Biologie de l’hyperthermie maligne : une maladie des canaux calciques du muscle squelettique

ARTICLE

Les syndromes d'hyperthermie maligne sont le plus souvent associés à un dysfonctionnement métabolique au niveau de la fibre musculaire. Bien qu'un épisode d'hyperthermie maligne puisse être induit chez certains individus par des facteurs déclenchants aussi différents qu'un exercice intense en atmosphère chaude (le « coup de chaleur ») ou l'administration de médicaments (le syndrome malin des neuroleptiques), le syndrome le mieux documenté et qui fera l'objet de cette revue reste l'hyperthermie maligne peranesthésique. La symptomatologie particulière, notamment une rigidité musculaire constamment retrouvée, qui domine cette maladie décrite pour la première fois par Denborough en 1960 [1], a très tôt orienté les recherches physiopathologiques vers l'étude des mécanismes de régulation de la contraction musculaire.

Physiologie de la contraction musculaire

La contraction et la relaxation musculaire mettent en jeu plusieurs compartiments cellulaires : les tubules transverses, le réticulum sarcoplasmique et le myoplasme (figure 1). Les éléments contractiles des fibres musculaires sont formés de courts segments répétés, les sarcomères, qui sont un assemblage de filaments épais composés de myosine et de filaments fins formés d'actine. La contraction résulte d'une interaction entre les molécules de myosine et d'actine tandis que la relaxation correspond au relâchement de ces interactions. Dans les muscles squelettique et cardiaque, l'interaction entre la myosine et l'actine n'est possible que lorsque le Ca²⁺ est lié à la troponine C au sein du complexe troponine-tropomyosine. L'importance de la présence ou de l'absence du Ca²⁺ au niveau des sarcomères pour la contraction ou la relaxation rend compte de l'existence de mécanismes permettant une régulation précise de la concentration du calcium dans la fibre musculaire [2]. La régulation du relâchement du Ca²⁺ intracellulaire en réponse à la dépolarisation du sarcolemme est généralement décrite sous le terme de couplage excitation-contraction. Dans le muscle squelettique, les potentiels d'action se propagent le long de la surface membranaire et pénètrent au cœur des fibres musculaires en empruntant les tubules transverses. Le signal électrique transmis aux triades, assemblages protéiques qui assurent la jonction entre les tubules transverses et les citernes terminales du réticulum, provoque ensuite le relâchement du Ca²⁺ intrasarcoplasmique qui à son tour active l'appareil contractile.

Les tubules transverses sont des invaginations du sarcolemme qui traversent les fibres musculaires avec une périodicité correspondant aux démarcations de chaque sarcomère. Le canal calcique de type L est un composant majeur de la membrane des tubules. Il est très souvent appelé récepteur aux dihydropyridines (DHPR), en raison de ses propriétés de fixation vis-à-vis de ces molécules capables de bloquer le passage du Ca²⁺ à son niveau. Le DHPR est formé de cinq sous-unités : alpha1 codée par le gène CACNL1A3 (chromosome 1q32), alpha2/delta codées par le gène CACNL2A (chromosome 7q11.21-23), beta codée par le gène CACNLB1 (chromosome 17q11.2-24) et gamma codée par le gène CACNLG (chromosome 11q11.2-24). La sous-unité alpha1 fait partie d'une famille de huit isoformes qui sont codées par des gènes différents. Le rôle essentiel de cette sous-unité dans le couplage excitation-contraction a été montré lors de travaux utilisant comme modèle des myotubes provenant de souris mutantes dysgéniques (mdg/mdg). Ces animaux qui n'expriment pas la sous-unité alpha1 présentent une contractilité effondrée [3]. La sous-unité alpha1 est formée de quatre domaines (I à IV) comportant pour chacun six segments transmembranaires (S1 à S6) (figure 2). Les segments S4 sont impliqués dans l'activation du canal en réponse à une variation de voltage membranaire. La boucle cytoplasmique reliant les domaines I-II interagit avec la sous-unité beta. Les boucles cytoplasmiques reliant les domaines II-III et III-IV sont le siège d'interactions avec le canal de relâchement du Ca²⁺ de la membrane du réticulum sarcoplasmique. Les sous-unités beta, alpha2/delta et gamma auraient un rôle régulateur de la fonction canal de la sous-unité alpha1.

