4.7 Repliement des protéines et Maladies associées

Les protéines sont synthétisées sur les ribosomes sous forme de polypeptides naissants dans la lumière du réticulum endoplasmique (ER). La séquence d’acides aminés des protéines qui détermine les structures secondaires et tertiaires est dictée par la séquence nucléotidique de l’ARNm. À leur tour, les séquences d’ARNm sont déterminées par des séquences d’ADN (chapitres 23-25232425). Comme discuté précédemment, les expériences classiques de Pauling et Anfinsen ont conduit au concept selon lequel certains acides aminés clés aux positions appropriées sont essentiels au repliement des protéines en une conformation tridimensionnelle, fonctionnelle et unique. Il est étonnant que, sur des centaines de millions de possibilités conformationnelles, une seule forme conformationnelle soit associée à une protéine fonctionnelle. Le processus de direction et de ciblage du repliement des polypeptides intermédiaires sur les structures entièrement pliées est facilité, dans certains cas, par des protéines appelées chaperons moléculaires (également appelées chapéronines) (Figure 4-13).

FIGURE 4-13. Voie de repliement des protéines. Le pliage normal se produit à l’aide de chaperons et d’autres facteurs. Un mauvais repliement des polypeptides peut conduire à un ciblage vers des emplacements cellulaires inappropriés, à une dégradation dans le cadre du processus de contrôle de la qualité ou à une agrégation. Le produit agrégé est souvent résistant à la protéolyse et forme des agrégats, tels que des plaques amyloïdes.

Les chaperons se lient de manière réversible aux segments polypeptidiques dépliés et empêchent leur repliement incorrect et leur agrégation prématurée. Ce processus implique une dépense énergétique fournie par l’hydrolyse de l’ATP. Les protéines de choc thermique (hsp) constituent une classe majeure de protéines de choc thermique, qui sont synthétisées dans les cellules procaryotes et eucaryotes en réponse à un choc thermique ou à d’autres stress (par exemple, une exposition aux radicaux libres). Il existe de nombreuses classes de chaperons à choc thermique (HSP-60, HSP-70 et HSP-90) présents dans divers organites de la cellule. Les chaperons HSP-70 contiennent deux domaines : un domaine ATPase et un domaine de liaison peptidique. Ils stabilisent les polypeptides naissants et sont également capables de reconfigurer des formes dénaturées de polypeptides. La famille des chaperons HSP-70 présente un degré élevé d’homologie de séquence parmi diverses espèces (par exemple, les protéines E. coli et HSP-70 humaines présentent une homologie de séquence de 50%).

Un autre chaperon, la calnexine, est une protéine de liaison au Ca2+ de 90 kDa et est une phosphoprotéine membranaire intégrale de ER. Calnexin surveille l’exportation des glycoprotéines nouvellement synthétisées en se complexant avec des glycoprotéines mal repliées qui ont subi une glycosylation (chapitre 16). Si une protéine ne peut pas être repliée dans sa conformation appropriée, les chaperons aident à la destruction. Le processus de pliage est également facilité par l’environnement ionique, les cofacteurs et les enzymes. Par exemple, le repliement est affecté par la protéine disulfure isomérase, qui catalyse la formation de liaisons disulfures correctes, et par les peptidyl prolyl isomérases, qui catalysent l’isomérisation cis-trans de liaisons peptidiques spécifiques acide aminé-proline.

Un syndrome de démence caractérisé par un déclin progressif insidieux de la mémoire, de la cognition, de la stabilité comportementale et de la fonction indépendante a été décrit par Alois Alzheimer et est connu sous le nom de maladie d’Alzheimer (MA). L’âge est un facteur de risque important de la MA; il touche 10% des personnes de plus de 65 ans et environ 40% des personnes de plus de 85 ans. Les changements neuropathologiques caractéristiques comprennent la formation de plaques neuritiques extracellulaires et d’enchevêtrements intraneuronaux avec perte neuronale associée dans l’hippocampe et le néocortex (Figure 4-14).

FIGURE 4-14. Section du cortex cérébral d’un patient atteint de la maladie d’Alzheimer contenant un enchevêtrement neurofibrillaire (A) et une plaque neuritique (B). La section a été traitée avec la tache de Bielsehowsky. (Avec l’aimable autorisation de John M. Hardman.)

