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NEUROSCIENCES

Une protéine essentielle

Une équipe brésilienne explique le fonctionnement de la forme saine du prion, essentielle pour la protection des cellules nerveuses

Publié en Juin 2008

Prion cellulaire, en vert: abondant sur le neurone

GLAUCIA HAJJ/LIRCPrion cellulaire, en vert: abondant sur le neurone GLAUCIA HAJJ/LIRC

Le ministre de l’Agriculture anglais, John Gummer, a fait une apparition publique désastreuse au cours du mois de mai 1990. Il s’est fait filmer et photographier en train de savourer un succulent hamburger aux côtés de sa fille de quatre ans. Son intention était de montrer aux anglais et au reste du monde que la consommation de viande bovine était sans danger face à la grave crise que traversait l’élevage dans son pays. Une partie du bétail était en effet contaminée par la maladie de la vache folle, l’encéphalopathie spongiforme bovine qui s’est rapidement répandue en Europe, aux États-Unis et au Canada et qui, depuis 1987, a contraint à l’élimination d’environ 180 000 bovins infectés.

Les anglais allaient se rappeler de Gummer et se sentir trahis six ans plus tard, quand les premiers cas de contamination humaine sont apparus, probablement dûs à la consommation de viande contaminée. La version humaine de la maladie de la vache folle était un nouveau type (le quatrième connu) d’une maladie très rare et sans guérison, la maladie de Creutzfeldt-Jakob, qui détruit les cellules du système nerveux (neurones), provoquant de multiples trous dans le cerveau et lui donnant l’aspect d’une éponge.

Cette maladie qui réduit le cerveau à la moitié de sa taille originale avait déjà été décrite en Allemagne dans les années 20 par les neurologistes Hans Gerhard Creutzfeldt et Alfons Maria Jakob. Elle est désormais mieux comprise grâce aux récentes études menées au Brésil et à l’étranger. Dans un article publié au mois d’avril dans la revue Physiological Reviews, un groupe de chercheurs de São Paulo, Rio de Janeiro, Minas Gerais et Rio Grande do Sul coordonné par l’oncologiste Ricardo Renzo Brentani, de l’ Hôpital A.C. Camargo de São Paulo, a réalisé une ample révision des agents infectieux de cette maladie, réunissant ainsi des informations qui pourront favoriser le traitement de cette maladie qui s’est installée sournoisement durant 2 ou 3 décennies, évoluant à une vitesse effrayante et débouchant sur une mort tragique.

Les premiers signes apparaissent de manière subtile sous la forme de fatigue ou de dépression. Par la suite, les symptômes se manifestent par une perte d’équilibre durant les déplacements ou la manipulation d’objets et ces symptômes s’aggravent progressivement. Les mouvements deviennent plus lents, la vue se brouille, on perd l’usage de la parole, de la mémoire à court terme, et il est chaque fois plus difficile de retrouver son chemin ou des objets. «En moins d’un an, 9 personnes infectées sur 10 sont à tel point affaiblies qu’elles restent alitées et décèdent», déclare le neurologiste Ricardo Nitrini, de l’Université de São Paulo (USP), qui a détecté, il y a 11 ans, le premier cas brésilien d’une variante de la maladie provoquée par une modification génétique.

Outre la nouvelle variante de Creutzfeldt-Jakob due à la consommation de viande contaminée et la version génétique transmise de père en fils, il y a encore deux autres formes de cette maladie qui détruit le système nerveux central. La plus commune, appelée spontanée, apparaît par hasard, encore pour des raisons inconnues et touche une personne sur 1 million. La dernière variante se transmet au cours de chirurgies par l’utilisation d’équipements contaminés ou de transfusions sanguines et également il y a quelques années, par l’utilisation d’hormones de croissance prélevées sur des cerveaux de cadavres et remplacées de nos jours par des hormones synthétiques afin de traiter les troubles de croissance.

