Plusieurs mécanismes d’action de la fragilysine ont été décrits et pourraient expliquer, au moins en partie, le potentiel carcinogène des ETBF (Figure 2). Il est aujourd’hui bien établi qu’il existe un lien fort entre inflammation et développement tumoral. Contrairement aux NTBF, non-toxinogènes, qui colonisent pourtant, elles aussi, la muqueuse intestinale des animaux, les souches ETBF, toxinogènes, productrices de fragilysine, sont capables d’induire une inflammation et la formation de tumeurs coliques dans un modèle génétique de CCR (les souris Min^Apc716+/- qui expriment un gène mutant codant une proteine Apc tronquée en position « acide aminé 716 »)¹ [9]. Cette induction résulte de l’activation, par la fragilysine, du facteur de transcription STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3) avec pour conséquence la mise en place d’une colite qui se caractérise par une réponse immunitaire sélective de type Th17 (réponse lymphocytaire T helper 17), connue pour être associée à un mauvais pronostic dans le CCR [9]. L’inflammation intestinale induite par les souches ETBF implique également leur capacité à augmenter la perméabilité colique, qui a pour conséquence une inflammation de la sous-muqueuse due à son exposition aux bactéries de la lumière intestinale, et à l’activation des voies de signalisation NF-κB (nuclear factor-kappa B) et MAPK (mitogen-activated protein kinases) à l’origine de l’expression de cytokines pro-inflammatoires [10]. Outre leur propriété pro-inflammatoire, les ETBF stimulent la prolifération cellulaire et la résistance à l’apoptose. En effet, en se fixant sur un récepteur, qui est à ce jour inconnu, la fragilysine induit le clivage de l’E-cadhérine, impliquée à la fois dans les complexes de jonctions et d’adhésion cellulaire, et la séquestration cytoplasmique de la β-caténine [11]. Libérée dans le cytoplasme, la β-caténine passe dans le noyau des cellules et active l’expression de gènes comme c-myc, un oncogène impliqué dans le contrôle de la prolifération cellulaire. La fragilysine pourrait également participer au développement tumoral en favorisant la survie des cellules tumorales. En effet, la stimulation in vitro de cellules par cette toxine induit une augmentation de l’expression de la protéine inhibitrice de l’apoptose cIAP2 (cellular inhibitor of apoptosis protein 2) qui dépend de la cyclooxygénase COX-2 [12]. La fragilysine pourrait aussi participer activement aux anomalies génétiques des cellules tumorales. En effet, in vivo, cette toxine induit au niveau des cellules épithéliales coliques, des dommages à l’ADN, ce qui pourrait conduire à l’accumulation de mutations [13].

Figure 2. Implication de Bacteroides fragilis dans la carcinogenèse colorectale. Certaines souches appartenant à l’espèce Bacteroides fragilis sont dites entérotoxinogènes (ETBF, enterotoxigenic B. fragilis), car elles sécrètent une toxine appelée BFT (B. fragilis toxin) ou fragilysine. La fixation de la fragilysine sur un récepteur, restant encore à identifier et exprimé au niveau des cellules épithéliales intestinales, induit l’activation des voies de signalisation MAPK (mitogen-activated protein kinases), NF-κB (nuclear factor-kappa B), STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3) et COX-2 (cyclo-oxygénase-2) et conduit à l’expression et la sécrétion de chimiokines/cytokines telles que le TGF-β (transforming growth factor beta) et l’IL-8 (interleukine-8), et de PGE2 (protaglandine E2) ainsi qu’à la mise en place d’une réponse immunitaire de type Th (T helper) 17 connue pour son association avec un mauvais pronostic de la maladie. L’activation de ces voies de signalisation et la libération de ces molécules dans la sous-muqueuse induit l’inflammation et participe à la promotion du cancer. La fragilysine conduit également au clivage de l’E-cadhérine, induisant la libération de la β-caténine dans le cytoplasme qui peut alors passer dans le noyau et activer la transcription de gènes impliqués dans la prolifération cellulaire tels que l’oncogène c-myc. Le clivage de l’E-cadhérine conduit également à une diminution de la fonction barrière de la muqueuse colique, ce qui pourrait contribuer à l’exacerbation de l’inflammation. Des propriétés mutagènes sont également attribuées aux ETBF, car ils sont capables d’induire l’expression de la spermine oxydase (SMO) qui est responsable de la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) à l’origine de cassures double brin de l’ADN.

