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Med Sci (Paris). 2006 December; 22(12): 1101–1106.
Published online 2006 December 15. doi: 10.1051/medsci/200622121101.

Métabolisme des rétinoïdes et cancer

Maxime Parisotto,1 Hélène Brodeur,2 Pangala V. Bhat,2* and Sylvie Mader1*

1Département de biochimie et Institut de recherche en immunologie et cancérologie, Université de Montréal, CP 6128, succursale Centre-ville, Montréal (Québec), H3C 3J7 Canada
2Laboratoire de nutrition et cancer, Centre hospitalier de l’Université de Montréal-Hôtel Dieu, Département de Médecine, Université de Montréal, CP 6128, succursale Centre-ville, Montréal (Québec), H3C 3J7 Canada
Corresponding author.
 

L’acide rétinoïque (AR), qui est synthétisé dans les tissus par deux étapes successives d’oxydation à partir du rétinol (vitamine A) provenant de l’alimentation, est la principale forme active de rétinoïde avec le rétinal 11-cis, qui participe au cycle visuel. Deux isomères de l’AR, les formes tout-trans et 9-cis (Figure 1), sont des ligands de deux familles distinctes de récepteurs nucléaires, les RAR, qui interagissent avec les deux formes d’AR, et les RXR, qui s’associent spécifiquement à l’AR 9-cis (Figure 1). Il est à noter cependant que l’existence de l’AR 9-cis in vivo reste controversée [ 1]. Un autre isomère naturel, l’AR 13-cis, ne lie pas ces récepteurs directement mais après isomérisation en AR tout-trans [ 2]. Les récepteurs de l’AR agissent comme facteurs de transcription, s’associant sous forme d’homodimères de RXR ou d’hétérodimères RAR-RXR à des séquences spécifiques d’ADN. Ces séquences sont composées de motifs répétés séparés par 1, 2, ou 5 paires de bases (Figure 1). La complexité combinatoire des hétérodimères provenant de l’existence de plusieurs formes de RAR et de RXR (trois gènes α, β et γ, et plusieurs isoformes pour chaque gène) assure une régulation transcriptionnelle complexe des gènes cibles par l’AR (Figure 1) [1, 3, 4]. De plus, les RXR peuvent également former des hétérodimères avec d’autres récepteurs nucléaires, dont certains (PPAR, FXR, LXR, Nurr1) sont permissifs pour une réponse transcriptionnelle à l’AR 9-cis [ 5]. La réponse d’un tissu à l’AR est gouvernée en partie par les profils d’expression des différents types de récepteurs [3, 4], mais aussi par ceux des enzymes impliquées dans le métabolisme de l’AR.

Figure 1.Figure 1.
Activation de récepteurs nucléaires par l’acide rétinoïque.

Rôle de l’acide rétinoïque dans la différenciation cellulaire et le cancer

Le rôle important des rétinoïdes dans la différenciation cellulaire et le cancer a été démontré par les effets d’une carence ou d’un excès de rétinoïdes dans la diète, ainsi que par des altérations expérimentales ou pathologiques de l’expression des récepteurs. La déficience en vitamine A comme la délétion combinée de deux ou trois RAR provoquent de graves anomalies du développement chez la souris, avec des malformations craniofaciales, rénales et squelettiques, démontrant le rôle important de ces récepteurs dans la médiation de l’action de l’AR en tant qu’agent de différenciation [3, 4]. Chez l’adulte, la déficience en vitamine A a été associée à une incidence accrue de cancers et à une plus grande sensibilité aux carcinogènes chimiques, tandis que des rétinoïdes naturels ou synthétiques inhibent la tumorigenèse induite par des carcinogènes au niveau de différents tissus [ 69]. Enfin, la diminution de l’expression du récepteur RAR-β2 par l’expression de transgènes antisens a pour conséquence le développement de tumeurs pulmonaires chez la souris [ 10].

