Cancer et environnement : expertise collective

Métabolisme des xénobiotiques : équilibre entre toxicité et détoxication

Les organismes peuvent être fréquemment exposés à une grande diversité de molécules chimiques (contaminants de l’environnement et de l’alimentation, médicaments…). Ces molécules de petite taille sont le plus souvent trop hydrophobes et de ce fait doivent d’abord être métabolisées avant d’être éliminées par les voies biliaire et urinaire. Pour augmenter l’hydrophilie des molécules exogènes, les organismes ont développé des systèmes de détoxication diversifiés et performants. Trois phases sont habituellement nécessaires. La phase I est constituée d’enzymes qui créent un groupement fonctionnel (-OH, -COOH, -NH2, -SH) sur le xénobiotique. Le principal système enzymatique est représenté par les cytochromes P450 (CYP) mais d’autres enzymes peuvent également intervenir, notamment les flavines mono-oxygénases, les alcool déshydrogénases, les estérases, les monoamine oxydases…). Les CYP forment une superfamille d’hémoprotéines divisées en familles, sous-familles et isoformes qui assurent la prise en charge de nombreuses molécules exogènes et endogènes. La nomenclature repose sur les homologies de la séquence en acides aminés. Chez l’homme, 18 familles (1, 2, 3…), 32 sous-familles (A, B, C, D…) et 50 gènes fonctionnels (1, 2…) ont été identifiés1. Cependant, seules les trois premières familles sont impliquées dans le métabolisme des xénobiotiques. Si la distribution tissulaire des CYP est relativement ubiquiste, les quantités sont très variables. Le foie exprime les taux les plus élevés et possède la plus grande diversité. Des cellules d’autres tissus cibles (intestin, poumon, rein) expriment également des quantités abondantes de certains CYPs. Cependant, quel que soit le tissu et en premier lieu le foie, les quantités des CYPs, et en particulier les CYPs 1A2 et 2B6 peuvent grandement varier d’un individu à l’autre. Elles sont modulées par des facteurs génétiques, physiopathologiques et environnementaux. Certains CYPs sont absents chez une fraction des individus (CYP 2D6, 3A5). Cette absence est d’origine génétique. Les activités dépendantes des CYPs peuvent également être modulées en fonction de différents facteurs (âge, sexe, jeûne…). Une forte inhibition de nombreux CYPs peut être observée au cours d’une inflammation ou d’une infection. Elle est due à une production accrue de cytokines pro-inflammatoires. La plupart des isoformes peuvent être inhibées ou induites par des composés chimiques. Il existe de nombreux xénobiotiques inhibiteurs ou inducteurs de CYPs. Parmi les inhibiteurs, on trouve la β-naphtoflavone et le dithiocarbamate et parmi les inducteurs l’alcool, les dioxines et le benzo(a)pyrène 1. http://drnelson.utmem.edu/cytochromeP450.html Mécanismes fondamentaux 7 ANALYSE composant de la fumée de tabac. Même peu ou pas exprimés les CYPs 1A1 et 1B1 sont inductibles dans le foie. Des isoformes de la famille 4 sont également inductibles par des molécules exogènes (fibrates, phtalates). On estime que 6-8 CYPs sont impliqués dans le métabolisme de la plupart des cancérogènes (CYP 1A1, 1A2, 1B1, 2A6, 2B6, 2E1, 3A4). Les CYPs des cellules eucaryotes sont principalement localisés dans la membrane du réticulum endoplasmique mais il en existe également dans la membrane interne des mitochondries. Un CYP peut métaboliser de nombreux substrats et un substrat peut être métabolisé par plusieurs CYPs. Le niveau d’expression des CYPs est dépendant de cascades de régulation qui font généralement intervenir des récepteurs nucléaires également appelés « xenosensors », notamment l’aryl hydrocarbon receptor (AhR), le pregnane X receptor (PXR) et le constitutive androstane receptor (CAR) qui sont activés par de nombreux contaminants de l’environnement reconnus comme cancérogènes ou potentiellement cancérogènes chez l’homme. Alors que AhR est impliqué dans la régulation des CYP de la famille 1, PXR et CAR le sont dans celle des familles 2 et 3. Des récepteurs de molécules endogènes peuvent également être impliqués. Ainsi l’activation du récepteur aux glucocorticoïdes augmente l’expression des récepteurs CAR et PXR et toute altération de son activité se traduit par une baisse de l’expression de ces deux récepteurs (Coumoul et coll., 2002 ; Duret et coll., 2006). Le récepteur à l’œstradiol (ERα) est également important car les pesticides organochlorés inhibent le CYP1A1 via ce récepteur (Coumoul et coll., 2001). La phase II est caractérisée par la conjugaison d’un ligand endogène sur le composé chimique, généralement après la phase I. Elle regroupe 7 systèmes enzymatiques : les UDP-glucuronosyl-transférases, les sulfotransférases, les glutathion transférases, les N-acétyl-transférases, les méthyl transférases, les acyl CoA transférases qui catalysent le transfert respectivement de l’acide glucuronique, de SO3-, du glutathion, d’un acétyl, d’un méthyl et d’un acide aminé. Quant aux époxydes hydrolases, elles transforment les époxydes en métabolites stables par transfert d’une molécule d’eau. Les UDP-glucuronosyltransférases et les glutathion transférases sont impliquées dans la conjugaison de nombreux intermédiaires toxiques résultant de l’activation, ou plus précisément l’addition d’une fonction réactive, de polluants environnementaux par les CYPs (King et coll., 2000 ; Hayes et coll., 2005). La phase III correspond à l’étape d’excrétion des xénobiotiques ou de leurs métabolites. Elles est assurée par des protéines de transport ATP-dépendantes, en particulier la P-glycoprotéine (ABCB1) codée par le multi drug resistance 1 (MDR1) gène, les multi drug resistance protein 2 et 3 (MRP2/BCC2 et MRP3/ABCC3) et la breast cancer resistance protein (BCRP/ABCG2). Comme les cytochromes P450, la plupart des enzymes de phase II et les transporteurs membranaires peuvent être régulés par les récepteurs nucléaires AhR, PXR et/ou CAR (Klaassen et Slitt, 2005). 