Figure 2. Implication de Bacteroides fragilis dans la carcinogenèse colorectale. Certaines souches appartenant à l’espèce Bacteroides fragilis sont dites entérotoxinogènes (ETBF, enterotoxigenic B. fragilis), car elles sécrètent une toxine appelée BFT (B. fragilis toxin) ou fragilysine. La fixation de la fragilysine sur un récepteur, restant encore à identifier et exprimé au niveau des cellules épithéliales intestinales, induit l’activation des voies de signalisation MAPK (mitogen-activated protein kinases), NF-κB (nuclear factor-kappa B), STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3) et COX-2 (cyclo-oxygénase-2) et conduit à l’expression et la sécrétion de chimiokines/cytokines telles que le TGF-β (transforming growth factor beta) et l’IL-8 (interleukine-8), et de PGE2 (protaglandine E2) ainsi qu’à la mise en place d’une réponse immunitaire de type Th (T helper) 17 connue pour son association avec un mauvais pronostic de la maladie. L’activation de ces voies de signalisation et la libération de ces molécules dans la sous-muqueuse induit l’inflammation et participe à la promotion du cancer. La fragilysine conduit également au clivage de l’E-cadhérine, induisant la libération de la β-caténine dans le cytoplasme qui peut alors passer dans le noyau et activer la transcription de gènes impliqués dans la prolifération cellulaire tels que l’oncogène c-myc. Le clivage de l’E-cadhérine conduit également à une diminution de la fonction barrière de la muqueuse colique, ce qui pourrait contribuer à l’exacerbation de l’inflammation. Des propriétés mutagènes sont également attribuées aux ETBF, car ils sont capables d’induire l’expression de la spermine oxydase (SMO) qui est responsable de la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) à l’origine de cassures double brin de l’ADN.

Un certain nombre d’informations permettant de comprendre le rôle de Fusobacterium dans le CCR est aujourd’hui disponible. Dans un modèle murin de CCR (souris Apc^Min/+ , c’est-à-dire hétérozygotes pour une mutation dans le gène suppresseur de tumeur Apc), l’administration par voie orale de F. nucleatum accélère le développement tumoral en induisant, notamment, l’expression de cytokines pro-inflammatoires comme l’IL(interleukine)-1β, IL-6, IL-8, TNF-α, du facteur pro-tumoral COX-2, ainsi qu’en favorisant l’infiltration des tumeurs par des macrophages présentant un phénotype M2 pro-tumoral [15]. Plusieurs facteurs de virulence de F. nucleatum qui présentent un potentiel oncogénique ont été identifiés (Figure 3). F. nucleatum produit en effet une toxine qui a une activité immunosuppressive, FIP ou FIPA (fusobacterial immunosuppressive protein). Elle est capable d’inhiber le cycle cellulaire, mais son rôle dans le CCR reste à définir [16]. En revanche, l’adhésine FadA (Fusobacterium adhesin A) de F. nucleatum, en se liant à l’E-cadhérine, stimule la croissance tumorale. Cela entraîne l’activation de la voie de signalisation WNT/β-caténine qui induit l’expression de gènes impliqués dans la prolifération cellulaire comme les oncogènes c-myc et cycline D1, et dans l’inflammation comme les gènes codant les cytokines pro-inflammatoires IL-6 et IL-8 [17]. F. nucleatum est également capable d’inhiber l’activité anti-tumorale des cellules NK (natural killer) et des lymphocytes T qui infiltrent les tumeurs en se liant par sa protéine Fap2 (fusobacterial apoptosis protein 2) au récepteur TIGIT (T cell immunoglobulin and ITIM domain) qui est exprimé à la surface de ces cellules immunitaires [18].

