Biologie moléculaire des tumeurs cartilagineuses conventionnelles : les mutations des gènes IDH1 et IDH2
Molecular biology of conventional cartilaginous tumors: IDH1 and IDH2 gene mutations
G. de Pinieux1, 2, 3 M. Tallegas1, B. Ponroy1, E. Standley1,2
RÉSUMÉ Summary
»La mise en évidence de mutations des gènes IDH1 et IDH2 dans les enchondromes et les chondrosarcomes centraux, ainsi que dans les chondromes et chondrosarcomes périostés, a modifié la vision que l’on avait de l’oncogenèse de ces tumeurs, notamment en établissant pour la première fois un lien moléculaire entre chondrome et chondrosarcome, mais également en permettant d’ébaucher un modèle d’oncogenèse de ces tumeurs, se caractérisant par la survenue précoce de mutations des gènes IDH1 ou IDH2.
»Différentes études ont démontré depuis que ces mutations induisaient une nouvelle capacité de l’enzyme à convertir son produit, l’α-cétoglutarate, en un oncométabolite, le 2-delta-hydroxyglutarate. Ce dernier présente des similitudes morphologiques avec l’α-cétoglutarate et va inhiber, par inhibition compétitive, différentes dioxygénases α-cétoglutarate dépendantes, notamment TET2, aboutissant à un état d’hyperméthylation de l’ADN et des histones, à l’origine d’une dérégulation de plusieurs gènes impliqués dans les différenciations chondrogénique et ostéogénique. Ces mutations ne semblent néanmoins ni nécessaires ni suffisantes pour induire la tumorigenèse cartilagineuse.
L’événement génétique à l’origine de la transformation maligne de l’enchondrome et du chondrome périosté reste toujours inconnu.
L’émergence d’autres altérations génétiques (variations dans le nombre de copies de P16/CDKN2A, mutations de RB1 ou P53, etc.), intervient dans la progression vers des chondrosarcomes de plus haut grade. La recherche de ces mutations, de par sa spécificité et en dépit d’une sensibilité assez faible (de l’ordre de 60 % en moyenne), a une place dans le diagnostic différentiel entre les chondrosarcomes et les autres sarcomes tels que l’ostéosarcome chondroblastique, le sarcome osseux indifférencié pléomorphe et le chordome. Ces mutations représentent enfin une cible prometteuse dans le traitement des chondrosarcomes.
Mots-clés : Chondrome – Chondrosarcome – IDH – α-cétoglutarate – Hyperméthylation.
Demonstration of mutations of IDH1 and IDH2 genes in central enchondromas and chondrosarcomas, as well as in periosteal chondromas and chondrosarcomas, has modified the vision we had of the oncogenesis of these tumors, notably by establishing for the first time a molecular link between chondroma and chondrosarcoma, but also by allowing to sketch a model of oncogenesis of these tumors, characterized by the early onset of mutations of the genes IDH1 or IDH2.
Different studies showed that these mutations induced a new ability of the IDH enzymes to convert its product, α-ketoglutarate, into an oncometabolite, 2-delta- hydroxyglutarate. The latter has morphological similarities with α-ketoglutarate and will inhibit, by competitive inhibition, different dioxygenases α-ketoglutarate-dependent, including TET2, resulting in a state of hypermethylation of DNA and histones, causing deregulation of several genes involved in chondrogenic and osteogenic differentiation.
These mutations nevertheless do not seem necessary or sufficient to induce cartilaginous tumorogenesis. The genetic event causing the malignant transformation of chondromas remains unknown. The emergence of other genetic alterations (variations in the number of copies of P16/CDKN2A, mutations of RB1 or P53, etc.) is involved in the progression to chondrosarcomas of higher grade. The search for these mutations, by its specificity and in spite of a rather weak sensitivity (of the order of 60% on average), has a place in the differential diagnosis between chondrosarcomas and other sarcomas such as chondroblastic osteosarcoma, undifferentiated pleomorphic bone sarcoma and chordoma.
These mutations finally represent a promising target in the treatment of chondrosarcomas.
Keywords: Chondroma – Chondrosarcoma – IDH – α-keto- glutarate – Hypermethylation.
Figure 1. Mutations des gènes IDH dans les tumeurs osseuses primitives: variants et répartition en fonction du type histologique et de la localisation tumorale.