Le constituant principal des plaques extracellulaires est la protéine β-amyloïde (Aß), qui s’agrège en filaments de 8 nm. Aß est un peptide de 40 ou 42 résidus d’acides aminés et est dérivé protéolytiquement d’une glycoprotéine transmembranaire connue sous le nom de protéine précurseur β-amyloïde (β APP). Les enzymes qui clivent ßAPP en Aß sont appelées secrétases. ßAPP est largement exprimé, en particulier dans le cerveau, et son gène a été localisé sur le chromosome 21q. Deux observations majeures ont aidé à comprendre le rôle des peptides Aß dans la pathologie de la maladie d’Alzheimer. La première est que les patients atteints du syndrome de Down ont une trisomie 21 (c.-à-d., trois chromosomes 21 au lieu de deux), présentent des dépôts Aß et développent des caractéristiques classiques de la maladie d’Alzheimer à l’âge de 40 ans ou plus tôt. Deuxièmement, plusieurs mutations erronées de ßAPP ont été identifiées dans des cas de maladie d’Alzheimer autosomique dominante. Ces mutations dominantes de ßAPP affectent négativement l’action des sécrétases soit en augmentant le taux absolu d’excrétion d’Aß (mutations N-terminales), soit en augmentant le rapport Aß42 à Aß40 (mutations C-terminales).

Les troubles héréditaires de la maladie d’Alzheimer représentent moins de 1% de tous les cas. Les peptides Aß s’agrégent pour former des structures β conduisant à des fibrilles. Les peptides Aß42 sont plus neurotoxiques et produisent des effets toxiques par de nombreux mécanismes interdépendants. Ceux-ci peuvent impliquer des lésions oxydatives, des modifications de l’homéostasie du Ca2 + intracellulaire, une réorganisation du cytosquelette et des actions des cytokines.

Les enchevêtrements intraneuronaux sont des faisceaux de longs filaments hélicoïdaux appariés constitués de la protéine tau associée aux microtubules. La fonction normale de la protéine tau est de stabiliser les microtubules dans les neurones en améliorant la polymérisation de la tubuline. Normalement, la protéine tau est soluble; cependant, lorsqu’il est excessivement phosphorylé, il se transforme en polymère filamenteux insoluble. La dérégulation des événements de phosphorylation/déphosphorylation a été attribuée à une activité accrue de certaines kinases et à une activité diminuée de certaines phosphatases. Alors que les plaques sont pathognomoniques pour la MA, les enchevêtrements se retrouvent dans des maladies neurologiques étiologiquement différentes. Les troubles de l’hyperphosphorylation anormale et de l’agrégation aberrante de la protéine tau en polymères fibrillaires sont connus sous le nom de taupathies. Des exemples de taupathies en plus de la MA sont la paralysie supranucléaire progressive, la maladie de Pick, la dégénérescence corticobasale et les démences frontotemporales.

Deux autres gènes en plus de ßAPP ont été impliqués dans l’apparition précoce de formes autosomiques dominantes de la maladie d’Alzheimer. Les deux autres gènes responsables sont situés sur les chromosomes 14 et 1 et codent pour les protéines transmembranaires.la préséniline 1 (composée de 467 résidus d’acides aminés) et la préséniline 2 (composée de 448 résidus d’acides aminés). Ces protéines sont synthétisées dans les neurones mais leurs fonctions ne sont pas connues. Cependant, des mutations dans les gènes de la préséniline conduisent à une production excessive de peptides Aß42.

Les formes sporadiques de la maladie d’Alzheimer, responsables de 90% de tous les cas, sont des maladies complexes et peuvent représenter l’action combinée de facteurs environnementaux et de traits génétiques qui se manifestent sur de longues périodes. Diverses formes d’un gène polymorphe de l’apolipoprotéine E (apo E) qui se trouve sur le chromosome 19 se sont révélées plus fréquentes chez les personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer. Il existe trois allèles du gène apo E avec six combinaisons: ε2/ε2, ε3/ε3, ε4/ε4, ε2/ε3, ε2/ε4 et ε3/ε4. L’Apo E est une protéine porteuse de lipides qui est principalement synthétisée dans le foie; cependant, elle est également synthétisée dans les astrocytes et les neurones. La fonction des protéines apo E dans le métabolisme des lipoprotéines et leur relation avec l’athérosclérose prématurée sont discutées au chapitre 20.

