Les maladies à expansion de triplets

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Des maladies aux gènes

Ces maladies peuvent être classées en deux groupes selon le degré d'instabilité de l'expansion de triplets et la position de ce triplet dans le gène. Parmi les treize gènes responsables identifiés à ce jour (tableau 1), huit concernent l'expansion d'un triplet CAG. Ils sont responsables de maladies neurodégénératives héréditaires (groupe I), de transmission autosomale dominante pour sept d'entre elles [3, 7].

Dans ces huit maladies, le degré d'instabilité reste modéré, et la séquence répétée se situe toujours dans la région codante du gène muté, produisant ainsi une protéine cible enrichie en glutamines. Il s'agit de maladies neurodégénératives à pénétrance complète caractérisées chacune par l'atteinte sélective de populations neuronales diverses. Parmi ces maladies, l'amyotrophie spino-bulbaire ou maladie de Kennedy, récessive liée à l'X, débute progressivement chez l'homme entre 30 et 40 ans. D'évolution lente, elle associe une faiblesse musculaire proximale avec perte fréquente de la sensibilité vibratoire des extrémités, des crampes, et parfois une gynécomastie avec hypofertilité témoins d'un tableau de féminisation modéré. La maladie de Huntington débute vers l'âge de 40 ans par une chorée, des troubles cognitifs et psychiatriques et évolue vers la démence. Des formes à début précoce peuvent se manifester, associées à une rigidité. L'atrophie dentatorubro-pallidoluysienne, exceptionnelle en Europe, mais un peu plus fréquente au Japon, associe ataxie, chorée et démence et peut fréquemment être confondue avec la chorée de Huntington. Chez l'adulte jeune, s'associe souvent des myoclonies et une épilepsie. Les ataxies spinocérébelleuses autosomales dominantes sont des maladies d'expression clinique variée se manifestant selon les cas par une ataxie cérébelleuse progressive débutant généralement entre 20 et 40 ans, associée ou non à une ophtalmoplégie, une atrophie optique, des signes extrapyramidaux, voire une dégénérescence rétinienne. Six gènes responsables de différentes formes de ces ataxies ont été identifiés et dénommés, selon leur localisation chromosomique : SCA1, SCA2, SCA3, SCA6, SCA7 et tout récemment SCA8 [8, 9]. Ce dernier locus se distingue des autres par la présence d'un triplet CTG répété, donnant des expansions de grande taille.

Les maladies dues à l'expansion d'un triplet différent du CAG (CGG, CCG, CTG, GAA) sont classées dans le deuxième groupe (groupe II) [10-12]. L'expansion siège dans la région non codante du gène affecté et son degré d'instabilité est élevé. L'expression clinique de ces maladies affecte le système nerveux et musculaire mais peut aussi toucher de nombreux organes donnant un tableau d'atteinte multisystémique. Le syndrome de l'X fragile représente l'une des formes les plus fréquentes de retard mental chez les hommes. Associant retard mental, dysmorphie faciale et macro-orchidie ; il est lié à l'existence de deux loci différents. L'un (FRAXA), le plus fréquent, caractérisé par une expansion instable d'un triplet CGG et l'autre (FRAXE), plus rarement en cause, associé à une expansion CCG d'expression clinique moins sévère. La dystrophie myotonique de Steinert, de transmission autosomale dominante est liée à l'expansion très instable d'un triplet CTG. C'est une affection d'expression clinique très variable, associant myotonie, hypotonie, faiblesse musculaire progressive, cataracte, retard mental avec parfois troubles du rythme cardiaque et diabète. Enfin, à ce groupe appartient l'ataxie de Friedreich, maladie neurodégénérative autosomale récessive, d'un âge de début inférieur à 25 ans et associant ataxie, dysarthie, signes pyramidaux et perte des réflexes. Une cardiomyopathie et parfois un diabète peuvent être observés. Elle est caractérisée par l'expansion instable d'un triplet GAA. L'ensemble des caractéristiques génétiques de ces maladies est résumée dans le tableau 2.

La caractéristique commune de toutes ces maladies est la présence d'expansions de triplets et l'instabilité de ces séquences. Chez les individus sains, le nombre de répétitions de triplets est polymorphe, mais peu élevé et stable dans la descendance. L'instabilité se manifeste au-delà d'un seuil (de l'ordre de 40 répétitions) au-delà duquel le nombre de répétitions augmente lors de la transmission à la descendance, parfois jusqu'à plusieurs milliers (allèle muté dit expansé). Cette instabilité le plus souvent croissante lors de la transmission de la mutation à la génération suivante explique le phénomène d'anticipation qui se traduit par une sévérité plus marquée et l'apparition plus précoce des signes de la maladie dans la descendance. Par ailleurs, une instabilité somatique est parfois observée entraînant une variation du nombre de répétitions d'une cellule ou d'un tissu à un autre. Enfin, signalons l'existence d'un biais de transmission, le plus souvent paternel, observé notamment dans les maladies du premier groupe.

