Sur la théorie de l'évolution clonale du caryotype

J. LEJEUNE

Atti Convegni Farmitalia, Estratto dal Volume Atti Convegni Farmitalia " Citogenetica delle leucemie " (Pag. 28-38), (Torino, 6 Giugno 1965). Edizioni minerva medica torino.


Sommaire

L'application des techniques d'analyses cytogénétiques aux cellules néoplasiques a permis, au cours des dernières années, de récolter une grande quantité d'observations, en apparence disparates.

Il serait difficile, voire impossible, de tenter de résumer en quelques trente minutes l'ensemble des informations ainsi recueillies. Aussi, tenterons nous simplement de discuter ensemble les conséquences heuristiques possibles des recherches actuelles.

Haut

Le rôle des aberrations chromosomiques dans les néoplasies

Dès 1914 Boveri, impressionné par les anomalies mitotiques observées par Von Hanseman en 1890, proposa l'hypothèse explicative selon laquelle, une anomalie caractéristique de certains chromosomes devait être la cause du changement des cellules normales en cellules néoplasiques.

Seize ans plus tard Winge (1930) proposa d'inclure une notion de sélection dans l'hypothèse de Doveri, c'est à dire d'une survie différentielle des cellules en fonction des changements génétiques réalisés.

Depuis plus de trente ans, cette relation entre anomalies chromosomiques et néoplasies est restée l'objet de discussion très vives, deux interprétations ayant à l'heure actuelle leurs partisans. Pour l'une des théories les changements chromosomiques sont considérés comme un épiphénomène, rançon des divisions cellulaires subintrantes des tissus néoplasiques.

L'autre point de vue, comptant actuellement assez peu de partisans convaincus, est que les changements génétiques observés sont la " cause " du cancer.

Avant d'entrer dans le vif de cette discussion, il est nécessaire de voir quels éléments d'interprétation la cytogénétique moderne peut nous fournir et d'analyser sur quelles bases d'observation une association entre anomalies chromosomiques et transformation néoplasique peut être établie.

Haut

Association individuelle

Avant même que le déterminisme de la trisomie 21 fût connu, l'existence d'une association entre cette affection constitutionnelle et la leucose aïgue fut observée et statistiquement démontrée.

D'après les données récentes on peut estimer que les trisomiques 21 sont vingt fois plus souvent atteints de leucémie que les enfants normaux.

Dans les autres anomalies constitutionnelles, telles que les trisomies 13 ou les trisomies 18, cette association est moins évidente, bien que des cas de tumeur congénitale et de leucémie congénitale soient signalés. La survie de ces malades est peut être trop brève pour permettre à la maladie néoplasique de se manifester.

En ce qui concerne les aneuploidies sexuelles, aucune étude statistique valable ne permet de trancher la question.

La sensibilité des trisomiques 21 au processus leucémique laisse supposer que c'est bien le chromosome 21 en excès qui confère aux cellules de ces sujets une instabilité particulière. D'ailleurs il est à remarquer qu'en dehors de tout processus malin, les globules blancs de ces malades présentent une anomalie, une segmentation très peu marquée de leurs noyaux, ainsi que Turpin et Bernyer l'observaient en 1947.

A l'échelon cellulaire, la présence d'anomalies chromosomiques dans les cellules néoplasiques est un fait d'observation courante et quelques exemples feront ressortir l'importance énorme de ces bouleversements génomiques.

Sans entrer dans une discussion plus précise on peut très généralement remarquer que pour chaque tumeur particulière, on trouve une certaine image caryotypique variant d'une cellule à l'autre, mais laissant apercevoir une ressemblance certaine entre les différents caryotypes observés dans une même tumeur.

Cette variation autour d'un changement moyen a d'ailleurs donné naissance à la notion de " lignée-souche " discutée récemment par l'Hsu et par Levan.

