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01/12/1999 La
Recherche
« Les défenses de l'organisme n'ont rien à voir
avec celles de cellules isolées. »
Cellules hybrides
humain-hamster,
*Rayonnement
Alpha
C'est un noyau d'hélium émis lors de la
désintégration d'un noyau radioactif.
*Méga-électron-volt
Soit un million d'électron-volts (ou eV).
L'électron-volt est une unité d'énergie
équivalent à 1,6 x 10-19 joule. C'est l'énergie
d'un électron soumise à une différence de
potentiel de 1 volt.
*Fibroblastes
Type cellulaire courant du tissu conjonctif, qui
joue un rôle de soutien et relie entre eux les
tissus d'un même organe ou d'organes voisins. Les
fibroblastes prolifèrent bien en culture.
(1) H. Nagasawa, J. B. Little, Cancer Research
, 52 , 6394, 1992.
(2) B. E. Lehnert, E. H. Goodwin, Cancer Research
, 57 , 2164, 1997.
(3) L.-J. Wu et al ., Proc. Natl. Acad.
Sci. USA , 96 , 4959, 1999.
(4) P. K. Narayanan et al ., Cancer
Research , 57 , 3963, 1997.
(5) W. C. Hahn et al ., Nature , 400
, 464, 1999.
La Recherche a publié
:
B. Dutrillaux, « Peut-on savoir si un cancer est
dû à la radioactivité ? », avril 1998.
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ACTUALITÉ DES SCIENCES
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BIOLOGIE
Le bombardement du
cytoplasme peut induire des mutations de l'ADN
nucléaire
Les dégâts
collatéraux des rayons alpha
Depuis quelques
années, on soupçonnait qu'il n'était pas besoin
que des rayons ionisants percutent directement l'ADN
du noyau cellulaire pour y provoquer des mutations.
Grâce à un outil très puissant, une équipe de
l'université Columbia vient d'apporter la preuve de
ce phénomène, appelé effet de proximité, et du
rôle qu'y joue la communication cellulaire.
L'irradiation du cytoplasme a bel et bien un impact
mutagène.
Dans notre quotidien, la plus
importante source de rayonnement Alpha* provient du
radon. Ce gaz radioactif émane du sol et s'accumule
dans les bâtiments, où nous l'inhalons. En se
fondant sur sa concentration moyenne dans les
habitations, l'Agence de protection de
l'environnement (EPA) américaine a calculé que le
radon pourrait être responsable chaque année de
quelque 23 000 décès par cancer du poumon aux
États-Unis.
Mais cette estimation dérive d'études
épidémiologiques menées sur les mineurs d'uranium,
qui absorbent bien plus de radon que le citoyen à
son domicile. La radioactivité moyenne dans nos
logements est de 48 microbecquerels (mBq) par mètre
cube. Pour chaque cellule des muqueuses pulmonaires,
cela correspond au risque d'être traversée une
seule fois par une particule a, et plus probablement
jamais, au cours de notre existence.
Or, il est loin d'être avéré que l'on puisse
extrapoler avec exactitude les risques liés aux
faibles doses à partir des données sur les doses
élevées. Pouvoir déterminer les effets
carcinogènes de faibles flux de particules a sur
les cellules revêt donc une importance vitale.
Les cellules deviennent cancéreuses quand
leur division et leur croissance, programmées par
un ADN irrémédiablement endommagé, échappent à
tout contrôle. L'ADN se trouvant à l'intérieur du
noyau cellulaire, il est légitime de penser qu'une
particule a doit frapper directement ledit noyau
pour avoir des conséquences destructrices sur l'ADN.
Cette idée reçue a commencé à être battue en
brèche en 1992, lorsque Hatsumi Nagasawa et John
Little, de l'université Harvard, ont irradié des
cellules avec des flux réduits de particules a(1).
Se fondant sur le taux de dommages génétiques
provoqués, ces chercheurs en avaient déduit que la
surface de la cible touchée par ces atteintes
génétiques était bien supérieure à celle du
noyau cellulaire. Leurs résultats impliquaient
même que des cellules non irradiées, voisines de
celles traversées par des particules a, pouvaient
subir une détérioration génétique. Ils
qualifièrent ce phénomène d'« effet de
proximité ».
La preuve directe de cet effet fut fournie en
1997 par Bruce Lehnert et Edwin Goodwin, du
Laboratoire national de Los Alamos(2). Aujourd'hui,
Tom Hei et ses collaborateurs de l'université
Columbia apportent aussi la preuve directe d'un
effet analogue : les particules a peuvent frapper le
cytoplasme d'une cellule, épargner le noyau, et
néanmoins abîmer son ADN(3).