Du gène au diagnostic

La découverte des gènes responsables a permis le développement du diagnostic moléculaire. La mesure du nombre de répétitions CAG peut aisément être réalisée après amplification par PCR du gène en cause suivie d'une détection des fragments amplifiés par électrophorèse en acrylamide-urée [13]. Dans les pathologies du groupe II, le recours à des techniques de southern-blot ou de PCR longue est nécessaire pour la mesure de la taille de l'expansion [14].

Dans la plupart de ces maladies a été observée une corrélation inverse entre la taille de l'expansion et l'âge de début des symptômes. Le nombre de répétitions de l'allèle muté est un élément majeur qui explique 30 à 70 % de la variance de l'âge de début des symptômes. Cependant, il existe des variations individuelles liées à d'autres facteurs, probablement génétiques ou environnementaux inconnus. Ainsi, chez un individu à risque, porteur de la mutation, une prédiction de l'âge d'apparition de la maladie à partir du nombre de répétitions ne peut être évaluée de façon précise. L'intérêt du diagnostic moléculaire utilisant des tests génétiques fiables dans ces pathologies neurodégénératives monogéniques à pénétrance complète s'est pourtant révélé rapidement très utile pour le neurologue [15]. Tout d'abord sur le plan du diagnostic positif, puisque le diagnostic moléculaire assure une certitude dans des formes cliniques d'expression inhabituelle. Le test génétique apporte aussi toute sa contribution dans des pathologies d'expression clinique voisine qui peuvent être confondues sur le plan clinique, comme les différentes formes de chorées ou la chorée de Huntington et la DRPLA. L'hétérogénéité clinique des différentes ataxies héréditaires a aussi pu largement bénéficier de la découverte et de l'application au diagnostic des six différents gènes responsables de ces ataxies autosomales dominantes, qui a modifié incontestablement la classification nosologique de ces affections [7]. Le diagnostic des formes apparemment sporadiques de ces maladies profite également de l'intérêt du diagnostic moléculaire dans les cas isolés, où dans les cas où l'histoire familiale reste confuse.

Enfin, l'analyse moléculaire représente une aide précieuse à la prise en charge du conseil génétique dans les familles à risque et, dans certaines conditions, du diagnostic prédictif par une équipe multidisciplinaire.

Du gène à la physiopathologie

Les mécanismes physiopathologiques de ces différentes maladies dépendent tout d'abord de l'expression cellulaire et de la fonction du produit des différents gènes impliqués. Dans les pathologies du groupe II, les mécanismes impliqués, complexes, sont propres à chaque pathologie et liés principalement à une perte de fonction [2, 16]. Dans les pathologies du groupe I, en revanche, semble actuellement se dégager une hypothèse pathogénique commune. Depuis la découverte des gènes impliqués dans ces maladies, les données de neuropathologie humaine puis les recherches menées à partir de souris transgéniques ou de modèles cellulaires issus de transfections ont suggéré que la mutation agissait surtout par un gain de fonction [16]. Différents arguments plaident en faveur d'un tel mécanisme : 1) les cas humains de délétion du gène HD ou du gène du récepteur des androgènes n'entraînent pas de phénotype neurodégénératif ; 2) les rares malades HD homozygotes ne développent pas une symptomatologie plus grave que les hétérozygotes ; 3) les taux comparés d'expression de l'huntingtine normale et de l'huntingtine mutée sont identiques in vivo ; 4) différents arguments obtenus à partir de souris transgéniques : ainsi des animaux invalidés d'un des deux allèles du gène dans des modèles HD ou SCA1 ne développent pas de neurodégénérescence sélective. Même si la fonction normale des protéines en cause dans ces pathologies reste encore inconnue, l'interprétation des résultats actuels démontre que l'expansion de polyglutamine n'interfère pas avec la fonction normale de la protéine mais induit une nouvelle propriété neurotoxique. Parmi les différentes hypothèses proposées à ce jour : excitotoxicité, altération des flux membranaires d'ions calcium, stress oxydatif, formation d'agrégats protéiques et apoptose neuronale, aucune n'a été démontrée de façon définitive [2, 4, 17]. Cependant, l'observation de la formation d'inclusions intranucléaires observée à la fois en neuropathologie humaine et dans différents modèles transgéniques de ces maladies démontre l'existence d'un mécanisme pathogénique commun (figure 1). Ces inclusions observées dans les noyaux des cellules affectées par le processus de neurodégénérescence neuronale sont absentes des cellules gliales. De nature granulaire et microfibrillaire, non limitées par une membrane, elles peuvent être reconnues sélectivement par des anticorps dirigés contre la région N-terminale proche de la région riche en glutamines de ces protéines, et par des anticorps anti-ubiquitine [18, 19].

