Séquençage de nouvelle génération pour la découverte de biomarqueurs du cancer

Qu'est-ce que les biomarqueurs ?

Les biomarqueurs sont des caractéristiques moléculaires, chimiques ou cellulaires clés qui peuvent être mesurées objectivement et utilisées pour décrire des processus biologiques, des états pathogènes et des réponses au traitement. Les biomarqueurs peuvent être liés à des maladies ou à des traitements. Les biomarqueurs liés aux maladies sont diagnostiques (utilisés pour déterminer l'état de la maladie), pronostiques (fournissent des informations sur les résultats cliniques potentiels, indépendamment du traitement) ou prédictifs (fournissent des informations sur les résultats cliniques potentiels en réponse à un traitement spécifique).
Pour qu'un biomarqueur soit acceptable pour une application clinique, il doit avoir les caractéristiques suivantes :
1. être facilement et de manière cohérente détectable dans les fluides biologiques, les tissus ou d'autres échantillons biologiques
2. être rapidement détectable et stable.
3. Haute sensibilité et spécificité.
4. Forte corrélation avec le phénotype ou le résultat d'intérêt.
5. Peut être détecté par des tests simples, non invasifs et rentables.
6. Pas de spécificité de genre

Au lieu de cela, les biomarqueurs du cancer devraient être spécifiques au sous-type de cancer, fournir des informations sur le potentiel métastatique du cancer et devraient également être détectables dans des échantillons archivés tels que les FFPE (formol-fixés, inclus dans la paraffine). Comme le cancer est causé par des aberrations génétiques et est une maladie hétérogène, les biomarqueurs moléculaires tels que les variants génétiques, les profils d'expression génique et, dans certains cas, le statut de méthylation génomique, peuvent fournir des informations plus exploitables que les marqueurs traditionnels. Les technologies de séquençage capables d'effectuer des millions de réactions en parallèle ont un grand potentiel pour la détection de biomarqueurs et leurs applications.

NGS dans la découverte de biomarqueurs du cancer

Les technologies de séquençage, en particulier le NGS, sont impartiales, complètes et détaillées dans la capture de l'hétérogénéité du cancer et du paysage génétique en rapide évolution dans le cancer, et peuvent améliorer considérablement les chances d'identifier des aberrations génétiques exploitables. En plus de détecter des changements dans les séquences d'ADN, le NGS peut également être utilisé pour l'analyse du transcriptome et la détection de méthylation. Le Cancer Genome Atlas (TCGA) est une initiative de génome tumoral, lancée en 2006 par le National Cancer Institute et le National Human Genome Research Institute, pour utiliser des technologies d'analyse génomique à haut débit afin d'améliorer la compréhension des tumeurs et d'améliorer la prévention, le diagnostic et le traitement des tumeurs. Actuellement, le TCGA contient déjà des informations sur les résultats de séquençage, l'analyse du transcriptome, les variants de nombre de copies, la méthylation de l'ADN et les variants de nucléotides uniques, couvrant 33 types de tumeurs.

5 types de biomarqueurs pouvant être identifiés par NGS

• Variants génétiques

Les mutations sous forme de variants de nucléotides uniques, d'insertion, de suppression et d'autres variants structurels sont associées au développement du cancer, à sa progression et à son potentiel métastatique ainsi qu'à l'efficacité du traitement. Par exemple, des mutations dans BRCA1/2, KRAS, PTEN et d'autres ont été identifiées comme des marqueurs pronostiques et prédictifs. Les tests basés sur le NGS peuvent donc être utilisés pour détecter des mutations cancéreuses connues et nouvelles. Un autre avantage de l'utilisation du NGS pour le test des biomarqueurs est que le matériel génétique provenant d'échantillons archivés tels que les blocs FFPE peut également être utilisé.

Bien que les aberrations génétiques dans des gènes individuels puissent informer le développement de médicaments et le diagnostic, les cellules cancéreuses ont souvent des voies de mutation dans plusieurs gènes, rendant un paysage de mutations plus détaillé d'une grande valeur. Certains panneaux NGS conçus sur la base de connaissances a priori sont désormais capables de détecter simultanément des dizaines de gènes associés au cancer, comme la majorité des patients portant des mutations BRCA1/2. De plus, de nombreux médicaments anticancéreux approuvés par la FDA au cours de la dernière décennie ont ciblé des aberrations génétiques spécifiques. Par exemple, le gefitinib a été approuvé pour l'adénocarcinome pulmonaire portant une mutation EGFR et le virofenib a été approuvé pour les patients atteints de mélanome portant une mutation BRAF V600E.

Gènes principaux en tant que biomarqueur du cancer. (Lever J et al., 2019)

• Profilage de l'expression génique

Il existe de nombreux isoformes d'un gène et un grand nombre d'études ont montré que des isoformes géniques spécifiques sont exprimées dans le cancer de manière altérée. L'analyse du transcriptome utilisant le NGS présente des avantages très distincts car les données d'expression sont capturées au niveau de l'isoforme, ce qui peut fournir des informations uniques et importantes sur la progression et la métastase du cancer. Le cancer du sein, le cancer du côlon et le glioblastome sont des exemples de types de cancer où le profilage de l'expression génique est largement utilisé. De plus, l'analyse des biomarqueurs par RNA-Seq de sang total permet d'analyser les différences d'expression dans des échantillons sanguins, comme la biopsie liquide plus moderne, qui est un test sanguin au lieu d'un test de tissu tumoral, et peut fournir des références et des informations pour le suivi de la récidive du cancer et l'évaluation de l'efficacité.