Le réticulum sarcoplasmique est un système membranaire qui enveloppe les myofibrilles. Aux points de jonction avec les tubules transverses, le réticulum sarcoplasmique forme des citernes terminales. L'accolement d'un tubule transverse avec deux citernes constitue une triade. L'espace de 15 nm qui sépare les deux systèmes membranaires, tubule transverse et réticulum sarcoplasmique, est pratiquement entièrement comblé par un complexe protéique tétramérique qui fonctionne comme un canal permettant le relâchement du Ca²⁺ stocké à l'intérieur du réticulum sarcoplasmique. Ce canal est également appelé récepteur à la ryanodine (RyR) en raison de ses propriétés de liaison à cet alcaloïde végétal. La ryanodine se fixe avec une haute affinité sur le canal en position ouverte et le maintient ouvert à faible concentration mais l'inhibe à forte concentration. Les mesures d'activité de relargage du canal RyR réalisées avec des canaux reconstitués dans une bicouche lipidique plane indiquent que le relâchement du Ca²⁺ se fait avec une conductance de l'ordre de 100 pS. A l'état isolé, le canal est activé par le Ca²⁺ ou la ryanodine à des concentrations de l'ordre du µM, par les adénine-nucléotides à des concentrations de l'ordre du mM, par l'halothane, la caféine et le 4-chloro-m-crésol tandis qu'il est inhibé par le Ca²⁺, le Mg²⁺ ou la ryanodine à fortes concentrations, la calmoduline, le rouge de ruthénium, les anesthésiques locaux et la spermine [4]. Sur la base d'expériences d'inhibition de l'activité canal réalisées à l'aide d'anticorps reconnaissant des épitopes spécifiques, un site de haute affinité pour le calcium a été décrit au niveau de la séquence PEPEPEPEPE localisée en position 4489-4499 de la protéine RyR1 du muscle de lapin. Par ailleurs, l'existence d'un site de faible affinité pour le Ca²⁺ a été postulée au niveau d'un domaine riche en acide glutamique dans la région 1900. La caféine, l'halothane, le 4-chloro-m-crésol ou la ryanodine ont été utilisés comme agents activateurs pour différencier les capacités de relâchement du Ca²⁺ du canal entre sujets sains et patients susceptibles de développer une hyperthermie maligne (MHS). Le récepteur RyR est un homo-tétramère formé de quatre sous-unités de 560 kDa environ. Il en existe trois isoformes connues dont les gènes proviendraient d'un ancêtre commun et présentent un taux d'homologie de 60 %. RyR1 est l'isoforme du muscle squelettique, RyR2 celle du muscle cardiaque et du cerveau tandis que RyR3 serait exprimé de façon ubiquitaire à un faible niveau. Les images obtenues en microscopie électronique laissent apparaître une structure générale d'un trèfle à quatre feuilles dont les feuilles représentent 80 % de la protéine et forment une structure remplissant l'espace qui s'étend du réticulum sarcoplasmique au sarcolemme [5]. La partie canal serait formée par l'assemblage des quatre secteurs transmembranaires constitués pour chacun d'eux de quatre passages membranaires. Plusieurs domaines d'interaction avec la triadine, la calmoduline, la protéine FKBP12, le récepteur aux dihydropyridines ont été décrits (figure 2). Chaque sous-unité du tétramère est associée avec une petite protéine : la FK-506 binding protein (FKBP12), ainsi dénommée car elle peut être dissociée par addition de l'agent immunosuppresseur FK-506. FKBP12 serait impliquée dans la coordination des quatre sous-unités pour former un canal RyR1 fonctionnel et dans le couplage entre les canaux RyR1. La triadine assurerait le lien entre RyR1 et les molécules de calséquestrine associées au Ca⁺⁺ des citernes terminales du réticulum sarcoplasmique. Le relâchement du Ca²⁺ au niveau du réticulum sarcoplasmique est modulé par la présence de calmoduline, un effecteur ubiquitaire de la signalisation calcique. Cette modulation se ferait par une phosphorylation de RyR1 et un domaine d'interaction avec la calmoduline a été décrit au niveau de la région 2800-3050. Des observations de microscopie électronique ont par ailleurs permis de visualiser quatre molécules de calmoduline à la périphérie du tétramère RyR1.

