MINISTERE DE L'EDUCATION NATIONALE
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2001
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Niveau: Supérieur
MINISTERE DE L'EDUCATION NATIONALE ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES Sciences de la Vie et de la Terre MEMOIRE présenté par PRAT Karine pour l'obtention du diplôme de l'Ecole Pratique des Hautes Etudes Contribution à l'étude de segments peptidiques potentiellement associés à de grandes mobilités conformationnelles : l'exemple du Prion. soutenu le 13 septembre 2001 devant le jury suivant : Mr. Bernard Mignotte - Président Mr. Daniel Thomas - Rapporteur Mr. Jean-Paul Mornon - Examinateur Mr. Jean-Doucet - Examinateur. Laboratoire d'enzymologie Directeur : Pr. Daniel Thomas. E.P.H.E. (Sciences de la Vie et de la Terre) Université de technologie de Compiègne URA 1442-CNRS , BP 529 60205 Compiègne cedex Laboratoire de Minéralogie-Cristallographie Directeur : Dr. Bernard Capelle. UMR 7590C CNRS, Tour 16-15 Responsable scientifique : 4 Place Jussieu Dr. Jean-Paul Mornon PARIS 75005 EPHE Banque de Monographies SVT 1
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- mémoire
MINISTERE DE L'EDUCATION NATIONALE ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES Sciences de la Vie et de la Terre MEMOIRE présenté par PRAT Karine pour l'obtention du diplôme de l'Ecole Pratique des Hautes Etudes Contribution à l'étude de segments peptidiques potentiellement associés à de grandes mobilités conformationnelles : l'exemple du Prion. soutenu le 13 septembre 2001 devant le jury suivant : Mr. Bernard Mignotte - Président Mr. Daniel Thomas - Rapporteur Mr. Jean-Paul Mornon - Examinateur Mr. Jean-Doucet - Examinateur. Laboratoire d'enzymologie Directeur : Pr. Daniel Thomas. E.P.H.E. (Sciences de la Vie et de la Terre) Université de technologie de Compiègne URA 1442-CNRS , BP 529 60205 Compiègne cedex Laboratoire de Minéralogie-Cristallographie Directeur : Dr. Bernard Capelle. UMR 7590C CNRS, Tour 16-15 Responsable scientifique : 4 Place Jussieu Dr. Jean-Paul Mornon PARIS 75005 EPHE Banque de Monographies SVT 1
- agents transmissibles
- protein
- prpc
- protéine
- transmissibilité de la maladie
- texture de séquence
- séquence des peptides de fusion viraux et des boucles réactives
- passage de la protéine prpc normale vers la protéine pathogène
- acide ribonucléique
MINISTERE DE L'EDUCATION NATIONALE ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES Sciences de la Vie et de la Terre MEMOIRE présenté par PRAT Karine pour l'obtention du diplôme de l'Ecole Pratique des Hautes Etudes Contribution à l'étude de segments peptidiques potentiellement associés à de grandes mobilités conformationnelles : l'exemple du Prion. soutenu le 13 septembre 2001 devant le jury suivant : Mr. Bernard Mignotte- Président Mr. Daniel Thomas- Rapporteur Mr. Jean-Paul Mornon- Examinateur Mr. Jean-Doucet -Examtani.rue Laboratoire d'enzymologie Directeur :Pr. Daniel Thomas. E.P.H.E. (Sciences de la Vie et de la Terre) daniel.thomas@utc.fr Université de technologie de Compiègne URA 1442-CNRS , BP 529 60205 Compiègne cedex Laboratoire de Minéralogie-Cristallographie Directeur :Dr. Bernard Capelle. UMR 7590C CNRS, Tour 16-15Responsable scientifique : 4 Place JussieuDr. Jean-Paul Mornon PARIS 75005Jean-Paul.Mornon@lmcp.jussieu.fr
ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE CONTRIBUTION A L'ETUDE DE SEGMENTS PEPTIDIQUES POTENTIELLEMENT ASSOCIES A DE GRANDES MOBILITES CONFORMATIONNELLES : L'EXEMPLE DU PRION. PRAT Karine 13 septembre 2001 RESUME