Divers rétinoïdes sont utilisés en clinique dans des approches de chimioprévention pour des patients porteurs de lésions pré-malignes telles la kératinose actinique, leukoplakie ou dysplasie cervicale, ou après le traitement de tumeurs primaires dans le cancer de la peau, des voies orales, du poumon ou du sein [ 79]. L’AR tout-trans et 13-cis sont actuellement utilisés pour le traitement de la leucémie promyélocytique aiguë (APL), du cancer de la prostate et du neuroblastome [2, 8, 9]. L’APL implique des translocations chromosomiques caractéristiques affectant RARα (le plus fréquemment avec le gène PML, mais aussi avec PLZF, NPM, NuMa, STAT5b [ 11]). L’administration d’AR tout-trans permet la différenciation des promyélocytes contenant la fusion PML/RARα et induit des rémissions complètes mais transitoires. L’AR 13-cis présente des propriétés pharmacocinétiques plus favorables que l’AR tout-trans, avec des concentrations plasmatiques plus élevées et une demi-vie plus longue, et pourrait donc être plus efficace dans le traitement de tumeurs, particulièrement lorsque administré de manière intermittente afin de minimiser l’induction d’enzymes d’inactivation [2]. Les « rexinoïdes » ou ligands sélectifs pour les RXR (par exemple le bexarotène, qui a démontré des résultats encourageants pour le traitement du cancer du poumon en combinaison avec la chimiothérapie) agiraient pour leur part en modulant les voies de signalisation d’autres récepteurs nucléaires par l’intermédiaire d’héterodimères impliquant les RXR [4, 8, 9, 12].

L’utilisation de rétinoïdes en clinique est cependant limitée par le développement d’une résistance intrinsèque lors de la carcinogenèse dans les tumeurs solides et d’une résistance acquise lors du traitement de l’APL par l’AR tout-trans. Des mutations dominantes négatives surviennent dans la fusion PML/RAR [6, 9]. Une inactivation épigénétique des RAR (RARβ en particulier) a également été mise en évidence dans de nombreuses tumeurs solides, et peut être abolie par traitement aux inhibiteurs de méthylation de l’ADN [9]. De plus, plusieurs mécanismes peuvent contribuer à une résistance aux rétinoïdes en limitant les concentrations d’AR intracellulaire, incluant un rôle possible mais controversé de la protéine de résistance aux drogues multiples, et l’induction de l’expression d’enzymes d’inactivation de l’AR [79]. La résistance à l’AR pourrait donc être combattue par l’utilisation d’inhibiteurs du métabolisme de l’AR ou de rétinoïdes synthétiques non soumis à ces processus d’inactivation.

Synthèse et dégradation de l’acide rétinoïque

Le rétinol est le rétinoïde majoritaire dans le sang, provenant de la conversion du β-carotène et des rétinyl esters alimentaires dans l’intestin et/ou des rétinyl esters stockés dans le foie. L’AR est présent en beaucoup plus faibles concentrations dans le plasma, et est synthétisé dans les tissus possédant le système enzymatique approprié. L’oxydation du rétinol en AR est un processus enzymatique en deux étapes dont le rétinal est le métabolite intermédiaire, la première oxydation étant réversible et la deuxième irréversible. La synthèse de l’AR implique plusieurs déshydrogénases appartenant à 4 familles distinctes, soient les alcool déshydrogénases (ADH), les déshydrogénases/réductases à chaînes courtes (SDR), les aldéhyde déshydrogénases (ALDH), ainsi que les enzymes de la famille des cytochromes P450 (Figure 2) [1, 13]. Certaines de ces enzymes montrent une sélectivité envers les isomères du rétinol(Rol) et/ou rétinal(Ral) (Tableau I). L’importance des ADH et des ALDH dans la synthèse de l’AR lors de l’embryogenèse et chez l’adulte est illustrée par leurs domaines d’expression et par les phénotypes résultant de l’inactivation génique chez la souris. ADH3 est exprimée de manière ubiquitaire lors de l’embryogenèse, assurant une conversion du rétinol en rétinal dans la plupart des tissus. RALDH2 est principalement responsable de la conversion histo-spécifique du rétinal en AR dans le mésoderme embryonnaire, la suppression ciblée de RALDH2 chez la souris provoquant une mort embryonnaire précoce [13]. Chez l’adulte, les ADH de classe I et IV ainsi que RALDH1/4 sont exprimées dans les épithéliums qui dépendent de l’AR pour leur différenciation normale [13]. Le rôle exact dans la biosynthèse de l’AR des membres de la famille des SDR et des P450, ainsi que d’autres enzymes telles l’aldéhyde oxydase et la xanthine oxydase, nécessite par contre plus de données sur leurs domaines d’expression et leur spécificité de substrat in vivo. Certaines des enzymes SDR ont en effet une activité supérieure sur d’autres substrats, tels les stéroïdes ou prostanoïdes, ou participent à la synthèse de 11-cis rétinal pour le cycle visuel [1, 13].