Un autre élément essentiel à l'homéostasie calcique dans le muscle est SERCA1. Cette pompe à Ca²⁺ dépendante de l'ATP est localisée dans la membrane du réticulum sarcoplasmique en dehors des zones de jonction avec les tubules. SERCA1 catalyse le transport du Ca²⁺ myoplasmique vers le lumen du réticulum sarcoplasmique afin de permettre la phase de relaxation [6]. Le maintien de l'homéostasie calcique, essentiel à la physiologie musculaire, repose sur le fonctionnement normal et coordonné de ces différentes protéines. De nombreuses observations associent un dysfonctionnement des protéines qui catalysent les mouvements calciques à un phénotype pathologique. Ainsi, le rôle pathogène d'un déficit du canal RyR ou du canal DHPR a-t-il été démontré dans l'hyperthermie maligne, dans la myopathie à « cores » centraux ou dans la paralysie périodique hypokaliémique.

L'hyperthermie maligne

L'hyperthermie maligne est une maladie pharmacogénétique (entrée n° 145600 du registre Omim des maladies héréditaires de McKuzick) dont le mode de transmission est autosomique dominant. Elle reste encore l'une des principales causes de décès dus à l'anesthésie [1]. En effet, quoique la grande majorité de la population puisse subir une anesthésie opératoire sans grand risque, l'utilisation de certains agents anesthésiques ou myorelaxants peut se révéler dangereuse chez certains individus prédisposés génétiquement. Chez les individus susceptibles, une crise d'hyperthermie maligne peut en effet survenir à la suite d'une exposition à des agents anesthésiques halogénés aussi courants que l'halothane ou l'isoflurane ou aux agents relaxants des muscles squelettiques comme la succinyl-choline.

L'hyperthermie maligne se définit communément par le développement d'un tableau hyper-métabolique en réponse à un agent déclenchant. La crise d'hyperthermie maligne fulminante est caractérisée par une élévation rapide et importante de la température, le développement d'une rigidité musculaire généralisée, avec en particulier une contracture des muscles masseters, des troubles du rythme cardiaque (tachycardie ou arythmie), par une hypercapnie et une cyanose. Le développement d'une acidose respiratoire et métabolique est un signe précoce de cette crise. Parmi les autres modifications de paramètres biologiques, on pourra retrouver une hyperkaliémie, une hyperphosphatémie et une hypocalcémie consécutives aux dommages des tissus musculaires. La rhabdomyolyse, qui est un signe majeur du syndrome d'hyperthermie maligne, est illustrée par une élévation importante du taux plasmatique de créatine kinase, avec un pic au second ou troisième jour après la crise. Une myoglobinurie et une insuffisance rénale consécutives à la rhabdomyolyse sont également couramment observées. En l'absence de traitement, l'issue de la crise est fatale dans plus de 70 % des cas. Fort heureusement, l'injection intraveineuse précoce de dantrolène de sodium permet d'inverser l'évolution de la plupart des symptômes cliniques et prévient la grande majorité des séquelles. Le dantrolène est un agent pharmacologique qui découple le mécanisme d'excitation-contraction dans le muscle squelettique sans affecter la transmission neuromusculaire ou les propriétés électriques du muscle. Il a un mode d'action difficile à expliquer car d'une part il n'a pas de récepteur et, d'autre part, ses effets varient en fonction de la température ou de la concentration. Il se fixerait sur une configuration spécifique du canal de relâchement du calcium du réticulum sarcoplasmique et activerait le relâchement du Ca²⁺ à faible concentration mais l'inhiberait à forte concentration. En France, la présence de dantrolène dans les blocs opératoires a été rendue obligatoire depuis de nombreuses années. Néanmoins, en raison de tableaux cliniques parfois trompeurs ou de crises se déclenchant tardivement en salle de réveil, on recense encore chaque année plusieurs décès par hyperthermie maligne. Comme le montre la figure 3, un dysfonctionnement de l'homéostasie calcique peut rendre compte des différents signes cliniques et biologiques rencontrés dans l'hyperthermie maligne.

L'incidence des crises d'hyperthermie maligne en Europe et en Amérique du Nord serait de 1 pour 12 000 anesthésies réalisées chez l'enfant et de 1 pour 50 000 chez l'adulte. De façon empirique, le nombre de crises d'hyperthermie maligne est ainsi estimé à 0,5 à 1 crise d'hyperthermie maligne par million de population par an. Ces chiffres sous-estiment cependant la prédisposition génétique réelle à l'hyperthermie maligne de la population car une partie des individus susceptibles à l'hyperthermie maligne ne développe une crise qu'à la deuxième, voire à la troisième exposition aux agents déclenchants [7].

Des tableaux cliniques évoquant celui des crises d'hyperthermie maligne déclenchées par une induction anesthésique ont également été décrits pour d'autres situations cliniques : crises d'hyperthermie d'effort, syndrome malin des neuroleptiques, mort soudaine du nouveau-né, sans qu'un lien physiopathologique puisse être clairement établi entre ces pathologies [8].

