Mutations somatiques et agents cancérigènes

Une mutation somatique est une « faute de frappe » dans l'ADN d'une cellule du corps : elle ne passe pas aux enfants, mais si plusieurs fautes touchent les gènes qui contrôlent la division cellulaire, la cellule se multiplie sans frein et un cancer peut apparaître ; les agents cancérigènes (UV, rayons ionisants, fumée de tabac, aflatoxines, certains virus) augmentent le nombre de ces fautes.

Objectifs

Définir une mutation et distinguer mutation somatique et mutation germinale.
Reconnaître les types de mutations ponctuelles (substitution, délétion, insertion) et prévoir leurs conséquences sur la protéine.
Citer des agents mutagènes et cancérigènes physiques, chimiques et biologiques.
Expliquer comment l'accumulation de mutations somatiques conduit à la cancérisation.
Proposer des gestes de prévention adaptés à notre environnement.

1. Qu'est-ce qu'une mutation ?

L'ADN est une longue molécule formée de deux brins de nucléotides (A, T, C, G). Avant chaque division, la cellule copie son ADN : c'est la réplication. Malgré des systèmes de relecture et de réparation très efficaces, il arrive qu'une erreur reste.

Une mutation est une modification stable et transmissible aux cellules filles de la séquence des nucléotides de l'ADN. Le gène modifié devient un nouvel allèle.

Somatique ou germinale ?

Tout dépend de la cellule où la mutation se produit :

Mutation somatique : elle touche une cellule du corps (peau, poumon, foie…). Elle est transmise aux cellules issues de cette cellule par mitose, ce qui forme un clone de cellules mutées, mais elle n'est pas transmise aux enfants.
Mutation germinale : elle touche une cellule de la lignée germinale (à l'origine des spermatozoïdes ou des ovules). Elle peut être transmise à la descendance. Exemple : l'allèle de la drépanocytose, présent depuis des générations.

flowchart TD
  A[Mutation dans une cellule] --> B{Quelle cellule}
  B -->|Cellule du corps| C[Mutation somatique]
  B -->|Lignee germinale| D[Mutation germinale]
  C --> E[Clone de cellules mutees chez l individu]
  C --> F[Pas transmise aux enfants]
  D --> G[Peut passer aux enfants]

Kossi a un grain de beauté qui s'est formé à cause d'une mutation dans une cellule de sa peau. Que peut-on dire ?

Ses enfants hériteront forcément de ce grain de beauté.
C'est une mutation germinale.
C'est une mutation somatique, transmise seulement aux cellules filles de cette cellule de peau.

La cellule de peau est une cellule du corps : la mutation est somatique. Elle se transmet par mitose à ses cellules filles, mais pas aux spermatozoïdes ni aux ovules, donc pas aux enfants.

2. Les types de mutations ponctuelles et leurs conséquences

Une mutation ponctuelle touche un seul nucléotide (ou très peu). On distingue :

la substitution : un nucléotide est remplacé par un autre ;
la délétion : un nucléotide disparaît ;
l'insertion (ou addition) : un nucléotide est ajouté.

Grâce au code génétique, on prévoit l'effet sur la protéine :

Mutation silencieuse : le nouveau codon code le même acide aminé (le code génétique est redondant). La protéine ne change pas.
Mutation faux-sens : le nouveau codon code un autre acide aminé. La protéine change d'un acide aminé, ce qui peut modifier sa forme et sa fonction (exemple : drépanocytose).
Mutation non-sens : le nouveau codon est un codon STOP (UAA, UAG ou UGA). La protéine est raccourcie, souvent inactive.
Décalage du cadre de lecture : une délétion ou une insertion d'un nucléotide décale tous les codons suivants. Toute la suite de la protéine change, et un codon STOP apparaît souvent trop tôt.

Exemple résolu

Voici le début d'un ARN messager et la protéine qu'il code :

ARNm normal : AUG – GCA – UGG – AAA → Met – Ala – Trp – Lys

Trois versions mutées : (a) AUG – GCG – UGG – AAA ; (b) AUG – GCA – UGA – AAA ; (c) AUG – GCA – UGG – GAA. Quel est le type de chaque mutation et sa conséquence ? (Codons utiles : GCG = Ala ; UGA = STOP ; GAA = Glu.)