Pour un physicien, étudier ce qui se passe quand
une particule a frappe un noyau ou quand elle le
manque peut paraître simple. Il suffit d'envoyer
une particule sur une cible déterminée dans la
cellule - le noyau ou le cytoplasme qui l'entoure -
et d'évaluer les dégâts occasionnés. Le
problème est que la fréquence des mutations -
même en cas de tir direct sur le noyau - est très
faible. Ce n'est qu'en irradiant avec précision des
dizaines de milliers de cellules que l'on peut
esquisser un tableau des atteintes provoquées.
Grâce à sa précision et à un mécanisme
sophistiqué d'acquisition des cibles, le
microfaisceau du Centre de recherches radiologiques
de l'université Columbia est exactement l'outil
indiqué pour cette tâche (voir photo ci-dessus).
Utilisant un accélérateur de particules Van de
Graaff d'une puissance de 4 MeV (méga-électronvolts*),
il peut tirer une par une des particules a avec une
précision spatiale de 3,5 mm, ce qui suffit pour
frapper une cellule isolée (diamètre : 30 mm) en
évitant avec certitude de toucher le noyau (diamètre
: 10 mm).
Dans cet appareil, le plus impressionnant est
peut-être le système d'acquisition des cibles du
microfaisceau. Les échantillons de cellules sont
placés dans une série de récipients qui viennent
se positionner un par un dans le champ d'une caméra
électronique. Celle-ci prend une image de chaque
groupe de cellules, dont le noyau et le cytoplasme
sont teintés respectivement en rose et en rouge par
deux colorants spéciaux (voir photo). Un logiciel
analyse l'image et identifie la position des cibles.
Puis les coordonnées des cibles sont envoyées au
système de commande de l'appareil, qui déplace le
récipient pour placer la première cible sous le
faisceau, ouvre l'obturateur, tire un nombre
prédéterminé de particules a sur la cible, ferme
l'obturateur et passe à la cible suivante. Quand
toutes les cibles d'un récipient ont été
touchées, le suivant prend place sous le faisceau,
et ainsi de suite -le tout automatiquement. Le
microfaisceau de Columbia est capable d'irradier de
cette façon jusqu'à 15 000 cibles en une heure.
L'équipe de Tom Hei a utilisé comme cibles
une lignée de cellules hybrides, issues de la
fusion in vitro de fibroblastes* humains et
de cellules ovariennes de hamster chinois. Dotées
d'un jeu complet de chromosomes de hamster et d'une
copie du onzième chromosome humain, ces cellules
hybrides sont très utiles pour mettre en évidence
une large gamme de mutations.
Les chercheurs ont bombardé soit le cytoplasme soit
le noyau des cellules. Ensuite, l'équipe a mesuré
le taux de mutation d'un gène nommé CD59 ,
situé sur le chromosome 11 humain. Après plus de
30 000 tirs, les chercheurs de Columbia ont
découvert que l'irradiation du cytoplasme induisait
des mutations du gène CD59 . Ces mutations
sont de même nature que celles qui surviennent de
façon spontanée, c'est-à-dire sans irradiation,
mais se produisent à un taux trois fois plus
élevé.
En revanche, les mutations induites par
l'irradiation du noyau cellulaire sont
qualitativement différentes, impliquant pour une
bonne part la perte de fragments de chromosomes. «
Cette différence, c'est le jour et la nuit »,
commente Tom Hei.
Un fait crucial est que l'irradiation cytoplasmique
risque beaucoup moins de tuer la cellule que celle
du noyau. Même pilonnée par 32 particules a
tirées sur son cytoplasme, une cellule garde encore
70 % de chances de survivre et -avec un ADN
endommagé - de se diviser. Selon John Little : «
la découverte que l'irradiation cytoplasmique n'est
pas cytotoxique est en accord avec de nombreux
travaux antérieurs. En revanche, l'observation que
cette irradiation cytoplasmique a un impact
mutagène significatif est à la fois nouvelle et
inattendue. »
L'altération de l'ADN n'entraîne pas
forcément le cancer, et n'est pas non plus le seul
facteur en cause. On estime que le génome d'une
cellule doit subir au moins six événements
mutagènes indépendants avant que ses mécanismes
de réparation de l'ADN ne soient débordés et que
la carcinogenèse ne s'exprime à plein. Mais pour
Tom Hei, c'est justement l'absence de toxicité de
l'irradiation cytoplasmique qui pourrait lui donner
un rôle très important dans l'apparition du cancer
: elle produit des cellules mutantes sans les
détruire.