Figure 2.Figure 2.
É tapes enzymatiques impliquées dans la biosynthèse de l’AR à partir du rétinol.
Tableau I.Tableau I.
Spécificité de substrat des enzymes du métabolisme de l’AR.

Les AR tout-trans, 9-cis et 13-cis sont convertis en dérivés inactifs, la première étape étant une conversion en 4-hydroxy- et 18-hydroxy-AR (Figure 2). La conversion en 4-hydroxy-AR dépend de l’action d’enzymes P450, dont les plus spécifiques et efficaces sont les CYP26A1/B1/C1, qui ont comme substrat l’AR tout-trans, CYP26C1 métabolisant également l’AR 9-cis [7, 2] (Tableau I). L’ablation génétique de CYP26A1 et de CYP26B1 révèle des anomalies de développement ressemblant fortement aux effets tératogènes de l’AR tout-trans [ 14, 15], Chez les mutants CYP26A1 nuls, la suppression hétérozygote de RALDH2 ou l’ablation de RARγ corrige le phénotype d’excès d’AR et prolonge la survie embryonnaire [ 16, 17], suggérant que le rôle clé de CYP26A1 est de maintenir des régions de l’embryon dans un état dépourvu d’AR. L’expression de CYP26A1 est inductible par l’AR dans le foie et plusieurs tissus extra-hépatiques, résultant en une boucle de rétroaction négative sur les niveaux d’AR tout-trans [7]. D’autres enzymes à cytochrome P450 pourraient inactiver les formes tout-trans, 9-cis ou 13-cis, mais ont des valeurs de Km beaucoup plus élevées [1, 2].

Deux familles de protéines cytoplasmiques, les cellular retinol-binding proteins (CRBP I, II et III) et les cellular RA-binding proteins (CRABP I et II) pourraient aussi participer au métabolisme de la vitamine A [14, 18]. CRBPI n’est pas nécessaire au développement normal et à la survie pour autant que la diète ne soit pas carencée en vitamine A, mais joue un rôle important dans l’accumulation des rétinyl esters dans le foie [ 19]. CRABPI a été impliquée dans le catabolisme de l’AR et CRABPII dans la présentation de l’AR aux RAR, cependant l’inactivation génique de CRABPI et II chez la souris ne semble pas affecter la signalisation par l’AR de façon marquée [ 20].

Séquestration et inactivation de l’AR lors du traitement anticancéreux

L’AR induit l’expression de CRABPII dans les cellules hématopoïétiques normales et leucémiques ; il a été proposé que CRABPII pourrait séquestrer l’AR tout-trans et ainsi contribuer à une résistance au traitement. Cependant, les données sur une corrélation entre l’expression accrue de CRABPII et la récurrence de l’APL sont contradictoires, et d’un autre côté un rôle de coactivateur des RARs a été proposé pour CRABPII [2, 9]. D’un autre côté, l’induction de l’expression de CYP26A1 par l’AR, susceptible de diminuer les concentrations d’AR dans les cellules leucémiques et/ou dans le sang, pourrait contribuer à limiter la sensibilité aux traitements par l’AR [6, 7, 9].

Une stratégie alternative à la thérapie par l’AR tout-trans exogène est d’augmenter le taux d’AR circulant et/ou dans les tumeurs en inhibant les enzymes responsables de son inactivation par des retinoic acid metabolism blocking agents (RAMBA) [6]. In vivo, le traitement avec le RAMBA le plus étudié, le liarozole fumarate (LIA), qui augmente le taux d’AR dans le plasma et dans les tissus, a engendré des résultats prometteurs dans le traitement des cancers avancés du sein et de la prostate [2, 7]. Toutefois, le LIA inhibe plusieurs enzymes P450, incluant l’aromatase, responsable de la biosynthèse des œstrogènes, et la 25-hydroxyvitamine D-24-hydroxylase, responsable de l’inactivation de la 1,25-(OH)2D3, ce qui pourrait contribuer à ses propriétés anticancéreuses in vivo. De nouveaux RAMBA récemment développés, tels le R115866 [ 21] ou le R116010 [ 22] démontrent une plus grande efficacité et spécificité dans l’inhibition des CYP26. Par ailleurs, l’utilisation de rétinoïdes résistants au catabolisme, mais conservant une affinité élevée pour les récepteurs, pourrait aussi permettre d’augmenter l’efficacité du traitement anti-cancéreux.

