Le phénomène prion, différents aspects d'un nouveau concept en biologie

ARTICLE

Auteur(s) : M Moudjou¹, M Ermonval²

¹Unité de virologie et immunologie moléculaires, Équipe infections à prions, Inra, 78352 Jouy-en-Josas, France
²Institut Pasteur, Unité de génétique moléculaire des bunyavirus, département de virologie, 75015 Paris, France

Maladies à prions et concept prion

Encéphalopathies transmissibles chez les mammifères : variations sur un même thème

Chez les animaux, le prototype des maladies à prions est la tremblante du mouton (et de la chèvre) décrite au début du XIX^e siècle. Une autre maladie à prions naturelle, rencontrée en Amérique du Nord, provoque la maladie du dépérissement chronique (chronic wasting disease, CWD) qui s'étend à de nombreux cervidés sauvages. L'encéphalopathie spongiforme bovine (ESB), dite maladie de la vache folle, est apparue chez les bovins en Grande-Bretagne au milieu des années 1980 alors que les bovins semblaient jusqu'alors indemnes de ce type de maladie. Durant les 25 dernières années, l'épidémie de l'ESB a touché plus de 183 000 bovins et a provoqué des crises alimentaires et économiques importantes. L'alimentation à partir de farines animales mal décontaminées a été mise en cause, posant le problème de l'émergence chez les bovins d'une nouvelle maladie à prions supposée provenir de l'agent de la tremblante du mouton ou de cas rares d'ESB non détectés auparavant [4]. L'épidémie de la vache folle a été suivie par l'identification, en 1996, du nouveau variant humain de la MCJ (vMCJ) dont il a été prouvé qu'il était dû à l'agent de l'ESB [5] contracté par consommation de produits contaminés d'origine bovine. Ce nouveau variant, contrairement aux autres MCJ connues, affecte des personnes jeunes et est associé à la présence d'agrégats de PrP^Sc ayant les mêmes caractéristiques que ceux de l'ESB.

Depuis l'introduction du néologisme prion en 1982 [6] provenant de l'acronyme anglais, proteinaceous infectious particle, de nombreuses données expérimentales ont montré le rôle primordial de la protéine PrP^C dans la réplication et la transmission de l'agent infectieux. Des souris invalidées pour l'expression de la PrP^C sont insensibles à une infection par des prions. Par ailleurs, l'expression de la PrP^C dans les neurones est nécessaire à la manifestation des phénomènes de neurodégénérescences associées [7]. Originellement, le terme prion a été défini comme « une petite particule protéique infectieuse, résistante à la plupart des procédés qui détruisent les acides nucléiques ». Cette définition est toujours valable, car aucun acide nucléique spécifique n'a été trouvé associé à l'agent. L'élément central dans la pathogenèse des prions reste bien la conversion de la protéine normale PrP^C en une protéine anormale dite PrP^Sc. Contrairement à la PrP^C dont la structure secondaire est riche en hélices α, la PrP^Sc est riche en feuillets β, mais aussi, insoluble dans les détergents non ioniques, s'agrège et est partiellement résistante aux protéases. Ainsi, selon « la théorie de la protéine seule » régissant les infections à prions :

• – la PrP^Sc est la principale constituante de l'agent transmissible ;
• – la réplication de ce dernier est le résultat d'un changement conformationnel de la PrP^C.

Un tel processus de conversion peut, par ailleurs, rendre compte des différentes étiologies des maladies à prions. Il peut en effet être déclenché soit par contact avec un prion exogène (cas transmis), soit par une transconformation stochastique (cas sporadiques), soit par mutation du gène codant pour la PrP^C, ce qui conduit à l'expression d'une protéine dont la convertibilité est accrue (cas génétiques).

Hypothèse prion dite de la protéine seule : la preuve finale ?

