Les histones sont la cible d’un grand nombre de modifications post-traductionnelles, telles que l’acétylation et la méthylation, dont la combinatoire définirait un code, appelé « code histone », permettant d’associer à divers jeux de modifications post-traductionnelles un état particulier de la chromatine et d’en modifier les fonctions essentielles comme la transcription [ 1, 2]. Bien que les enzymes régulant ces modifications, telles que les acétyltransférases et les histones déacétylases (HDAC), modulent des fonctions-clés de la cellule (apoptose, différenciation, etc.), leur implication dans le contrôle de l’expression de gènes suppresseurs de tumeur et la pathogenèse des cancers a rapidement suscité le développement d’approches pharmacologiques ciblant ces réactions (pour revue, voir [ 3]). Près d’une vingtaine d’inhibiteurs d’HDAC sont en cours d’évaluation clinique, et deux composés de synthèse, le vorinostat (Zolinza^®)puis la romidepsin (Istodax^®), ont reçu une autorisation de mise sur le marché pour le traitement du lymphome T cutané [ 4]. Si la combinaison de ces agents avec des chimiothérapies conventionnelles semble prometteuse, leur efficacité en monothérapie reste cependant modeste dans la plupart des indications testées, probablement en raison de l’absence d’une part de données moléculaires permettant de stratifier et de mieux cibler les patients, et d’autre part de biomarqueurs permettant d’en attester l’action. L’optimisation de ces nouveaux traitements devrait également bénéficier de l’exploration d’approches combinées ciblant diverses activités enzymatiques intervenant dans la régulation épigénétique. Dans cette optique, la méthylation des histones semble être une cible de choix : ce mécanisme est dérégulé dans de nombreux cancers et un nombre croissant d’histone méthyltransférases (HMT) sont associées à la carcinogenèse [ 5]. Nous faisons le point dans cette revue sur l’implication des HMT dans le cancer et sur les inhibiteurs de HMT actuellement disponibles.

Les histones sont les cibles privilégiées de plusieurs modifications post-traductionnelles réversibles, capables d’influencer la structure chromatinienne et, en conséquence, l’activité transcriptionnelle des gènes sous-jacents (Figure 1) [1, 2]. La méthylation des histones représente une modification post-traductionnelle complexe, contribuant aux mécanismes de régulation épigénétique, qui n’a été décrite que récemment et reste imparfaitement comprise. Cette modification intervient sur les résidus lysine (Lys, K), qui peuvent être mono-, di- ou tri-méthylés par des KMT ou lysine méthyltransférases, et sur les résidus arginine (Arg, R), mono- ou di-méthylés par des RMT, arginine méthyltransférases. Au moins 52 KMT et entre 10 et 50 RMT ont été identifiées, dont les structures, les fonctions biologiques et les implications pathologiques sont distinctes. Ces enzymes utilisent toutes cependant le S-adénosylméthionine (SAM) comme cosubstrat pour le transfert du groupement méthyle sur le résidu aminé. Contrairement à l’acétylation et à la phosphorylation, la méthylation des histones n’a pas d’impact significatif sur les interactions électrostatiques des histones avec l’ADN. En revanche, elle constitue un motif d’interaction reconnu par des protéines à domaines chromo (chromatin modification organizer), tudor, MBT (malignant brain tumor) et PHD (plant homeo domain) ou empêche les interactions avec d’autres protéines, non-histones (pour revue, voir [2]). Les conséquences fonctionnelles de ces diverses méthylations restent difficiles à définir en raison de leur variabilité. Elles varient notamment en fonction de leur contexte (par exemple selon qu’elles interviennent au niveau des régions codantes ou de régulation transcriptionnelle). Cependant, les méthylations sur les résidus lysine 4, 36 et 79 de l’histone H3 (H3K4, H3K36 et H3K79) sont plutôt associées à un contexte d’activation transcriptionnelle, alors que les méthylations sur les résidus 9, 27 et 20 (H3K9, H3K27 et H4K20) sont généralement associées à une répression transcriptionnelle [2, 6].