L’avancée de la maladie de la vache folle en Europe et en Amérique du Nord, ainsi que l’apparition de nouvelles formes de la maladie chez l’homme, ont intensifié les recherches sur la nouvelle variante de Creutzfeldt-Jakob qui, depuis 1996, a tué 160 personnes en Angleterre et dans les pays voisins, dont la fille d’un ami de l’ancien ministre John Gummer. Le principal vecteur suspecté a mis en échec les médecins et les biologistes durant des décennies. À l’inverse de ce qui se produit avec d’autres maladies infectieuses, le vecteur de la maladie de Creutzfeldt-Jakob n’est pas un virus, comme on l’a cru pendant longtemps. Il s’agit encore moins d’une bactérie ou d’un protozoaire, qui sont des microorganismes qui se multiplient seuls et sont facilement traités. Actuellement, on pense que la maladie est provoquée par une protéine défectueuse appelée prion (particule infectieuse protéinique). Un simple contact du prion avec des protéines saines qui se trouvent en abondance à la surface des neurones modifierait leur structure selon un effet domino que rien ne pourrait arrêter. Les molécules déformées, plus stables que les protéines saines adhèrent les unes aux autres, créant de longues fibres toxiques pour les neurones.

Le chercheur nord-américain Stanley Prusiner a reçu le prix Nobel de Médecine en 1997 pour avoir découvert le prion dans le cerveau de moutons présentant un type d’encéphalopathie spongiforme appelée scrapie et pour avoir expliqué son action sur les protéines saines. Cette découverte a poussé les chercheurs du monde entier à mener des recherches sur la protéine défectueuse et sur ses effets dans l’organisme. Alors que toute l’attention se portait sur les prions, une autre question de base, et peut être la plus importante, était sous-jacente. Comment réagissait la protéine normale, la protéine prion cellulaire, située sur la surface de toutes les cellules du corps et en plus grande quantité dans le système nerveux central ? Personne ne le savait et ne semblait s’en soucier. Il y avait même des raisons pour ignorer le prion cellulaire. En 1990, le biologiste moléculaire Charles Weissmann a créé une lignée de souris qui ne produisait pas cette protéine. Ces animaux n’ont pas développé la maladie spongiforme et ont apparemment survécu sans dommages apparents. Personne n’imaginait que cette protéine puisse jouer un rôle si important dans l’organisme. «On avait une vision limitée», déclare Brentani.

Brentani qui soupçonnait que la nature ne perdrait ni son temps ni son énergie à créer une protéine sans activité biologique, a suivi son intuition, naviguant à contre-courant. «C’était l’opportunité d’entrer dans un domaine d’étude brûlant qui n’intéressait personne», déclare-t-il. Une lettre publiée dans la revue Nature en 1991 l’a encouragé à aller de l’avant. Trois ans auparavant, Brentani avait présenté une théorie selon laquelle deux rubans de la molécule d’acide désoxyribonucléique (ADN) permettaient d’expliquer la production de protéines, et non seulement d’une seule comme on l’imaginait. Il affirmait également que les protéines codifiées par fragment complémentaire des rubans d’ADN jouaient des rôles complémentaires en étant capable d’interagir chimiquement et de s’emboîter les unes aux autres comme une clé dans une serrure. D’un point de vue évolutif, il était normal que les fragments d’ADN qui codifient une protéine et celle qui s’y relie soient proches, car la probabilité d’émigrer ensemble vers une autre région du matériel génétique est grande en cas de repositionnement. Selon Brentani, il s’agissait d’une hypothèse à laquelle personne ne croyait, à part lui, bien sûr.

Dans cette lettre publiée par la revue Nature, le chercheur Dimitry Goldgaber, de l’Université Publique de New-York aux États-Unis, expliquait comment le prion cellulaire pouvait interagir avec l’eau (une des caractéristiques chimiques des protéines) et déclarait que si Brentani avait raison, le fragment d’ADN complémentaire à celui du gène du prion cellulaire contiendrait des informations sur la protéine qui probablement l’actionnerait. C’était une piste à ne pas ignorer.

À l’époque où Brentani menait des recherches sur les protéines liées au cancer ; il a décidé d’analyser le prion et la molécule qui l’activait. En collaboration avec la biochimiste Vilma Martins, de l’institut Ludwig de Recherche sur le Cancer (LICR), et du biochimiste Vivaldo Moura Neto, de l’Université Fédérale de Rio de Janeiro (UFRJ), le chercheur a découvert la structure d’une autre protéine, décrite en 1997 dans la revue Nature Médecine.