La mise en œuvre d'une nouvelle technologie appelée PMCA : Protein Misfolding Cyclic Amplification par Saborio et al.[11] a conduit à des avancées renforçant l'hypothèse prion. La technique PMCA consiste en une succession de cycles d'incubation à 37 °C et de sonication, appliquée à un homogénat de cerveau sain contenant la PrP^C « ensemencée » par de très faibles quantités de matériel infecté. Son principe repose sur la capacité de la sonication à fragmenter des agrégats de PrP^Sc néoformés pour générer de nouveaux noyaux infectieux, aboutissant à une augmentation exponentielle de PrP^Sc par transconformation du substrat PrP^C (figure 1). Ce processus de conversion peut-être perpétué indéfiniment par dilutions sériées du produit amplifié dans de nouveaux homogénats de cerveaux sains fraîchement préparés. L'amplification considérable de PrP^Sc obtenue par la technique PMCA s'accompagne d'une augmentation des titres infectieux [12]. Cette technique a finalement permis de produire de la PrP^Sc PK-résistante et infectieuse à partir de PrP^C hautement purifiée mais en présence de facteurs tels des acides nucléiques ou des polyanions [13].

Selon le principe de propagation des prions et afin de s'affranchir de facteurs pouvant être présents dans les homogénats de cerveaux sains, il a été tenté de transconformer de la PrP recombinante (PrP_rec) purifiée vers un état fibrillaire, voire amyloïde pour en tester le pouvoir pathogène. Récemment, Atarashi et al. ont mis au point une technique, QuIC (Quaiking-Induced Conversion) dont le principe s'inspire de celui de la PMCA mais utilise l'agitation mécanique au lieu de la sonication comme moyen de fragmentation des fibrilles de PrP_rec néoconverties [14]. Dans cette étude utilisant de la PrP_rec purifiée comme substitut à la PrP^C de cerveau sain, le produit d'amplification s'est révélé peu infectieux, probablement pour des raisons liées à l'organisation structurale des fibrilles de PrP_rec ainsi générées.

D'autres équipes ont testé l'infectiosité de PrP_rec convertie en fibrilles in vitro mais sans succès avéré [15-17]. Les premiers résultats probants ont été publiés par Legname et al. [18]. Cependant, ces premières données étaient critiquables, car les auteurs avaient utilisé une protéine PrP de hamster dépourvue de sa partie N-terminale. Surtout, les tests d'infection avaient été réalisés avec des souris transgéniques qui exprimaient cette même PrP tronquée à un niveau très élevé (16 à 32 fois) en comparaison du niveau de PrP^C dans un cerveau de hamster, et ces souris avaient tendance à développer spontanément des signes neurologiques probablement dus à la surexpression de PrP tronquée. L'inoculation à des souris sauvages d'homogénats de cerveaux issus de ces souris atteintes suite à l'injection de PrP_rec transconformée a toutefois révélé la présence d'un agent prion transmissible. Ces études ont récemment été reprises et confirmées en utilisant de la protéine PrP_rec non tronquée, convertie vers un état riche en feuillets β et inoculée soit à des souris ne surexprimant que quatre fois la PrP complète [19], soit à des souris sauvages [20], soit en utilisant des hamsters et de la PrP_rec de la même espèce [21]. De plus, plusieurs souches expérimentales de prions ayant des caractéristiques pathologiques et physicochimiques nouvelles ont ainsi été isolées [19, 21-23], y compris des souches dont les PrP^Sc sont dites senPrP^Sc, car sensibles au traitement par la PK [24]. Ce dernier résultat invite à s'interroger sur la capacité des tests de diagnostic basés exclusivement sur la propriété de résistance des prions à la protéolyse à détecter tous les types de prions. Il est à souligner ici un travail récent combinant l'utilisation de PrP_rec murine, la technique PMCA et des additifs tels le phospholipide POPG (1-palmitoyl-2-oléoylphosphatidylglycérol) et des ARN tissulaires totaux [20]. Cette approche a pour la première fois produit in vitro un prion capable d'infecter des souris sauvages en induisant une mortalité précoce (150 jours), et ce, dès le premier passage. Une approche similaire a tout récemment permis de générer un prion de hamster en absence de tout cofacteur additionnel [25]. Il est à noter que dans ce cas, l'espèce formée est moins infectieuse. Ces résultats appuient très fortement l'hypothèse de la protéine seule dans les maladies à prions et mettent en lumière le rôle facilitant et/ou stabilisateur de certains cofacteurs.