Mosaïque IDH1/IDH2
10,6/1 R132 91,4 %
C > G > H R172 8,6 %
R140 0,0 % appendiculaire 53 % > axial 35 % Tumeurs cartilagineuses conventionnelles centrales solitaires/multiples
N = 137
N = 8
Enchondromes (52 %) Enchondromatoses (87 %) Chondrosarcomes grade 1 (58 %)
Chondrosarcomes grades 2 et 3 (59 %) Chondrosarcomes dédifférenciés (56 %) Absence de
mutation dans ?
Autres sarcomes osseux Ostéosarcomes, sarcomes d’Ewing Chordomes, sarcome indifférencié Autres tumeurs cartilagineuses Tumeurs conventionnelles périphériques Chondroblastome/fibrome chondromyxoïde Chondrosarcomes mésenchymateux, à cellules claires
Chondromes (71 %) Chondrosarcomes (100 %) Tumeurs cartilagineuses périostées
1 Service d’anatomie et cytologie pathologiques, CHU de Tours.
2 Université François- Rabelais, faculté de médecine, Tours.
3 Laboratoire d’étude des sarcomes osseux et remodelage des tissus calcifiés, PhyOS - INSERM UMR 1238, université de Nantes, faculté de médecine.
Des mutations des gènes IDH1 et IDH2 ont été décrites pour la première fois dans les tumeurs cartilagineuses conven- tionnelles par M.F. Amary et al. en 2011 (1, 2). Ces mutations étaient déjà connues dans les gliomes, les glioblastomes secondaires, les leucémies aiguës myéloblastiques (LAM) et certaines myélodysplasies (3, 4). Rarement, elles avaient aussi été rapportées dans d’autres tumeurs (carcinomes de la thyroïde, de la prostate et carcinomes colorectaux, lymphomes B). Jusqu’à 2011, aucune mutation d’IDH1 ou IDH2 n’avait été décrite dans les tumeurs mésenchy- mateuses. À l’origine de cette découverte, la constatation que les patients atteints d’enchondromatoses, comme la maladie d’Ollier et le syndrome de Maffucci, avaient aussi un risque de développer d’autres tumeurs, comme des gliomes ou des LAM. Ces 2 tumeurs pouvant être mutées sur les gènes IDH1 et IDH2, il semblait pertinent de recher- cher ces mutations dans les chondromes et chondrosarco- mes. M.F. Amary et ses collaborateurs ont ainsi effectué un dépistage de plus de 1 000 tumeurs mésenchymateuses, permettant de mettre en évidence des mutations d’IDH1 ou IDH2 dans les tumeurs cartilagineuses conventionnelles centrales (52 % des enchondromes, 58 % des chondrosar- comes de grade 1, 59 % des chondrosarcomes de grades 2 et 3, 56 % des chondrosarcomes dédifférenciés), mais éga- lement dans les tumeurs cartilagineuses périostées (71 % des chondromes et 100 % des chondrosarcomes périostés).
Cela a conduit à rattacher ces dernières aux tumeurs cartilagineuses conventionnelles dans la classification de l’Organisation mondiale de la santé (OMS) 2013 (5).
Le taux de mutations d’IDH1 était par ailleurs plus élevé dans les tumeurs cartilagineuses associées à une enchon- dromatose (évalué entre 87 % et 90 %) et variait en fonction de la localisation tumorale : il était de 90 % pour les tumeurs cartilagineuses acrales, de 53,2 % pour les os longs du squelette appendiculaire et de 35,1 % pour les os plats.
Ces mutations n’étaient pas retrouvées dans les autres tumeurs cartilagineuses non conventionnelles bénignes (chondroblastome, fibrome chondromyxoïde) et malignes (chondrosarcomes périphériques secondaires, mésenchy- mateux et à cellules claires), ni dans les autres sarcomes osseux, l’ostéosarcome en particulier (1, 6).
Les différents types de mutations d’IDH1 et IDH2
Les mutations des gènes IDH1 et IDH2 interviennent sur un seul des 2 allèles (mutation hétérozygote domi-
nante). Il s’agit de mutations par substitution d’une base azotée, au niveau de l’exon 4 de chacun des gènes, entraînant un changement d’acide aminé au niveau des sites actifs des enzymes.
