Évolution somatique

Évolution somatique : nous abritons des multitudes

La génomique à grande échelle a transformé la biologie au cours de la dernière décennie, avec les emblématiques études d'association pangénomique (GWAS). Les études GWAS s'intéressent aux variants germinaux , hérités des parents d'un individu. Ils sont présents dans toutes les cellules d'une personne et reflètent ainsi la variation génétique interindividuelle.  Mais une autre dimension de la variation génétique, jusqu'alors sous-estimée, commence à émerger grâce aux progrès du séquençage :  celle entre les cellules d'un même individu . Tout au long de notre vie, au fil des divisions cellulaires et du temps qui passe, nos cellules accumulent des variants (mutations) somatiques qui s'ajoutent à la variation germinale héritée. Nous ne sommes pas des versions statiques du même génome, mais plutôt des mosaïques de cellules : nous en contenons littéralement des multitudes. Ces cellules mutées peuvent donner naissance à des clones qui « gagnent » et dominent les autres cellules dans une course aux armements évolutifs. À bien des égards, l'évolution somatique peut être considérée comme une version miniature des processus évolutifs étudiés par les généticiens des populations. Cependant, au lieu des individus d'une espèce, ce sont les cellules qui entrent en compétition les unes avec les autres dans l'écosystème tissulaire.

Des données récentes suggèrent que les cellules qui ne se divisent pas ont des charges de mutation similaires à celles qui le font, remettant en question l’hypothèse de longue date selon laquelle la division cellulaire est la principale source d’accumulation de mutations.

Nous sommes des mosaïques

Alors que la plupart des études génomiques à grande échelle se sont traditionnellement concentrées sur la variation génétique interindividuelle, une nouvelle dimension émerge : la variation génétique entre les cellules d'un même individu. L'étude de cette variation, ainsi que du comportement des cellules porteuses de diverses mutations et de leur évolution au sein de l'écosystème tissulaire, est communément appelée « évolution somatique ».

Grâce à un répertoire de technologies génomiques en constante expansion, nous nous rapprochons de la caractérisation des variations génétiques de notre corps avec une résolution plus élevée. Avant d'explorer comment l'évolution somatique modifie notre perception du vieillissement et de la maladie, je reviens d'abord aux origines de ce domaine.

Comme son nom l'indique, l'évolution somatique doit beaucoup au domaine plus vaste de la biologie évolutionniste. Mais il existe un autre domaine auquel l'évolution somatique est redevable, dont elle hérite une grande partie de sa méthodologie : la biologie du cancer. Le cancer a été la première maladie où le rôle dominant de l'évolution somatique a été démontré. Dès les années 1970, Nowell postulait que les cancers se développent selon un processus évolutif darwinien, sous-tendu par deux forces majeures :  l'instabilité génétique et la sélection. Les cellules acquièrent aléatoirement des mutations, dont certaines confèrent un avantage (par exemple, une capacité proliférative accrue) qui leur permet de contourner les défenses de l'organisme contre la malignité. Cette cellule originale donnera naissance à des cellules filles génétiquement identiques qui formeront un clone . Puisque toutes les cellules filles présentent le même avantage, elles se multiplieront préférentiellement par rapport aux cellules non mutantes, par un processus appelé expansion clonale. Les itérations successives de ce phénomène donneront, à terme, naissance à un cancer à part entière.

Le modèle d'évolution clonale successive de Nowell a largement résisté à l'épreuve du temps. Depuis les années 2010, avec l'avènement d'initiatives à grande échelle pour le séquençage des génomes cancéreux, un grand nombre de mutations présentes dans les génomes cancéreux ont été révélées. Cependant, toutes ces mutations ne sont pas directement responsables des expansions clonales. En adaptant des méthodes issues de la génétique évolutionniste (le rapport dN/dS (voir encadré), les scientifiques sont désormais en mesure de définir lesquelles de ces mutations sont positivement sélectionnées et représentent les moteurs actifs des expansions clonales cancéreuses, et lesquelles sont neutres (appelées « passagères »).

Le rapport dN/dS est le rapport normalisé des mutations non synonymes (ayant un effet au niveau protéique) aux mutations synonymes (mutations sans effet au niveau protéique). Il est largement utilisé en biologie évolutive pour quantifier la sélection positive, un rapport supérieur à 1 indiquant une sélection positive. Cela repose sur l'hypothèse que la grande majorité des mutations synonymes sont sélectivement neutres et constituent donc un bon indicateur pour modéliser la densité de mutation attendue. La méthode a dû être adaptée pour être appliquée aux génomes cancéreux et est désormais largement utilisée pour quantifier la sélection positive intra-organisme.