Dans ce mémoire, nous présentons en introduction un panorama général des maladies à fibres amyloïdes, avec une focalisation particulière sur les prions. Puis, après un rappel des principales caractéristiques structurales des protéines, notamment globulaires, nous décrivons une recherche d'un modèle possible de transconformation du domaine globulaire des prions de mammifères qui accompagnerait le passage de la protéine PrPc normale vers la protéine pathogène PrPsc. systématique fin, nous avons utilisé une procédure de criblaged'une large banque structurale à l'aide de motifsA cette de structures secondaires déduites d'une analyse comparative, des séquences de prions et d'autres protéines qui pourraient, au niveau de leur repliement, leur être apparentées. Cette procédure a associé des étapes automatisées précédées et suivies d'expertises humaines, en particulier à l'aide de l'approche Hydrophobic Cluster Analysis (HCA). La principale hypothèse sous-jacente à cette étude propose que l'hélice C-terminale du domaine globulaire des prions, H3, reste inchangée au cours de la transconformation PrPc→PrPsc alors que l'hélice précédente H2 se transforme en plusieurs brins b successifs, peut-être en synergie avec une activation du peptide flexible 110-135 présentant la texture de séquence des peptides de fusion viraux et des boucles réactives des serines protease inhibitors (Serpins). Ce criblage conduit à sélectionner un petit nombre de repliements compatibles avec la succession des structures secondaires attendue au sein de la structure du domaine globulaire de PrPsc. Parmi eux, le repliement adopté par la Tatabox Binding protein a retenu plus particulièrement notre attention dans la mesure où sa texture de séquence est voisine de celle du prion, où il présente des caractéristiques similaires à celles d'autres repliements déjà bien caractérisés et conduisant à la formation de fibres amyloïdes. Cette observation suggère, entre autres pistes de recherche, une intervention possible du phénomène de « swapping domain ». Cette investigation s'inscrit dans un cadre plus vaste de recherche originale sur cette thématique, dont les conclusions seront très prochainement soumises à publication. SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE1 CHAPITRE 1: INTRODUCTION SUR LES AMYLOSES 3
1.1 INTRODUCTION3 1.2 LES AMYLOSES SYSTEMIQUES5 1.2.1 L'amylose immunoglobuline (amylose primitive) 5 1.2.2 Amylose réactionnelle (ou amylose secondaire) 5 1.2.3 Amylose systémique héréditaire 5 1.3 AMYLOSES CEREBRALES (L'EXEMPLE DE LA MALADIE D'ALZHEIMER)6 1.3.1 Découverte de la maladie d'Alzheimer 6 1.3.2 Caractéristiques cliniques 7 1.3.3 Caractéristiques biochimiques 8 1.4 AMYLOSES ENDOCRINES9 CHAPITRE 2 : INTRODUCTION GENERALE SUR LES ENCEPHALOPATHIES SUBAIGUËS SPONGIFORMES TRANSMISSIBLES (ESST) OU LES MALADIES A PRIONS 11 2.1 CARACTERISTIQUES GENERALES BIOLOGIQUES DES ESST11 2.1.1 Signes cliniques 11 2.1.2 Détection de la maladie et traitement 12 2.1.3 Mécanisme cellulaire de l'infection 15 2.1.4 Mécanisme de mort neuronale 15 2.1.5 Propagation de l'infection : rôle du système immunitaire 16 2.2 NATURE DE L'AGENT INFECTIEUX 17 2.2.1 Hypothèse virologique 17 2.2.2 Hypothèse d'un acide nucléique 18 2.2.3 Hypothèses mixtes : « protéine-acide nucléique » 18 2.2.4 Hypothèse protéique 19 2.3 LA TREMBLANTE DU MOUTON OU DE LA CHEVRE19 2.4 L'ENCEPHALOPATHIE SPONGIFORME BOVINE (ESB) 21 2.4.1 Caractéristiques générales 21 2.4.1.1 Origine de la maladie 22 2.4.1.2 Transmissibilité de la maladie 23 2.5 LA MALADIE DU DEPERISSEMENT CHRONIQUE (CWD)24 2.6 LE KURU25 2.7 LA MALADIE DE CREUTZFELDT-JAKOB (MCJ)25 2.7.1 La forme sporadique 25 2.7.2 Les formes familiales 26 2.7.3 Les formes iatrogènes 27 2.7.4 La nouvelle variante de le MCJ (nvMCJ) 27 2.8 L'INSOMNIE FATALE FAMILIALE28 2.9 LE SYNDROME DE GERTSMANN-STRAÜSSLER-SCHEINKEN (GSS)28 2.10 LE PRION : AGENT RESPONSABLE DES ESST 9 2 2.10.1 La protéine PrP normale (PrPc) 30 2.10.2 La protéine PrP pathogène (PrPsc) 34 2.10.3 Mécanismes de conversion de prPc en PrPsc 34 2.10.4 Le Doppel (Dpl : Downstream Prion Protein-Like) 36 2.10.5 « Les pseudo-protéines à prions » 37 ABREVIATIONS AA : Protéine Amyloïde A ADN : Acide Désoxyribonucléique ANF : Facteur Auriculaire Natriurétique