Figure 3. Implication de Fusobacterium nucleatum dans la carcinogenèse colorectale. F. nucleatum est capable, par un mécanisme encore méconnu à ce jour, d’induire l’expression de cytokines pro-inflammatoires telles que l’IL-6, le TNF-α, l’IL-8 et l’IL-1β et des gènes codant les protéines COX-2 (cyclooxygénase 2) et MMP3 (matrix metalloproteinase-3) impliquées dans de nombreux processus pro-tumoraux tels que l’invasion cellulaire. Par ailleurs, trois facteurs de virulence de F. nucleatum ont été identifiés comme pouvant jouer un rôle dans le développement tumoral. L’adhésine FadA (fusobacterium adhesin A) est capable de se lier à l’E-cadhérine et d’activer la voie de signalisation WNT/β-caténine conduisant à l’expression des gènes c-myc et cycline D1 impliqués notamment dans la prolifération cellulaire. La protéine FIP (fusobacterial immunosuppressive protein) produite par F. nucleatum serait capable d’inhiber le cycle cellulaire des lymphocytes T. Par ailleurs, la fixation de Fap2 (fusobacterial apoptosis protein 2) sur le récepteur TIGIT (T cell immunoglobulin and ITIM domain) présent au niveau de la membrane cytoplasmique des lymphocytes T et des cellules NK (natural killer) conduit à une inhibition de leur activité anti-tumorale.

Figure 3. Implication de Fusobacterium nucleatum dans la carcinogenèse colorectale. F. nucleatum est capable, par un mécanisme encore méconnu à ce jour, d’induire l’expression de cytokines pro-inflammatoires telles que l’IL-6, le TNF-α, l’IL-8 et l’IL-1β et des gènes codant les protéines COX-2 (cyclooxygénase 2) et MMP3 (matrix metalloproteinase-3) impliquées dans de nombreux processus pro-tumoraux tels que l’invasion cellulaire. Par ailleurs, trois facteurs de virulence de F. nucleatum ont été identifiés comme pouvant jouer un rôle dans le développement tumoral. L’adhésine FadA (fusobacterium adhesin A) est capable de se lier à l’E-cadhérine et d’activer la voie de signalisation WNT/β-caténine conduisant à l’expression des gènes c-myc et cycline D1 impliqués notamment dans la prolifération cellulaire. La protéine FIP (fusobacterial immunosuppressive protein) produite par F. nucleatum serait capable d’inhiber le cycle cellulaire des lymphocytes T. Par ailleurs, la fixation de Fap2 (fusobacterial apoptosis protein 2) sur le récepteur TIGIT (T cell immunoglobulin and ITIM domain) présent au niveau de la membrane cytoplasmique des lymphocytes T et des cellules NK (natural killer) conduit à une inhibition de leur activité anti-tumorale.

Les carcinomes et la muqueuse colique de plus de 50 % des patients atteints de CCR sont anormalement colonisés par un nombre élevé d’E. coli, comparativement à des tissus de sujets contrôles, avec une augmentation de la colonisation des tumeurs qui est en fonction de l’avancement du stade tumoral [19–21]. Les souches d’E. coli qui colonisent les patients atteints de CCR appartiennent majoritairement aux phylogroupes B2 et D qui regroupent majoritairement les E. coli pathogènes [22]. En revanche, elles ne semblent pas appartenir à un pathovar déjà décrit d’E. coli. En effet, 25 % des E. coli isolés d’adénocarcinomes humains hébergent le gène eae (E. coli attaching and effacing) qui est associé aux pathovars EHEC et EPEC [23]. Le groupe de J. Rhodes a montré d’autre part une prévalence augmentée (14/21 patients ; 67 %) de souches positives pour le gène afaC (afimbrial adhesins C) associé aux DAEC chez les patients atteints de CCR, comparativement à des sujets contrôles (4/24 patients ; 17 %) [24]. Cependant, dans l’étude réalisée par Raisch et al., aucune des souches d’E. coli isolées de patients atteints de CCR ne présentait le gène eae et seulement 8,6 % possédaient le gène afa [22]. Ces souches sont peu adhérentes et invasives vis-à-vis de cellules épithéliales intestinales, ce qui les excluent aussi des pathovars AIEC et EIEC.