Dans les modèles animaux de ces pathologies, obtenus par transgenèse, l'apparition de ces inclusions précède les anomalies phénotypiques. Les nombreux travaux utilisant des modèles cellulaires in vitro de maladies à polyglutamine n'ont pas formellement démontré que ces inclusions déclenchaient la mort cellulaire, mais que leur apparition semblait associée à la neurodégénérescence. Le rôle de ces inclusions suggère différentes conséquences au niveau cellulaire [20]. L'étude de leur constitution démontre la présence d'agrégats contenant la région polyglutamine, ainsi que de nombreux peptides ou protéines associées (figure 2). En revanche, ces inclusions ne contiennent pas de protéine beta-amyloïde ni de composants de neurofilaments.

Parmi les molécules associées, ces agrégats séquestrent des protéines avec une forte affinité (HAP ou huntingtin associated protein, HIP1 et HIP2 ou huntingtin interacting protein de type 1 ou 2, LRNAP ou leucine rich nuclear acidic protein, et PQBP1 ou polyglutamine binding protein 1), dont la fonction physiologique normale serait ainsi inhibée ou fortement perturbée [20, 21]. D'autre part, dès 1996, les arguments obtenus par des expériences de transfection avec le gène HD ont clairement indiqué le rôle déterminant du clivage protéolytique de l'huntingtine à la fois dans la formation des agrégats et dans la translocation de ces fragments protéiques vers le noyau. La formation de ces agrégats serait favorisée par l'activation de transglutaminases cellulaires [22]. De plus, ces agrégats subissent un processus d'ubiquitination, et peuvent se lier à des complexes protéiques, composants d'analogues des protéines de choc thermique (Hsp, telles HDJ2 et HSDJ) ou du protéasome. Ces dernières observations semblent indiquer que la machinerie cellulaire utilisant l'ubiquitination et l'entrée dans le protéasome serait perturbée par la formation et la migration intranucléaire de ces agrégats provoquant un dérèglement fonctionnel de la cellule et son apoptose. Les étapes hypothétiques résumant les conséquences de ce phénomène d'agrégation sur la mort cellulaire sont schématisées dans la figure 3.

L'une des questions essentielles posées par ce schéma est de savoir si les agrégats sont eux-mêmes responsables de la dégénérescence neuronale [23]. Il est probable que la formation des inclusions intranucléaires soit un épiphénomène de la mort cellulaire. Utilisant différentes constructions de mutants de l'ataxine 1, Klement et al. [24] ont démontré que certains mutants, qui avaient perdu la capacité de former des agrégats in vitro, entraînaient cependant la mort cellulaire. D'autre part, en exprimant un mutant contenant l'huntingtine expansée associée à un mutant dominant négatif de l'UCE (ubiquitin conjugating enzyme), Saudou et al. [25] ont observé une réduction importante de la formation des inclusions avec une toxicité cellulaire accrue. Ces résultats suggèrent que la formation d'agrégats protéiques contenant la polyglutamine représenterait une stratégie de protection utilisée par la cellule pour lutter contre l'effet toxique des fragments des protéines à polyglutamine.

Parmi les hypothèses actuelles sur la physiopathologie de ces maladies, le rôle de l'apoptose semble prépondérant. En effet, l'étude de ce type de mort cellulaire déjà argumenté à partir des données neuropathologiques humaines et des observations menées à partir de modèles cellulaires ou d'animaux transgéniques, a suscité un regain d'intérêt à partir de différents travaux récents sur les caspases. L'huntingtine peut être clivée sélectivement par la caspase 3 et la formation des produits de clivage ainsi obtenue est probablement déterminante pour leur translocation intranucléaire [26]. D'autre part, l'atrophine, l'ataxine 1 et le récepteur des androgènes sont sélectivement clivés par l'action d'extraits apoptotiques ou de différentes caspases purifiées (caspases 1, 3, 7 et 8) in vitro [27]. De plus, Sanchez et al. [28] ont récemment proposé un nouveau mécanisme d'activation des caspases dans ces maladies. La région riche en glutamine interagirait soit directement, soit par l'intermédiaire d'une protéine « adaptateur » à la procaspase 8, entraînant son activation et sa translocation nucléaire, conduisant ainsi à l'apoptose neuronale. L'implication d'autres caspases a également été démontrée dans un modèle HD de souris transgénique. L'expression d'un mutant dominant négatif de la caspase 1 chez ces souris ralentit la progression de la maladie. De plus, l'administration intraventriculaire continue d'inhibiteurs de la caspase 1 réduit la mortalité des animaux en ralentissant le processus de neurodégénérescence [29].

Les questions posées par les mécanismes de la dégénérescence neuronale dans les maladies à expansion de triplets ne sont pas encore clairement élucidées [17, 22, 23]. Cependant, l'utilisation de différents modèles animaux et une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires et cellulaires des conséquences de l'accumulation de ces protéines anormales devraient permettre d'aboutir aux premiers espoirs thérapeutiques de ces maladies neurodégénératives.

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