Nouvelle
Moduler la diversification des anticorps pour combattre certaines maladies How to fight cancer and autoimmune diseases by modulating antibody diversification Alexandre Orthwein1,2 , Javier M Di Noia1,2,
1-Institut de recherches cliniques de Montréal 110, av. des Pins Ouest, Montréal (Québec) H2W 1R7 Canada 2-Département de médecine, Département de microbiologie et immunologie, Université de Montréal.
[email protected] [email protected]
Article reçu le :
01 août 2011
Article accepté le :
24 octobre 2011
Alexandre Orthwein et coll.
1
Les animaux vertébrés, en particulier les
antigène déterminé. Le répertoire primaire
humains,
imposante :
d’anticorps compte deux limites : d’abord
combattre la diversité presque illimitée de
ces anticorps ne reconnaissent pas un
pathogènes et d’antigènes avec un matériel
antigène avec une grande affinité, en plus
génétique limité. Les lymphocytes B ont
d’être tous du même isotype (IgM), ce qui
développé un mécanisme efficace bien que
ne convient pas à toutes les situations. Un
dangereux
leur
second processus de mutagénèse a lieu
patrimoine génétique. D’abord, les gènes
pour modifier génétiquement le répertoire
codant pour les anticorps sont assemblés
primaire d’immunoglobulines (Ig) quand des
par recombinaison VDJ (gènes variable, de
lymphocytes B
diversité et de jonction; variable, diverse,
reconnu un antigène. Il conduit d’une part à
joining).
un
la commutation isotypique permettant le
réarrangement combinatoire de fragments
remplacement de la région constante µ des
d’ADN pour former des gènes codant pour
anticorps (laquelle détermine l’isotype IgM)
chaque
par une autre région constante (γ, ε ou α)
ont
une
de
Ce
modification
processus
chaîne
réarrangement
tâche
est
des
de
engage
anticorps.
unique
à
Ce
chaque
déterminant
s’activent
des
isotypes
après
avec
avoir
des
lymphocyte B et la recombinaison VDJ crée
propriétés biologiques et des fonctions
donc un répertoire primaire d’anticorps, dont
effectrices différentes (Figure 1; [1]).
certains seront en mesure de reconnaître un
Alexandre Orthwein et coll.
2
Figure 1 Vue schématisée des différentes modifications
anticorps),
génétiques initiées par AID (activation-induced
consiste
cytidine deaminase ou cytidine déaminase
ponctuelles dans la région variable des gènes
induite
après
activation)
immunoglobulines
et
des
d’autres
hypermutation en
l’introduction
somatique de
(qui
mutations
gènes
des
des immunoglobulines) et commutation de
gènes.
AID
classe (qui conduit à la modification de la
introduit préférentiellement des mutations dans
chaîne
les gènes immunoglobulines en déaminant des
cependant
déoxycytidines en déoxyuridines. L’introduction
d’autres gènes à un niveau moins important,
de ces mutations conduit au recrutement de
comme BCR-ABL, ce qui peut conduire à
protéines en cause dans la réparation de l’ADN
l’apparition de mutations pathologiques (par
et
gènes
exemple liées au développement de résistances
génique
à l’imatinib, ou encore que déclenchent des
permet
la
immunoglobulines (mécanisme
diversification par
aviaire
de
des
conversion
diversification
des
lourde
de
introduire
l’anticorps). des
AID
peut
mutations
dans
translocations des chromosomes).
Alexandre Orthwein et coll.