Cette protéine, appelée ensuite STI-1, (stress inducible protein 1) était composée de 543 acides aminés (blocs formateurs des protéines) et était pratiquement deux fois plus grande que le prion cellulaire. Il restait juste à découvrir ce que faisaient les deux. «Nous avions deux hypothèses, soit ils ne servaient à rien, soit ils étaient indispensables aux phénomènes essentiels pour les neurones, comme le processus de neuritogenèse (formation des ramifications qui connectent les neurones entre eux)», déclare Brentani.

Comme les neurones n’étaient pas leur spécialité, Brentani et Vilma ont fait appel au neuroscientifique Rafael Linden, de l’Institut de Biophysique de l’UFRJ, afin de collaborer aux prochains tests. L’association entre le prion cellulaire et la STI-1 s’est révélée essentielle tant pour la maturité et la formation des prolongements des neurones que pour les protéger d’une mort cellulaire programmée et appelée apoptose (Recherche FAPESP nº 94). Mais ce n’était pas leurs seules fonctions. Des expériences menées sur des souris avec la collaboration d’Iván Izquierdo, l’un des plus grands spécialistes mondiaux de la mémoire et actuellement chercheur à l’Université Pontificale Catholique du Rio Grande do Sul (PUC-RS), ont révélé que le prion cellulaire et la protéine STI-1 sont essentiels à la formation de la mémoire. Sans eux, les animaux se souviennent difficilement d’une chose apprise quelques heures auparavant (mémoire à court terme) et également il y a quelques jours (mémoire à long terme). Des tests réalisés sur des souris génétiquement modifiées pour ne pas produire le prion cellulaire comme celles de Charles Weissmann ont montré que ces animaux n’étaient normaux qu’en apparence. Quand ils vieillissaient, ils avaient davantage de problèmes de mémoire que les souris produisant le prion cellulaire.

Le groupe brésilien a également découvert que la forme saine du prion provoque des effets distincts sur différents tissus. À l’UFRJ, l’équipe de Linden a constaté que cette protéine module la réponse du système immunitaire aux inflammations, soit en augmentant, soit en réduisant l’activité des cellules de défense. Le prion cellulaire stimule l’action des neutrophiles, cellules de défense les plus abondantes dans l’organisme. L’intérieur des os longs produit quotidiennement 100 milliards de ces cellules. Elles sont les premières à arriver sur le lieu de l’inflammation où rapidement elles englobent et détruisent les microorganismes intrus comme les bactéries. En provoquant des inflammations sur des souris, Linden s’est aperçu que les souris génétiquement modifiées pour de ne pas produire de prion cellulaire possédaient moins de neutrophiles qui réagissaient plus lentement que ceux des rongeurs normaux. Un effet non souhaitable en cas d’infection.

L’effet contraire a été observé sur les macrophages, des cellules du système de défense qui éliminent les cellules mortes. Les macrophages des souris sans prion cellulaire étaient plus actifs que ceux des souris qui produisaient la protéine, un résultat qui ne favorisait pas les animaux modifiés car l’action exagérée des macrophages peut provoquer des lésions sur les tissus sains. «La réponse à l’inflammation et la présence de cellules mortes doivent être finement équilibrées», déclare Linden. «Il n’est pas souhaitable qu’elles soient absentes ni exacerbées. Sans réponse inflammatoire le corps ne résiste pas à l’infection mais une réponse excessive peut également tuer».

Il y a également des évidences qui montrent que le prion cellulaire protège les cellules du cœur contre les agressions chimiques. À l’hôpital A.C. Camargo, Vilma Martins et le médecin Beatriz de Camargo ont détecté la présence d’une forme légèrement modifiée des protéines prion cellulaire sur 160 patients traités durant leur enfance à l’adriamycine, remède qui peut provoquer des lésions cardiaques. Des données préliminaires suggèrent que les porteurs de la variante du prion cellulaire sont davantage vulnérables aux effets toxiques du composé que les porteurs de la version normale de la protéine.

