9. De larges cohortes démontrent donc le potentiel des micro-ARN à donner des informations pronostiques sur certains cancers. Cependant, ces données doivent encore être validées pour devenir d’authentiques biomarqueurs utilisés en routine. Dans cette optique, plusieurs équipes ont recherché s’il était possible d’identifier dans le sang des micro-ARN circulants associés à certains ­cancers et à leur pronostic. Ceci semble possible, notamment pour le cancer colorectal et le carcinome gastrique [10], mais les résultats sont encore trop préliminaires.

Par ailleurs, les micro-ARN pourraient également servir de biomarqueurs de la réponse aux différents traitements. Par exemple, dans le cancer du sein, l’expression du miRNA-125b circulant a été associée à une chimiorésistance [11]. De la même manière, des études in vitro sur plusieurs lignées de cellules issues de carcinomes gastriques ont identifié que certains micro-ARN (dont les 15b, 16, 508-5p) pouvaient induire une résistance à différentes chimiothérapies, comme la vincristine et les sels de platine ou la doxorubicine [12]. Ceci a également été retrouvé chez l’homme, grâce à l’étude de biopsies gastriques réalisées avant chimiothérapie, puis classés selon leur réponse ou non au traitement. Dans cette étude, les micro-ARN 363 et ceux de la famille 520 ont été associés à une résistance au 5-fluorouracil et à la cisplatine [12].

Conclusion

Il est actuellement évident que les micro-ARN jouent un rôle majeur dans les maladies cancéreuses et que leur potentiel est important. Ils vont probablement permettre d’avancer vers une médecine personnalisée en donnant une définition moléculaire du pronostic de chaque cancer, et seront à l’origine de biomarqueurs prédictifs de la réponse à certains traitements. Cependant, il faut encore valider leur potentiel, avant de pouvoir disposer de ces nouveaux outils en routine. Ceci, à condition de disposer de moyens suffisants, devrait être rapidement faisable.

Références

1. Dong H, Lei J, Ding L, Wen Y, Ju H, Zhang X. MicroRNA: function, detection, and bioanalysis. Chem Rev 2013;113(8):6207-33.
2. Bartel DP. MicroRNAs: target recognition and regulatory functions. Cell 2009;136(2): 215-33.
3. Yin JQ, Zhao RC, Morris KV. Profiling microRNA expression with microarrays. Trends Biotechnol 2008;26(2):70-6.
4. Saito Y, Suzuki H, Hibi T. The role of micro­RNAs in gastrointestinal cancers. J Gastroenterol 2009;44 Suppl 19:18-22.
5. Rokavec M, Li H, Jiang L, Hermeking H. The p53/microRNA connection in gastrointestinal cancer. Clin Exp Gastroenterol 2014;7: 395-413.
6. Jopling CL. Targeting microRNA-122 to Treat Hepatitis C Virus Infection. Viruses. 2014;2(7): 1382-93.
7. Zhu HT, Dong QZ, Sheng YY, et al. MicroRNA-29a-5p is a novel predictor for early recurrence of hepatitis B virus-related hepatocellular carcinoma after surgical resection. PLoS One 2012;7(12):e52393.
8. Volinia S, Galasso M, Sana ME, et al. Breast cancer signatures for invasiveness and prognosis defined by deep sequencing of microRNA. Proc Natl Acad Sci USA 2012; 109(8):3024-9.
9. Schetter AJ, Leung SY, Sohn JJ, et al. MicroRNA expression profiles associated with prognosis and therapeutic outcome in colon adenocarcinoma. JAMA 2008;299(4): 425-36.
10. Zhu C, Ren C, Han J, et al. A five-microRNA panel in plasma was identified as potential biomarker for early detection of gastric cancer. Br J Cancer 2013;110(9):2291-9.
11. Wang H, Tan G, Dong L, et al. Circulating MiR-125b as a marker predicting chemoresistance in breast cancer. PLoS One 2012; 7(4):e34210.
12. Matuszcak C, Haier J, Hummel R, Lindner K. MicroRNAs: Promising chemoresistance biomarkers in gastric cancer with diagnostic and therapeutic potential. World J Gastroenterol 2014;20(38):13658-66.

Les Cinq points forts

1. Les micro-ARN sont des petits ARN non codants, ils ont un rôle clé dans la régulation de l’expression de près de 50 % des gènes et sont des acteurs majeurs de l’épigénétique.
2. Des anomalies d’expression des micro-ARN sont identifiées dans tous les types de cancers chez l’homme.
3. Certains micro-ARN sont actuellement considérés comme des gènes suppresseurs de tumeurs, d’autres comme des oncogènes.
4. Des signatures tissulaires en micro-ARN sont associées au pronostic de certains cancers après chirurgie.
5. L’expression de certains micro-ARN, dans le sang ou les tissus, pourrait être associée à la réponse aux traitements médicamenteux.