ARN : Acide Ribonucléique APP : Amyloïde Precursor Protein ATNC : Agents Transmissibles Non Conventionnels ATTR : Amylose Transthyrétine ARN : Acide Ribonucléique Ca : Carbone a CATH : Class Architecture Topology Homologous superfamily CEA : Commissariat à l'Energie Atomique CFD : Cellules Folliculaires Dendritiques CWD : maladie du dépérissement chronique (Chronic Wasting Disease) Dpl : Downstream Prion protein-Like DSSP : Definition of Secondary Structure of Protein ESB : Encéphalopathie Spongiforme Bovine ESST : Encéphalopathie Spongiforme Subaiguë Transmissible FMF : Fièvre Familiale Méditerranéenne FTIR : Infra-Rouge Transformée de Fourier GFAP : Protéine Glio-Fibrillaire Acide GPI : Glycophosphatidylinositol GSK 3 : Glycogène Synthétase Kinase 3 GST : Glutathione S-Transférase HCA : Hydrophobic Cluster Analysis HCC : Human Cystatin C HIV : Human Immunodeficiency Virus HPLC : High Pression Liquid Chromatography HTLV1 : Human T-Lymphotropic Virus type 1 IA : Islet Amyloidosis IAPP : Islet Amyloid Polypeptide IDX : anthracycline iododoxorubicine IFF : Insomnie Fatale Familiale kDa : kilo Dalton MAP : Microtubule-Associated Protein MCJ : Maladie de Creutzfeldt-Jacob
NCBI : National Center for Biotechnology Information NFT : Neurofibrillary Tangles NMDA : N-Methyl-D-Aspartate nvMCJ : Nouvelle Variante de la Maladie de Creutzfeldt-Jacob PDB : Protein Data Bank PHF : Paired helical filament PrPc : Prion Protein Cellular PrPsc : Prion Protein SCrapie P_SEA : Protein Secondary Element Assignment RMN : Résonance Magnétique Nucléaire SAA : Amyloïde A du Sérum SAPK : Stress-Activated Protein Kinase SCOP : Structural Classification Of Proteins SDS : Sodium Dodécyl Sulfate SGSS : Syndrome de Gerstmann-Straüssler-Scheinker SNC : Système Nerveux Central SP : Senile Plaques TBP : Tatabox Binding Protein TNF : Tumor Necrosis Factor et TTR : Transthyrétine INTRODUCTION GENERALE Les protéines font partie des composants principaux de la matière vivante. Celles-ci présentent une grande variété fonctionnelle et structurale. Ainsi, les protéines occupent diverses fonctions au sein d'une cellule comme la synthèse, les réactions enzymatiques, la régulation, la transduction de signaux, la dégradation et bien d'autres fonctions. Les protéines assurent leur(s) activité(s) biologique(s) par le type de repliement qu'elles adoptent, leur localisation cellulaire et la séquence génomique à partir de laquelle elles sont traduites. Les génômes des organismes codent ainsi pour des milliers de protéines aux activités diverses. Chaque protéine adopte une conformation tridimensionnelle particulière et donc une ou des fonction(s) particulière(s). Celle-ci est codée par la séquence en acides aminés qui la compose et le milieu dans laquelle elle se trouve. La détermination de la séquence d'une protéine est relativement facile, notamment grâce aux progrès de la biologie moléculaire. La résolution expérimentale de la structure d'une protéine, par cristallographie associée à la diffraction des rayons X et par RMN (Résonance Magnétique Nucléaire), est, elle, beaucoup plus lourde. Elle nécessite en effet de grandes quantités de protéine purifiée, ainsi que l'obtention de cristaux dans le cas particulier de la cristallographie. La RMN ne peut être utilisée en routine que pour des protéines de petite taille.