Parmi les différents génotypes d’apo E, l’acquisition de deux allèles apo E ε4 peut multiplier par huit le risque de maladie d’Alzheimer. Chaque copie du gène apo E augmente le risque et déplace l’apparition à des âges plus bas. Le mécanisme biochimique par lequel la protéine apo E ε4 participe à la formation d’enchevêtrements et de plaques n’est pas clair. Plusieurs mécanismes ont été suggérés, à savoir l’interaction avec la protéine tau et la génération, et la clairance des peptides Aß.

Le traitement pharmacologique de la maladie d’Alzheimer consiste à corriger le déficit cholinergique en administrant des inhibiteurs de l’acétylcholinestérase (par exemple, la tacrine, le donépézil). La thérapie par les œstrogènes chez les femmes atteintes de la maladie d’Alzheimer a été associée à une amélioration des performances cognitives. L’effet bénéfique de l’œstrogène peut être dû à des actions cholinergiques et neurotrophiques. D’autres stratégies thérapeutiques visent à inhiber ou à diminuer la formation de peptides neurotoxiques. De plus, des médicaments qui digèrent sélectivement les peptides agrégés peuvent s’avérer utiles. Un vaccin expérimental qui contient du peptide AP administré à des souris productrices de plaque entraîne moins de formation de plaque chez les souris plus jeunes et la disparition des plaques chez les souris plus âgées. Les altérations de la formation de plaque chez la souris ont été associées à la préservation de la mémoire et de la capacité d’apprentissage. La vaccination n’a pas déclenché de réponse auto-immune ou de réaction toxique chez les animaux de laboratoire. Ainsi, ces études ont donné une impulsion au développement d’un vaccin humain.

Lors de l’évaluation d’un patient atteint de la maladie d’Alzheimer, il est essentiel d’exclure d’autres causes traitables de démence en déterminant des paramètres biochimiques et cliniques critiques. Certaines des anomalies traitables et relativement courantes qui produisent la démence comprennent l’abus de drogues, un déséquilibre électrolytique, des anomalies thyroïdiennes et une carence en vitamine B12; les anomalies moins courantes sont les tumeurs, les accidents vasculaires cérébraux et l’encéphalopathie de Wernicke.

L’amylose transthyrétine (également appelée polyneuropathie amyloïde familiale) est un syndrome autosomique dominant caractérisé par une neuropathie périphérique. Cette maladie résulte d’une des cinq mutations identifiées jusqu’à présent dans le gène de la transthyrétine. La transthyrétine est également appelée préalbumine (bien qu’elle n’ait pas de relation structurelle avec l’albumine) car elle migre avant l’albumine en électrophorèse standard à pH 8,6. La transthyrétine est synthétisée dans le foie et est une protéine plasmatique normale avec une concentration de 20-40 mg / dL. Il transporte la protéine de liaison à la thyroxine et au rétinol (chapitre 38). La concentration de transthyrétine est significativement diminuée dans la malnutrition et les taux plasmatiques sont diagnostiques des troubles de la malnutrition (chapitre 17).

Le gène de la transthyrétine réside sur le chromosome 18 et il est exprimé de manière constitutive. La structure primaire de la transthyrétine est constituée de 127 résidus d’acides aminés et de huit structures en feuilles β disposées en conformation antiparallèle sur des plans parallèles (Figure 4-15).

FIGURE 4-15. La structure de la transthyrétine. La molécule contient huit brins β antiparallèles (A-H) disposés dans deux plans parallèles. La forme circulante de la transthyrétine est un tétramère. Certaines mutations du gène de la transthyrétine sont associées à l’amylose et huit des altérations des acides aminés à l’origine de cette maladie sont indiquées. Dans le plasma, la transthyrétine est un tétramère composé de monomères identiques. Il semble que des mutations provoquent l’agrégation de l’intermédiaire déplié monomère de la transthyrétine en une formation de fibrilles β-amyloïdes insolubles.

Les EST peuvent présenter des présentations héréditaires, infectieuses et sporadiques. De plus, la maladie héréditaire peut également être infectieuse. La MCJ se présente à la fois comme un trouble autosomique dominant héréditaire et sous une forme transmissible. Dans l’hypothèse ”protéine uniquement », la protéine prion anormale, introduite à partir de sources externes ou produite par le gène de la protéine prion mutée, affecte le repliement normal des protéines et déplace le repliement de la protéine prion vers la formation de protéines prion anormales. La conversion de la protéine prion normale, dont la fonction est inconnue, en une forme aberrante implique un changement conformationnel plutôt qu’une modification covalente. La protéine prion anormale fonctionne comme une graine qui induit la protéine prion cellulaire normale vers les protéines de structure β riches en amyloïdogènes anormales qui peuvent être propagées et transmises à d’autres cellules. La forme agrégée de la protéine prion formant l’amyloïde est résistante à la protéolyse.