Des études récentes montrent une augmentation de la prévalence d’E. coli producteurs de cyclomodulines, toxines capables d’induire des dommages à l’ADN et/ou de perturber le cycle cellulaire des cellules eucaryotes, en particulier la colibactine et CNF-1 (cytotoxic necrotizing factor-1), chez les patients atteints de CCR, comparativement à des sujets contrôles [19, 22, 24]. La communauté scientifique s’est, pour l’instant, principalement focalisée sur l’étude du rôle joué par la colibactine dans le CCR [25] (→). Une forte prévalence de souches hébergeant l’îlot génomique « pks », qui porte des gènes codant des polykétides synthases (PKS) et des peptides synthases non-ribosomiques (NRPS) impliqués dans la synthèse de cette génotoxine, est en effet associée au CCR [19]. Dans le modèle murin de carcinogenèse (utilisant l’azoxyméthane [AOM] et des souris IL10^-/-), une étude récente montre l’existence de remaniements transcriptomiques au sein d’E. coli avec notamment une augmentation de l’expression de gènes de l’îlot pks. Cela suggère que les modifications du microenvironnement intestinal qui sont associées au développement du CCR peuvent influencer le potentiel pro-carcinogène des espèces bactériennes présentes [26]. Les bactéries produisant la colibactine peuvent induire in vitro et in vivo des cassures double brin de l’ADN, avec pour conséquences potentielles l’accumulation d’aberrations chromosomiques et une augmentation de la fréquence des mutations génétiques (Figure 4) [27]. La colibactine est un composé instable qui n’a pas été purifié à ce jour. Cependant, un intermédiaire de sa synthèse, bien qu’incapable de casser l’ADN, est capable d’alkyler l’ADN et d’induire des liens inter-brins [28]. L’hypothèse avancée est que les cassures observées seraient le fait d’une tentative de la cellule infectée de réparer son ADN. Les cellules infectées par les E. coli producteurs de colibactine peuvent également entrer en sénescence. Cela s’accompagne de la production d’espèces oxygénées réactives (ROS) connues pour leurs effets génotoxiques, mais également de la sécrétion de facteurs de croissance, comme l’HGF (hepatocyte growth factor), qui stimulent, par effet collatéral, la prolifération de cellules non infectées adjacentes [29, 30]. Dans des modèles murins de carcinogenèse génétique (souris AOM/IL10^-/- ou Apc^Min/+) ou chimio-induite, l’infection par des E. coli producteurs de colibactine induit une accélération du développement tumoral, comparativement aux animaux contrôles non infectés ou infectés avec un mutant de ces souches ne produisant pas de colibactine, ou encore aux animaux infectés et traités avec des molécules inhibant la synthèse de la colibactine [19, 20, 31].