Évolution somatique dans les tissus normaux

  L'une des prédictions découlant de la théorie des expansions clonales de Nowell est qu'un certain niveau de mutagenèse doit se produire avant qu'un cancer se manifeste cliniquement. Cependant, les mutations dans les tissus non cancéreux ont traditionnellement été plus difficiles à identifier, car les tissus sains sont génétiquement plus hétérogènes que les tumeurs. Afin de « détecter » ces stades très précoces de l'évolution du cancer et armés de technologies génomiques plus sensibles, les scientifiques ont séquencé la peau vieillissante normale à haute résolution en 2015. Cette étude a été suivie d'une étude plus approfondie sur l'œsophage , où le même groupe a examiné un éventail plus large de tranches d'âge afin de comparer l'évolution somatique tout au long de la vie.

 Ils ont découvert ce qu'ils attendaient et plus encore : non seulement les cellules normales de la peau et de l'œsophage hébergent des mutations liées au cancer, mais ces mutations sont soumises à une sélection positive et entraînent des expansions clonales d'une ampleur inattendue, dont la taille et la fréquence augmentent avec l'âge, « colonisant » la peau. Ces résultats ont été surprenants pour plusieurs raisons, parmi lesquelles :

1) Ce phénomène est omniprésent chez les personnes âgées, ce qui suggère que les expansions clonales ne se limitent pas nécessairement aux personnes susceptibles de développer un cancer. Elles constituent donc la norme du vieillissement cutané, plutôt qu'une « condamnation » au développement d'un cancer.

2) La quantité et la taille des expansions clonales ont également été une surprise, étant donné que le tissu ne présente aucun signe de malignité. Par exemple, jusqu'à 20 % des cellules cutanées normales présentent des mutations NOTCH1 sélectionnées positivement chez les personnes âgées.

Depuis lors, des expansions clonales dans d'autres tissus vieillissants ou malades ont été décrites, notamment l'endomètre, la vessie, le sang,  le côlon affecté par une MICI et le foie atteint de stéatose hépatique non alcoolique. L'étude de l'évolution somatique dans les tissus non cancéreux révèle peu à peu que le cancer n'est qu'un résultat possible d'un processus d'expansion clonale lié au vieillissement, phénotypiquement « silencieux » et ne conduisant pas nécessairement à une tumeur maligne. Des questions évidentes se posent donc : dans quelle mesure l'évolution somatique est-elle réellement « silencieuse » ? Quelles pourraient être ses autres implications fonctionnelles, au-delà du cancer ? Le sang est peut-être l'organe où nous sommes le plus proches de répondre à ces questions. 

Implications de l'évolution somatique sur le vieillissement et la maladie 

Le sang : un cas illustratif

Chez la plupart des jeunes individus, les cellules sanguines proviennent d'un pool diversifié de cellules souches hématopoïétiques. Cependant, chez certains individus, la diversité de ce pool diminue considérablement avec l'âge. Par exemple, chez certaines personnes âgées, 30 % des cellules sanguines proviennent d'un seul clone de cellule souche. La diminution de la diversité clonale observée avec l'âge est également appelée oligoclonalité (oligo = peu). En raison de son importance médicale, ce phénomène a reçu le nom d' hématopoïèse clonale (ou CHIP) . Il a été démontré que la CHIP est le résultat direct d'expansions clonales induites par des mutations observées dans les cancers du sang (telles que DNMT3A , TET2 ou TP53). Bien que ces mutations aient le même résultat final (CHIP), elles le favorisent par des mécanismes moléculaires différents. 

Comme on pouvait s'y attendre, la présence de CHIP augmente le risque de cancer du sang. Cependant, un aspect particulièrement fascinant de CHIP réside dans les preuves émergentes de son lien avec divers phénotypes liés au vieillissement :

 1) CHIP et inflammation : Il a été démontré que le CHIP est associé à une augmentation de 2 à 4 fois du risque de développer le phénotype le plus mortel associé au vieillissement : les maladies cardiovasculaires. Le mécanisme par lequel le CHIP pourrait influencer les résultats cardiovasculaires n'est pas entièrement compris, bien que des études chez la souris suggèrent que le phénotype pro-inflammatoire des cellules sanguines (plus précisément, les macrophages) portant des mutations du gène CHIP pourrait être essentiel. La pertinence de cette signature pro-inflammatoire pourrait s'étendre au-delà des maladies cardiovasculaires, car l'inflammation de bas grade est considérée comme une caractéristique importante du vieillissement. De plus, la relation entre le CHIP et l'inflammation semble être bidirectionnelle, l'inflammation elle-même augmentant le taux de CHIP en modifiant les pressions sélectives agissant sur les cellules mutées et en donnant naissance à un cercle vicieux. 

2) CHIP et horloges épigénétiques : CHIP est associé à une augmentation de l'âge biologique mesurée par les horloges de méthylation de l'ADN. À l'heure actuelle, la méthylation de l'ADN représente le moyen le plus fiable de quantifier le vieillissement physiologique.

3) CHIP et transition abrupte d'oligoclonalité : Bien que les mutations somatiques augmentent linéairement avec l'âge, de multiples éléments suggèrent que la diminution de la diversité du pool de cellules souches sanguines se produit brusquement vers 70 ans . Cela reflète étroitement l'augmentation tout aussi abrupte de la mortalité à cet âge, ce qui suggère que le CHIP pourrait faire partie d'un phénomène plus large de déclin de l'organisme.