Déficience de l’absorption du rétinol et de la biosynthèse d’AR lors de la tumorigenèse

De plus en plus de travaux démontrent une altération de l’absorption des rétinoïdes et de la biosynthèse de l’AR au niveau de la tumeur elle-même. Il a été observé que la concentration en AR tout-trans est plus faible dans certains tissus cancéreux que dans les tissus normaux correspondants, comme par exemple dans le cas du cancer de la prostate [6]. Une diminution de l’absorption de rétinol et de l’activité rétinal oxydase a été observée dans un modèle de carcinome mammaire induit par la N-méthyl-N-nitroso-urée chez le rat, par rapport aux tissus sains [ 23]. Une autre étude a observé une diminution de la production de rétinyl esters et de la synthèse d’AR dans deux lignées de cancer du sein humaines [ 24]. Une inactivation épigénétique de CRBPI est observée dans plusieurs cancers, dont le cancer du sein, et la réexpression de cette protéine dans des cellules mammaires immortalisées supprime la tumorigenèse in vivo [ 25]. Une capacité fortement réduite de synthétiser l’AR a été observée dans plusieurs lignées humaines de carcinome mammaire même en présence de liarozole, démontrant que l’inactivation de l’AR par les enzymes P450 n’est pas responsable de la faible synthèse d’AR [ 26]. Les cellules humaines MCF-7 de cancer du sein transfectées avec l’ADNc de cRDH (RDH5) retrouvent la capacité d’absorber rapidement et d’oxyder le rétinol 9-cis en rétinal 9-cis, mais pas en AR 9-cis [ 27]. En effet, les cellules MCF7 n’expriment pas la RALDH3 trouvée dans les cellules épithéliales mammaires normales [ 28].

D’autres déficiences dans les voies de biosynthèse de l’AR ont été observées dans divers types de cancer. L’expression de RALDH2 est fréquemment réduite dans les tumeurs de la prostate, correspondant à une durée de rémission plus courte ; le traitement par un inhibiteur de la méthylation de l’ADN permet de restaurer l’expression de ce gène dans la lignée cellulaire DU145 [ 29]. Dans les tumeurs du poumon l’expression de RALDH1 est réduite d’un facteur 10 environ [ 30]. Dans les adénomes et carcinomes du côlon, une réduction de l’expression de deux gènes impliqués dans la biosynthèse de l’AR, RDH5 et RDHL (DHRS9) a été observée par rapport aux tissus normaux. La conversion du rétinol en AR était aussi plus faible dans 7 lignées de carcinome du côlon en comparaison avec des cellules normales [ 31]. Enfin, l’expression de la RoDH-4 est nettement réduite dans les tumeurs de l’endomètre [ 32] et le gène humain retSDR1 est fréquemment perdu dans des cellules NB portant une amplification de NMYC [ 33]. Dans l’ensemble, ces observations suggèrent donc qu’une altération de l’expression d’enzymes essentielles à la biosynthèse d’AR in situ peut être associée au développement de plusieurs types de cancer. Les mécanismes de ces altérations restent à explorer, et pourraient impliquer une inactivation épigénétique des gènes correspondants ou de facteurs transcriptionnels contrôlant leur expression, dont potentiellement dans certains cas les RAR eux-mêmes.

Conclusions

L’inactivation métabolique inductible des rétinoïdes pourrait limiter l’utilisation thérapeutique de composés substrats de cette voie métabolique, conduisant au développement d’agents bloqueurs du métabolisme de l’AR. Cependant, la réduction de la production d’AR observée dans certains types de cancers pourrait limiter l’efficacité de ces composés et indiquer l’importance de tester ces inhibiteurs en combinaison avec l’administration d’AR plutôt qu’en thérapie simple, ou de développer des rétinoïdes résistants à l’inactivation métabolique. Finalement, quelle que soit l’approche retenue, la toxicité associée au traitement par les rétinoïdes reste un problème à résoudre.

 
Footnotes

Article reçu le 15 septembre 2005, accepté le 30 mars 2006.

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