3
D’autre
part,
il
permet
l’hypermutation
développement
de
leucémie/lymphome.
somatique consistant en l’introduction de
Notablement, dans le cas de la leucémie
mutations
myéloïde
ponctuelles
dans
la
région
chronique,
AID
favorise
le
variable des anticorps (Figure 1) et qui,
développement de résistance au traitement
couplée à la sélection clonale, permet une
anticancéreux [13].
maturation de l’affinité des anticorps pour un
De nombreux mécanismes de régulation
antigène donné [2].
d’AID ont été identifiés pour s’assurer que
La
commutation
isotypique
et
cette enzyme fonctionne au bon moment, au
l’hypermutation somatique sont initiées par
bon
une même enzyme, AID (activation-induced
nécessaire. Pour parvenir à cet équilibre
cytidine deaminase ou cytidine déaminase
subtil entre immunité et autoimmunité et/ou
induite après activation) [1-3]. Cette enzyme
cancer, la régulation d’AID va du contrôle
désamine l’ADN des gènes Ig, changeant
des niveaux d’ARN messager et protéiques
des déoxycytidines en déoxyuridines [1-2],
à l’accès restreint au noyau ou au ciblage
processus mutagénique en lui-même mais
préférentiel
qui
ces
immunoglobulines.
des
travaille sur la régulation post-traductionnel
n’est
que
mécanismes
l’étape de
initiale
de
diversification
endroit
et
vers
aussi
longtemps
les
gènes
Notre
que
des
laboratoire
anticorps. En l’absence d’AID, la réponse
d’AID,
immunitaire chez l’homme et la souris est
intracellulaire et sa stabilité au niveau
grandement compromise et conduit à une
protéique qui sont des mécanismes liés [14].
forme
AID
d’immunodéficience, le
syndrome
en
circule
particulier
sa
constamment
localisation
entre
le
hyper-IgM [3;5]. À l’inverse, des niveaux
cytoplasme et le noyau, bien que cette
anormalement élevés d’AID contribueraient
protéine soit majoritairement cytoplasmique
au
maladies
due à la compétition entre trois processus
autoimmunes telles que le lupus et l’arthrite
que nous, et d’autres, avons identifié :
rhumatoïde [6]. De plus, AID peut muter des
l’import et l’export nucléaires actifs et une
(proto)-oncogènes
gènes
rétention cytoplasmique [15-17]. Or, AID
suppresseurs de tumeur [7-8] ainsi qu’initier
cytoplasmique est plus stable que dans le
une instabilité génomique causant des
noyau, un autre moyen de limiter son
translocations chromosomales (Figure 1 ;
activité mutagène [14]. Il est important de
[9-12])
noter que des variations dans les niveaux
développement
qui
de
ou
peuvent
des
conduire
au
Alexandre Orthwein et coll.
4
d’AID affectent non seulement son impact
telles que Hsp40, Hsp70 et Hsp90 et qu’ils
physiologique dans la diversification des
faisaient tous partie de la même voie de
anticorps
chaperonnage (Figure 2; [23]). Pour avoir
mais
pathologique
aussi
[12;18],
que
activité est
une mesure de la spécificité de cette
exprimé dans plusieurs types de cancers
interaction (les chaperons moléculaires ne
[19-22], d’où l’importance de comprendre
reconnaissant normalement pas un site
les
défini), nous nous sommes intéressés aux
mécanismes
et
son
AID
post-traductionnels
régulant les niveaux d’AID.
protéines Apobec, qui font partie de la
Nous nous sommes donc intéressés à
même sous-famille de cytidine désaminases
identifier des partenaires cytoplasmiques
qu’AID
d’AID qui pourraient jouer un rôle dans sa
tridimensionnelle conservée et une grande
stabilité. Une recherche protéomique par
similarité de séquence (50-60%) avec AID,
spectrométrie de masse a été réalisée et
en faisant d’excellents contrôles. Or, aucune
nous avons observé qu’un certain nombre
des protéines Apobec testées (Apobec1, 2
de chaperons moléculaires connus comme
et 3G) n’interagissent avec Hsp90, au
protéines de choc thermique (Heat shock
contraire d’AID.
et
qui
ont
une
structure
proteins Hsp), interagissaient avec AID
Alexandre Orthwein et coll.