Figure 1. Méthylations amino-terminale de l’histone H3. La méthylation de l’histone H3 sur les résidus lysine (K)4, K9 et K27 est assurée par des lysine méthyltransférases (HKMT) et la méthylation sur les résidus arginine est réalisée par les arginine méthyltransférases (RMT). La déméthylation est catalysée par amine oxydation (LSD1, lysine specific demethylase 1) ou par hydroxylation par une protéine à domaine Jumonji (JmJ)-C des histone déméthylases (HDM). La phosphorylation sur résidus sérine (S) et l’acétylation de résidus lysine sont respectivement contrôlées par des protéine kinases (PK) et des protéine phosphatases (PP), ou par des histone déacétylases (HDAC) et des histone acétyltransférases (HAT). D’autres modifications post-traductionnelles interviennent dans la région carboxy-terminale des histones (non montrées) et l’ensemble de ces marques forme un « code histone » déterminant les interactions entre les facteurs de transcription et la chromatine et régulant la transcription.

Figure 1. Méthylations amino-terminale de l’histone H3. La méthylation de l’histone H3 sur les résidus lysine (K)4, K9 et K27 est assurée par des lysine méthyltransférases (HKMT) et la méthylation sur les résidus arginine est réalisée par les arginine méthyltransférases (RMT). La déméthylation est catalysée par amine oxydation (LSD1, lysine specific demethylase 1) ou par hydroxylation par une protéine à domaine Jumonji (JmJ)-C des histone déméthylases (HDM). La phosphorylation sur résidus sérine (S) et l’acétylation de résidus lysine sont respectivement contrôlées par des protéine kinases (PK) et des protéine phosphatases (PP), ou par des histone déacétylases (HDAC) et des histone acétyltransférases (HAT). D’autres modifications post-traductionnelles interviennent dans la région carboxy-terminale des histones (non montrées) et l’ensemble de ces marques forme un « code histone » déterminant les interactions entre les facteurs de transcription et la chromatine et régulant la transcription.

Les histones ne sont pas les seuls substrats des RMT, ce qui les distingue des KMT. Les RMT peuvent en effet catalyser la méthylation de nombreuses protéines impliquées dans la transduction du signal, la prolifération cellulaire, la réparation de l’ADN et la maturation des ARN [ 21]. Par exemple, la méthylation de l’arginine de l’histone acétyltransférase CBP par la transférase CARM1 (coactivator associated arginine methyl-transferase 1) contribue à ses effets coactivateurs. À l’inverse des KMT, les RMT ne sont pas mutées dans les cellules tumorales. Néanmoins, leur implication a bien été décrite dans de nombreux cancers (Tableau II) . Par exemple, des expériences d’invalidation de gènes ont démontré le rôle nécessaire de PRMT1 (protein arginine N-methyltransferase 1) dans la transformation oncogénique induite par le complexe MLL [ 22]. PRMT1 n’est pas importante pour la viabilité mais semble essentielle pour l’établissement d’une différenciation appropriée durant l’embryogenèse. Les souris invalidées pour l’expression de PRMT1 décèdent à un stade embryonnaire précoce. CARM1/PRMT4 est une RMT surexprimée dans les tumeurs du sein agressives et les tumeurs de la prostate hormonodépendantes [ 23]. De plus, la signalisation en aval des récepteurs aux androgènes dans les cellules de prostate invalidées pour CARM1 est altérée, un paramètre qui peut intervenir dans le contexte des cancers de la prostate. En raison de leur fonction de coactivateur, PRMT1, PRMT2 et CARM1/PRMT4 pourraient être considérées comme des cibles thérapeutiques originales dans le traitement de tumeurs hormonodépendantes. Enfin, l’activité de PRMT5 réprime l’activation de gènes suppresseurs de tumeurs dans les fibroblastes et participe au maintien de l’état oncogénique.

La diversité structurale et fonctionnelle des KMT et RMT, ainsi que l’ensemble des données présentées ci-dessus font des HMT des cibles thérapeutiques attractives dans le traitement du cancer (voir Encadré). L’implication d’un cofacteur (S-adénosyl méthionine ou SAM) constitue une particularité susceptible de faciliter le développement d’inhibiteurs pharmacologiques, sur le modèle des inhibiteurs de kinases dérivés de l’ATP.