Caractérisation de la particule infectieuse

Notion de souche de prions : la PrP^Sc, une protéine à géométrie variable

Des souches de prions différentes présentent des caractéristiques phénotypiques et biochimiques stables et distinctes qui sont préservées après transmission à un même hôte. Une souche de prion peut être définie par :

• – le temps d'incubation de la maladie qu'elle induit chez l'hôte ;
• – la distribution cérébrale des dépôts de PrP^Sc ainsi que les lésions neuropathologiques (spongioses, profils lésionnels) et les symptômes associés ;
• – les caractéristiques physicochimiques spécifiques à la PrP^Sc de chaque souche. Parmi les paramètres biochimiques, le profil glycotypique de la molécule PrP^Sc partiellement résistante à un traitement à la PK (PrP^res) est défini par les taux relatifs des différentes formes non, mono et biglycosylées de PrP^res et par la taille de la forme non glycosylée, déterminés par électrophorèse. Ce dernier critère est souvent utilisé pour le diagnostic et la classification des souches de prions (figure 2).

Toutefois, cette classification repose sur la spécificité des anticorps utilisés pour la détection et se révèle aujourd'hui plus compliquée. En effet, la PrP^res de type 1 a pu être détectée dans plusieurs cas humains classés auparavant comme MCJ de type 2 ou comme vMCJ [28]. Cela a été mis en évidence grâce au développement de nouveaux anticorps de haute affinité pour la région N-terminale riche en octapeptides répétés de la PrP, qui reconnaissent la PrP^res de type 1 mais pas celle de type 2 [28, 29]. Cette complexité est aussi révélée par l'analyse du taux d'accumulation d'un fragment produit par protéolyse endogène de la PrP^Sc, le fragment C2 qui varie en fonction des systèmes cellulaires ou des tissus infectés [29]. Le taux de fragment C2 par rapport à la PrP^Sc non clivée pourrait alors, pour une souche et dans un tissu donné, refléter des propriétés liées au tropisme cellulaire et avoir des conséquences sur la signature biochimique de la souche.

Les modèles transgéniques murins ont été largement utilisés pour analyser le phénomène de souches de prions [30]. Des souris génétiquement modifiées afin d'exprimer uniquement la protéine PrP^C d'origine humaine, ovine ou bovine sont capables de propager des souches de prions issues de ces mêmes espèces et dont les caractéristiques sont généralement préservées. Des modèles de souris transgéniques ont par exemple permis de définir deux à trois groupes de MCJ humaines [5, 31] et ont montré que le nouveau variant de la MCJ en était distinct mais présentait des similitudes avec l'agent de l'ESB (figure 2), prouvant ainsi que la souche de prion bovin avait, par franchissement de la barrière d'espèce, provoqué l'émergence du nouveau variant humain de la MCJ. Concernant les souches de tremblante adaptées à la souris, alors que l'on pensait qu'il existait une vingtaine de souches différentes [32], il semble que leur nombre en soit plus limité et qu'au maximum cinq profils majeurs de souches puissent rendre compte d'une grande part de la diversité des phénotypes observés en conditions naturelles [33].