Dans la mesure où l'hyperthermie maligne n'est pas une menace pour les individus susceptibles dans leur vie quotidienne et qu'elle ne se traduit par aucun symptôme invalidant, un des objectifs de recherche a été de caractériser les paramètres biochimiques ou génétiques permettant d'identifier les individus sensibles avant une exposition aux anesthésiques.

Modèle animal de l'hyperthermie maligne

Certaines races de porcs (Pietrain, Land Race) sont susceptibles de développer un syndrome de stress dont la symptomatologie est très proche de celle de l'hyperthermie maligne humaine. En dépit de ce risque, ces espèces continuent cependant à être sélectionnées par les éleveurs car elles présentent un intérêt au plan économique. Le défaut génétique responsable du syndrome porcin est en effet associé chez l'animal à une viande moins grasse et à une hypertrophie musculaire. Les porcs susceptibles de développer une hyperthermie maligne présentent des altérations biochimiques voisines de celles qui sont observées dans les muscles des individus susceptibles à l'hyperthermie maligne, avec en particulier une augmentation importante du Ca²⁺ libre myoplasmique lors des crises. Chez les porcs sensibles, la crise d'hyperthermie maligne peut être induite par une exposition aux anesthésiques halogénés volatiles, mais, à la différence de l'homme, une crise peut également être déclenchée par un stress intense ou lors d'une exposition à une température élevée. Deux autres différences avec la pathologie humaine résident dans le mode de transmission qui est autosomique récessif chez l'animal et dans l'origine génétique de la maladie porcine qui semble unique [9].

Diagnostic biochimique de la susceptibilité à l'hyperthermie maligne

Mis à part une élévation de l'activité de la créatine kinase sérique observée chez certains individus susceptibles, mais trop inconstante et trop peu spécifique pour être utilisable, il n'existe aucun paramètre biologique direct susceptible de permettre l'identification des individus à risque.

L'étude de la réponse contractile in vitro de spécimens de muscles squelettiques a montré que la contraction des fibres musculaires en réponse à la caféine ou à l'halothane des individus susceptibles à l'hyperthermie maligne est augmentée par rapport aux individus non susceptibles [10]. Cette observation a été utilisée pour développer un test biologique spécifique pour identifier les individus susceptibles à l'hyperthermie maligne : le test de contracture in vitro (IVCT). L'intensité de la contraction des fibres musculaires est fonction de la concentration myoplasmique en Ca²⁺ libre. L'halothane provoque une augmentation de la concentration myoplasmique du Ca²⁺ par un effet direct sur la membrane de la fibre musculaire et sur le canal RyR1. La démonstration de l'augmentation de la contractilité dans le muscle sensible à l'hyperthermie maligne en réponse à l'halothane et à la caféine est en faveur d'un rôle primaire de l'élévation du Ca²⁺ myoplasmique dans le développement de l'hyperthermie maligne. Dans le test de contracture in vitro à l'halothane et à la caféine, une fibre musculaire, disséquée à partir d'une biopsie réalisée au niveau du muscle vaste externe et immergée dans un bain physiologique thermostaté à 37 °C, est attachée par ses extrémités à un dynamomètre. Elle est ensuite exposée à des concentrations uniques ou incrémentales de caféine ou d'halothane. Les fibres musculaires provenant d'individus susceptibles ou d'individus sains diffèrent dans leur tension et dans leur sensibilité aux deux agents pharmacologiques. Deux protocoles, l'un européen [11], l'autre nord-américain [12], ont été élaborés. Bien que basés sur le même principe, ils diffèrent néanmoins dans leur détail expérimental et dans leur interprétation. Dans le test européen, le seuil de positivité pour la force de la contraction est fixé à 0,2 g et l'exposition à l'halothane ou à la caféine se fait de manière incrémentielle. Si le seuil de positivité est obtenu pour une concentration totale en halothane inférieure à 2 % et en caféine inférieure à 2 mM, l'individu sera considéré comme susceptible (HMS). Si le seuil de positivité n'est obtenu qu'avec un seul des deux agents pour ces mêmes concentrations, l'individu sera considéré comme équivoque soit à l'halothane (HMEh), soit à la caféine (HMEc). Enfin, si le seuil de 0,2 g n'est obtenu avec aucun des deux agents aux concentrations respectives de 2 % et 2 mM, l'individu est considéré comme normal (HMN). Dans le test nord-américain, la fibre musculaire est exposée à une seule concentration de 3 % d'halothane et à des concentrations incrémentielles de caféine. Si le seuil de contraction fixé à 0,5 g est obtenu ou dépassé en présence d'halothane et une contraction de 0,2 g ou plus en présence de caféine à la concentration de 2 mM, les individus sont classés susceptibles (MHS). Si le seuil de positivité n'est atteint que pour l'un des deux agents, les individus sont néanmoins également considérés comme susceptibles (MHS). De manière identique au test précédent, les individus pour lesquels aucun des deux seuils de 0,5 et 0,2 g n'aura été obtenu seront considérés comme sains (MHN). La sensibilité de détection des protocoles nord-américain et européen est de 97 % pour le premier et de 99 % pour le second tandis que leur spécificité serait respectivement de 78 et 93,6 %. La positivité à l'un de ces deux tests est considérée comme le gold standard pour le diagnostic de susceptibilité à l'hyperthermie maligne. Ces deux tests sont malheureusement invasifs et coûteux. Par ailleurs, en raison du risque qu'il y aurait à établir un faux diagnostic négatif, leur sensibilité peut donner lieu à des faux diagnostics de positivité. Dans le but d'améliorer l'efficacité du test de contracture in vitro, et en particulier de répondre au problème posé par les patients HME, de nouveaux agents déclenchants tels que la ryanodine ou le 4-chloro-m-crésol sont étudiés [13, 14].