La conversion d’une protéine prion naturellement sensible à la protéase en une forme résistante à la protéase se fait in vitro en mélangeant les deux protéines. Cependant, ces protéines prion résistantes à la protéase ne sont pas infectieuses. Ainsi, dans l’hypothèse ”protéine seule » de l’infection à prions, l’acquisition d’une conformation abherrante n’est pas suffisante pour la propagation de l’infectiosité. Cependant, dans le système de la levure (Saccharomyces cerevisiae), la forme anormale de prion de la protéine de levure, introduite par fusion de liposomes, est capable d’ensemencer un changement conformationnel auto-propageant des protéines normales, qui s’accumulent sous forme d’agrégats. Les agrégats sont transmissibles aux cellules de levure filles avec la propagation d’un phénotype anormal.

Récemment, un grave problème de santé publique est apparu en montrant qu’une maladie à prions chez les bovins peut franchir les barrières des espèces et infecter les humains. Cela s’est produit lorsque les bovins ont été nourris avec de la farine faite de moutons infectés par la tremblante. Les bovins ont développé l’ESB (communément appelée « maladie de la vache folle »). Par la suite, lorsque les gens ont consommé du bœuf contaminé au prion, un petit nombre, principalement en Grande-Bretagne, ont développé une variante de la MCJ (VMCJ) environ cinq ans plus tard. La variante de la MCJ est une forme unique de maladie à prions qui survient dans une population beaucoup plus jeune que ce à quoi on pourrait s’attendre d’une MCJ héréditaire ou sporadique. L’ESB et la vMCJ partagent de nombreuses caractéristiques pathologiques similaires suggérant un lien étiologique entre la vMCJ humaine et l’ESB bovine.

La protéine suppresseur de tumeur p53 fournit encore un autre exemple de mal repliement des protéines pouvant entraîner des effets pathologiques, dans ce cas des cancers (p est pour la protéine et 53 pour son poids moléculaire approximatif de 53 000). Le gène de p53 est situé sur le bras court du chromosome 17 (17 p) et code pour une phosphoprotéine de 393 acides aminés. Dans de nombreux cancers, le gène p53 est muté et l’absence de protéine p53 normale a été liée au développement de pas moins de 40% des cancers humains.

La p53 normale fonctionne comme un suppresseur de tumeur et est un facteur de transcription qui participe normalement à la régulation de plusieurs gènes nécessaires au contrôle de la croissance cellulaire, de la réparation de l’ADN et de l’apoptose (mort cellulaire programmée). Le p53 normal est un tétramère et il se lie à l’ADN d’une manière spécifique à la séquence. L’un des gènes régulés par la p53 produit une protéine connue sous le nom de p21, qui interfère avec le cycle cellulaire en se liant aux cyclines kinases. Les autres gènes régulés par p53 sont MDM2 et BAX. Le premier gène code pour une protéine qui inhibe l’action de p53 en faisant partie d’un mécanisme de rétroaction réglementaire. On pense que la protéine fabriquée par le gène BAX joue un rôle dans l’apoptose induite par la p53.

La plupart des mutations des gènes p53 sont des mutations faux sens somatiques impliquant des substitutions d’acides aminés dans le domaine de liaison de l’ADN. Les formes mutantes de p53 sont des protéines mal repliées avec des conformations anormales et l’incapacité de se lier à l’ADN, ou elles sont moins stables. Les personnes atteintes du syndrome de Li-Fraumeni (un trait autosomique dominant) ont un gène p53 muté et un gène p53 normal. Ces personnes ont une sensibilité accrue à de nombreux cancers, tels que la leucémie, les carcinomes du sein, les sarcomes des tissus mous, les tumeurs cérébrales et les ostéosarcomes.

Des essais cliniques sont en cours pour déterminer si l’introduction du gène p53 normal dans les cellules tumorales par thérapie génique (chapitre 23) a des effets bénéfiques dans le traitement du cancer. Les premiers résultats de la thérapie génique p53 indiquent qu’elle peut rétrécir la tumeur en déclenchant l’apoptose.