Réparation de l’ADN

L’intégrité du matériel génétique présent dans toute cellule vivante est continuellement remise en cause par une variété d’agents génotoxiques d’origine exogène (rayonnements solaires ou ionisants, fumée de cigarette, produits chimiques, médicaments…) ou endogène (espèces activées de l’oxygène, radicaux libres…). Un ensemble de mécanismes complexes de réparation permet à la cellule de détecter et d’éliminer les lésions délétères induites par ces agents sur l’ADN afin de sauvegarder l’intégrité de son génome et d’assurer sa survie (Hoeijmakers, 2001 ; Friedberg, 2003). Ces mécanismes sont classiquement regroupés en 4 grands systèmes au sein des cellules eucaryotes : la réparation par excision de bases (base excision repair, BER) ou de nucléotides (nucleotide excision repair, NER), la réparation des mésappariements (mismatch repair, MMR) et la réparation des cassures double brin (double strand break repair, DSBR). La NER intervient essentiellement dans la réparation des lésions produites par des agents exogènes (UV, hydrocarbures aromatiques polycycliques…), la BER principalement dans la réparation des lésions produites lors du métabolisme cellulaire ou suite aux rayonnements ionisants, et le MMR dans les erreurs produites lors de la réplication normale de l’ADN. Chacun de ces systèmes fait intervenir des enzymes différentes. Schématiquement, le principe des 3 premiers systèmes (BER, NER et MMR) consiste à exciser le brin d’ADN contenant la lésion, Cancer et environnement 10 à combler la brèche par l’insertion de base(s) correcte(s) en utilisant le brin complémentaire comme matrice, et enfin à ligaturer les 2 parties du brin d’ADN. Ces trois mécanismes de réparation sont considérés comme fonctionnant de façon fidèle. Des dysfonctionnements dans la voie NER se traduisent par des maladies génétiques rares mais graves, telles que le xeroderma pigmentosum caractérisée par une hypersensibilité aux UV du soleil. Chez ces malades, le risque de cancer de la peau dans les zones exposées est environ 2 000 fois plus élevé que dans la population générale (Hoeijmakers, 2001). De même, des mutations sur les gènes MLH1 et MSH2, impliqués dans la voie MMR, sont associées à une forme héréditaire de cancer du colon (Hereditary Non Polyposis Colon Cancer, HNPCC) (Friedberg, 2003). En revanche, aucune maladie clairement associée à un dysfonctionnement de la voie BER n’est, à l’heure actuelle, connue. La réparation des cassures double brin, induites principalement par les radiations ionisantes et certaines drogues anti-tumorales, implique deux voies majeures de réparation : la recombinaison homologue (homologous recombination, HR), et la suture d’extrémités non-homologues (non-homologous end-joining, NHEJ), faisant intervenir différents complexes de protéines. La recombinaison homologue consiste à échanger des régions équivalentes d’ADN entre chromatides sœurs ou entre chromosomes homologues. Ce processus nécessite une région importante d’homologie de séquence entre les brins endommagés et non-endommagés et se traduit par une réparation fidèle. La voie de réparation NHEJ, prépondérante dans les cellules somatiques des mammifères, consiste à aligner et ressouder les extrémités cassées du chromosome avec la plupart du temps perte de matériel génétique. Il existe là encore des maladies génétiques rares, telles l’ataxie télangiectasie (A-T) (Bott et coll., 2006) ou l’anémie de Fanconi (Kook, 2005), caractérisées par une hypersensibilité aux radiations ionisantes et une forte prédisposition au cancer. Les enfants atteints d’A-T ont un risque très élevé de développer un cancer (le plus souvent une hémopathie lymphoïde), qui résulterait d’un défaut de reconnaissance et/ou de signalisation des altérations de l’ADN, et donc de leur réparation. Les enzymes déficientes responsables de ces maladies appartiennent à des complexes protéiques impliqués dans la réparation HR.