Il existe une relation étroite entre les cellules cancéreuses et le système immunitaire. Un modèle propose que ce dernier détermine le destin des cellules cancéreuses au cours de 3 étapes : « les 3 E » [5]. La première étape est dite d’élimination, car le système immunitaire reconnaît et élimine les cellules aux premiers stades de la tumorigenèse. Lors de l’étape qui la suit, l’étape dite d’équilibre, le système immunitaire jugule les cellules tumorales qui, en réponse, s’adaptent continuellement à cet environnement immunitaire. Certaines cellules cancéreuses échapperont à cette surveillance, notamment en modifiant les antigènes qu’elles expriment. Lorsqu’elles l’emportent sur le système immunitaire, tout en induisant un microenvironnement fortement immunosuppresseur, on parle de l’étape d’échappement, qui correspond à la progression tumorale et à l’apparition des métastases [5].

Les IFN-I jouent un rôle primordial dans l’activation de l’immunité anti-tumorale. Ces IFN agissent sur les CPA (cellules présentatrices d’antigènes [Ag]) en stimulant la présentation des Ag en association avec le complexe majeur d’histocompatibilité de classe I (CMH-I). Des Ag produits par des cellules tumorales, qui ont été phagocytées par les CPA, sont ainsi présentés, de façon dite croisée, aux lymphocytes T CD8 cytotoxiques (LTC). La reconnaissance des Ag par les LTC induit leur activation et conduit à la sécrétion de cytokines dont le TNF-α (tumor necrosis alpha), de perforines et de granzyme B, qui agiront de concert pour détruire la cellule cible tumorale. La capture d’ADN tumoral par des APC, comme les DC (cellules dendritiques), activent la voie cGAS-STING et induit la production d’IFN-I et de cytokines, comme l’interleukine 12 (IL-12), ainsi que l’expression de molécules de costimulation, telles que CD40, CD80 (ou B7.1) et CD86 (ou B7.2), et de facteurs qui sont nécessaires à l’activation des lymphocytes T CD8 [6–9] (Figure 2). La stimulation des DC par des cellules tumorales irradiées induit ainsi la présentation croisée d’Ag tumoraux et la stimulation de lymphocytes T CD8 naïfs. Cet effet est perdu chez des souris qui n’expriment pas STING, suggérant que l’absence de STING diminue l’immunité anti-tumorale [7, 10].

À l’inverse, le traitement de souris par cGAMP, ou un ligand synthétique de STING, stimule l’immunité anti-tumorale et réduit la croissance de la tumeur [7, 10, 11] en induisant une immunité adaptative mémoire [12]. Le traitement par cGAMP, combiné à la stimulation du TLR4 par du LPS, permet également d’activer NLRP3 (NOD-like receptor family, pyrin domain-containing 3), un PRR cytosolique senseur de danger [13]. Cela conduit à la formation de l’inflammasome, complexe contrôlant l’activation de la caspase 1, à l’origine de la pyroptose, une forme de mort cellulaire, et à la production d’IL-1β et d’IL-18, qui contribuent à la mise en place d’une immunité anti-tumorale.

L’immunothérapie est une stratégie thérapeutique anti-tumorale qui vise à bloquer les points de contrôle inhibiteurs (comme PD-1 [programmed death 1] ou CTLA4 [cytotoxic-T-lymphocyte-antigen 4 protein]) exprimés par les cellules immunitaires, afin de restaurer leur capacité à détruire les cellules cancéreuses. Dans un modèle murin de mélanome, l’inactivation génétique de la voie cGAS-STING diminue drastiquement l’efficacité de l’immunothérapie, se traduisant par un recrutement inefficace des LTC dans les tumeurs [9, 10, 14]. cGAS et STING apparaissent donc essentiels au développement d’une immunité anti-tumorale efficace.

Mais quelle est la source d’ADN endogène capable d’activer cGAS dans un contexte tumoral ?

Au sein du microenvironnement tumoral, les cellules cancéreuses sont exposées à des stress hypoxiques, mécaniques et métaboliques qui peuvent conduire à leur mort. La mort des cellules cancéreuses peut également avoir pour origine les thérapies appliquées (chimiothérapie, radiothérapie). Les cellules mourantes libèrent alors des composants qui sont reconnus par les PRR comme des signaux de danger (les DAMP), en particulier leur ADN. L’ADN tumoral est capté par des APC, comme les DC, dans lesquelles il induit l’activation de cGAS. Dans les contextes infectieux, cGAS peut être activé par un ADN microbien qui peut être contenu dans des vésicules extracellulaires produites par les cellules infectées [15, 16]. Les cellules cancéreuses libèrent également ce type de vésicules. Les exosomes, qui sont de petites vésicules membranaires, contiennent en effet des acides nucléiques et des protéines issus des cellules. Il est donc possible que cGAS puisse être activé par ce biais [17], mais les mécanismes moléculaires par lesquels l’ADN tumoral capté par les DC atteint le cytosol de ces cellules restent à définir.