La recherche des mutations d’IDH1/2 dans les tumeurs cartilagineuses a mis en évidence, comme dans le cadre des tumeurs gliales, une prédominance des mutations d’IDH1 par rapport à celles d’IDH2. Contrairement à celles-ci, pour lesquelles environ 88 % des mutations d’IDH1 intéressent une transition adénine-guanine sur le codon 132 (R132H), entraînant le remplacement d’une arginine (A) par une histidine (H), la majorité des mutations d’IDH1 dans les chondrosarcomes intéressent une transition cytosine-thymine (R132C), observée dans 39,5 % des cas. Les autres mutations d’IDH1 observées étaient des mutations R132G (CGT>GGT) dans 19,7 % des cas, R132L (CGT>CTT) dans 7,4 % et R132S (CGT>AGT) dans 7,4 %. Les mutations d’IDH2 sont plus rares, obser- vées dans 8,6% des cas, et intéressent une transversion R172S (AGG>AGT) entraînant le remplacement d’une arginine (A) par une sérine (S) ou plus rarement R140.
Il s’agit d’anomalies génétiques
en mosaïque, ne touchant qu’une partie des cellules de la tumeur
Dans la littérature, l’existence d’une mosaïque intra- tumorale concernant le statut mutationnel IDH1/2 des tumeurs cartilagineuses a été étayée. Il s’agit de
mosaïques de cellules mutées et non mutées sur le même sous-type de mutation. Ces mosaïques sont décrites dans les enchondromatoses (maladie d’Ollier et syndrome de Maffucci), où l’hypothèse d’une mosaïque somatique due à un événement mutationnel post zygotique précoce est défendue. Les principaux arguments qui soutiennent cette hypothèse sont que ces pathologies ne sont pas héréditaires, que les enchondromes sont souvent unilatéraux et que lorsque l’on recherche les mutations d’IDH1/2 dans différentes tumeurs d’un même patient, le sous-type de mutation est le même (jusqu’à 6 tumeurs testées). Ainsi, T.C. Pansuriya et al. (7) ont retrouvé la même mutation dans différentes tumeurs de 14 patients sur 16 et M.F. Amary et al. (2) chez 15 patients sur 19. Cette dernière équipe a également retrouvé des mutations d’IDH1/2 dans des tissus sains (sang et moelle osseuse) de 2 patients sur 12 testés (2).
Ces mutations étaient les mêmes que celles présentes dans les tumeurs de ces patients. S. Hao et al. (8) ont rapporté le cas d’un patient atteint d’un syndrome de Maffucci qui présentait un chondrosarcome et un adé- nome pituitaire, tous 2 mutés R132C. Le chondrosarcome était d’origine mésodermique et l’adénome pituitaire d’origine neuroectodermique. Cela conforte l’hypothèse d’un événement postzygotique précoce (antérieur à la gastrulation) à l’origine d’une mosaïque somatique.
La mosaïque intratumorale a également été mise en évidence par l’immunohistochimie, avec l’anticorps anti- R132H, qui montrait le mélange au sein d’une même tumeur (dont des chondrosarcomes développés sur enchondromatoses ou solitaires) de cellules exprimant R132H et d’autres de phénotype sauvage (50 à 95 % de cellules positives). K. Moriya et al. (9) ont également apporté des arguments en faveur de la mosaïque intra- tumorale en réalisant une PCR à partir d’échantillons tumoraux mutés. Les produits de PCR étaient sous-clonés puis séquencés. Seule une partie des clones était mutée.
Physiopathologie des gènes IDH1 et IDH2
Le gène IDH1 est localisé sur le chromosome 2 en posi- tion q33 et le gène IDH2 sur le chromosome 15 en posi- tion q36. Les protéines enzymatiques IDH1 et IDH2 sont des homodimères, de localisation cytoplasmique et peroxysomale pour IDH1, de localisation mitochon- driale pour IDH2. Il existe également une enzyme IDH3 (hétérotrimère), de localisation mitochondriale, qui transforme l’isocitrate en α-cétoglutarate (αCG), avec comme cofacteur NAD+, et qui intervient dans le cycle de Krebs, mais dont les mutations n’ont pas été reliées à l’oncogenèse.