Il est néanmoins possible de prédire la structure tridimensionnelle d'une protéine par homologie. En effet, les protéines se regroupent par familles de structure et de fonction, et la détection de similitudes permet dans de nombreux cas la modélisation par homologie. Le prédictionab-initio repliement, sans autre information que le seule séquence de la protéine, du reste encore largement hors de portée, sauf cas exceptionnels. Ainsi, une protéine active présente une structure tridimensionelle propre et adopte un repliement généralement unique. Une protéine inactive ou déroutée de sa fonction initiale est souvent dénaturée ou « dépliée » ou adopte une structure ou un ensemble de structures ne possèdant plus sa fonction initiale. De nombreux mécanismes de réparation et de régulation existent au sein de la cellule pour éviter « le détournement » des protéines de leur fonction initiale. Cependant dans certains cas, la protéine, par un stimulus inconnu, peut spontanément changer de structure. Un exemple aujourd'hui très médiatique de ce phénomène concerne le prion. Cet agent responsable de graves maladies neurodégénératives est une protéine cellulaire du cerveau qui, suite à un signal, va subir ou opérer une transconformation au niveau de sa structure et détourner sa fonction de celle initialement assurée par la molécule normale. D'autre part, dans un article paru en 1994 [CALLEBAUT, I. et al., 1994], il avait été mis en évidence la présence de segments peptidiques de 20 à 30 acides aminés très probablement doués d'une très grande variabilité conformationnelle (notamment passage d'une hélice a à un brin b ou à une boucle) et associés à de grands changements structuraux au sein des protéines qui les portent. Il s'agit d'une part des boucles réactives des Serine Protease Inhibitors (Serpins) et, d'autre part, des peptides de fusion viraux (virus de la grippe, HIV et l'ensemble des rétrovirus en général). Ces peptides se distinguent par une proportion élevée de petits acides aminés (alanine, glycine, sérine, etc...). Ainsi, à partir d'une banque de boucles réactives de Serpins et de peptides de fusion viraux non redondants, un segment peptidique d'environ 20 acides aminés situé en partie centrale du Prion (position 112 à 135) est apparu comme possédant une composition en acides aminés de faible encombrement stérique, favorable à l'instauration de comportements dynamiques similaires. Par ailleurs, on sait que le passage à la forme pathogène du Prion est associé à une augmentation sensible de sa teneur en brins b par rapport à la forme normale de la protéine [PAN, K. M. et al., 1993]. Aussi, a-t-il paru intéressant d'estimer quelle corrélation serait susceptible d'exister entre ces deux observations. Une hypothèse peut alors être formulée : à l'image de ce qui intervient au niveau des Serpins et des enveloppes virales, la mobilité conformationnelle potentiellement forte d'une partie de la protéine Prion ne pourrait-elle pas être également associée au changement conformationnel devant intervenir au moment de la transconformation de la protéine normale ? En effet, la structure de la partie globulaire de cette dernière a été pour la première fois déterminée par RMN [RIEK, R. et al., 1996] et il est alors apparut que la signature conformationnelle de l'hélice H2, déduite de la séquence [CALLEBAUT, I. et al., 1997b], suggère à l'opposé que ce segment puisse facilement se transformer dans un contexte approprié en une succession de deux ou trois brins b de taille habituelle (environ 4 à 7 résidus). Afin de tenter de vérifier cette hypothèse, le groupe de J-P. Mornon a souhaité faire réaliser la synthèse du peptide dans ses limites structurales prédites afin de caractériser par RMN et par des tentatives de cristallisation à l'image de travaux précédents [KORTEMME, T. et al., 1998; RAMIREZ-ALVARADO, M. et al., 1996]. Par ailleurs, il a également souhaité réactualiser le criblage des banques afin de permettre un décompte plus large des protéines possédant des segments similaires à ceux des Serpins, des protéines
d'enveloppes virales ou du Prion (Thèse en cours de V.Dominguez).