Devant ces données d'observation, le cytogénéticien est en droit de se proposer un modèle logique dont la confirmation ou l'infirmation par les faits permette de juger du rôle réel des aberrations chromosomiques dans les processus néoplasiques.

Un tel modèle logique (Lejeune, 1965) peut être construit à partir d'un postulat fort simple très couramment accepté.

Le changement néoplasique est inscrit dans la souche cellulaire maligne, en ce sens qu'il se transmet d'une cellule à l'autre lors de divisions somatiques. Cette théorie cellulaire des néoplasies est en excellent accord avec les données expérimentales et les observations en pathologie humaine (métastases par exemple).

Le modèle cytogénétique consiste alors simplement à dire que ce changement est inscrit dans le patrimoine génétique de la cellule et que les aberrations chromosomiques que nous observons effectivement sont la signature de ce changement.

Pour qu'une telle conception soit acceptable il faudrait que certaines conditions soient respectés et nous allons discuter quelques unes de ces hypothèses.

Haut

L'hypothèse du variant commun

Une première condition s'impose immédiatement : s'il existe une relation physiologique entre l'anomalie chromosomique et le changement de comportement des cellules, il devient nécessaire d'imaginer, qu'une aberration chromosomique donnée provoque un changement particulier du comportement. En d'autres termes, pour une néoplasie d'un type particulier, la même anomalie chromosomique devrait être en cause, ce que nous proposer d'appeler un variant commun.

Par exemple un type particulier de leucémie devrait être caractérisé par une variété particulière de changement chromosomique.

Le premier exemple de variant commun, et le seul actuellement bien démontré, est l'apparition du chromosome Philadelphie dans la leucémie méyeloide chronique dont on a déjà longuement discuté ce matin.

Il nous suffit pour la présente discussion, de nous souvenir des quelques données essentielles :

1) Le petit acrocentrique amputé se retrouve dans l'immense majorité des cas de leucémie myéloide chronique.

2) Il est présent que dans les cellules sanguines au médulaires des malades, mais non dans les autres cellules de leur économie.

3) La fréquence des cellules porteuses du Ph1 varie directement en fonction du stade évolutif de la maladie. Lorsque le nombre des globules blancs s'abaisse au dessous de 20.000, le Ph1 disparait du sang circulant, mais réapparait lors d'une nouvelle poussée. Sa disparition du sang n'est que le reflet d'une diminution de fréquence des cellules porteuses, puisque sa persistance dans la moelle osseuse elle même est dûment établie (Tough et coll., 162, 1963).

4) Les expériences de transplantation de globules blancs porteurs du Ph1, chez des sujets atteints d'un autre type de leucémie (Levin et coll., 1963) démontrent que ces cellules peuvent effectivement coloniser la moelle du receveur, si ce dernier est mis en état de dépression immunologique par irradiation et administration d'antimétabolites.

Il n'existe pas à l'heure actuelle de démonstration absolument formelle que les cellules porteuses du chromosome Ph1 soient effectivement les cellules leucémiques, mais les quatre arguments précédents rendent cette assertion extrèmement plausible et, de plus, très économique du point de vue explicatif.

En dehors de ce variant comrnun qu'est le Ph1, la leucémie myéloide chronique présente un autre aspect lié au fait que tôt ou tard, la maladie passe du stade chronique à un état aigu, généralement accompagné par une " transformation blastique " des éléments sanguins en excès.

Dans un grand nombre de cas cette transformations semble concomitante de l'apparition de nouvelles anomalies chromosomiques, surajoutée au Ph1 déjà existant. Le plus souvent il s'agit de l'apparition d'un ou de plusieurs chromosomes surnuméraires ressemblant plus ou moins à l'un des éléments du groupe 6-12 X (chromosomes moyens).