À mesure que les recherches en laboratoire avançaient, il devenait évident que le prion cellulaire était nécessaire au maintien d’un organisme sain, ce qui n’est pas négligeable pour une molécule considérée sans importance biologique quelques années auparavant. Mais on ne comprenait pas encore pourquoi dans certaines situations, elle protégeait et parfois endommageait les tissus. Il était donc important de savoir comment cette protéine, ressemblant à un ballon de baudruche muni d’une ficelle et qui se trouve sur la surface externe des cellules, communiquait avec l’intérieur de la cellule.

Vilma Martins, Brentani et Linden ont alors fait appel au biologiste cellulaire Marco Antonio Prado, de l’Université Fédérale de Minas Gerais (UFMG), qui mène des recherches sur le transport des molécules à l’intérieur des cellules. Vilma Martins et Kil Sun Lee, de l’Institut Ludwig avec la collaboration de Prado et Ana Maria Magalhães ont teinté le prion cellulaire avec un colorant vert fluorescent pour suivre le chemin qu’il parcourait en utilisant un microscope confocal qui permet d’observer des cellules vivantes. Ils ont ensuite marqué le prion infectieux, avec l’aide de Byron Caughey, des Instituts Nationaux de Santé Étasuniens, et l’ont vu pénétrer dans les neurones.

Le prion cellulaire, ancré sur des régions plus épaisses de la surface cellulaire par une longue molécule de sucre et de lipides en forme de ficelle, glisse vers des zones plus fines de la membrane des neurones. C’est là qu’il est amené à l’intérieur de vésicules contenant des acides, où il se connecte à d’autres protéines et envoie des ordres au noyau ou à d’autres régions. Il ne faut qu’une heure et demie au prion pour réaliser cette opération, entre le début de sa plongée et son émersion à la surface.

Le groupe brésilien a constaté qu’il ne s’agissait pas d’un déplacement hasardeux. Le prion cellulaire ne se déplace que si des protéines spécifiques s’y accouplent et l’activent. Tel un hôte qui reçoit ses invités à une fête, le prion sain conduit les autres protéines à l’intérieur des neurones. Une fois à l’intérieur de la cellule, cette association composée du prion et sa protéine activatrice envoie des signaux chimiques qui ordonnent l’émission de prolongements ou la production de composés chimiques qui empêchent la mort du neurone, déclarent les chercheurs dans un article qui sera publié dans quelques mois par le Journal of Neuroscience. «Sans cette plongée à l’intérieur de la cellule, la communication faite par l’entremise du prion cellulaire serait incomplète», déclare Linden.

De nombreux doutes apparaissent en fonction de l’avancée des recherches sur le prion cellulaire. Linden, Vilma Martins, Prado, Izquierdo et Brentani ont commencé à réexaminer tout ce qui avait été publié sur le prion sain et le prion défectueux en fin d’année 2006, afin de définir un cadre général plus précis. Cette révision, la plus importante dans ce domaine, a été publiée en avril par la revue Physiological Reviews, après l’analyse de 597 articles qui ont permis d’avoir une une vision unifiée du fonctionnement du prion cellulaire et une nouvelle approche sur le fonctionnement de certaines maladies comme la maladie de Creutzfeldt-Jakob et la maladie de la vache folle.

Dans un travail intitulé «Physiology of the prion protein», les équipes de São Paulo, Rio, Minas et Rio Grande do Sul ont émis l’hypothèse selon laquelle le prion cellulaire fonctionnait comme un aimant sélectif, auquel n’adhéraient que certains types de molécules de l’organisme. La protéine A STI-1, bien sûr, n’est pas unique. Des études réalisées au Brésil et à l’étranger ont identifié 30 autres protéines qui s’unissent au prion cellulaire, actionnant une série de réactions chimique qui représentent des ordres cellulaires distincts. «Nous pensons que le prion cellulaire aide à l’organisation des signaux extérieurs avant qu’ils ne soient envoyés à l’intérieur des cellules», déclare Prado.