L’instabilité génétique est un élément important du développement tumoral [18]. Une cellule normale possède différents programmes impliqués dans le maintien de l’intégrité de son génome : les voies de réparation de l’ADN, l’arrêt du cycle cellulaire et, si les dommages sont trop importants, l’induction de l’apoptose ou de la sénescence. Lorsque les gènes impliqués dans ces processus de sauvegarde sont mutés ou inactivés, les cellules prolifèrent malgré la présence de dommages sur leur ADN, entraînant alors plus de dommages et l’accumulation de mutations, et, in fine, la transformation de la cellule. Les agents génotoxiques, comme les irradiations ou les chimiothérapies, induisent la production d’IFN-I et de cytokines proinflammatoires, suggérant un rôle de la voie cGAS dans la détection des dommages à l’ADN [19, 20].

Les senseurs d’ADN, comme l’est cGAS, constituent donc un mécanisme permettant de détecter l’ADN endommagé et d’empêcher l’initiation tumorale. La radiothérapie et la chimiothérapie, qui reposent sur l’induction de dommage à l’ADN dans le but de tuer les cellules cancéreuses, activent la voie cGAS [21, 22] et plusieurs études ont montré que des dysfonctionnements dans les voies de réparation de l’ADN résultaient en l’activation de cGAS (Figure 3). Ainsi, la perte de fonction, par mutation ou par invalidation, d’ATM (ataxia telangiectasia mutated), un régulateur clé de la signalisation contrôlant les voies de réparation de l’ADN, induit la production d’IFN-I via la voie cGAS-STING, in vitro et in vivo [23, 24]. La perte de Rad51 et de RPA (replication protein A), deux protéines majeures de la réparation d’ADN, conduit également à l’activation de cGAS, in vivo et in vitro dans des modèles cellulaires de cancers ovariens et mammaires [25]. En situation physiologique, lorsque l’ADN est répliqué ou réparé, de l’ADN simple brin est généré et est lié à ces protéines. Leur délétion induit donc l’accumulation de cet ADN et son passage vers le cytosol. STING peut également détecter les dommages, indépendamment de cGAS, en formant un complexe avec p53 et IFI16 lorsque la voie ATM est activée [26].

De nombreuses mutations affectant les voies de réparation de l’ADN conduisent à une accumulation cytoplasmique d’ADN nucléaire dans plusieurs modèles de cellules cancéreuses. Cet ADN provient de l’activité de facteurs impliqués dans la résection de l’ADN, comme BLM (Bloom helicase) ou EXO1 (exonuclease 1), dont la sous-expression réduit l’accumulation dans le cytoplasme [27–29]. Lors de dommages à l’ADN, le clivage par l’endonucléase MUS81 au niveau des fourches de réplication combiné à l’activation de la PARP1 (poly[ADP-ribose] polymerase 1, une enzyme impliquée dans la détection des cassures d’ADN) sont responsables de l’accumulation d’ADN nucléaire au niveau du cytoplasme et de l’activation de STING [27]. L’ADN mitochondrial endommagé en réponse à un stress métabolique peut également fuiter vers le cytoplasme [30, 31]. Les cellules cancéreuses ont une forte demande métabolique. Elles sont également plus sujettes à un stress métabolique. Une fuite d’ADN mitochondrial pourrait donc contribuer à l’activation de cGAS, bien qu’aucune étude n’ait adressé cette question à ce jour.

En situation physiologique, l’ADN qui atteint le cytosol est généralement immédiatement dégradé par des nucléases comme TREX1 (three prime repair exonuclease 1). Néanmoins, étant donné le haut niveau de mutations des cellules en cours de transformation ou déjà cancéreuses, la quantité d’ADN cytosolique peut surpasser la capacité de TREX1 à le dégrader. Il n’est également pas exclu que TREX1 puisse être inactivée par des mutations, prévenant ainsi la dégradation de l’ADN dans le cytoplasme [32, 33]. Des modifications chimiques de l’ADN (comme le 8-hydroxyguanosine^1,) induites par des carcinogènes peuvent aussi le protéger de la dégradation par les nucléases cytoplasmiques, exacerbant ainsi son accumulation dans le cytoplasme et donc, potentiellement, l’activation de cGAS [33]. Dans différents modèles tumoraux, de fortes doses d’irradiations peuvent induire l’expression de TREX1, celle-ci inhibant les effets systémiques de la radiothérapie combinée à l’immunothérapie, en empêchant la production d’IFN-I [34].

Les télomères constituent les extrémités des chromosomes. Ils se raccourcissent au cours des divisions cellulaires conduisant les cellules vers la sénescence. Les cellules cancéreuses échappent à ce mécanisme de raccourcissement par des mécanismes de recombinaison homologue. Elles maintiennent ainsi leurs télomères, ce qui leur permet une prolifération illimitée et l’échappement à la sénescence. Dans ces cellules, l’accumulation de séquences, les ECTR (extrachromosomal telomere repeats), nécessaires pour le maintien des télomères a été décrite. Ces séquences s’accumulent, notamment dans le cytoplasme. Elles sont également capables d’activer cGAS-STING, soulignant, encore une fois, le rôle de cette voie dans la détection des cellules cancéreuses [35].

