Contexte académique et problématique

Dans la recherche sur le cancer, l’amplification génique (gene amplification) est une forme courante de mutation, jouant un rôle clé dans l’activation des oncogènes. Cependant, bien que l’importance de l’amplification génique dans le cancer soit largement reconnue, la modélisation précise de ces amplifications dans les cellules primaires et les organismes modèles reste un défi. En particulier, l’amplification génique médiée par l’ADN extracchromosomique (extrachromosomal DNA, ecDNA) est particulièrement fréquente dans le cancer, mais son rôle précis dans la tumorigenèse et la progression tumorale n’est pas encore entièrement élucidé. L’ecDNA est une molécule d’ADN circulaire indépendante des chromosomes, portant souvent plusieurs copies d’oncogènes, et peut s’accumuler rapidement lors de la division cellulaire grâce à sa ségrégation aléatoire, favorisant ainsi l’hétérogénéité et l’évolution tumorales.

Pour approfondir la compréhension du rôle de l’ecDNA dans la tumorigenèse, les chercheurs ont besoin d’une méthode permettant d’induire et de suivre de manière précise la formation d’ecDNA dans les cellules et les modèles animaux. Cependant, les technologies actuelles présentent de nombreuses limites dans la modélisation de l’amplification génique médiée par l’ecDNA. Par conséquent, cette étude vise à développer une stratégie générale permettant d’induire de manière spatio-temporellement contrôlée des amplifications d’ecDNA de grande taille (plus de 1 Mbp) dans les cellules et les souris, et à utiliser cette stratégie pour étudier les mécanismes spécifiques de l’ecDNA dans la tumorigenèse.

Source de l’article et informations sur les auteurs

Cet article a été co-écrit par Davide Pradella, Minsi Zhang, Rui Gao et 13 autres auteurs, principalement issus de centres de recherche renommés tels que le Memorial Sloan Kettering Cancer Center, Stanford University et UC San Diego. L’article a été publié en ligne le 31 octobre 2024 dans la revue Nature, sous le titre “Engineered extrachromosomal oncogene amplifications promote tumorigenesis”.

Processus de recherche et conception expérimentale

1. Développement d’une stratégie d’ingénierie de l’ecDNA

Pour simuler les amplifications d’ecDNA fréquemment observées dans les cancers humains, les chercheurs ont conçu une stratégie basée sur le système Cre-loxP. En couplant la formation d’ecDNA à l’expression de marqueurs sélectionnables, les chercheurs ont pu suivre la dynamique des cellules contenant de l’ecDNA dans des conditions physiologiques et sous des pressions sélectives spécifiques. Plus précisément, les chercheurs ont conçu deux “cassettes de circularisation” (circularization cassettes) insérées aux extrémités de la région génique cible. Lorsque la recombinase Cre est exprimée, la région génomique entre les sites loxP est excisée et circularisée, formant ainsi l’ecDNA. Parallèlement, les marqueurs fluorescents (comme H2B-GFP et mScarlet) intégrés dans les cassettes permettent de suivre la présence et la dynamique de l’ecDNA.

2. Validation de la formation et de la dynamique de l’ecDNA dans les cellules

Les chercheurs ont d’abord validé cette stratégie dans la lignée cellulaire de cancer du côlon HCT116. En utilisant la technologie d’édition génique CRISPR-Cas9, les chercheurs ont inséré une région de 1,5 Mbp sur le chromosome 12, contenant l’oncogène MDM2. Lorsque la recombinase Cre est exprimée, les chercheurs ont réussi à induire la formation d’ecDNA et ont observé la dynamique de l’ecDNA par cytométrie en flux et microscopie à fluorescence. De plus, les chercheurs ont confirmé la présence et l’amplification de l’ecDNA par séquençage génomique superficiel (shallow whole-genome sequencing, SWGS) et PCR quantitative (qPCR).