Il est à noter que de nouvelles souches de prions continuent à être découvertes [4], à l'image de la souche Nor98, responsable d'une forme atypique de tremblante décrite pour la première fois en 1998 chez les ovins, en Norvège et des deux souches de prions découvertes récemment chez les bovins. Ce sont les programmes de surveillance active mis en place pour les ruminants depuis 2001 qui ont dévoilé la présence, dans de nombreux troupeaux de moutons, d'une souche de tremblante dont le profil biochimique est atypique comparé à celui des souches classiques de tremblante. De façon inattendue, cette nouvelle souche, qui s'est révélée être identique à Nor98, touche les moutons réputés réfractaires aux souches classiques de tremblante et ayant le génotype ARR/ARR en relation avec le polymorphisme de la PrP^C de mouton [34]. À la lumière de ces données, il est légitime de se poser la question de la pertinence du programme de sélection génétique des moutons de génotype ARR visant à éradiquer la tremblante. Par ailleurs, à côté de la souche de l'ESB longtemps considérée comme unique, les deux nouvelles souches de prions bovins ont été identifiées récemment au Japon et en Italie, puis en France et aux États-Unis. Contrairement à l'ESB, leur fréquence d'apparition est faible (0,35 à 0,41 cas par million de vaches) avec seulement 36 cas de bovins dénombrés depuis 2002, et elles touchent des animaux âgés (9 à 13 ans). Ces informations suggèrent l'existence de formes sporadiques de prions bovins passées inaperçues [35].

L'hypothèse qui se dessine pour expliquer le phénomène de souche repose essentiellement sur l'implication d'une variabilité conformationnelle de la structure tertiaire de la molécule de PrP^Sc et/ou de celle de l'organisation des oligomères (structure quaternaire) qu'elle constitue [19], comme illustré plus bas et dans la figure 3. La notion de souche de prions peut être résumée selon le cheminement : une protéine, plusieurs conformations, plusieurs souches, différentes pathologies. Si tel est le cas, la PrP^Sc peut être qualifiée de protéine à géométrie variable. Les mécanismes moléculaires sous-tendant cette variabilité structurale ne sont pas encore compris, de même que les relations physiologiques entre les conformations différentes, le profil glycotypique, la distribution spatiale de la PrP^Sc dans les différentes régions du cerveau et les mécanismes de neurodégénéresence. Un degré supplémentaire de complexité est atteint avec la mise en évidence de différentes formes de prions [28] et de la possible coexistence de souches associées à une maladie à prions donnée [33, 36].

Particule infectieuse : une question de taille

• – la PrP^Sc est très enrichie en feuillets β ;
• – elle est organisée en fibrilles, en agrégats ou en structures amyloïdes [37].

Depuis la constatation que la taille de l'agent pathogène des prions, déduite des premiers travaux d'inactivation par les rayonnements ionisants [38], était plus petite que celle des virus connus à l'époque, peu de données ont été rapportées sur la taille de la particule infectieuse. Notamment, la question de l'état d'oligomérisation de la sous-population de PrP^Sc portant le pouvoir infectieux le plus élevé reste posée. Des résultats récents obtenus par filtration proposent une taille de l'agent infectieux comprise entre 15 et 35 nm selon les souches étudiées [39]. Des analyses par AFFF (Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation) et par dispersion de la lumière multiangle ont montré que la particule la plus infectieuse de PrP^res pour la souche 263K de hamster était de forme sphérique et/ou elliptique, avec un diamètre compris entre 17 à 27 nm pour une masse moléculaire variant de 300 à 600 kDa. Pour une particule infectieuse exclusivement constituée de PrP, l'oligomère correspondant contiendrait 14 à 28 molécules. La définition de « particule la plus infectieuse » en termes d'efficacité de conversion ou en termes de pathogénicité reste à préciser. Quelques éléments expérimentaux soulignent toutefois un pouvoir de conversion plus élevé in vitro des petits oligomères plutôt que des gros agrégats de PrP^res [40]. Il est légitime de penser que l'unité la plus infectieuse puisse avoir une taille compatible avec une activité cytotoxique, comme par exemple des protofibrilles qui peuvent former des pores membranaires affectant l'intégrité cellulaire [41].