Comment peut-on manquer sa cible et marquer tout de
même le point ? Avant de faire leur expérience,
Tom Hei soupçonnait que les dégâts causés par
l'irradiation cytoplasmique passaient par
l'intermédiaire de molécules oxydantes très
réactives (des radicaux libres), dont on pense
qu'elles causent des mutations spontanées et dont
on a montré qu'elles étaient présentes à des
doses élevées lorsque se produit l'effet de
proximité(4). Pour tester cette idée, les
chercheurs ont traité deux échantillons de
cellules cibles avec deux réactifs - en
l'occurrence, le diméthyl-oxyde de soufre (DMSO),
qui élimine les radicaux libres de l'oxygène, et
la buthionine-S-R-sulfoxime (BSO), qui favorise leur
production.
Comparées aux cellules témoins, celles
traitées au DMSO subissent entre quatre ou cinq
fois moins de mutations, tandis que le BSO fait au
contraire augmenter le taux de mutation du même
facteur - cette égalité des facteurs étant une
coïncidence. Test supplémentaire, les cellules
irradiées avaient été marquées par un anticorps
particulièrement apte à reconnaître les
altérations oxydantes de l'ADN. De fait, les
cellules au cytoplasme irradié ont fixé plus
d'anticorps que les cellules témoins, confirmant
que cette irradiation génère des dégâts oxydants
dans leur génome.
Si les radicaux libres sont en cause, comment leur
pouvoir destructeur affecte-t-il l'ADN à
l'intérieur du noyau ? Nul ne le sait avec
certitude. Lorsqu'une particule a pénètre dans une
cellule, elle libère rapidement une énergie
d'environ 100 keV/mm dans une étroite aire
d'ionisation autour du point d'impact - si étroite,
à vrai dire, que les produits directs de cette
ionisation ne peuvent atteindre le noyau si le point
d'impact en est éloigné de plus de quelques
nanomètres. D'une manière ou d'une autre, il doit
donc exister une chaîne d'espèces réactives de
l'oxygène cheminant jusqu'au noyau.
Dans ses expériences les plus récentes,
l'équipe de Tom Hei a fait porter ses recherches
sur un autre aspect de l'effet de proximité. Au
lieu d'irradier le cytoplasme cellulaire, ils ont
tiré une volée létale de vingt particules a sur
chacun des noyaux d'un sous-échantillon de cellules
choisi au hasard. Etant donné que les cellules
mortes ne se répliquent pas, une augmentation du
taux de mutation des cellules non irradiées doit
relever de cet effet de proximité. Et c'est
exactement ce qu'a observé l'équipe de Tom Hei :
dans les cellules non irradiées, le taux de
mutations avait triplé.
Il semblerait que la transmission de l'altération
génétique d'une cellule à une autre dépende de
la façon dont les cellules sont disposées.
Lorsqu'elles sont contiguës -comme dans le
revêtement des poumons et dans les expériences de
Tom Hei -, elles peuvent échanger des molécules
grâce à des points de passage à travers les
membranes, appelés jonctions cellulaires. En
traitant les cellules avec un autre réactif, le
lindane, Tom Hei a obtenu la fermeture de ces
jonctions cellulaires et fait disparaître l'effet
de proximité.
Mais l'effet de proximité a également été
observé dans des échantillons de cellules non
contiguës. Cela a conduit certains chercheurs, tel
Andrew Grosovsky, de l'université de Californie à
Riverside, à faire l'hypothèse que deux
mécanismes différents pourraient être en jeu.
Dans le premier, une molécule de communication
passe, grâce à la jonction cellulaire, d'une
cellule irradiée à sa voisine non irradiée,
qu'elle trompe en la faisant se comporter comme une
cellule directement altérée. Dans le second
mécanisme, la molécule signal, au lieu d'être le
seul agent de l'altération, déclenche la
production de radicaux libres qui s'attaquent aux
cellules voisines sans avoir à passer par une
jonction cellulaire.
Selon Andrew Grosovsky, les implications de
ce genre de recherches, qui restent encore du
domaine de la spéculation, pourraient être
importantes et conduire à une sérieuse remise en
question de la physique qui sous-tend la
modélisation des risques associés à la
carcinogenèse due aux rayonnements de faible
intensité. Et malgré le succès récent que
représente la fabrication au laboratoire de
cellules tumorales à partir de cellules humaines
saines, établir un effet in vivo à partir
d'essais in vitro reste encore un défi(5).
Charles Day
BIOLOGIE
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