Malgré toutes ces études montrant une accumulation d’ADN au niveau du cytoplasme, les mécanismes par lesquels l’ADN nucléaire traverse l’enveloppe nucléaire sont peu connus. cGAS rejoindrait l’ADN nucléaire lors de la mitose, mais le rôle de cette localisation particulière reste encore inconnu [36].

Les dommages à l’ADN peuvent conduire à la formation de structures chromosomiques aberrantes au cours de la division cellulaire. Les cassures double brin, associées à une réparation défectueuse, peuvent en effet conduire à une mauvaise séparation des chromosomes lors de la mitose. Lorsque les cellules sortent de la mitose, ces chromosomes, ou fragments d’ADN mal séparés, sont alors entourés d’une enveloppe nucléaire formant un micronoyau qui est une caractéristique fréquemment observée dans les cellules cancéreuses [37]. Deux études récentes ont montré que cGAS était capable de reconnaître l’ADN présent dans ces micronoyaux [11, 36] (Figure 3). Dans des modèles cellulaires présentant un fort taux de micronoyaux (les fibroblastes embryonnaires murins [MEF] déficients pour la RNase H2 et pour le suppresseur de tumeur p53, et les cellules épithéliales d’ostéosarcome) cGAS se localise dans ces structures nucléaires [36]. cGAS est également retrouvé associé aux micronoyaux induits par irradiations de cellules épithéliales mammaires [14, 38]. Dans les deux cas, cette localisation de cGAS est à l’origine de l’activation de STING et de la mise en place d’une réponse inflammatoire [36]. L’association de cGAS avec les micronoyaux nécessite la progression du cycle cellulaire [14, 36] et la rupture mécanique de l’enveloppe nucléaire, qui précède souvent des réarrangements chromosomiques massifs amenant à l’oncogenèse [36]. Le mécanisme permettant l’entrée de cGAS dans les micronoyaux reste néanmoins mal défini.

La sénescence est un processus agissant comme une barrière à la tumorigenèse. Elle promeut un état antiprolifératif en arrêtant de façon irréversible le cycle cellulaire. cGAS joue un rôle important dans l’induction et le maintien du processus de sénescence. Dans des modèles de fibroblastes murins et humains, cGAS se localise à proximité de fragments chromatiniens situés à la frontière entre noyau et cytosol. Des MEF déficients pour le gène codant cGAS (cGAS ^-/-) s’immortalisent spontanément et plus rapidement que les MEF qui l’expriment. Les MEF cGAS ^-/- échappent en fait à la sénescence [39–41]. Ces cellules défectives expriment faiblement les marqueurs de sénescence, tels que la β-galactosidase ou la protéine p16. Et la sécrétion du SASP (senescence-associated secretory phenotype), un profil de sécrétion caractéristique des cellules senescentes constitué, entre autres, d’IL-1a, d’IL-6, de TNFα et de chimiokines, comme CXCL10 (C-X-C motif chemokine ligand 10) stimulant le recrutement de cellules immunitaires, y est altérée (Figure 4). cGAS est également essentiel pour induire la sénescence en réponse à des stress génotoxiques ou à l’activation oncogénique [39–41]. cGAS semble donc fortement impliqué dans l’induction de la sénescence in vitro. Il contribuerait aussi à la sénescence paracrine en contrôlant le SASP. In vivo, des souris déficientes pour STING ou cGAS et exposées à des inducteurs de sénescence (par irradiations ou surexpression hépatique de l’oncogène NRas) montrent une diminution des marqueurs de sénescence dans le foie et les poumons [39, 40]. Les hépatocytes surexprimant l’oncogène NRas persistent plus longtemps dans le foie des souris cGAS^-/-, suggérant un défaut d’élimination de ces cellules par le système immunitaire, ce qui peut conduire à la génération de tumeurs [39, 40]. La sénescence dépendant de la voie cGAS-STING se révèle donc être une importante barrière à la tumorigénèse in vivo.

L’étude de STING dans d’autres modèles cellulaires a révélé son effet anti-prolifératif indépendamment de son rôle sur la stimulation des IFN de type I [42, 43]. Dans les lymphocytes T, son activation par un agoniste induit l’apoptose des cellules par une voie impliquant les facteurs IRF-3 et p53 ; elle serait liée à une stimulation prolongée de cette voie [43]. Cette réponse apoptotique est maintenue dans les lymphomes T, ouvrant des perspectives thérapeutiques intéressantes pour les agonistes de STING.

Un autre mécanisme de sauvegarde impliquant STING a également été mis en évidence. L’activation de STING, à la suite de dommages à l’ADN, induit l’expression de ligands à la surface des cellules, reconnus par les récepteurs NKG2D (natural killer group 2D) [44, 45] exprimés par les cellules NK, ce qui induit leur mort par des mécanismes similaires à ceux utilisés par les LTC.