En raison du caractère agressif de la biopsie, une alternative a été recherchée pour identifier spécifiquement au plan biochimique les sujets susceptibles à l'hyperthermie maligne. Plusieurs études basées sur l'analyse des composés phosphorylés par RMN du phosphore ont montré qu'il existait des variations métaboliques observables par cette technique entre sujets sains et sujets susceptibles [15]. À ce jour cependant, cette approche méthodologique n'a pas atteint un degré de spécificité et une sensibilité suffisants pour être une alternative fiable au test de contracture in vitro.

Bases génétiques de l'hyperthermie maligne

Les données biochimiques obtenues à partir des études réalisées sur le modèle porcin ont montré que le déficit fonctionnel se situait au niveau d'un canal calcique du réticulum sarcoplasmique : le récepteur à la ryanodine (RyR1) [16]. La comparaison des séquences codantes du gène RyR1 de porcs susceptibles à l'hyperthermie maligne (race Pietrain) et de porcs normaux (race Yorkshire) révéla une seule différence : la substitution d'une thymine par une cytosine en position 1843. Cette mutation se traduit par le remplacement d'un résidu arginyl en position 615 de la protéine RyR1 par un résidu cystéinyl [9]. Le fait que cette mutation soit la seule qui ait été identifiée chez les cinq races de porcs susceptibles à l'hyperthermie maligne étudiées suggère indiscutablement un effet fondateur unique. Chez le porc, le gène RyR1 est localisé au niveau du locus glucose phosphate isomérase (GPI) sur le chromosome 6. Ce locus est un locus synthénique retrouvé chez de nombreuses espèces. Cette caractéristique orienta les premières études de liaison concernant la susceptibilité à l'hyperthermie maligne chez l'homme vers le chromosome 19 où était localisé l'équivalent humain du locus GPI. L'analyse génétique d'une très grande famille irlandaise a permis de localiser le locus MHS1 en 19q12-13.2 [17]. Simultanément, le gène du récepteur à la ryanodine du muscle squelettique RyR1 était assigné à la même région et associé au trait MHS dans plusieurs familles canadiennes [18]. Il fut proposé comme gène candidat et une mutation équivalente à la mutation porcine fut rapidement identifiée dans une famille MHS [19]. Sur la base d'études de liaison génétique et de recherche de mutations dans ce gène, il apparut cependant rapidement que l'hyperthermie maligne était caractérisée par une importante hétérogénéité génétique [20] et que, dans les familles où le trait pathologique MHS était associé au gène RyR1, il existait de nombreuses mutations alléliques (tableau 1). Un élément supplémentaire de complexité au plan génétique apparut lorsque des mutations dans le gène RyR1 furent associées à une myopathie congénitale vacuolaire communément appelée central core disease ou CCD. Cette maladie est caractérisée au plan clinique par une symptomatologie de type myopathie des muscles proximaux et au plan histologique par la présence de vacuoles ou « cores » localisées au centre des fibres musculaires. L'hyperthermie maligne et le CCD sont considérées comme deux maladies alléliques distinctes [8, 21, 22].