Le lien entre la résistance à la protéolyse de la PrP^Sc et l'infectiosité est une question assez récurrente dans le domaine des prions. Des exemples de découplage entre ces deux propriétés ont été décrits sans que pour autant l'entité infectieuse sensible à la PK (senPrP^Sc) ait pu être clairement caractérisée [42, 43]. Dans la plupart des cas, la senPrP^Sc est associée à des particules dont l'état d'agrégation est moindre que celui d'agrégats de PrP^Sc résistants au traitement à la PK [44, 45]. L'utilisation d'une autre protéase, la thermolysine, capable de digérer la PrP^C mais non la PrP^Sc, a montré l'importance quantitative de la senPrP^Sc dans plusieurs modèles expérimentaux ou d'infection naturelle [29, 46, 47].

Tout récemment, une étude comparative des propriétés physicochimiques de la PrP^Sc de diverses souches de prions produites dans des modèles de souris transgéniques définis a été réalisée à partir de fractions obtenues par sédimentation en gradient de vélocité. Le potentiel infectieux associé aux différents états d'agrégation de PrP^Sc a été évalué [48]. Alors que le profil de sédimentation de la PrP^res varie selon les souches de prions, cette étude a montré que le profil correspondant aux particules les plus infectieuses n'est pas systématiquement superposable à celui du pic de sédimentation contenant la majorité de PrP^res. Ainsi, dans le cas des souches dites rapides qui présentent un temps court d'incubation de la maladie, l'infectiosité est associée aux fractions de faible coefficient de sédimentation correspondant à une taille estimée à 150 kDa et contenant peu de PrP^res [48, 49]. Pour ces souches, on peut envisager que l'essentiel de l'infectiosité soit porté par une faible proportion de particules de PrP^Sc résistante à la PK, par une sous-population de PrP^Sc sensible aux traitements protéolytiques ou par des particules de PrP^Sc associées à d'autres composantes cellulaires tels des lipides ou des lipoprotéines de faible densité [48].

La stabilité des fibres de PrP^Sc en relation avec leur pouvoir infectieux est une notion importante à considérer dans les maladies à prions et a été étudiée dans un modèle de prions synthétiques [23]. La stabilité des oligomères de prions aurait en effet des conséquences sur leur capacité à être fragmentés in vivo, propriété nécessaire mais non suffisante pour la transmission de l'agent : les plus susceptibles à la fragmentation pourraient s'amplifier et se propager aisément et, par conséquent, être plus efficacement transmissibles [50].

Prions de levure et validation du concept prion

Le fait que le concept prion ait donné son nom à la protéine responsable d'EST entraîne une ambiguïté de terminologie. Lorsqu'il s'agit de prions de levure, les protéines impliquées ne présentent pas d'homologie de séquence avec la protéine PrP^C de mammifère. On se réfère dans ce cas au concept prion en tant que phénomène de transmission d'information portée par une structure particulière d'une protéine. De nombreuses revues font le point sur les prions de champignons [52-55], et il ne sera abordé ici que les éléments appuyant le concept prion.

Transmission épigénétique de caractères chez les champignons

• – il est possible de transférer des agrégats protéiques purifiés à des cellules normales de levure et de leur transmettre le nouveau phénotype ;
• – la propagation après transmission ne peut se faire que si la levure exprime la protéine endogène correspondante ;
• – des agents dénaturant les protéines (chlorure de guanidium) empêchent la reformation d'agrégats de prions et restaurent le phénotype de départ.

C'est ainsi que l'hypothèse prion d'une transmission de caractères par l'intermédiaire d'une protéine seule a trouvé une validation chez la levure. Il est à noter que l'expression de la protéine Sup35 de levure et la propagation de ses caractéristiques prion ont été obtenues expérimentalement en cellules de mammifères [58, 59], suggérant l'existence de mécanismes communs, de la levure à l'homme, pour ces processus de transmission d'informations via des structures protéiques.