Fonctions normales des enzymes IDH1 et IDH2
Lorsque les gènes IDH1/2 sont de phénotype sauvage, les enzymes IDH1/2 catalysent la réaction réversible de décarboxylation de l’isocitrate en αCG, utilisant comme cofacteur le NADP+ alors réduit en NADPH. Le NADPH et l’αCG sont des éléments clés dans les processus de détoxification cellulaire et de protection contre les dommages du stress oxydatif. IDH1 et IDH2 sont les enzymes fournissant le plus de NADPH dans la majorité des organes, dont le cerveau (10-12).
En cas d’hypoxie, le facteur 1αHIF (hypoxia-inducible factor 1α), qui bloque la production de pyruvate (issu de la glycolyse), est augmenté. Cela interrompt la syn- thèse d’énergie par glycolyse, qui est remplacée par la glutaminolyse. La glutamine est transformée en glu- tamate puis en αCG. Les enzymes IDH1/2 catabolisent la carboxylation de αCG en isocitrate, fournissant ainsi une nouvelle source de citrate, facteur intermédiaire du cycle de Krebs et précurseur d’acides gras pour la lipogenèse.
Fonctions des mutants IDH1/2 et oncogenèse (figure 2)
Les enzymes mutées IDH1/2 perdent leur capacité à transformer l’isocitrate en αCG, entraînant une dimi- nution d’αCG et de NADPH. Les mutations des gènes IDH sont dominantes et entraînent une diminution de la capacité de l’enzyme à convertir l’isocitrate en αCG. De plus, les mutants IDH1/2 diminuent encore l’activité des enzymes IDH1/2 non mutées en formant des hétérodimères inactifs.
Les mutants IDH1/2 catalysent la réduction de l’αCG en 2-hydroxyglutarate (2HG), un oncométabolite fortement associé à la tumorigenèse. Ces mutations induisent une nouvelle capacité de l’enzyme à convertir l’αCG en un oncométabolite, le 2-delta-hydroxyglutarate (2HG), qui présente des similitudes structurelles avec l’αCG (10, 13).
Les mutations d’IDH1 et IDH2 sont associées à une aug- mentation de la concentration cytoplasmique en 2HG, jusqu’à 1 000 fois supérieure à celle observée dans les cellules IDH de type sauvage. Le 2HG agit comme un inhibiteur compétitif faible de l’αCG, entraînant une inhibition de diverses dioxygénases dépendantes de l’αCG, comme des histones déméthylases et des enzymes de la famille ten-eleven translocation (TET), notamment TET2, qui sont impliquées dans la dé méthy- lation de l’ADN. Le 2HG occupe le même espace que l’αCG sur le site actif des histones déméthylases. Cette
Figure 2. Mutations des gènes IDH : rôle dans l’oncogenèse des tumeurs cartilagineuses.
H3K4me3 H3K9me3
H3K27me3 COL2A1
COL10A1 ACAN
ALPL +
Différenciation chondrogénique Désorganisation de la
matrice cartilagineuse
Défaut de minéralisation de la matrice extracellulaire
Différenciation ostéogénique Isocitrate
NADP+
NADPH + CO2
NADPH NADP+
IDH1/2 muté
SOX9 + D-2HG
Similitudes structurales entre αCG et D-2HG Inhibition compétitive des enzymes α-KG dépendantes
Profil hyperméthylé
Enzymes TET (déméthylation ADN) Hyperméthylation de l’ADN Histones déméthylases
Hyperméthylation des histones H3 αCG
IDH1/2 Cycle de Krebs
inhibition compétitive entraîne une hyperméthylation de l’ADN dans des domaines riches en îlots CpG ainsi qu’une hyperméthylation des histones. Ce profil hyper- méthylé aboutit à une dérégulation de nombreux gènes impliqués dans la différenciation des chondrocytes, dépendante de la concentration en 2HG.
Le 2HG inhibe également les H3K36 déméthylases JHKDM, dépendantes de l’αCG. Les JHKDM modifient la chromatine et interviennent dans la régulation épi- génétique de l’expression des gènes. Elles sont consi- dérées comme des suppresseurs de tumeurs et ont été impliquées dans l’oncogenèse de différents types de tumeurs (13).