5
Figure 2 Vue
schématisée
différentes
moléculaire contenant notamment Hsp90. Hsp90
étapes lors de la stabilisation et de la dégradation
stabilise AID par hydrolyse d’ATP. L’inhibition
d’une protéine cliente d’Hsp90. Après synthèse
d’Hsp90 par la geldanamycine ou 17-AAG conduit
ribosomale dans le cytoplasme, AID est pris en
au recrutement d’une ubiquitine E3 ligase qui
charge par la voie de chaperonnage. Elle interagit
polyubiquitine AID et permet sa dégradation par
en premier lieu avec Hsp40 qui recrute Hsp70
le protéasome.
avant
de
simplifiée
transmettre
AID
des
à
un
complexe
Hsp90 est un candidat intéressant en ce
d’hydrolyser l’ATP. De fait, des inhibiteurs
sens qu’il joue un rôle important dans la
de l’activité ATPase d’Hsp90 tels que la
maturation
de
geldanamycine, ou un de ses nombreux
nombreuses protéines importantes dans la
dérivés 17-AAG, sont des outils puissants
transduction
pour
conformationnelle de
signal
ainsi
que
de
étudier
les
différentes
fonctions
protéines circulant entre le noyau et le
d’Hsp90 (Figure 2) [24]. L’inhibition d’Hsp90
cytoplasme
comme
récepteurs
conduit à la perte d’interaction avec AID et
d’hormones
stéroïdiennes
[24].
corrèle avec une forte diminution des
nombreuses jouent
rôle
dans
clientes la
De
d’Hsp90
niveaux
d’AID
endogène
dans
des
transformation
cellules B immortalisées d’origine humaine,
cellulaire et l’oncogenèse, faisant d’Hsp90
aviaire ou murine mais aussi dans des
une cible de choix pour le développement
cellules B primaires humaines. Dans les
de traitements anticancéreux [24]. L’activité
faits,
chaperone d’Hsp90 dépend de sa capacité
cytoplasme
un
protéines
les
Hsp90
Alexandre Orthwein et coll.
stabilise et
le
AID
traitement
dans
le
à
la
6
geldanamycine
la
qu’elle pourrait être utilisée pour diminuer
polyubiquitination et à la dégradation d’AID
les effets pathologiques d’AID. Or, certains
par le protéasome (Figure 2). L’inhibition
résultats ont montré qu’AID est exprimé
d’Hsp90
fraction
dans des stades avancés de leucémie
cytoplasmique d’AID a toutefois un impact
myéloïde chronique et qu’elle introduit des
direct
mutations dans l’oncogène BCR-ABL [13].
qui sur
ses
conduit
à
affecte
la
fonctions
nucléaires.
L’utilisation de modèles cellulaires (lignée
BCR-ABL
de cellules B de poulet) [25] diversifiant
moléculaire
leurs anticorps par un processus initié par
myéloprolifératif résultant de la translocation
AID et appelé conversion génique (Figure
chromosomale
1) a montré que des doses croissantes
(breakpoint cluster region) et celui codant
d’inhibiteurs
diminuent
pour la tyrosine kinase ABL (abelson murine
proportionnellement les niveaux endogènes
leukemia viral oncogene homolog). Cette
d’AID ce qui corrèlent avec une réduction de
dernière, qui dans un contexte normal a une
la conversion génique. Un effet similaire est
activité kinase très régulée, devient une
observable
kinase constitutivement active après fusion
capable
d’Hsp90
dans
de
un
modèle
diversifier
immunoglobulines
les
gènes
des
avec
en de
BCR,
ce
entre
qui
fait
le
est en
la
signature syndrome
gène
grande
BCR
partie
l’hypermutation
responsable de la prolifération des cellules
somatique. Enfin, l’inhibition chronique ou
leucémiques. En mutant BCR-ABL, AID
aiguë d’Hsp90, dans une lignée de cellules
confère une résistance à l’inhibiteur imatinib
de souris ou dans des cellules B primaires
qui cible spécifiquement l’activité tyrosine
de souris capable de remplacer sa chaine
kinase
lourde µ pour la chaine α ou γ après
beaucoup de succès dans le traitement de
stimulation par un cocktail de cytokines, a
leucémie myéloïde chronique [26]. Nous
montré une réduction significative de la
nous sommes donc intéressés à savoir si
commutation isotypique. Tous ces résultats
l’association
suggèrent
la
l’imatinib pouvait ralentir l’apparition de
fraction cytoplasmique d’AID, détermine les
mutations dans BCR-ABL et ainsi empêcher
niveaux totaux de la protéine et par là même
le développement de résistance à l’imatinib
son niveau d’activité physiologique. Cette
dans des cellules leucémiques myéloïdes
observation est d’autant plus intéressante
chroniques
par
cellulaire
est
qu’Hsp90,
en
stabilisant
d’ABL
Alexandre Orthwein et coll.