3. Induction de la formation d’ecDNA dans des modèles murins

Pour étudier davantage le rôle de l’ecDNA in vivo, les chercheurs ont construit des modèles murins portant des sites loxP situés dans la région du gène MYC sur le chromosome 15. En induisant l’expression de la recombinase Cre, les chercheurs ont réussi à induire la formation d’ecDNA contenant MYC dans les cellules primaires de souris et ont observé l’accumulation spontanée de ces ecDNA dans les cellules. En outre, les chercheurs ont également construit des modèles murins portant des ecDNA contenant MDM2 et ont découvert que ces ecDNA pouvaient favoriser la prolifération, l’immortalisation et la transformation des cellules primaires.

4. Rôle de l’ecDNA dans la tumorigenèse

Pour valider le rôle spécifique de l’ecDNA dans la tumorigenèse, les chercheurs ont induit la formation d’ecDNA contenant MDM2 dans un modèle murin de carcinome hépatocellulaire spontané. Les résultats ont montré que les souris porteuses d’ecDNA pouvaient développer spontanément un cancer du foie sous l’effet du gène MYC. Ce résultat prouve directement l’importance de l’ecDNA dans la tumorigenèse et fournit un nouveau modèle animal pour l’étude des tumeurs induites par l’ecDNA.

Principaux résultats de la recherche

1. Formation et suivi dynamique de l’ecDNA : Les chercheurs ont développé avec succès une stratégie permettant d’induire de manière précise la formation d’ecDNA dans les cellules et les souris, et ont suivi la dynamique de l’ecDNA à l’aide de marqueurs fluorescents et de techniques de séquençage génomique.

2. Promotion de la prolifération et de l’immortalisation cellulaire par l’ecDNA : Dans les cellules primaires de souris porteuses d’ecDNA contenant MYC et MDM2, les chercheurs ont observé une accumulation spontanée d’ecDNA et ont constaté que ces ecDNA pouvaient favoriser la prolifération et l’immortalisation des cellules.

3. Rôle de l’ecDNA dans la tumorigenèse : Dans un modèle murin de carcinome hépatocellulaire spontané, les chercheurs ont découvert que l’ecDNA contenant MDM2 pouvait favoriser la formation de tumeurs, validant ainsi le rôle crucial de l’ecDNA dans la tumorigenèse.

Conclusion et signification

Cette étude a développé une stratégie générale permettant d’induire de manière précise des amplifications géniques médiées par l’ecDNA dans les cellules et les souris, et a utilisé cette stratégie pour étudier en profondeur les mécanismes spécifiques de l’ecDNA dans la tumorigenèse. Les résultats montrent que l’ecDNA peut s’accumuler spontanément dans les cellules primaires et favoriser la prolifération, l’immortalisation et la formation de tumeurs. Cette découverte fournit non seulement de nouvelles perspectives pour comprendre le rôle de l’ecDNA dans la tumorigenèse, mais offre également un outil important pour le développement de nouveaux modèles murins précliniques immunocompétents.

Points forts de la recherche

1. Stratégie innovante : Cette étude est la première à développer une stratégie permettant d’induire de manière précise la formation d’ecDNA dans les cellules et les souris, offrant ainsi un nouvel outil pour étudier les fonctions biologiques de l’ecDNA.

2. Rôle de l’ecDNA dans la tumorigenèse : La recherche prouve directement l’importance de l’ecDNA dans la tumorigenèse, fournissant une nouvelle perspective pour comprendre l’hétérogénéité et l’évolution tumorales.

3. Valeur applicative : Cette étude fournit un outil important pour le développement de nouveaux modèles murins précliniques, qui pourront être utilisés à l’avenir pour étudier l’immunothérapie et la thérapie ciblée des tumeurs induites par l’ecDNA.

Autres informations utiles

Cette étude a également révélé la dynamique de l’ecDNA dans les cellules et sa relation avec la tumorigenèse, ouvrant de nouvelles voies pour la recherche future sur le cancer. De plus, les chercheurs ont découvert que l’accumulation d’ecDNA est étroitement liée à des pressions sélectives spécifiques, fournissant ainsi de nouveaux indices pour comprendre la résistance aux médicaments dans les tumeurs.