Le phénomène prion observé chez la levure a également apporté des éléments de réponse à la question des souches de prions. En effet, différentes structures d'agrégats amyloïdes associées à des phénotypes différents ont pu être décrites [27, 52, 60]. Notamment, il a été établi que la protéine Sup35 pouvait s'agréger in vitro selon au moins deux « conformations » (différents types de fibres amyloïdes). Une fois introduits dans la levure, ces agrégats conduisent à des degrés variables de manifestation de phénotypes [PSI+]. Ces souches de [PSI+] sont alors caractérisées par la couleur des levures qui dépend du degré d'inactivation de la protéine prion Sup35. Les études chez la levure appuient donc tous les aspects du concept prion en montrant que des conformations protéiques différentes (phénomène de souches) peuvent moduler certaines activités, être amplifiées (réplication), être transmises à des cellules filles (propagation) ainsi qu'expérimentalement à d'autres cellules (infection).

Un autre exemple bien étudié de transmission épigénétique de caractère concerne l'induction d'une mort cellulaire chez le champignon filamenteux Podospora anserina, via l'agrégation de la protéine HET-s impliquée dans un processus d'incompatibilité entre les éléments formant l'hétérocaryon après fusion de deux mycéliums de génotypes Het-s et Het-S [61, 62].

Analogies conformationnelles et « domaines prion » interchangeables

Des prédictions de séquences indiquent que des protéines de diverses espèces présentent des caractéristiques les rendant aptes à exister sous différentes formes. Des domaines putatifs prion ont été trouvés sur 1 à 3 % de protéines de S. cerevisiae, de C. elegans, de D. melanogaster et sur un nombre important de protéines d’Arabidopsis thaliana mais aussi humaines [55]. Des travaux très récents d'analyse de séquences et d'interversion de domaines protéiques ont conduit à l'identification et à la validation de protéines à caractère amyloïdogénique chez la levure, suggérant que le phénomène prion est répandu chez les eucaryotes inférieurs [64]. À l'appui de cette hypothèse, une équipe vient de démontrer l'existence d'une septième protéine prion, le régulateur de transcription Sfp1 responsable du déterminant non mendélien [ISP+] chez S. cerevisiae [65].

Phénomène prion en biologie : un concept plus général

D'autres maladies transmises par des agents protéiques ?

Amyloïdoses neurodégénératives

Dans cette même optique, des modèles cellulaires montrent clairement qu'un processus de propagation de type prion conduit à l'accumulation d'agrégats intracellulaires de polypeptides à polyglutamine tels ceux impliqués dans certaines maladies neurodégénératives (maladie de Huntington). Ces agrégats sont transmis de façon cytoplasmique lors des divisions cellulaires de sorte que leur phénotype persiste [71].

Pourquoi les maladies à prions seraient-elles les seules maladies humaines neurodégénératives infectieuses ? Le fait que la protéine PrP soit conservée chez les mammifères et sa nature membranaire ancrée à la face externe de la surface cellulaire par une structure lipidique, le glycosylphosphatidylinositol (GPI), représentent sans doute des éléments favorables à leur propagation. En effet, alors que des cellules en culture exprimant une PrP dépourvue d'ancre GPI n'accumulent pas de PrP^res et ne sont pas infectieuses [72], l'expression membranaire de Sup35p de levure par addition d'une ancre GPI permet sa transmission intercellulaire en cellules de mammifères [59]. Ces éléments, ajoutés à ceux de modèles de souris transgéniques qui révèlent « l'infectiosité » d'agrégats d'Aβ42, conduisent à se poser la question du risque possible de transmission d'amyloïdoses neurodégénératives, autres que les maladies à prions (tableau 1).

Tableau 1 Exemples d'amyloïdoses associées à des maladies.