(→) Voir la Synthèse de I. Sobhani, m/s n° 4, avril 2004, page 431

Figure 4. Implication d’Escherichia coli dans la carcinogenèse colorectale. Les E. coli producteurs de colibactine induisent des cassures double brin de l’ADN pouvant être à l’origine d’importants remaniements chromosomiques, tels que des translocations et la formation de chromosomes circulaires, conduisant à un arrêt du cycle cellulaire en phase G2. Par ailleurs, les cellules infectées par des E. coli producteurs de colibactine, peuvent sortir du cycle cellulaire et entrer en sénescence. Cela s’accompagne de la sécrétion de facteurs de croissance qui soutiennent le développement tumoral. La toxine CNF-1 (cytotoxic necrotizing factor) se lie au niveau des jonctions serrées des cellules hôtes qui l’internalisent par endocytose. Dans le cytoplasme, CNF-1 induit la désamination du résidu glutamine des GTPases (enzymes qui lient et hydrolysent le GTP, guanine triphosphate) de la famille Rho, ce qui conduit à l’apparition de fibres de stress d’actine, une endoréduplication de l’ADN ainsi qu’une inhibition de la cytocinèse induisant une multi-nucléation. L’activation de la voie NF-κB (nuclear factor-kappa B) par cette toxine induit l’activation de l’expression des gènes Bcl2 (B-cell lymphoma 2) et Bcl-xl (B-cell lymphoma-extra large) induisant la résistance à l’apoptose des cellules. Les souches EPEC sont capables d’augmenter la fréquence de mutations spontanées dans les cellules hôtes en altérant notamment l’expression de protéines de réparation de l’ADN MMR (mismatch repair) par l’induction d’un stress oxydant et par l’action post-transcriptionnelle d’un effecteur bactérien sécrété, EspF (E. coli secreted protein F). ATM : monobactames.

Figure 4. Implication d’Escherichia coli dans la carcinogenèse colorectale. Les E. coli producteurs de colibactine induisent des cassures double brin de l’ADN pouvant être à l’origine d’importants remaniements chromosomiques, tels que des translocations et la formation de chromosomes circulaires, conduisant à un arrêt du cycle cellulaire en phase G2. Par ailleurs, les cellules infectées par des E. coli producteurs de colibactine, peuvent sortir du cycle cellulaire et entrer en sénescence. Cela s’accompagne de la sécrétion de facteurs de croissance qui soutiennent le développement tumoral. La toxine CNF-1 (cytotoxic necrotizing factor) se lie au niveau des jonctions serrées des cellules hôtes qui l’internalisent par endocytose. Dans le cytoplasme, CNF-1 induit la désamination du résidu glutamine des GTPases (enzymes qui lient et hydrolysent le GTP, guanine triphosphate) de la famille Rho, ce qui conduit à l’apparition de fibres de stress d’actine, une endoréduplication de l’ADN ainsi qu’une inhibition de la cytocinèse induisant une multi-nucléation. L’activation de la voie NF-κB (nuclear factor-kappa B) par cette toxine induit l’activation de l’expression des gènes Bcl2 (B-cell lymphoma 2) et Bcl-xl (B-cell lymphoma-extra large) induisant la résistance à l’apoptose des cellules. Les souches EPEC sont capables d’augmenter la fréquence de mutations spontanées dans les cellules hôtes en altérant notamment l’expression de protéines de réparation de l’ADN MMR (mismatch repair) par l’induction d’un stress oxydant et par l’action post-transcriptionnelle d’un effecteur bactérien sécrété, EspF (E. coli secreted protein F). ATM : monobactames.

Dix-huit pour cent des souches d’E. coli isolées de patients atteints de CCR contre seulement 9 % de celles isolées de contrôles, hébergent un gène codant la cyclomoduline CNF-1. Celle-ci est capable d’influencer directement la prolifération en favorisant l’entrée dans le cycle cellulaire et la transition G1/S, mais également renforce la survie cellulaire en induisant notamment l’expression des protéines anti-apoptotiques Bcl-2 (B-cell lymphoma 2) et Bcl-xl (B-cell lymphoma-extra large) (Figure 4) [32]. Toutefois, le rôle de CNF-1 dans le CCR n’a pas encore été exploré.

Certaines souches d’E. coli seraient capables d’induire des altérations génomiques indépendamment de l’action de cyclomodulines. En effet, Maddocks et al. ont montré que les EPEC colonisent anormalement les adénocarcinomes de patients et sont capables d’inhiber le système de réparation de l’ADN (MMR, mismatch repair) en induisant un stress oxydant et par l’action post-transcriptionnelle d’un effecteur bactérien sécrété, EspF (E. coli secreted protein F) (Figure 4) [33]. Par ailleurs, les E. coli, infiltrant les tumeurs, pourraient influencer la progression tumorale en persistant dans les cellules immunitaires et en induisant la production de facteurs pro-tumoraux comme COX-2/PGE2 (prostaglandine E2) [34].