Selon Linden, ce rôle d’aimant sélectif ou de plateforme de montage de signaux chimiques permet d’expliquer les résultats expérimentaux jusqu’alors contradictoires, comme la protection contre une mort cellulaire dans certains cas, ou l’action toxique dans d’autres. «Cette activité de plateforme de montage de signaux chimiques est si importante pour la vie que d’autres protéines jouent probablement le même rôle dans l’organisme. C’est pour cette raison que des souris génétiquement modifiées pour ne pas produire de prion cellulaire survivent sans aucun dommage apparent», déclare Brentani. Ce nouveau rôle favorise une nouvelle compréhension des maladies dues aux prions. Selon les dernières découvertes sur la maladie de Creutzfeldt-Jakob, les neurones ne meurent pas seulement parce que l’adhésion des prions infectieux génère des agglomérats toxiques. Le groupe brésilien mise sur le fait que la mort cellulaire se produit également à cause de la perte de molécules saines de prion, laissant les neurones vulnérables aux agressions chimiques. Selon Prado, il est probable que l’effet toxique du prion infectieux s’intensifie avec la perte du prion cellulaire. «Nous saurons si nous avons raison quand les idées proposées commenceront à être testées», déclare Linden.

L’espoir est que la compréhension du fonctionnement du prion cellulaire offre des alternatives en termes de traitements qui puissent également s’appliquer aux maladies neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer, due à l’agglomération de protéines dont la production est contrôlée par le prion sain. «Les approches thérapeutiques qui se sont uniquement basées sur ce qu’on savait déjà sur la forme défectueuse du prion n’ont pas donné de bons résultats», déclare Linden. Un remède utilisé contre le paludisme dans les années 30, la quinacrine, s’était montré capable d’inhiber l’agression du prion infectieux dans des expériences in vitro. Mais il n’a pas empêché la maladie de se développer quand il a été testé sur des êtres humains. «Jusqu’à présent, il n’y a pas de traitement efficace», déclare Ricardo Nitrini, de l’USP.

Au même titre qu’Hélio Gomes et Sérgio Rosemberg de l’USP, Leila Chimelli, Nitrini et Vilma Martins de l’UFRJ font partie de l’équipe nationale chargée du diagnostic de maladies dues au prion et dont la notification est obligatoire depuis 2005. Cette mesure est indispensable pour connaître les régions les plus affectées et les populations les plus vulnérables aux quatre types de la maladie de Creutzfeldt-Jakob. Le groupe a analysé 35 cas suspects entre 2005 et 2007, et 26 de ces cas ont été considérés positifs (la confirmation est faite par l’analyse du tissu cérébral après la mort). Il s’agissait de personnes qui avaient spontanément développé la maladie. Aucun cas ne concernait la consommation de viande contaminée. «Il y a certainement une sous-notification de la maladie dans le pays qui devrait normalement représenter 200 cas par an», déclare Vilma.

L’équipe de Vilma Martins de l’institut Ludwig de Recherche sur le Cancer Ludwig poursuit également ses recherches sur l’action de la STI-1. Ces dernières années, le groupe a constaté qu’un fragment de cette molécule, un peptide composé de 16 acides aminés, avait la même fonction que la protéine entière et qu’il favorisait la formation de la mémoire chez les souris. Des tests initiaux réalisés sur des plaques à essai montrent que ce peptide inhibe également le développement d’une tumeur cérébrale appelée glioblastome et qui tue en six mois. C’est pour cette raison que ce fragment de molécule a été breveté par l’Institut Ludwig en 2007 aux États-Unis. «Il s’agit de données prometteuses», déclare Vilma Martins. On ne peut rien dire de plus pour l’instant, il faut attendre la réalisation de tests de laboratoire sur les animaux et si tout se déroule bien, sur les êtres humains.

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Projet Rôle de la protéine prion cellulaire dans le processus physiologique et pathologique II Modalité Projet thématique Coordonnatrice Vilma Regina Martins – Institut Ludwig  Investissement R$2.053.618,66.

Article scientifique
LINDEN, R.et al. Physiology of the prion protein. Physiological Reviews. v.88, pp.673-728,2008.

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