• Modifications épigénétiques

Les modifications épigénétiques sont des changements d'ADN qui sont indépendants de la variation de la séquence d'ADN. Les modifications épigénétiques telles que la méthylation de l'ADN, l'acétylation et la méthylation des histones ont des effets profonds sur l'expression génique et sont des biomarqueurs classiques qui peuvent être utilisés pour la détection du cancer et le développement d'interventions thérapeutiques. Des exemples de modifications épigénétiques utilisées comme biomarqueurs incluent l'hyperméthylation de GSTP1 chez les patients atteints de cancer de la prostate et DAPK et l'hyperméthylation du gène RASSF1A dans le cancer de la vessie. Les technologies à haut débit telles que le séquençage de l'épigénome sont bien adaptées pour identifier les modifications épigénétiques en tant que biomarqueurs dans le cancer.

• MicroARN

Les microARN sont de petites molécules d'ARN simple brin (19-22 nucléotides de long) qui jouent un rôle clé dans la régulation de l'expression génique en ciblant l'ARNm pour dégradation ou en inhibant la traduction. La régulation de l'expression génique médiée par les microARN est importante dans le développement, la différenciation et la croissance cellulaire, et donc les microARN peuvent jouer un rôle clé dans la carcinogenèse. Le miR15 et le miR16 ont montré jouer un rôle important dans la leucémie lymphoïde chronique (LLC). Le miR206 est régulé à la baisse dans 93 % des cas de cancer du sein. Le rôle des microARN dans le cancer est un domaine de recherche très actif et il est probable que de nombreuses molécules clés restent à découvrir.

MicroARN dans le cancer (Hayes J et al., 2014)

• ADN tumoral circulant

L'ADN tumoral circulant (ctDNA) fait référence à la libération d'ADN somatique provenant des cellules tumorales dans le système circulatoire, soit par des pertes, soit lors de l'apoptose. Le ctDNA est le fragment d'ADN du génome tumoral qui circule constamment dans le système circulatoire humain portant certaines caractéristiques (y compris des mutations, des suppressions, des insertions, des réarrangements, des anomalies de nombre de copies, de méthylation, etc.). L'ADN tumoral circulant est de l'ADN libre (cfDNA) dérivé des cellules tumorales et appartient à un type de cfDNA. Actuellement, l'analyse multigène ou même du génome entier des échantillons de ctDNA est couramment réalisée à l'aide de NGS, ce qui permet la détection de diverses mutations, y compris les fusions ALK avec ROS1 en utilisant des techniques de capture par sonde ARN.

ctDNA en tant que biomarqueur du cancer (Pessoa L S et al., 2020)

Défis du NGS dans la découverte de biomarqueurs du cancer

• Variants de signification indéterminée

Les variants de signification indéterminée (VUS) sont des variants d'ADN dont l'impact fonctionnel n'a pas été complètement caractérisé. La présence de VUS dans des régions génomiques importantes pour la maladie considérée peut créer beaucoup d'incertitude dans la détermination des actions futures et peut donc parfois être contre-productive. Les tests d'identification des biomarqueurs sont censés produire des informations précises et spécifiques qui peuvent être utilisées de manière fiable pour guider la gestion de la maladie, et les VUS identifiés par NGS présentent un défi significatif pour leur utilité en tant que tests standard.

• Analyse et interprétation des données complexes

Dans le contexte de la découverte de biomarqueurs du cancer, le NGS génère d'énormes quantités de données complexes, y compris des variations génétiques, des motifs d'expression génique et des modifications épigénétiques. Cette complexité peut rendre l'analyse et l'interprétation des données difficiles, en particulier pour les chercheurs sans compétences computationnelles et statistiques spécialisées. De plus, le développement d'outils bioinformatiques robustes et fiables pour l'analyse et l'interprétation des données NGS est essentiel. Ces outils doivent être capables d'identifier et d'annoter avec précision les variants génétiques, de prédire leur impact fonctionnel et de prioriser ceux qui sont les plus susceptibles d'être cliniquement pertinents.

Références :

1. Desai A N, Jere A. Séquençage de nouvelle génération pour la découverte de biomarqueurs du cancer[J]. Séquençage de nouvelle génération dans la recherche sur le cancer, Volume 2 : Des paires de bases aux lits d'hôpital, 2015 : 103-125.
2. Pessoa L S, Heringer M, Ferrer V P. ctDNA en tant que biomarqueur du cancer : Un large aperçu[J]. Critiques critiques en oncologie/hématologie, 2020, 155 : 103109.
3. Lever J, Jones M R, Danos A M, et al. Text-mining des biomarqueurs du cancer cliniquement pertinents pour la curation dans la base de données CIViC[J]. Médecine du génome, 2019, 11 : 1-16.
4. Hayes J, Peruzzi P P, Lawler S. MicroARN dans le cancer : biomarqueurs, fonctions et thérapie[J]. Tendances en médecine moléculaire, 2014, 20(8) : 460-469.