et
qui
est
d’inhibiteurs
utilisé
d’Hsp90
avec
à
exprimant AID. L’expression
7
ectopique d’AID dans de telles cellules
laboratoire,
BCR-ABL+ conduit à l’apparition d’une
polyubiquitination et à la dégradation d’AID
sous-population résistante à l’imatinib et
par le protéasome. Cette voie de régulation
sélectionnée en présence de cette drogue
peut être une cible de choix pour empêcher
[13]. L’ajout d’inhibiteurs d’Hsp90 empêche
les
l’apparition de cette population résistante et
mutagénique d’AID. Nos travaux sont les
corrèle avec une réduction d’AID et une
premiers à mettre en avant un moyen
absence de mutations dans le gène BCR-
pharmacologique de diminuer les niveaux
ABL1.
d’AID pour traiter certaines leucémies et
En conclusion, Hsp90 stabilise la protéine
lymphomes, particulièrement la LMC. Ils
AID dans le cytoplasme et contrôle son
pourraient aussi ouvrir la porte à l’utilisation
activité dans la diversification des anticorps.
préventive d’inhibiteurs d’Hsp90 dans le
L’inhibition
traitement
d’Hsp90,
ou
même
la
peut
effets
conduire
pathologiques
de
à
de
l’activité
certaines
manipulation de protéines associées à cette
autoimmunes
chaperone actuellement étudiée dans notre
surexpression d’AID.
associées
la
maladies à
une
Références 1. Stavnezer J, Guikema JEJ, Schrader CE. Mechanism and regulation of class switch recombination. Annu Rev Immunol 2008; 26: 261-92. 2. Di Noia JM, Neuberger MS. Molecular mechanisms of antibody somatic hypermutation. Annu Rev Immunol 2007; 76: 1-22. 3. Muramatsu M, Kinoshita K, Fagarasan S, Yamada S, Shinkai Y, et al. Class switch recombination and hypermutation require activation-induced cytidine deaminase (AID), a potential RNA editing enzyme. Cell 2000; 102: 553-63. 4. Petersen-Mahrt SK, Harris RS, Neuberger MS. AID mutates E. coli suggesting a DNA deamination mechanism for antibody diversification. Nature 2002; 418: 99-103. 5. Revy P, Muto T, Levy Y, Geissmann F, Plebani A, Sanal O, et al. Activation-induced cytidine deaminase (AID) deficiency causes
6.
7.
8.
9.
the autosomal recessive form of the HyperIgM syndrome (HIGM2). Cell 2000; 102:56575. Zaheen A, Martin A. Activation-induced cytidine deaminase and aberrant germinal center selection in the development of humoral autoimmunities. Am J Pathol 2011; 178: 462-71. Pasqualucci L, Neumeister P, Goossens T, Nanjangud G, Chaganti RS, et al. Hypermutation of multiple proto-oncogenes in B-cell diffuse large-cell lymphomas. Nature 2001; 412: 341-346. Liu M, Duke JL, Richter DJ, Vinuesa CG, Goodnow CC, et al. Two levels of protection for the B cell genome during somatic hypermutation. Nature 2008; 451: 841-5. Ramiro AR, Jankovic M, Eisenreich T, Difilippantonio S, Chen-Kiang S, et al. AID is required for c-myc/IgH chromosome translocations in vivo. Cell 2004; 118: 431-8.
Alexandre Orthwein et coll.