Il semblerait même que ces changements chromosomiques surajoutés puissent être décelés dans le sang ou dans la moelle, avant même que la " transformation blastique " devienne évidente du point de vue hématologique. Cette détection précoce est d'un grand intérêt pronostique d'une part, puisqu'il devient alors possible de prévoir l'évolution de la maladie, et d'un grand intérêt théorique puisqu'elle apporterait un argument en faveur du rôle des anomalies chromosomiques.

Cette évolution secondaire des leucémies myéloides chroniques, pose cependant le problème de savoir dans quelles cellules et dans quel ordre les changements génétiques se sont produits.

Ceci nous amène à envisager un second aspect de la question, celui de l'évolution clonale du caryotype.

Un exemple extrèment frappant, du fait de sa simplicité, a été observé en 1963 (Lejeune et coll.).

Il s'agissait d'une enfant trisomique 21 qui mourut à 2 ans 1/2 d'une leucoblastose, décelée dès sa naissance.

Un examen des cellules médullaires et sanguines montra la présence de cellules allant de 47 chromosomes (chiffre de base pour une trisomique 21) à 54 et 55 chromosomes.

Une analyse systématique des caryotypes aboutit aux constatations suivantes : les cellules à 47 portaient 3 chromosomes 21, et au fur et à mesure de l'élévation du nombre chromosomique on observait la persistance des erreurs déjà acquises, la progression se faisant apparemment par duplication sélective d'un surnuméraire, avant l'acquisition d'un suivant. Il est à remarquer que plusieurs observations de leucose chez des trisomiques 21 révèlent des caryotypes assez semblables à ceux-ci, laissant entendre que la succession de ces changements pourrait être un mode évolutif apparu chez différent sujets.

A partir d'une leucémie myéloide chronique, plusieurs observations clonales ont été observées, par Ford et Clarke en 1964 et par de Grouchy, 1965. Dans ces derniers cas, la voie d'évolution semble avoir subi des divergences pour arriver à un point de rencontre commun. L'effet éventuel du traitement sur cette diversification est fort délicat à préciser.

Dans tous ces cas, la notion d'évolution clonale du caryotype doit être considéré comme une hypothèse. En effet, la preuve formelle que ces cellules dérivent les unes des autres par filiation directe, et ne diffèrent entre elles que par l'accumulation successive d'anomalies surajoutées ne peut être apportée.

Ici aussi, il s'agit simplement d'une hypothèse économique. Une " convergence " fortuite d'accidents arrivés par hasard devenant invraisemblable, statistiquement parlant.

Cette hypothèse de l'évolution clonale du caryotype nous amène à envisager les différents caryotypes d'une même lignée néoplasique, comme les différentes étapes de sa progression, allant du caryotype normal, à celui du clone victorieux. Cette reconstitution de l'" histoire d'un clone " assez semblable à la démarche intellectuelle des paléontologistes recherchant l'origine d'un phylum, devrait permettre de déceler certaines lois évolutives, toujours dans la perpective où nous nous sommes placés de chercher à déterminer le rôle réel des anomalies chromosomiques.

Deux lignes de recherche peuvent être envisagées. L'une se rapporte aux modalités même des changements.

Par exemple, une modalité retrouvée dans de très nombreux cas, et très évidente lorqu'il existe des chromosomes remaniés aisément reconnaissables, des " marqueurs ", est la duplication, des surnuméraires (Lejeune, 1963). A savoir, un chromosome en excès est retrouvé en double exemplaire avec une fréquence beaucoup plus élevée que ne le voudrait le simple hasard, si chaque élément avait une égale probabilité d'être l'objet d'une aneuploidie.

Une telle particularité pourrait relever du processus de la mécanique chromosomique elle-même, un chromosome impair pouvant avoir un risque plus grand de malségrégation. Atkin et Baker (1964) ont observé le comportement mitotique anormal de l'un de ces " marqueurs " ou de duplication asynchrone (endoreduplication sélective) (Lejeune, 1963).

L'autre voie de recherche concerne les conséquences métaboliques d'un changement chromosomique dont un exemple schématique nous permettra de saisir l'importance.