Chapitre 1 : Introduction sur les amyloses 1.1 Introduction
Les amyloses sont caractérisées par le dépôt de sous-unités homogènes arrangées en fibrilles (par des feuillets b)ont des propriétés de biréfringence et d'affinité pour le section de 75 à 100 Angströms, et qui de colorant rouge Congo. Les fibrilles sont stabilisées par des liaisons hydrogènes inter-brins, des interactions hydrophobes inter-feuillet et des interactions de Van der Waals. Les amyloses sont causées par une surproduction, une accumulation ou une production de protéines amyloïdogéniques normales durant toute la vie. Ces molécules amyloïdogéniques peuvent engendrer par leur dénaturation partielle la formation de fibrilles amyloïdesin vitro. Même dans des conditions physiologiques normales, les précurseurs des protéines amyloïdogéniques sont présents dans des états intermédiaires de repliement et peuvent s'agréger en fibrilles amyloïdes en modifiant les procédés touchant la structure centrale cross-b (composée de brins b perpendiculaires et de feuillets b parallèles à l'axe de la fibre). Les amyloses sont une désorganisation au niveau du repliement d'une protéine normalement soluble, qui s'agrége de manière à former des fibrilles insolubles amyloïdes. Celles-ci vont s'accumuler dans les tissus et vont provoquer des dommages structuraux et fonctionnels, entraînant généralement la mort. Un dépôt amyloïde est souvent associé à la maladie d'Alzheimer. Au niveau macroscopique, les fibrilles amyloïdes sont rigides et de longueur variable avec des dimensions moyennes similaires, bien que la taille des sous-unités protéiques soit différente suivant les différentes maladies. Les fibrilles amyloïdes seraient constituées d'au moins deux types de filaments qui s'enroulent le long de la fibrille [COHEN, A, S, 1982]. Des sections de fibrilles amyloïdes formées d'amyloïde b (Ab) et des fibrilles amyloïdes de la maladie d'Alzheimer ont montré des zones de croisement contenant 5 à 6 protofilaments [FRASER, P. E. et al., 1991a; FRASER, P. E. et al., 1991b; KIRSCHNER, D. A. et al., 1987]. La morphologie des fibrilles synthétiques change suivant les conditions de solution et d'hydratation. Sous certaines conditions, les peptides amyloïdogéniques forment des feuillets et des rubans plutôt que des fibrilles. Dans plusieurs types de fibrilles amyloïdes étudiés (protéine amyloïde A du sérum, TTR, apo A1 et un variant amyloïdogénique du lysozyme), l'existence d'un cœur creux ou d'un canal central a été démontrée autour duquel les protofilaments s'organisent. Ce canal pourrait renfermer de l'eau ou des molécules de solvant [SERPELL, L. C. et al., 2000b]. La formation de dépôts tissulaires de protéines ou de fragments de protéines normalement solubles (comme les fibrilles amyloïdes insolubles) est associée aux amyloses comme la maladie d'Alzheimer, le diabète de type 2 et les encéphalopathies spongiformes transmissibles. Bien que chaque type d'amylose soit caractérisé par un type spécifique de protéine amyloïde et une localisation précise dans l'organisme, la morphologie structurale et les propriétés histochimiques de toutes les fibrilles amyloïdes sont très similaires. Il existe plus de 20 précurseurs protéiques différents de fibrilles amyloïdes [SERPELL, L. C. et al., 2000b]. Les différents polypeptides amyloïdogéniques associés à la formation de fibrilles amyloïdes sont composés d'un nombre distinct et caractéristique de protofilaments ayant un diamètre d'environ 100 Å. On distingue essentiellement trois groupes d'amyloses: les systémiques, les cérébrales et les endocrines.
1.2 Les amyloses systémiques 1.2.1 L'amylose immunoglobuline (amylose primitive) L'amylose immunoglobuline est causée par la chaîne légère des immunoglobulines. Elle est associée à la surproduction de la chaîne légère d'immunoglobuline par une population clonale de lymphocytes B (parfois résultant de myélomes). Des dépôts sont retrouvés dans les reins, les muscles squelettiques, les nerfs et le coeur. Le principal constituant des dépôts est la région variable des chaînes légères. C'est le sous-groupe lambda 6 et plus rarement kappa 1 qui sont responsables de pratiquement tous les cas de protéine amylogène primitive (les chaînes légères lambda 6 représentent moins de 5% des immunoglobulines normales). Les personnes atteintes présentent souvent un dysfonctionnement du foie et diverses insuffisances (rénale, cardiaque, hépatique). Ce type d'amylose entraîne la mort en 1 à 2 ans[LANDRY, RM, 1997]. 