Pouvez-vous détecter une mutation cancérogène?

Tous les cancers résultent de changements de la séquence ADN dans certaines de nos cellules. Des erreurs peuvent s’accumuler pendant la réplication parce que le matériel génétique dans les cellules est exposé à des agents mutagènes tels que les rayons UV. Occasionnellement, une de ces mutations altère la fonction d’un gène essentiel, fournissant un avantage de croissance à la cellule dans laquelle elle a eu lieu et à ses descendantes; ces cellules se diviseront plus rapidement que leurs voisines.

Petit à petit, l’ADN acquiert plus de mutations, qui peuvent conduire à la perturbation d’autres gènes clé, ayant pour conséquence des cellules invasives à croissance particulièrement rapide. Il en résulte la formation d’une tumeur, l’invasion des tissus environnant et finalement des métastases –propagation du cancer dans les autres parties du corps.

Les gènes qui conduisent au développement de cancers quand ils sont mutés sont connus comme «gènes du cancer».

Les gènes suppresseurs de tumeurs (GSTs; Figure 1) code l’information pour faire des protéines qui normalement diminuent la croissance cellulaire, prévenant les divisions non nécessaires ou favorisant l’apoptose (mort cellulaire programmée) si l’ADN de la cellule est endommagé. Les deux copies d’un GST devront être inactivées par mutation avant que ce contrôle du cycle cellulaire soit perdu. Si une copie reste fonctionnelle, il y a encore un «frein» à la croissance cellulaire.

Les proto-oncogènes (Figure 2), au contraire, codent des protéines qui favorisent la division et la différenciation cellulaire (spécialisation). Lorsque ces gènes acquièrent des mutations qui font des protéines continuellement actives ou conduisent à ce que l’activité du gène ne soit plus régulée, ils deviennent des oncogènes, favorisant la croissance et la division cellulaire incontrôlée. Pour les proto-oncogènes, une mutation d’une copie du gène peut être suffisante pour conduire au développement d’un cancer.

Chaque cas de cancer est causé par un ensemble unique de mutations dans des proto-oncogènes et/ou des GSTs. Bien que le nombre ne soit pas encore connu, on suppose qu’au moins 5 mutations dans les gènes de cancer sont nécessaires pour qu’une cellule (et ses descendantes) devienne cancéreuse.

KRAS (prononcé ka-rass) est un proto-oncogène qui code la protéine KRAS, une protéine de signal intracellulaire impliquée dans la stimulation de la croissance cellulaire (pour distinguer les gènes des protéines, les noms des gènes sont écrits en italique par convention). L’activité suivante permet aux étudiants d’utiliser les données duCancer Genome Project^w1 pour étudier les mutations communes dans le gène KRAS qui sont associées avec l’oncogenèse (formation de cancer) et le développement de cancers pancréatiques, colorectaux, des poumons et bien d’autres. Développée à l’origine pour des visites scolaires au Sanger Institute^w2, l’activité a été mise à disposition sur le site web Yourgenome.org^w3. Elle a récemment formé une partie du premier cours en bioinformatique pour les enseignants européens organisé par ELLS^w4 au "European Bioinformatics Institute^w5 à Hinxton, en Grande-Bretagne. Dans son intégralité, l’activité stimule la discussion sur les causes du cancer, la fonction des mutations des gènes, la structure et la fonction des protéines.

L’activité de KRAS

Durée estimée: 45–60 minutes (avec la présentation et la discussion)

Matériels

Tous les matériaux requis pour faire l’activité peuvent être gratuitement téléchargés à partir du site web Yourgenome.org soit individuellement ou sous forme de fichier compressé zip^w6.

• Un ensemble de 11 feuilles de travail (KRAS_student_wsheet.pdf) – une feuille de travail par paire ou groupe d’étudiants. Une version alternative est disponible pour imprimantes en noir et blanc ou pour des étudiants daltoniens. Pour de grands groupes (20 ou plus), utiliser 2 ensembles de feuilles de travail, fournissant une double couverture du gène.