I. Jin et al. ont étudié plus précisément le rôle des muta- tions IDH1 dans le développement des tumeurs cartila- gineuses en transfectant la mutation IDH1R132C dans des cellules souches mésenchymateuses (CSM) [14]. Ils ont ainsi montré que ces mutations avaient un effet sur les propriétés de différenciation de ces cellules, en modifiant de manière spécifique la méthylation des histones de gènes impliqués dans les différenciations chondrogénique et ostéogénique.
Ainsi, la mutation IDH1R132C favoriserait la différen- ciation chondrogénique en augmentant le niveau d’expression du gène SOX9, facteur de transcription
majeur de la chondrogenèse, tout en perturbant la formation de la matrice cartilagineuse en augmentant le facteur d’expression des gènes COL2A1 et COL10A1 qui codent pour 2 protéines majeures de la matrice cartilagineuse. Parallèlement, la mutation inhiberait l’expression du gène ALPL, codant pour la phospha- tase alcaline, enzyme jouant un rôle clé dans la miné- ralisation de la matrice osseuse, inhibant de ce fait les propriétés ostéogéniques des CSM.
Intérêt diagnostique et pronostique de la recherche de mutations d’IDH1 et IDH2 dans le domaine de la pathologie osseuse
Le seul anticorps commercialisé et utilisable en immuno histochimie à ce jour reconnaît la protéine mutée R132H de IDH1, rarement observée dans le cadre des tumeurs cartilagineuses et qui ne présente par conséquent pas d’intérêt dans le diagnostic de ces tumeurs. L’évaluation du statut mutationnel IDH dans les tumeurs cartilagineuses nécessite donc une technique de séquençage.
D.A. Kerr et al. ont mis en évidence en 2013 le fait que les mutations des gènes IDH1/2 constituent des bio-
marqueurs solides des chondrosarcomes centraux et une aide pour le diagnostic différentiel avec les ostéosarcomes chondroblastiques. Dans cette étude, 61 % (14 sur 23) des chondrosarcomes étaient mutés sur IDH1/2, dont 86 % sur IDH1. Aucun ostéosarcome chondro blastique (0/36) n’était muté (15).
La recherche de mutations des gènes IDH a également démontré un intérêt dans les diagnostics différentiels entre les sarcomes indifférenciés pléomorphes primitifs osseux et les chondrosarcomes dédiff érenciés (16), et entre les chordomes et les chondrosarcomes au niveau de la base du crâne (17). Dans cette dernière localisa- tion, la fréquence rapportée de mutations d’IDH1 varie entre 46,1 et 71,4 % selon les séries. Les mutations d’IDH n’ont pas d’incidence pro nostique (12).
Mutations des gènes IDH dans les chondrosarcomes conventionnels : une cible thérapeutique prometteuse dans le traitement du chondrosarcome
Les mutations d’IDH induisent une hyperméthylation dans les cellules chondrosarcomateuses et, par ce biais, une dérégulation épigénétique de la différenciation cellulaire. Un traitement par l’agent déméthylant 5-aza- citidine a montré sa capacité à inverser cette dérégu- lation de la différenciation cellulaire. Un traitement
de cellules chondrosarcomateuses par un inhibiteur spécifique du mutant IDH1 a permis d’obtenir une diminution de 90 % de la production de 2HG dans les cellules mutées. En revanche, l’effet de l’inhibition d’IDH1 sur la viabilité, la prolifération et la migration des cellules tumorales n’était pas constante et variait suivant les études (18, 19). Des études cliniques avec différents inhibiteurs d’IDH sont actuellement en cours dans différents types de tumeurs, dont des chondro- sarcomes.
Conclusion
Les mutations d’IDH constituent un événement pré- coce dans l’oncogenèse des tumeurs cartilagineuses conventionnelles centrales et périostées. Elles induisent des modifications épigénétiques conduisant à une hyperméthylation de l’ADN et des histones, à l’origine d’anomalies de la différenciation chondrogénique des cellules cartilagineuses concernées. En pratique, la recherche de ces mutations constitue aujourd’hui un outil supplémentaire pouvant aider le pathologiste dans sa démarche diagnostique devant une lésion pré- sentant une différenciation cartilagineuse, en particulier sur microprélèvement. Ces mutations représentent par ailleurs une nouvelle cible thérapeutique dans le
traitement du chondro sarcome. ■
Les auteurs déclarent ne pas avoir de liens d’intérêts.