1.2.2 Amylose réactionnelle (ou amylose secondaire) L'amylose réactionnelle est associée à des maladies chroniques inflammatoires comme l'arthrite, les inflammations intestinales, la tuberculose et la lèpre. Des dépôts sont retrouvés dans le foie, les reins et la rate. Les personnes atteintes présentent souvent un dysfonctionnement du foie. La protéine responsable de l'amylose réactionnelle est l'amyloïde A du sérum (SAA) qui est synthétisée principalement dans le foie. Comme celle-ci est une protéine réactive aigüe de l'inflammation, sa synthèse est induite par l'inflammation due aux cytokines. La fonction normale de SAA est inconnue. Plusieurs formes de SAA ont été identifiées et toutes ces formes sont des apoliprotéines associées à des lipoprotéines de haute densité. SAA1 et SAA2 sont les principales de ces protéines inflammatoires et sont inductibles par l'interleukine 1, l'interleukine 6 et le TNF. Les dépôts amyloïde SAA sont généralement protéolytiquement modifiés de leur longueur initiale complète de 104 acides aminés pour donner un fragment de 2 à 76 résidus. Cela suggère que les dépôts d'amyloïde SAA sont le résultat d'une dégradation incomplète ou défectueuse de SAA. 1.2.3 Amylose systémique héréditaire L'amylose systémique héréditaire est associée au caractère héréditaire autosomal dominant d'un gène au cours de laquelle une protéine mutée constitue le précurseur des fibrilles amyloïdes. Les deux formes les plus fréquentes d'amylose héréditaire sont causées par une mutation ponctuelle sur la transthyrétine (amylose ATTR) et de la marenostrine (fièvre familiale méditerranéenne ou FMF). L'amylose systémique héréditaire est causée par la transthyrétine (TTR) qui par sa structure pourrait être prédisposée à former des fibres puisqu'elle est formée de feuillets b. Deux douzaines de variantes de la transthyrétine ont été identifiées. Plus de 50 mutations sur le gène de la transthyrétine sont responsables d'une amylose avec polyneuropathie. Les mutations les plus fréquentes sont une substitution de la méthionine en valine en position 30, de l'alanine en thréonine en position 60 et une mutation de l'isoleucine en position 122. La localisation des dépôts dépend des différents variants: tissus nerveux, intestin, reins ou coeur. La maladie résulte du mécanisme de distortion des tissus causé par les dépôts de fibres. Les variants de la transthyrétine tendent à être plus labile après traitement acide, cela suggèrant que la formation d'amyloïde est associée à un compartiment cellulaire acide (comme les lysosomes) dans lequel la dégradation protéolytique serait défectueuse ou incomplète. La transthyrétine (TTR) est une protéine du plasma, essentiellement synthétisée au niveau du foie.
Celle-ci a une conformation en feuillet b et assure le transport de la thyroxine par fixation directe de l'hormone et celui du rétinol par association directe avec la protéine qui fixe le rétinol (RBP). Dans les conditions physiologiques normales, la protéine est un tétramère. Il est bien connu qu'un intermédiaire monomérique est à l'origine de la formation de fibrilles, cependant on ne sait pas si cette modification résulte de la déstabilisation du tétramère TTR entraînant sa dissociation en monomère ou d'un événement protéolytique [DAMAS, A. M. et al., 2000]. Tous les variants qui entraînent la formation de structures amyloïdes déstabilisent le tétramère, cependant, dans les fibrilles, TTR maintient sa conformation b [DAMAS, A. M., 1995]. Une des particularités de ces fibres amyloïdes est qu'elles ont une structure particulière de type cross-b, qui leur confère une résistance vis à vis des protéases et entraîne à long terme la formation de ce plaques délétères. D'autre part, deux modèles possibles pour les fibrilles amyloïdes ont été avancés: une hélice dépliée et composée d'unités avec 24 brins b [BLAKE, C. et al., 1996] ou une association de plusieurs unités avec une structure proche du monomère de TTR [INOUYE, H. et al., 1998]. Plusieurs composés comme la thyrotoxine (ou des analogues) ou des sulfites stabilisent la structure tétramérique de TTR [ALTLAND, K. et al., 1999; MIROY, G. J. et al., 1996] et constituent ainsi des agents utilisables dans la thérapeutique des amyloses. Ainsi, la molécule 4'-iodo-4'-deoxydoxorubicin (IDOX) qui induit la résorption de l'amyloïde chez les amyloidoses [MERLINI, G. et al., 1999] a été testée sur les fibrilles amyloïdes [PALHA, JA, 1999; SEBASTIAO, M. P. et al., 2000]. 1.3 Amyloses cérébrales (l'exemple de la maladie d'Alzheimer)