Inhibiteurs de KMT

L’utilisation d’analogues de SAM comme inhibiteurs tels que la méthylthio-adénosine, la S-adénosyl-homocystéine (SAH) ou la sinéfungine a été suggérée dans des travaux relativement anciens. Cependant ces molécules ne ciblent pas seulement les HMT mais également d’autres enzymes qui utilisent le SAM telles que les ADN méthyltransférases, ce qui les rend difficilement compatibles avec un développement clinique. Plus récemment, plusieurs inhibiteurs d’HMT plus spécifiques ont été découverts et peuvent servir comme composés modèles dans les études biochimiques in vitro et, secondairement, dans le développement de drogues anticancéreuses. En ce qui concerne les KMT, trois inhibiteurs spécifiques ont été décrits (Figure 2). Parmi 3 000 composés naturels qui ont été criblés, la chaétocine a été retenue. Elle inhibe SUV39H1 avec une IC₅₀ de 0,8 µM [ 24]. Ce composé inhibe plus faiblement (IC₅₀de 2,5 µM) d’autres HMT apparentées possédant un domaine post-SET comme G9a et DIM5, alors qu’il n’exerce pas d’action significative sur les HMT dépourvues de domaine post-SET telles que EZH2 et SET7/9 (IC₅₀de 90 µM). Bien qu’elle ait été considérée comme un inhibiteur compétitif de SAM, la chaétocine semble donc agir sélectivement sur les HMT à domaine post-SET. Des études structurales de cristallographie devraient permettre de mieux comprendre son mode d’action. D’autre part, les HMT ne semblent pas constituer la seule cible cellulaire de la chaétocine. Une étude récente [ 25] montre que cette molécule est capable, via un mécanisme d’éjection du zinc, d’altérer l’interaction protéique entre p300 et des facteurs de transcription oncogéniques tels que HIF1α (hypoxia induced factor 1α). La chaétocine exerce également des propriétés antitumorales dans le myélome multiple [ 26], via l’induction d’un stress oxydatif. Dans ce contexte, il semble que l’inhibition de la thioredoxine réductase (TxR) par la chaétocine induise la libération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) et l’induction de la mort des cellules myélomateuses. Cependant, le rôle de SUV39h1 dans le mécanisme de mort induit par la chaétocine n’a pas encore été étudié.

Figure 2. Inhibition pharmacologique de la méthylation amino-terminale de l’histone H3. Le composé antiviral 3-deazaneplanocin (DZNep) est un inhibiteur de l’hydrolase de la S-adénosylhomocystéine (SAH), le cofacteur donneur de méthyl des méthyltransférases, conduisant à l’accumulation du taux de SAH intracellulaire et à l’inhibition peu spécifique de la méthylation des histones, incluant la triméthylation de la lysine 27 par EZH2 (Enhancer of zeste homolog 2 du groupe polycomb). Des inhibiteurs plus sélectifs ont été isolés, notamment la chaétocine, métabolite naturel fongique, inhibiteur sélectif de SUV39H1 (IC50 = 0,8 µM) et BIX-01294, inhibiteur sélectif de G9a/EHMT2 (IC50 = 1,7 µM).

Figure 2. Inhibition pharmacologique de la méthylation amino-terminale de l’histone H3. Le composé antiviral 3-deazaneplanocin (DZNep) est un inhibiteur de l’hydrolase de la S-adénosylhomocystéine (SAH), le cofacteur donneur de méthyl des méthyltransférases, conduisant à l’accumulation du taux de SAH intracellulaire et à l’inhibition peu spécifique de la méthylation des histones, incluant la triméthylation de la lysine 27 par EZH2 (Enhancer of zeste homolog 2 du groupe polycomb). Des inhibiteurs plus sélectifs ont été isolés, notamment la chaétocine, métabolite naturel fongique, inhibiteur sélectif de SUV39H1 (IC50 = 0,8 µM) et BIX-01294, inhibiteur sélectif de G9a/EHMT2 (IC50 = 1,7 µM).