Le gène RyR1, complexe, s'étend sur environ 750 kpb. Il comporte 106 exons qui sont transcrits sous la forme d'un ARNm de 15 364 nucléotides. La transcription a pratiquement lieu uniquement au niveau du muscle squelettique. Les mutations MHS du gène RyR1 identifiées à ce jour sont essentiellement concentrées dans deux régions : dans la partie N-terminale de la protéine, entre les acides aminés 35 et 614, et dans une région centrale, entre les acides aminés 3163 et 2458. Cette localisation préférentielle a alimenté un certain nombre de spéculations concernant le rôle spécifique de ces régions. En effet, d'une part, pour produire un phénotype MHS, une mutation doit augmenter la probabilité d'ouverture du canal calcium en réponse à des agonistes ; d'autre part, les protomères RyR1 mutés doivent toujours s'assembler pour former des tétramères fonctionnels. Par conséquent, des mutations localisées dans la partie canal sont peu vraisemblables car le canal fonctionne tout à fait normalement en l'absence d'agoniste. Il est donc vraisemblable que les mutations vont affecter des domaines de la protéine qui seront impliqués dans la régulation de l'activité d'ouverture du canal. Ainsi la région centrale au niveau de laquelle sont retrouvées de nombreuses mutations MHS correspond-elle à la région où serait localisé le domaine d'interaction avec la protéine régulatrice FKBP12.

Bien que réduites, les études de corrélation entre génotype et phénotype ont montré qu'il existait des expressions phénotypiques variées selon la nature de la mutation. Le phénotype le plus sévère est retrouvé avec les mutations du gène RyR1 associées au CCD. On retrouve, chez les patients concernés, une hypotonie marquée et une faiblesse musculaire progressive. De manière intéressante, une mutation située dans la partie C terminale de RyR1, I4898T, a été récemment décrite dans une grande famille mexicaine comme associée à un phénotype CCD d'expression clinique sévère [23]. Cette observation suggère que la partie C terminale de RyR1 jouerait un rôle important pour les mouvements de calcium. À l'opposé, aucun signe clinique significatif hors le risque de crise en présence d'agents déclenchants n'est retouvé chez les patients portant les mutations C35R et R614C. La pratique généralisée du test de contracture chez les deux parents des patients MHS et l'extension des études a permis d'identifier un nombre significatif de patients homozygotes pour le trait MHS. De manière surprenante, ces patients ne diffèrent, ni au plan de la symptomatologie, ni au plan de leur réponse au test de contracture, des patients hétérozygotes pour les mêmes mutations. Un autre fait intéressant est le nombre de familles chez lesquelles deux mutations différentes ont pu être identifiées. Ces deux observations laissent à penser que la fréquence des mutations affectant le gène RyR1 dans la population générale est vraisemblablement sous-estimée en raison d'une pénétrance incomplète du trait MHS.

Afin d'évaluer leur caractère pathogène, 15 mutations MHS du gène RyR1 ont été introduites dans l'ADNc du gène RyR1 de lapin et exprimées dans des cellules HEK-293. Les mesures des cinétiques de relâchement du Ca²⁺ intracellulaire en réponse à la caféine ou à l'halothane ont été réalisées dans les cellules exprimant les différentes constructions. Les résultats obtenus ont montré qu'à l'exception de la mutation C35R toutes les protéines RYR1 mutantes étaient plus sensibles à la caféine et à l'halothane que la protéine sauvage ou contenant une mutation non associée à l'hyperthermie maligne [24]. De même, une analyse électrophysiologique réalisée sur une préparation de réticulum sarcoplasmique isolé à partir de biopsies de muscles chez des patients portant le mutation G2434R a montré le caractère pathogène de cette mutation [25].

Sur la base d'études de liaison génétique réalisées à l'aide de marqueurs polymorphes de type microsatellites, cinq autres loci associés à l'hyperthermie maligne (MHS2 à MHS6) ont été décrits (tableau 1). Cependant, à ce jour un seul gène a été identifié au niveau de ces différents locus. Une mutation responsable de la maladie a ainsi été décrite dans une grande famille française au sein du gène CACNL1A3 qui code pour la sous-unité alpha1 du canal calcique de type L du muscle squelettique [26]. Ce canal dépendant du voltage est également appelé récepteur aux dihydropyridines (DHPR). Trois mutations du canal CACNL1A3 localisées au niveau de deux domaines membranaires sensibles au voltage avaient été auparavant associées à une autre pathologie présentant une symptomatologie tout à fait différente de l'hyperthermie maligne, la paralysie périodique hypokaliémique [27]. La mutation associée au trait MHS entraîne la substitution d'une arginine en position 1086 de la protéine par une histidine et est localisée dans le domaine extramembranaire qui relie les domaines III et IV de la sous-unité alpha1 du DHPR. Une interaction directe de cette région avec le canal RYR1 a été récemment montrée et confirme le caractère pathogène de la mutation [28].