Il est très vraisemblable, ainsi que le démontre l'observation directe des sujets trisomiques, que la présence d'un chromosome excédentaire détermine un excès d'activité enzymatique pour les réactions contrôlées par les gènes contenus sur le dit chromosome.

Supposons maintenant une chaine métabolique du type


dans laquelle les trois réactions sont déterminées par des enzymes controlées chacune par un gène situé sur un chromosome particulier. Il est à supposer que s'il existe une relation simple entre le dosage génique, le nombre de gènes, et l'activité enzymatique, une cellule diploïde possède deux unités d'activité pour chaque réaction, de telle façon que le système soit équilibré.

Si le chromosome porteur de e2 se trouve en double exemplaire, la réaction de B en C est accélérée et, si le " rendement " de A en B reste constant, le métabolite D sera en défaut. Si D est indispensable à la survie de la cellule, l'excès d'enzyme e2 ne peut donc être toléré que si le " rendement " de la réaction de A en B a d'abord été accélérée.

En d'autre termes, le chromosome porteur de e2 ne peut être mis en excédent qu'après que le chromosome porteur de e1 ne soit lui même apparu en excès.

Les conclusions de ce raisonnement, ultra simplifié, reste d'ailleurs valables, qu'il s'agisse de gènes modificateurs, suppresseurs, ou activateurs, en ce sens qu'il devrait exister des combinaisons interdites. C'est à dire les changements chromosomiques ne pourraient s'accumuler au hasard sous peine de mort cellulaire, mais devraient au contraire se succèder les uns les autres, selon un ordre déterminé par les bouleversements métaboliques que leur apparition (ou leur disparition) déterminent.

Cette hypothèse des combinaisons interdites présente l'intérêt de pouvoir être confrontée aux données d'observation. Une analyse statistique de quelques centaines d'évolutions caryotypiques (chiffre énorme actuellement mais qui sera certainement atteint au cours des prochaines années) permettrait en effet d'infirmer ou de confirmer l'existence de voies évolutives préférentielles.

Par ailleurs si cette conception se trouvait réprésenter une partie de la réalité, elle conduirait à des déductions intéressantes.

D'une part, la détermination de certains changements enzymatiques liés à certains changements chromosomiques, déjà tentée par De Carli en 1964, permettrait d'aborder le problème de la localisation chromosomique de certains gènes. Cet établissement de cartes factorielles serait en effet facilité par la diversité beaucoup plus grande des caryotypes observés dans les tumeurs que dans les maladies congénitales.

L'usage de ces cartes factorielles serait à son tour très important. Si les combinaisons interdites que nous venons d'évoquer étaient effectivement observées, il serait possible, par l'analyse du caryotype d'une tumeur de déceler les " points faibles " biochimiques de la lignée et, éventuellement, d'établir un véritable antibiogramme en fonction des combinaisons effectivement réalisées par la souche néoplasique. On peut en effet concevoir qu'un déséquilibre délibéré de certains métabolites pourrait alors changer la valeur sélective des cellules mutées et leur retirer ainsi leur pouvoir envahissant.

Dans tout ce qui vient d'être dit, il est certain que la spéculation tient une grande place et que le modèle que nous venons d'envisager, reposant sur les deux hypothèses principales du variant commun et de l'évolution progressive selon certaines lois, ne peut nullement être considéré comme démontré.

Ces deux hypothèses devraient être vérifiées avant d'admettre le rôle primordial des changements génomiques dans le changement de comportement des cellules. Une investigation parallèle pourrait d'ailleurs être tentée qui serait de savoir si, chez les malades présentant deux types génomiques bien distincts, une différence évidente de comportement peut être décelée entre les deux lignées cellulaires.