Cas (a) : un G remplace le A dans le 2^e codon : c'est une substitution. GCG code encore l'alanine : mutation silencieuse, la protéine est identique.

Cas (b) : un A remplace le G dans le 3^e codon : substitution. UGA est un codon STOP : mutation non-sens, la protéine s'arrête après Met – Ala, elle est raccourcie.

Cas (c) : un G remplace le A au début du 4^e codon : substitution. GAA code l'acide glutamique au lieu de la lysine : mutation faux-sens, un acide aminé change.

À toi : cherche d'abord

ARNm normal : AUG – GCA – UGG – AAA. On supprime le C du 2^e codon. Écris la nouvelle suite de codons. De quel type de mutation s'agit-il ?

Voir la solution

Sans le C, la séquence devient AUGGAUGGAAA, lue par trois : AUG – GAU – GGA – AA… C'est une délétion qui provoque un décalage du cadre de lecture : tous les codons après la mutation changent (GAU = Asp, GGA = Gly au lieu de Ala, Trp…), donc toute la fin de la protéine est différente.

Quelle mutation risque le plus de modifier toute la fin d'une protéine ?

Une substitution silencieuse
L'insertion d'un seul nucléotide au début du gène
Une substitution faux-sens à la fin du gène

L'insertion d'un nucléotide décale le cadre de lecture : tous les codons suivants sont lus différemment. Une substitution ne change au plus qu'un codon.

3. Les agents mutagènes et cancérigènes

Un agent mutagène augmente la fréquence des mutations. Un agent cancérigène (ou carcinogène) augmente le risque de cancer, souvent parce qu'il est mutagène.

Agents physiques :
- les rayons ultraviolets (UV) du soleil : ils créent des liaisons anormales entre deux bases T voisines (dimères de thymine) dans l'ADN des cellules de la peau ;
- les rayonnements ionisants (rayons X, rayons gamma, radioactivité) : ils peuvent casser l'ADN.
Agents chimiques :
- les substances de la fumée de tabac (comme le benzo[a]pyrène), liées aux cancers du poumon, de la bouche, de la gorge ;
- les aflatoxines, produites par des moisissures qui se développent sur l'arachide, le maïs ou d'autres graines mal séchées ou stockées dans l'humidité ; elles sont liées au cancer du foie ;
- les fumées et goudrons produits en grande quantité quand on fume ou grille des aliments à forte température (viandes très carbonisées), certains solvants et pesticides mal utilisés.
Agents biologiques : certains virus, comme le virus de l'hépatite B (cancer du foie) ou certains papillomavirus humains, HPV (cancer du col de l'utérus).

Classe chaque agent dans sa famille en le légendant sur le schéma ci-dessous (soleil, cigarette, virus, arachides moisies).

Aminata conserve des arachides dans un sac humide pendant des mois ; des taches de moisissure verdâtre apparaissent. Quel risque principal ?

La présence d'aflatoxines, agents chimiques cancérigènes pour le foie
Des rayons UV qui abîment l'ADN de la peau
Une mutation germinale transmise aux arachides

Certaines moisissures produisent des aflatoxines, des substances mutagènes liées au cancer du foie. Il faut bien sécher les graines et jeter celles qui sont moisies.

4. De la mutation au cancer : la cancérisation

Dans un organisme sain, la division des cellules est très contrôlée. Deux familles de gènes jouent un rôle clé :

les proto-oncogènes stimulent la division ; une mutation peut les transformer en oncogènes trop actifs (accélérateur bloqué) ;
les gènes suppresseurs de tumeurs freinent la division, contrôlent la réparation de l'ADN ou déclenchent l'apoptose (mort programmée) des cellules abîmées ; une mutation peut les rendre inactifs (frein cassé). Le gène TP53 en est un exemple célèbre.

Une seule mutation ne suffit généralement pas : le cancer résulte de l'accumulation de plusieurs mutations somatiques dans une même lignée de cellules, souvent sur de nombreuses années. C'est pourquoi le risque de cancer augmente avec l'âge et avec la durée d'exposition aux agents cancérigènes.