Diagnostic génétique de l'hyperthermie maligne

En dépit de la description de près de 20 mutations associées à l'hyperthermie maligne dans les gènes RyR1 et CACNL1A3, plus de 60 % des familles susceptibles à l'hyperthermie maligne qui ont été explorées demeurent encore non caractérisées au plan moléculaire. Une des raisons tient dans la complexité des gènes en cause. Ainsi en effet, l'ADNc du gène RyR1 comporte plus de 15 000 pb et est très peu exprimé en dehors des tissus musculaires. De plus, au plan génomique l'information est dispersée sur plus d'une centaine d'exons. La situation du gène CACLN1A3 est un peu moins complexe mais reste néanmoins difficile : un ADNc de 6 160 pb et une information dispersée sur 44 exons. Ces différents éléments font que la caractérisation moléculaire et la recherche de nouvelles mutations dans les familles susceptibles à l'hyperthermie maligne restent une tâche assez lourde.

CONCLUSION

Au cours de ces dernières années, il est devenu clair que le calcium est un acteur majeur des mécanismes de signalisation dans les cellules. Parmi les canaux impliqués dans les mouvements calciques, les canaux récepteurs à la ryanodine (RyR) ou aux dihydropyridines (DHPR) jouent un rôle, non seulement dans le cadre de la contraction musculaire, mais également dans de nombreux autres processus de signalisation.

La pathogénicité des mutations du gène RyR1 ou CACNL1A3 dans l'hyperthermie maligne chez l'homme est maintenant clairement établie. En conséquence d'une pratique étendue des études moléculaires dans les familles MHS, le nombre des mutations dans le gène RyR1 ne cesse d'augmenter. Un concept qui commence à se dégager est que les différentes mutations ont des influences variées sur la probabilité d'ouverture des canaux calciques. Au regard de cette situation, il est concevable que les individus porteurs de mutations « douces » puissent occasionnellement être testés MHN lors des tests de contracture in vitro. Néanmoins, dans la mesure où moins de 50 % des patients MHS ont été caractérisés au plan moléculaire, le test de contracture in vitro demeure encore le meilleur moyen de définir le statut des individus dans les familles MHS chez lesquelles les mutations ne sont pas connues. Le diagnostic génétique peut être envisagé comme une alternative dans les familles MHS chez lesquelles la mutation est connue et validée ou lorsqu'une étude familiale de liaison préalable permet de réaliser un diagnostic indirect. Compte tenu de l'évolution des études moléculaires, on peut penser que le nombre de familles MHS pour lesquelles le défaut moléculaire aura été caractérisé ne cessera d'augmenter. Malheureusement et compte tenu du nombre important de mutations, il est à redouter qu'un criblage moléculaire systématique ne soit pas envisageable à court terme et que le recours au test de contracture in vitro sur biopsie musculaire soit encore irremplaçable dans de nombreuses situations.

REFERENCES

1. Denborough MA, Lovell RRH. Anesthetic deaths in a family. Lancet 1960 ; ii : 45.

2. Ebashi S, Endo M, Ohtsuki I. Control of muscle contraction. Quart Rev Biophys 1969 ; 2 : 351-84.

3. Tanabe T, Beam KG, Powell JA, Nulma S. Restoration of excitation-contraction coupling and slow calcium currents in dysgenic mice by dihydropyridine receptor complementary DNA. Nature 1988 ; 336 : 134-9.

4. Meissner G. Ryanodine receptor/Ca²⁺ release channels and their regulation by endogenous effectors. Annu Rev Physiol 1994 ; 56 : 485-508.

5. Coronado R, Morissette J, Sukhareva M, Vaughan DM. Structure and function of ryanodine receptors. Am J Physiol 1994 ; 266 : C1485-504.

6. Clapham DE. Calcium signaling. Cell 1995 ; 80 : 259-68.

7. Britt BA. Malignant hyperthermia. In : Schonbaum E, Lomax P. Thermoregulation : pathology, pharmacology and therapy. New York, Pergamon Press, 1991 : 179-292.