Amyloïdoses systémiques

Les amyloïdoses de type SAA résultent de l'agrégation et du dépôt dans différents tissus d'un fragment dérivé d'une protéine sérique amyloïde A. Elles sont décrites également chez certains rongeurs et oiseaux aquatiques sans que l'étiologie en soit connue. Un modèle expérimental de ce type d'amyloïdose a été développé dès les années 1980 chez la souris où l'expression de la SAA est induite en deux à trois semaines par un stimulus inflammatoire. Ces modèles ont révélé la possibilité de transmission expérimentale d'amyloïdoses systémiques sériques par un mécanisme de type prion [75]. L'inoculation à ces souris d'extraits de rates de souris atteintes contenant des plaques amyloïdes accélère le processus pathologique par le biais des fibres amyloïdes elles-mêmes. On retrouve ici le mécanisme d'amplification de l'agrégation par le phénomène de nucléation-polymérisation observé dans les maladies à prions, agrégation qui peut être transférée en série et est détruite par des agents dénaturant les protéines. En effet, les fibres amyloïdes de SAA constituent le facteur facilitant qui ne peut à lui seul provoquer la maladie. Le processus inflammatoire est nécessaire pour induire la production d'une quantité importante de protéine SAA qui pourra alors être convertie. Un modèle de souris développant spontanément une maladie inflammatoire entraînant la synthèse de protéine SAA a été utilisé afin d'évaluer l'effet facilitateur sur la formation de dépôts amyloïdes SAA de certaines structures fibrillaires, notamment de peptides synthétiques produits en nanotechnologie en vue d'applications dans les domaines de l'alimentation, de l'environnement ou de la santé [76]. Bien qu'aucun élément épidémiologique ne soit disponible à ce stade, ces études sont importantes pour comprendre l'impact que certains facteurs provenant d'activités humaines pourraient avoir sur le développement de pathologies chez des personnes sensibles, car présentant préalablement des symptômes inflammatoires. Dans ce contexte, il est à mentionner que des phénomènes inflammatoires (mammites, néphrites) pourraient participer à la dissémination de l'agent de la tremblante du mouton [77].

Une amyloïdose naturelle dite sénile provoque des polyneuropathies chez l'homme. Elle s'accompagne au cours du vieillissement de l'accumulation de fibres amyloïdes constituées d'apolipoprotéines AII (A-ApoAII). L'injection de fibres d'A-ApoAII induit une amyloïdose systémique sévère chez la souris. Cette pathologie est transmissible par voie orale, et l'on retrouve dans l'intestin des plaques amyloïdes qui se propagent ensuite à d'autres organes. La transmission naturelle de ces structures amyloïdes se produit chez de jeunes souris élevées dans la même cage qu'une souris âgée présentant la pathologie. La transmission se fait alors par ingestion via les fèces. Un phénomène de souche a été décrit pour cette amyloïdose qui existe sous trois formes, A-ApoAII A, B et C [78].

Chez l'homme plus de 20 protéines différentes sont trouvées sous forme d'agrégats fibrillaires dans divers tissus comme par exemple dans le cas d'amyloïdoses à transthyrétine [79] ou de l'amyloïdose familiale finlandaise caractérisée par des agrégats constitués de fragments dérivés de la gelsoline [80]. Il n'est pas exclu que certaines amyloïdoses systémiques prouvées expérimentalement infectieuses « à la manière des prions » puissent, dans des situations particulières, s'avérer transmissibles.

Des « prions » pas toujours pathologiques

De nombreuses protéines peuvent établir des interactions intermoléculaires via la formation de feuillets β prompts à se structurer en fibres [74]. Il s'agit d'une propriété intrinsèque à de nombreux polypeptides. Par ailleurs, les mécanismes de nucléation-polymérisation sont utilisés pour la formation de filaments stables assurant un rôle structural et/ou dynamique dans la cellule. Toutefois, à la différence de filaments de type actine, les fibres amyloïdes présentent des structures particulières (cross-β) pour lesquelles l'empilement de feuillets β provenant de différents monomères se fait perpendiculairement à l'axe du filament. Ces structures réagissent à des colorants tels le rouge congo et la thioflavine.