Les amyloses cérébrales regroupent deux types de maladies; la maladie d'Alzheimer et les maladies à prion. Etant donné que les maladies à prion sont traitées dans le chapitre 3, nous ne traiterons ici que la maladie d'Alzheimer. 1.3.1 Découverte de la maladie d'Alzheimer La maladie d'Alzheimer est une maladie neurodégénérative progressive. C'est l'une des maladies les plus communes qui touche les personnes âgées. Il en existe deux types : celle qui touche les personnes dès la cinquantaine (maladie présénile d'Alzheimer) et celle qui arrive beaucoup plus tardivement, à partir de 65 ans (maladie d'Alzheimer). La plus connue est la seconde. Elle affecte plus de 5 % de la population âgée de plus de 65 ans (10 % après 80 ans), de façon plus ou moins marquée. Ces deux versions de la maladie se développent de manière sporadique et familiale (héréditaire). Actuellement, 4 loci génétiques sont associés à la maladie d'Alzheimer. Ce sont les gènes des précurseurs de protéine amyloïde (APP), la préséniline-1 (PSEN-1), la préséniline-2 (PSEN-2) et l'apolipoprotéine E (Apo E) [SINGLETON, A. B. et al., 2000; STRITTMATTER, W. J. et al., 1995]. La caractéristique autosomale dominante de la maladie d'Alzheimer n'est liée qu'aux gènes APP, PSEN-1 et PSEN-2. Le génotype Apo E semble être un facteur de risque pour les cas sporadiques et familiaux de maladie présénile d'Alzheimer. Il a été montré qu'un certain nombre de mutations chez le gène APP entraînaient le développement de la maladie d'Alzheimer dans un faible pourcentage (< cas parmi les 5%) de maladie présénile d'Alzheimer qui ont la mutation chez PSEN-2. Les mutations sur le gène PSEN-1 sont la cause essentielle du développement de la maladie présénile d'Alzheimer : 18 à 55 % des cas autosomaux dominants d'Alzheimer présénile sont causés par des mutations sur PSEN-1 [CRUTS, M. et al., 1998; HUTTON, M. et al., 1996]. Ces mutations sont essentiellement des changements d'une seule base et la
délétion d'une guanosine dans l'intron 4, séquence consensus d'épissage dans PSEN-1 [TYSOE, C. et al., 1998]. 1.3.2 Caractéristiques cliniques La maladie d'Alzheimer se caractérise par une perte progressive de la mémoire et des difficultés de mémorisation de nouvelles informations suivies d'une détérioration des fonctions de la pensée et de l'élocution ainsi qu'un changement du comportement. Ces manifestations sont dues à une détérioration des neurones entraînant un mauvais fonctionnement des synapses responsables de la communication dans le cerveau. Les neurones infectés développent deux types de fibres. La première est un enchevêtrement de neurofibrilles qui correspond en fait à une accumulation de filaments hélicoïdaux insolubles (PHF) dans les cellules. La seconde est un enchevêtrement de neurites, c'est à dire la formation d'une masse neuronale composée de PHF [DONALD, L, 1993]. La protéine Tau est le composant principal des PHF [LEE, V. M. et al., 1991]. Deux lésions sont caractéristiques de la maladie d'Alzheimer. L'enchevêtrement de neurofibrilles (NFT) et la présence de dépôt de plaques amyloïde b (ou de plaques de dégénérescence (SP)) dans le cortex et dans l'hippocampe. Les plaques de dégénérescence résultent de l'accumulation d'un peptide de 4 kDa d'amyloïde b (Ab) produit par clivage de précurseurs de protéines amyloïdes appelées APP [KANG, J. et al., 1987; MASTERS, C. L. et al., 1985]. Il a été observé en cryo-microscopie électronique que les fibrilles Ab étaient composées de feuillets b. Ceux-ci sont positionnés perpendiculairement à l'axe des fibres. Les feuillets sont donc organisés de manière à former des cylindres ou des tubes [SERPELL, L. C. et al., 2000a]. Le rôle de APP dans les neurones n'est pas bien défini, mais il se pourrait que APP joue un rôle au niveau des interactions synaptiques ou bien serve de récepteur couplé à la protéine G trimérique [NISHIMOTO, I. et al., 1993]. Dans tous les cas de forme familiale de la maladie d'Alzheimer, une mutation au niveau du gène APP a été mise en évidence et elle jouerait un rôle majeur dans la pathogénicité. Un facteur de risque très élevé de la formation de plaques amyloïdes est l'âge. 1.3.3 Caractéristiques biochimiques Tau est une petite protéine qui s'associe aux microtubules et fait le lien entre les microtubules et les autres éléments du cytosquelette. Elle appartient à la famille des protéines MAP (Microtubule-Associated Protein) et est retrouvée chez de nombreuses espèces animales. Chez l'homme, elle est exprimée surtout dans les neurones et joue un rôle important dans l'assemblage des monomères tubuliques en microtubules. Les microtubules sont des tubes dont les parois sont constituées de protofilaments (filaments formés de l'association linéaire de molécules de tubuline). Ils ont pour rôle le maintien de la forme des cellules et le transport intracellulaire axonal [GIGANT, B. et al., 2000]. La protéine Tau est traduite à partir d'un gène unique situé sur le chromosome 17. Son expression est régulée par un mécanisme d'épissage alternatif. Il existe six isoformes différentes de cette protéine chez l'homme adulte, ayant une longueur d'environ 400 acides aminés. Chacune de ces isoformes joue un rôle particulier à différentes étapes du développement. La protéine Tau est l'un des constituants majeurs des lésions intraneurales et des lésions fibrillaires gliales que l'on retrouve dans la maladie d'Alzheimer d'où le nom de « tauopathie ». Au cours du développement, cette protéine est phosphorylée notamment chez le