8. Denborough MA. Malignant hyperthermia. Lancet 1998 ; 352 : 1131-6.

9. Fujii J, Otsu K, Zorzato F, et al. Identification of a mutation in porcine ryanodine receptor associated with malignant hyperthermia. Science 1991 ; 253 : 448-51.

10. Ellis FR, Harriman DGF, Keaney MP, Kyei-Mensah K, Tyrrel JH. Halothane induce muscle contracture as a cause of hyperpyrexia. Br J Anaesth 1971 ; 43 : 721-4.

11. European Malignant Hyperpyrexia Group. A protocol for the investigation of malignant hyperpyrexia (MH) susceptibility. Br J Anaesth 1984 ; 56 : 1267-9.

12. Larach MG. Standardization of the caffeine halothane muscle contracture test. Anesth Analg 1989 ; 69 : 511-5.

13. Hermann-Frank A, Richter M, Lehmann-Horn F. 4-chloro-m-cresol : a specific tool to distinguish between malignant hyperthermia-susceptible and normal muscle. Biochem Pharmacol 1996 ; 52 : 149-55.

14. Hopkins PM, Ellis FR, Halsall PJ, Stewart AD. An analysis of the predictive probability of the in vitro contracture test for determining susceptibility to malignant hyperthermia. Anesthes Analges 1997 ; 84 : 648-56.

15. Payen JF, Bosson JL, Bourdon L, et al. Improved non-invasive diagnostic testing for malignant hyperthermia susceptibility from a combination of metabolites determined in vivo with ³¹P-magnetic resonance spectroscopy. Anesthesiology 1993 ; 78 : 848-55.

16. Mickelson JR, Gallant EM, Litterer LA, Johnson KM, Rempel WE, Louis CF. Abnormal sarcoplasmic reticulum ryanodine receptor in malignant hyperthermia. J Biol Chem 1988 ; 263 : 9310-5.

17. McCarthy TV, Healy JMS, Heffron JJA, et al. Localization of the malignant hyperthermia locus to human chromosome 19q12-13.2. Nature 1990 ; 343 : 562-4.

18. MacLennan DH, Duff C, Zorzato F, et al. Ryanodine receptor gene is a candidate for predisposition to malignant hyperthermia. Nature 1990 ; 343 : 559-61.

19. Gillard EF, Otsu K, Fujii J, et al. A substitution of cysteine for arginine 614 in the ryanodine receptor is potentially causative of human malignant hyperthermia. Genomics 1991 ; 11 : 751-5.

20. Deufel T, Golla A, Iles D, et al. Evidence for genetic heterogenity of malignant hyperthermia susceptibility. Am J Hum Genet 1992 ; 50 : 1151-61.

21. Loke J, MacLennan DH. Malignant hyperthermia and central core disease : disorders of Ca²⁺ release channels. Am J Med 1998 ; 104 : 470-86.

22. Leeb T, Brenig B. Ryanodine receptors and their role in genetic diseases. Int J Mol Med 1998 ; 2 : 293-300.

23. Lynch PJ, Tong J, Lehane M, et al. A mutation in the transmembrane/luminal domain of the ryanodine receptor is associated with abnormal Ca²⁺ release channel function and severe central core disease. Proc Natl Acad Sci USA 1999 ; 96 : 4164-9.

24. Tong J, McCarthy TV, MacLennan DH. Measurements of resting cytosolic Ca²⁺ concentrations and Ca²⁺ store in HEK-293 cells transfected with malignant hyperthermia or central core disease mutant Ca²⁺ release channels. J Biol Chem 1998 ; 274 : 693-702.

25. Richter M, Schleithoff L, Deufel T, et al. Functional characterization of a distinct ryanodine receptor mutation in human malignant hyperthermia susceptible muscle. J Biol Chem 1997 ; 272 : 5256-60.

26. Monnier N, Procaccio V, Stieglitz P, Lunardi J. Malignant-hyperthermia susceptibility is associated with a mutation of the alpha1-subunit of the human dihydropyridine-sensitive L-type voltage-dependent calcium-channel receptor in skeletal muscle. Am J Human Genet 1997 ; 60 : 1316-25.

27. Ptacek LJ, Tawil R, Griggs RC, et al. Dihydropyridine receptor mutations cause hypokalemic periodic paralysis. Cell 1994 ; 77 : 863-8.

28. Leong P, MacLennan DH. The cytoplasmic loops between domain II and III and domains III and IV in the skeletal muscle dihydropyridine receptor bind to a continuous site in the skeletal muscle ryanodine receptor. J Biol Chem 1998 ; 273 : 29958-64.