Ces structures amyloïdes ne sont pas toujours associées à des pathologies mais existent dans la nature où elles ont été conservées au cours de l'évolution pour assurer des fonctions particulières. Ces structures sont beaucoup plus stables que les monomères globulaires qui les constituent. Certains auteurs parlent de structures plus solides que le métal. Elles possèdent, par ailleurs, une certaine plasticité leur permettant de s'adapter aux conditions du milieu [81]. C'est le cas de la curline et d'autres constituants des biofilms bactériens [82], de l'hydrophobine d'enveloppe de champignons qui résiste à l'eau et aussi de la fibroïne de soie et de la spidroïne de toiles d'araignées [83]. On peut aussi citer le chorion des coquilles d'œufs de poissons et d'insectes et la nicorine, une toxine bactérienne formant des canaux ioniques par agrégation. Comme nous le verrons, des structures amyloïdes fonctionnelles existent aussi chez les mammifères (tableau 2).

Ainsi, la formation de fibrilles amyloïdes de différents types trouvées dans de nombreux organismes procède du même mécanisme de nucléation-polymérisation que celui utilisé par les prions. On parle de phénomène prion, car le critère de transmission n'est pas forcément démontré.

Phénomène prion et évolution chez la levure

Phénomène prion et mémoire chez l'aplysie

Phénomène prion en cellules de mammifères

Différents exemples ont été récemment donnés de phénomène prion associé à des fonctions cellulaires. En cas de stress, la protéine TIA-1 qui se lie aux ARN messagers provoque un arrêt général de traduction. Un domaine de type prion a été mis en évidence sur cette protéine. Lorsque les conditions environnementales sont délétères, TIA-1 s'agrège, servant de base à la formation de granules de stress dans le cytosol de cellules de mammifère en culture. Comme pour ApCPEB, les caractéristiques prion de cette protéine ont été démontrées chez la levure de même que le caractère modulable du domaine prion de TIA-1 [88].

Un autre exemple concerne la mise en évidence de différentes structures de la mélanine dont une forme agrégée est stockée dans des granules de sécrétion spécialisées, les mélanosomes. Les polymères de mélanine ont un rôle fonctionnel dans les mélanocytes, mais sont également importants au cours de phénomènes pathologiques par protection contre les effets toxiques de formes oligomériques intermédiaires de mélanine non agrégées [89, 90].

Enfin, des travaux récents réalisés sur différents types cellulaires et confirmés chez l'animal ont montré que certaines hormones neuroendocrines formaient des fibres amyloïdes pour leur stockage dans des granules de sécrétion. La sécrétion de ces hormones sous forme de monomères solubles nécessite à nouveau un changement de conformation [91].

Phénomène prion chez les virus et chez les plantes ?

Conclusion

Alors que les structures amyloïdes ont longtemps été considérées comme associées uniquement à des processus pathologiques chez les mammifères (amyloïdoses neurodégénératives et systémiques), le rôle important de ces organisations supramoléculaires dans des phénomènes biologiques est maintenant bien admis. Une protéine, en adoptant différentes conformations pouvant chacune être porteuse d'information différente, pourrait favoriser des processus d'adaptation conférant un avantage évolutif et un niveau de complexité supplémentaire au vivant. Ce nouveau concept souligne les limites du paradigme du tout génétique qui place le gène au cœur de tout processus biologique.

Remerciements

Conflits d'intérêts : aucuns.

Références

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4 Laude H, Beringue V. Nouvelles formes de maladies a prions chez les ruminants. Pathol Biol (Paris) 2009 ; 57 : 117-26.

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