Étape 1 : un agent cancérigène ou une erreur de copie provoque des mutations dans un proto-oncogène ou un gène suppresseur de tumeur d'une cellule.

Étape 2 : la cellule ne respecte plus les signaux d'arrêt ; elle se divise sans contrôle et forme un clone : une tumeur. Si elle reste sur place, elle est dite bénigne.

Étape 3 : d'autres mutations permettent à des cellules d'envahir les tissus voisins et de passer dans le sang ou la lymphe : elles forment ailleurs des tumeurs secondaires, les métastases. La tumeur est alors maligne : c'est un cancer.

Exemple résolu : pourquoi le risque augmente avec le temps ?

Ibrahim fume depuis l'âge de 18 ans. Son médecin lui explique que son risque de cancer du poumon augmente chaque année où il continue. Explique pourquoi avec ce que tu as appris.

Voir la solution

Les substances de la fumée sont mutagènes : chaque année d'exposition ajoute des mutations dans les cellules des bronches. Le cancer demande l'accumulation de plusieurs mutations (oncogènes activés, gènes suppresseurs inactivés) dans une même lignée de cellules. Plus l'exposition dure, plus la probabilité qu'une cellule réunisse toutes ces mutations est grande. Arrêter de fumer stoppe l'arrivée de nouvelles mutations et fait baisser le risque avec le temps.

Une mutation rend inactif un gène suppresseur de tumeur. Selon l'analogie du véhicule, que se passe-t-il ?

L'accélérateur se bloque enfoncé
Le frein de la division cellulaire ne fonctionne plus
La cellule meurt immédiatement

Les gènes suppresseurs de tumeurs freinent la division ou déclenchent l'apoptose. Inactivés, ils ne retiennent plus la cellule : c'est un frein cassé. L'accélérateur bloqué correspond à un oncogène.

5. Se protéger : la prévention

Quel geste protège contre un agent cancérigène biologique ?

Porter un chapeau au soleil
Bien sécher les arachides
Se faire vacciner contre l'hépatite B

Le virus de l'hépatite B est un agent biologique lié au cancer du foie ; le vaccin empêche l'infection. Le chapeau protège des UV (physique) et le séchage des aflatoxines (chimique).

Erreurs fréquentes

Croire qu'une mutation somatique passe aux enfants : seules les mutations germinales peuvent être héritées.
Croire que toute mutation est nuisible : beaucoup sont silencieuses ou sans effet.
Penser qu'une seule mutation suffit à faire un cancer : il en faut généralement plusieurs, accumulées.
Confondre substitution (un seul codon change) et délétion ou insertion (décalage de tous les codons suivants).
Confondre tumeur bénigne (reste sur place) et tumeur maligne (envahit et forme des métastases).

Récapitulatif

Une mutation est une modification stable de la séquence de l'ADN ; somatique, elle reste dans l'individu ; germinale, elle peut passer aux enfants.
Substitution, délétion, insertion : effets silencieux, faux-sens, non-sens ou décalage du cadre de lecture.
Les agents mutagènes et cancérigènes sont physiques (UV, rayons ionisants), chimiques (tabac, aflatoxines) ou biologiques (virus de l'hépatite B, HPV).
Le cancer naît de l'accumulation de mutations somatiques qui activent des oncogènes et inactivent des gènes suppresseurs de tumeurs : la cellule prolifère sans contrôle, forme une tumeur puis éventuellement des métastases.
Réduire l'exposition aux agents cancérigènes est la première prévention.

Mutation somatique

Mutation d'une cellule du corps, transmise à ses cellules filles mais pas aux enfants.

Décalage du cadre de lecture

Effet d'une délétion ou d'une insertion : tous les codons suivants changent.

Agent cancérigène

Agent physique, chimique ou biologique qui augmente le risque de cancer, souvent en provoquant des mutations.

Oncogène

Proto-oncogène muté devenu trop actif : il pousse la cellule à se diviser sans arrêt (accélérateur bloqué).

Gène suppresseur de tumeur

Gène qui freine la division ou déclenche l'apoptose ; muté et inactif, le frein lâche.

Métastase

Tumeur secondaire formée par des cellules cancéreuses qui ont voyagé par le sang ou la lymphe.