D’autres inhibiteurs sont disponibles : DZNep (S-adenosylhomocysteine hydrolase inhibitor 3-deazaneplanocin A) est un nouvel inhibiteur de la triméthylation de la lysine 27 de l’histone H3 (H3K27) [ 27]. Cette molécule est décrite comme induisant sélectivement l’apoptose des cellules tumorales et non des cellules normales. À l’inverse de la chaétocine, DZNep n’inhibe pas directement l’activité enzymatique d’EZH2 mais réprime son expression ainsi que l’expression d’autres membres du complexe PRC2. Cette nouvelle drogue est également capable de restaurer, dans les cellules de cancer mammaire, l’expression d’un groupe de gènes particulièrement réprimés par le complexe PRC2. De plus, la surexpression d’EZH2 dans des cellules tumorales mammaires dans lesquelles le gène BRCA1 est muté sensibiliserait ces cellules à la mort induite par DZNep. DZNep serait donc potentiellement intéressant en thérapeutique dans les cas de cancers où EZH2 est surexprimé, notamment le cancer de la prostate où la surexpression d’EZH2 est un marqueur de très mauvais pronostic. Cependant, aucune donnée in vivo n’est actuellement disponible qui démontre l’efficacité de ce composé dans des modèles précliniques.

Enfin, d’autres cibles semblent émerger. Bien que l’HMT G9a ne soit pas impliquée directement dans l’oncogenèse, la diméthylation de H3K9 médiée par G9a est impliquée dans la répression transcriptionnelle de gènes suppresseurs de tumeurs, et la délétion de G9a inhibe la croissance de cellules tumorales prostatiques. En conséquence, le développement d’inhibiteurs spécifiques de G9a trouverait, dans le futur, une application dans le traitement du cancer. Après un criblage de 125 000 molécules, un composé, BIX-01294, a été découvert, qui inhibe sélectivement G9a (IC₅₀de 1,7 µM) in vitro et in vivo, sans compétition avec le cofacteur SAM [ 28]. BIX-01294 inhibe spécifiquement le diméthylation de H3K9 médiée par G9a sans altérer la mono- ni la triméthylation. Malheureusement, ce composé sélectif ne semble pas présenter d’activité antitumorale in vitro bien que des effets cytotoxiques aient été décrits.

Les inhibiteurs d’HDAC ciblant des régions hétérochromatiniennes aberrantes aident à réactiver la transcription de gènes suppresseurs de tumeurs qui sont cruciaux pour le fonctionnement normal des cellules. La réactivation de l’expression de gènes suppresseurs de tumeurs et la restauration des voies de réparation de l’ADN par les drogues qui agissent au niveau épigénétique rendent les cellules tumorales plus sensibles à d’autres thérapies dont la chimiothérapie, l’immunothérapie ou la radiothérapie. La preuve du concept de l’intérêt des thérapies épigénétiques, à l’image des résultats obtenus pour les agents déméthylants de l’ADN dans les myélodysplasies, ou des inhibiteurs d’HDAC dans les CTCL (cutaneous T cell lymphoma), a suscité la recherche de nouvelles cibles et donc de nouveaux inhibiteurs ciblant les mécanismes de régulation épigénétique. Les histones méthyltransférases ont depuis longtemps été impliquées dans le cancer et surtout dans les leucémies, mais ce n’est que récemment que des inhibiteurs spécifiques sont apparus. Comparativement aux connaissances accumulées dans le domaine de la méthylation de l’ADN ou l’acétylation des histones, notre compréhension des mécanismes de méthylation des histones et des conséquences de leur inhibition reste encore limitée. La recherche de nouveaux inhibiteurs n’en est encore qu’à ses débuts et seule une poignée d’inhibiteurs est actuellement disponible. Plusieurs de ces molécules présentent une activité antitumorale mais leur optimisation et leur développement restent une question cruciale pour envisager leur application en clinique.

Les travaux de notre équipe sont financés par l’Inserm, l’Institut Paoli-Calmettes, l’Association de recherche contre le cancer (ARC) et la Ligue nationale contre le cancer (bourse de thèse de Hassiba Chaib).