1. Amary MF, Bacsi K, Maggiani F, et al. IDH1 and IDH2 muta- tions are frequent events in central chondrosarcoma and cen- tral and periosteal chondromas but not in other mesenchymal tumours. J Pathol 2011;224:334-43.
2. Amary MF, Damato S, Halai D et al. Ollier disease and Maffucci syndrome are caused by somatic mosaic mutations of IDH1 and IDH2. Nat Genet 2011;43:1262-6.
3. Dang L, Jin S, Su SM. IDH mutations in glioma and acute myeloid leukemia. Trends Mol Med 2010;16:387-97.
4. Liu A, Hou C, Chen, H et al. Genetics and epigenetics of glioblastoma: applications and overall incidence of IDH1 mutation. Front Oncol 2016;6:16.
5. Fletcher CDM, Bridge JA, Hogendoorn PCW, Mertens F. World health organization classification of tumours of soft tissue and bone. WHO, 2013: 264-74.
6. Damato S, Alorjani M, Bonar F et al. IDH1 mutations are not found in cartilaginous tumours other than central and perios- teal chondrosarcomas and enchondromas. Histopathology 2011;60:363-5.
7. Pansuriya TC, van Eijk R, d’Adamo P et al. Somatic mosaic IDH1 and IDH2 mutations are associated with enchondroma
and spindle cell hemangioma in Ollier disease and Maffucci syndrome. Nat Genet 2011;43:1256-61.
8. Hao S, Hong CS, Feng J et al. Somatic IDH1 mutation in a pituitary adenoma of a patient with Maffucci syndrome.
J Neurosurg 2016;124:1562-7.
9. Moriya K, Kaneko MK, Liu X et al. IDH2 and TP53 mutations are correlated with gliomagenesis in a patient with Maffucci syndrome. Cancer Sci 2014;105:359-62.
10. Dang L, White DW, Gross S et al. Cancer-associated IDH1 mutations produce 2-hydroxyglutarate. Nature 2009;462:739- 44.
11. Stein EM. Molecular pathways: idh2 mutations-co-opting cellular metabolism for malignant transformation. Clin Cancer Res 2016;22:16-9.
12. Cleven AHG, Suijker J, Agrogiannis G et al. IDH1 or -2 mutations do not predict outcome and do not cause loss of 5-hydroxymethylcytosine or altered histone modifications in central chondrosarcomas. Clin Sarcoma Res 2017;7:8.
13. Molenaar RJ, Radivoyevitch T, Maciejewski JP et al. The driver and passenger effects of isocitrate dehydrogenase 1 and 2 mutations in oncogenesis and survival prolongation.
Biochim Biophys Acta 2014;1846(2):326-41.
14. Jin Y, Elalaf H, Watanabe M et al. Mutant IDH1 dysregulates the differentiation of mesenchymal stem cells in association with gene-specific histone modifications to cartilage-and bone-related genes. PLoS One 2015;10:e0131998. doi:10.1371.
15. Kerr DA, Lopez HU, Deshpande V et al. Molecular distinc- tion of chondrosarcoma from chondroblastic osteosarcoma through IDH1/2 mutations. Am J Surg Pathol 2013;37:787-95.
16. Chen S, Fritchie K, Wei S et al. Diagnostic utility of IDH1/2 mutations to distinguish dedifferentiated chondrosarcoma from undifferentiated pleomorphic sarcoma of bone. Hum Pathol 2017;65:239-46.
17. Arai M, Nobusawa S, Ikota H et al. Frequent IDH1/2 muta- tions in intracranial chondrosarcoma: a possible diagnostic clue for its differentiation from chordoma. Brain Tumor Pathol 2012;29:201-6.
18. G Polychronidou, V Karavasilis, SM Pollack et al. Novel therapeutic approaches in chondrosarcoma. Future Oncol 2017;13:637-48.
19. Suijker J, Oosting J, Koornneef A et al. Inhibition of mutant IDH1 decreases D-2-HG levels without affecting tumorige- nic properties of chondrosarcoma cell lines. Oncotarget 2015;6:12505-19.
R é f é r e n c e s