fœtus et dans le cerveau adulte. Cette phosphorylation régule les différents rôles de Tau. Cependant, chez les malades atteints de la maladie d'Alzheimer, les six isoformes de la protéine Tau sont anormalement phosphorylées (hyperphosphorylation) et jouent un important rôle dans l'une des étapes menant à l'agrégation. La protéine Tau s'agrège en filaments hélicoïdaux intraneuraux appelés PHF (Paired Helical Filament). Cette hyperphosphorylation associée à Alzheimer est due soit à une augmentation de l'activité de certaines kinases (la glycogène synthétase kinase 3 (GSK3), les kinases mitotiques, les SAPK pour Stress-Activated Protein Kinase), soit à une diminution de l'activité des phosphatases. Chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer, il a été observé la diminution de l'activité des phosphatases dans le cerveau et cette inhibition permet la formation d'épitopes spécifiques de la maladie d'Alzheimer tel que la sérine 422 phosphorylée [CAILLET-BOUDIN, M. L. et al., 1996]. L'hyperphosphorylation de Tau serait une des conséquences de cette inhibition et n'arriverait qu'après que la protéine Tau soit déjà agrégée en filaments. De plus, d'autres facteurs peuvent être mis en jeu comme l'ubiquitination ou l'oxydation. L'agrégation de Tau n'est pas spécifique à la maladie d'Alzheimer, on retrouve cet état dans d'autres maladies neurodégénératives. Cependant, il existe une protéine appelée apolipoprotéine E (Apo E) qui protège de la phosphorylation les protéines Tauin vitro[CAILLET-BOUDIN, M. L. et al., 1998]. Apo E existe sous trois isoformes Apo E2, Apo E3 et Apo E4 qui ne diffèrent que par la présence de cystéine ou d'arginine en positions 112 et 158 sur la chaîne protéique. Lorsque la protéine Tau est phosphorylée, il se forme une liaison spécifique entre celle-ci et Apo E2 (ou Apo E3). Cette liaison protège Tau de l'hyperphosphorylation et empêche l'assemblage en paire de filaments hélicoïdaux (PHF). [STRITTMATTER, W. J. et al., 1994]. Ainsi, Apo E2 et E3 semblent avoir une fonction protectrice en diminuant le risque de maladie à l'approche de la soixantaine. A l'opposé, Apo E4 tend à augmenter le risque et à diminuer l'âge de début de la maladie [SAUNDERS, A. M., 2000]. In vivo, cette fonction de Apo E n'a pas encore été mise en évidence. La découverte récente des mutations du gène Tau sur le chromosome 17 dans la maladie de Parkinson renforce le rôle important de la protéine Tau dans toutes les maladies neurodégénératives et souligne le fait que chacune des isoformes de la protéine Tau exprimée dans des neurones différents pourrait conduire à des pathologies très différentes [BUEE, L. et al., 2000]. Une découverte récente dans la recherche de traitements de la maladie d'Alzheimer vient d'être réalisée. Des chercheurs américains ont en effet réussi à réduire de 80 % le nombre de plaques amyloïdes chez un modèle de souris Alzheimer en injectant des anticorps dirigés contre le peptide Ab Les anticorps ont réussi à passer la barrière hémato-encéphalique et se sont déposés sur les cellules microgliales du système nerveux central. Par un mécanisme de phagocytose, le peptide Ab et lesa été digéré, puis éliminé plaques préexistantes ont disparu [BARD, F. et al., 2000]. Par cette découverte, on peut envisager une perspective de traitement de la maladie d'Alzheimer. 1.4 Amyloses endocrines
L'amylose endocrine est causée par l'amyline (ou IAPP pour Islet Amyloid Polypeptide) qui est un peptide co-délivré avec l'insuline par les cellules b du pancréas de tous les mammifères. Chez l'homme, cette molécule IAPP forme des fibrilles amyloïdes pancréatiques au cours des pathologies comme l'insulinome. Ces fibres se forment dans le pancréas notamment sous la forme d'îlots amyloïde d'ou le nom de « Islet Amyloidosis (IA) » chez plus de 90 % des patients diabétiques et chez 18 % des sujets normaux représentant un état prédiabétique. Entre pH5 et pH7, l'amyline adopte une structure tridimentionnelle riche