8
10. Dorsett Y, Robbiani DF, Jankovic, ReinaSan-Martin B, Eisenreich TR, et al. A role for AID in chromosome translocations between c-myc and the IgH variable region. J Exp Med 2007; 204: 2225-32. 11. Robbiani DF, Bothmer A, Callen E, ReinaSan-Martin B, Dorsett Y, et al. AID is required for the chromosomal breaks in c-myc that lead to c-myc/IgH translocations. Cell 2008; 1028-38. 12. Robbiani DF, Bunting S, Feldhahn N, Bothmer A, Camps J, Deroubaix S, et al. AID produces DNA double-strand breaks in nonIg genes and mature B cell lymphomas with reciprocal chromosome translocations. Mol Cell 2009; 36: 631-41. 13. Klemm L, Duy C, Iacobucci I, Kuchen S, von Levetzow G, Feldhahn N, et al. The B cell mutator AID promotes B lymphoid blast crisis and drug resistance in chronic myeloid leukemia. Cancer Cell 2009; 16: 232-45. 14. Aoufouchi S, Faili A, Zober C, D’Orlando O, Weller S, Weill JC, Reynaud CA. Proteasomal degradation restricts the nuclear lifespan of AID. J Exp Med 2008; 205: 135768. 15. Patenaude AM, Orthwein A, Hu Y, Campo VA, Kavli B, Buschiazzo A, Di Noia JM. Active nuclear import and cytoplasmic retention of activation-induced deaminase. Nat Struct Mol Biol 2009; 16: 514-27. 16. Ito S, Nagaoko H, Shinkura R, Begum N, Muramatsu M, Nakata M, Honjo T. ActivationInduced cytidine deaminase shuttles between nucleus and cytoplasm like apolipoprotein B mRNA editing catalytic polypeptide 1. Proc Natl Acad Sci USA 2004; 101: 1975-1980. 17. McBride KM, Barreto V, Ramiro AR, Stavropoulous P, Nussenzweig MC. Somatic hypermutation is limited by CRM1-dependent nuclear export of activation-induced deaminase. J Exp Med 2004; 199: 1235-44. 18. Casellas R, Yamane A, Kovalchuk AL, Potter M. Restricting activation-induced cytidine
deaminase tumorigenic activity in B lymphocytes. Immunology 2009; 126: 31628. 19. Peled JU, Kuang FL, Iglesias-Ussel MD, Roa S, et al. The biochemistry of Somatic hypermutation. Annu Rev Immunol 2007; 26: 481-511. 20. Feldhahn N, Henke N, Melchior K, Duy C, Soh BN, Klein F, von Levetzow G, et al. Activation-induced cytidine deaminase acts as a mutator in BCR-ABL1- transformed acute lymphoblastic leukemia cells. J Exp Med 2007; 204: 1157-66. 21. Palacios F, Moreno P, Morande P, Abreu C, Correa A, Porro V, Landoni AI, et al. High expression of AID and active class switch recombination might account for a more aggressive disease in unmutated CLL patients: link with an activated microenvironment in CLL disease. Blood 2010; 115: 4488-96. 22. Endo Y, Marusawa H, Kou T, Nakase H, Fuji S, Fujimori T, et al. Activation-induced cytidine deaminase links between inflammation and the development of colitisassociated colorectal cancers. Gastroenterology 2008; 135: 889-98. 23. Orthwein A, Patenaude AM, Affar el B, Lamarre A, Young JC, Di Noia JM. Regulation of activation-induced deaminase stability and antibody gene diversification by Hsp90. J Exp Med 2010; 207: 2751-65. 24. Whitesell L, Linquist SL. Hsp90 and the chaperoning of cancer. Nat Rev Cancer 2005; 5: 761-772. 25. Arakawa H, Hauschild J, Buerstedde JM. Requirement of the activation-induced deaminase (AID) gene for immunoglobulin gene conversion. Science 2002; 295: 1301-6. 26. Druker BJ, Talpaz M, Resta DJ, Peng B, Buchdunger E, Ford JM, et al. Efficacy and safety of a specific inhibitor of the BCR-ABL tyrosine kinase in chronic myeloid leukemia. N Engl J Med 2001; 344:1031-7.
Alexandre Orthwein et coll.
9