• Une bannière de la séquence du gène (KRAS_gene_banner.pdf) pour l’ensemble de la classe, et une feuille avec la séquence du gène KRAS (KRAS_genesheet_yg.pdf; Figure 3) par groupe d’étudiants. La feuille de gène (imprimée en A3 ou A4) requiert un petit temps de préparation. La bannière KRAS, imprimée sur plusieurs feuilles de papier qui sont alors collées ensemble, permet aux résultats de l’ensemble de la classe d’être montrés simultanément.

• Une feuille avec la roue du code génétique (KRAS_codon_wheel.pdf ou n’importe quelle table du code génétique pour l’ADN dans le sens 5’-3’) par groupe (voir Figures 4 and 5)
• Une feuille de résumé (KRAS_ data_sheet.pdf) par groupe
• Des stylos

Pour utiliser la bannière, vous aurez aussi besoin de grandes flèches pour marquer les mutations, de carrés pour marquer les régions qui ont été vérifiées (KRAS_annotations.pdf), et de l’adhésif réutilisable (comme Blu Tack®) pour coller les flèches et les carrés sur la séquence du gène. Vous trouverez plus de renseignements sur la façon d’utiliser cette méthode dans les notes pour enseignants téléchargeables^w6.

De plus, vous pourrez trouver utile d’avoir le modèle de l’ADN, du peptide et/ou de la protéine pour manipulation, et d’utiliser les animations sur le cancer du Wellcome Trust Sanger Institute (Cancer: Rogue cells et Role of cancer genes) sur le site web de l’activité KRAS^w6.

Introduction à l’activité

La présentation Investigating Cancer (disponible en ligne^w6) fournit aux étudiants un aperçu du cancer. Elle introduit le concept selon lequel le cancer survient à cause d’anomalies dans la séquence ADN, explique les causes variées de ces mutations et présente l’activité et les feuilles de travail. Plusieurs sections de la présentation encouragent les discussions des étudiants (voir les notes de la présentation^w6).

Dans la première partie de l’activité, les étudiants identifient les différences entre les séquences du gène KRAS dans des cellules saines et tumorales sur leurs feuilles de travail, et les marquent sur la bannière KRAS ou la feuille avec la séquence du gène.

Les feuilles de travail présentent les tracés du séquençage ADN brut de KRAS à partir d’échantillons de cellules saines et cancéreuses, représentés par des graphes de lignes colorées - une pour chaque région du gène. Les quatre bases sont représentées sur ces graphes par quatre couleurs différentes. Chaque pic coloré représente une base ADN particulière:

Rouge: T

Vert: A

Bleue: C

Noir: G (normalement ces pics sont jaunes mais ce n’est pas facile à lire sur papier)

Il y a 11 feuilles de travail numérotées au total, chacune montrant deux régions différentes du gène KRAS. Les six mutations se trouvant sur le gène KRAS sont sur les feuilles un à six, alors soyez sur de bien mélanger les feuilles avant de les distribuer à la classe. Tout doit être compléter pour assurer une pleine couverture du gène. Il est important de souligner aux étudiants que les mutations sont (relativement) rares, donc tout le monde n’en trouvera pas une; ce qui peut être utilisé pour explorer l’importance des données négatives et le traitement global dans les études scientifiques.

Identification des mutations

En utilisant les feuilles de travail, les étudiants compareront une section de la séquence ADN provenant d’une cellule saine et d’une cellule tumorale à partir du même patient. Le moyen le plus facile pour identifier si une mutation est présente est d’écrire la séquence ADN sous les pics colorés (pour aider, il y a un code couleur sur la feuille) et de comparer les séquences écrites.

Si une des lettres est différente (un pic a changé de couleur), cela indique une mutation dans la séquence. Dans la Figure 7 (à droite), le A dans la séquence ADN provenant de la cellule saine a été remplacé par un G dans la cellule tumorale.