La Leucémie myéloïde chronique en transformation blastique est un exemple caractéristique de cet état de fait, et il semble bien d'après les données de la littérature (Tough, Lejeune et coll.), que l'efficacité de certaines drogues soit différente selon le bouleversement génomique des cellules, le myleran étant actif sur les cellules porteuses du Ph1 et inactif sur les cellules à changement surajouté, le contraire étant probable pour la 6-Mercapto-purine.

Au total on peut espérer que dans un avenir peut être assez proche, une analyse des données cliniques caryotypiques et thérapeutiques et leur confrontation au modèle proposé permettra de définir avec une plus grande certitude le rôle des aberrations chromosomiques dans les néoplasies.

Pour le cytogénéticien, observant chez un enfant trisomique les conséquences catastrophiques de la présence d'un chromosome en excès, il semble presque impossible d'imaginer que les bouleversements génomiques des cellules néoplasiques ne retentissent point directement sur leur comportement. Par ailleurs le fait que tous le cancerigènes connus, des radiations aux antimétabolites et des virus onco-gènes au simple vieillissement, aient pour tout effet commun la production d'anomalie chromosomique renforce grandement une carte de sentiment.

Les anomalies chromosomiques ne sont peut être ni la cause ni la conséquence du cancer, elles sont le processus neoplasique même.


Haut

Bibliographie

Atkin N. B., Baker M. C. A nuclear protrusion in a human tumor associated with an abnormal chromosome. Acta Cytologica, 8, 431, 1964.

Boveri T. Zur Frage des Entstehung maligner Tumoren. Jena Fischer, 8, 1914.

Ford C. E., Clarke M. Cytogenetic evidence of clonal proliferation in primary reticular neoplasms. Sous presse. Communication personnelle, 1963.

Hansemann D. von. Über asymmetrische Zellteilung in Spithelkrebser and deren biologische Bedeutung. Virch. Arch., 119, 299, 1890.

Grouchy J, de, Nava C. .de, Bilski-Pasquier G. Duplication d'un ph1 et suggestion d'une évolution clonale dans une leucémie myeloide chronique en transformation aigüe. Nouv. Rev. Frç. Hématol., 5, 69, 1965.

Hsu T. C. Chromosomal evolution in tell population. Int. Review of Cytol., 12, 69, 1961.

Lejeune J., Berger R., Haines M., Lafourcade J., Vialatte J., Satge M., Turpin R. Constitution d'un clone à 54 chromosomes au cours d'une leucoblastose chez une enfant mongolienne. C. R. Acad. Sci. Paris, 256, 1195, 1963.

Lejeune J. Leucémie et cancer. In: Les chromosomes humains, 1 vol. Gauthier Villars Edit., Paris, 1965.

Lejeune J., Berger R. Évolution chromosomique d'une leucémie myéloïde chronique. Annales de Génétique, 8, 1, 1965.

Levan A., Nichols W. W., Norden A. A case of chronic myeloid leukemia with two leukemic stemlines in the blood. Hereditas, 49, 434, 1963.

Levan R. H., Wang J., Tjio J. H., Carbone P. P., Frei E. III, Freireich E. J. Persistant mitosis of transfused homologous leucocytes in children receiving antileukemic therapy. Science, 142, 1305, 1963.

Tough I. M., Court Brown W, M., Baikie A. G., Burton K. E., Harnden D. G., Jacobs P. A., Williams J. A. Chronic myeloid leukaemia-cytogenetic studies before and after splenic irradiation. Lancet, ii, 115, 1962.

Tough I. M., Jacobs P. A., Court Brown W. M., Baikie A. G., Williamson E. R. D. Cytogenetic studies on bone marrow in chronic myeloid leukaemia. Lancet, i, 844, 1963.

Turpin R., Bernyer C. De l'influence de l'hérédité sur la formule d'Arneth (cas particulier du mongolisme). Revue Hématol., 2, 189, 1947.

Winge O. Zytologische untersuchungen Über die natur maligner Tumoren. II.: Teerkarzinome bei Mauren. Z. Zellforsch., 10, 683, 1930.