Expansions clonales et microenvironnement : le rôle des forces sélectives

Jusqu'à présent, j'ai adopté une approche cellulaire de l'évolution somatique, en me concentrant sur l'importance des mutations dans l'expansion clonale. Cependant, les cellules n'existent pas en vase clos : elles sont intégrées à un microenvironnement, et l'avantage d'une mutation dépend du contexte dans lequel elles évoluent. J'ai déjà évoqué un cas où un microenvironnement changeant joue un rôle important dans l'accélération de l'évolution somatique : l'inflammation et le CHIP.

 Outre l'inflammation, d'autres pathologies semblent favoriser les expansions clonales en modifiant les pressions sélectives subies par les cellules mutées. Dans une étude très récente , des expansions clonales ont été décrites dans les maladies hépatiques chroniques (par exemple, la stéatose hépatique), où les cellules sont exposées à la menace de lipotoxicité. Les cellules porteuses de certaines mutations peuvent survivre à la lipotoxicité et sont sélectionnées positivement, ce qui est à l'origine des expansions clonales observées. Cependant, la survie à la lipotoxicité semble avoir un coût : ces mêmes mutations réduisent la capacité des cellules hépatiques à métaboliser correctement le glucose et pourraient expliquer en partie la résistance à l'insuline observée dans les maladies hépatiques.

Orientations futures 

1. A) Mosaïque somatique, vieillissement et autres maladies non cancéreuses : le clone égoïste

Jusqu'à présent, seul le gène CHIP a démontré un lien mécaniste clair avec le vieillissement. Cependant, un paradigme plus large concernant l'implication de l'évolution somatique dans le vieillissement peut être envisagé. Comme observé dans les cas d'inflammation et de lipotoxicité précédemment évoqués, les cellules développent des mutations qui leur confèrent un avantage dans le microenvironnement local. Cependant, à l'échelle de l'organisme, on peut imaginer que l'expansion d'un tel clone « égoïste » pourrait avoir des conséquences négatives, notamment en raison d'une perte générale de coordination.  

1. B) Évolution précoce du cancer : redéfinir ce qu'est une mutation causant un cancer 

Une observation frappante est que les mutations de perte de fonction du gène NOTCH1 sont plus fréquentes dans la peau et l'œsophage des personnes âgées que chez les personnes atteintes d'un cancer de la peau et de l'œsophage, respectivement. Ceci contredit l'idée reçue selon laquelle les mutations de NOTCH1 sont des facteurs de développement du cancer et soulève la possibilité qu'elles puissent en réalité protéger contre le cancer. Une étude fonctionnelle récente chez la souris semble confirmer cette hypothèse, suggérant que les expansions clonales de NOTCH1 sont bénéfiques et réduisent le risque de cancer en entrant en compétition spatiale avec des clones porteurs de mutations plus malignes comme TP53. Cela dresse un tableau plus complexe de l'évolution du cancer qu'on ne le pensait auparavant et ouvre la possibilité qu'à l'avenir, les stratégies de prévention du cancer puissent s'appuyer sur une modification de l'équilibre entre les « bons » et les « mauvais » clones.

1. C) Comprendre les facteurs non génétiques dans l'évolution somatique

Jusqu'à présent, les études sur l'évolution somatique se sont concentrées sur le rôle des mutations de l'ADN dans ces processus. Cela est dû à des raisons technologiques, car les mutations de l'ADN définissent la lignée phylogénétique d'une cellule, permettant ainsi de retracer les relations clonales. Cependant, nous comprenons relativement mal l'interaction entre l'évolution somatique et d'autres couches d'information biologique telles que le méthylome ou le transcriptome. De nouvelles méthodes, permettant de superposer l'information épigénétique aux phylogénies des expansions clonales induites par les mutations de l'ADN, apporteront des informations importantes sur les causes et/ou les effets non génétiques des expansions clonales. Parmi les classes d'informations épigénétiques, la méthylation de l'ADN sera peut-être la plus intéressante à explorer, en raison de son importance pour la mesure de l'âge biologique et chronologique.

Jusqu'à présent, les résultats les plus prometteurs proviennent peut-être d'une étude récente montrant qu'au sein d'un même type cellulaire (lymphocytes T mémoire CD8), il existe des profils transcriptionnels héréditaires clonaux. Étonnamment, le signal est si fort qu'il est possible de prédire l'origine clonale des cellules à l'aide d'un classificateur SVM (machine à vecteurs de support) à partir de la seule transcriptomique unicellulaire ! Ces études redéfinissent ce que nous concevons comme hétérogénéité au sein d'un même type cellulaire et soulèvent la possibilité que d'autres couches que l'ADN (par exemple méthylome et transcriptome) contribuent à la compétition et à la sélection cellulaires clonales.