Si les étudiants trouvent un double pic sur une position de base, cela devra être enregistré comme une alternative entre deux bases sur cette position, l’une au-dessus de l’autre. Dans la Figure 8, la séquence ADN saine a un G, tandis que la séquence tumorale a G et C. Ce n’est pas une insertion: cela représente une mutation hétérozygote où seule une copie du gène a substitué un C à un G. Dans ce cas, la séquence tumorale a remplacé G avec un C.

Tous les étudiants devront indiquer la région du gène qu’ils ont vérifié en cochant la région appropriée sur la feuille du gène (voir Figure 9, à gauche).

Les étudiants qui trouvent une mutation devront indiquer la base spécifique en l’encerclant sur la feuille du gène (voir Figure 9) et noter dans quel codon elle réside (dans cet exemple, codon 12).

Ils devront aussi remplir le tableau à la base de la feuille de travail, en utilisant la roue du code génétique pour traduire la séquence ADN en acide aminé, comme montré dans le Tableau 1:

Quand les mutations ont été trouvées, enregistrez-les sur la feuille de résumé des données (voir Tableau 2).

Discussion des résultats

Les résultats ci-dessus sont tous des substitutions d’une seule base. Ces mutations à l’intérieur de la région du gène KRAS codant la protéine peuvent être classées en trois types, selon l’information codée par le codon altéré.

• Les mutations silencieuses codent pour le même acide aminé.
• Les mutations faux-sens codent pour un acide aminé différent.
• Les mutations non-sens codent pour un codon stop et peuvent tronquer la protéine.

Discuter si les mutations sont significatives – ont-elles un impact sur la fonction de la protéine ou sont-elles “silencieuses”? Dans cette activité, les codons 30 et 173 sont silencieux et n’ont donc pas d’impact fonctionnel.

La présentation a une image en 3D de la protéine KRAS (Figue 10, à droite); les diapositives 26 à 30 montrent où les mutations significatives se trouvent sur la protéine, et vous noterez qu’elles sont toutes dans la même région. Les codons 12, 13 et 61 ont été les premières mutations à être associées avec la transformation oncogénique dans la protéine KRAS; la mutation 146 a seulement été découverte en 2005. Utiliser ces diapositives pour discuter de l’impact que les mutations pourraient avoir sur la structure protéique et la fonction de KRAS dans la régulation de la croissance.

Comme activité optionnelle, les étudiants peuvent utiliser RasMol, le logiciel de modélisation moléculaire utilisé pour créer les images sur les diapositives 26-30, afin de souligner les acides aminés mutés dans la structure protéique. Voir les notes^w6 pour l’enseignant pour les détails.

Comment une information comme celle-ci influence-t-elle notre approche du cancer?

Les notes^w6 pour l’enseignant contiennent une abondance d’informations complémentaires, utilisant KRAS comme un exemple, pour stimuler la discussion sur la façon dont l’information génomique peut être utilisée pour approfondir notre compréhension du cancer et développer des traitements contre le cancer. Les points de discussion pour les étudiants incluent:

• Quelles expériences ou approches pourraient être utilisées pour établir quels cancers nécessitent les mutations de KRAS?
• Quels pourraient être les avantages de connaître cette information?
• Le cancer est une maladie génétique: il s’agit d’une suite de changements dans la séquence ADN. C’est pourquoi beaucoup de gens croit qu’un financement important de la recherche en génétique du cancer est le meilleur moyen de développer de nouveaux traitements anticancéreux et ainsi faire face à la maladie. Le traitement anticancéreux et les soins pour les patients nécessitent aussi de grandes quantités d’argent (le service de santé anglais, UK National Health Service, a dépensé plus de 2 Milliard de Livres uniquement pour les soins contre le cancer en 2000). Où et comment les étudiants pensent-ils que cet argent devrait être dépensé?