Pathologie moléculaire/protéines/Anomalies de repliement des protéines

Anomalies de repliement des protéines

Au cours de leur maturation, les protéines subissent les repliements nécessaires à la formation de leurs structures tertiaire et quaternaire. Des anomalies du repliement protéique sont à l’origine de plusieurs maladies, en particulier neurodégénératives. Environ une vingtaine de maladies comprennent des anomalies de repliement protéique comme l’amylose, la maladie d’Alzheimer, le diabète de type 2, les maladies à prions comme la maladie de Creutzfeldt-Jakob (CJD) et l’encéphalite bovine spongiforme (ESB). Les anomalies de repliement protéique jouent également un rôle dans la maladie de Marfan (mutations de la fibrilline-1) (#12651868#).

Dans ces cas, les protéines anormales s’agrègent progressivement et subissent une transition entre leur structure normale et une conformation anormale en feuillets bêta-plissés. La plupart des maladies du repliement protéique surviennent spontanément à un âge spécifique, en général avancé.

Ces maladies peuvent avoir une contribution génétique. Dans ce cas, les protéines pathologiques ont une variation de séquence (mutation) qui les prédispose à s’agréger. Cette prédisposition conduit à des maladies plus précoces, comme dans la maladie d’Alzheimer ou la maladie de Creutzfeldt-Jakob.

Ainsi, la mutation "Flemish" dans le peptide bêta-amyloïde conduit à une forme précoce de maladie d’Alzheimer. La mutation japonaise du polypeptide amyloïde insulaire (IAPP) conduit à une forme précoce de diabète de type 2. Une mutation constitutionnelle de la protéine prion Prp conduit à une forme héréditaire de maladie de Creutzfeldt-Jakob.

Maladie : Protéine constituant les agrégats

• Maladies neurodégénératives
  • Sclérose latérale amyotrophique : Superoxyde dismutase 1 (SOD1) (wt ou mutant) + protéine(s) inconnue(s)
  • Maladie d’Alzheimer : AB peptides (plaques); protéine tau (tangles)
  • Encéphalopathies spongiformes  : protéine prion (Prp)
  • Maladies de Parkinson : Alpha-synuclein (wt ou mutant)
  • Démences fronto-temporales : Tau (wt ou mutant)
  • Polyneuropathie familiale amyloïde I : Transthyretin (plus de 45 mutants)
  • Polyneuropathie familiale amyloïde III  : Apolipoprotein AI (fragments)

• Les extensions poly-Q
  • Maladie de Huntington : Huntingtin
  • Atrophie musculaire spino-bulbaire  : Androgen receptor [whole or poly(Q) fragments]
  • Ataxie spinocérébelleuse : Ataxins [whole or poly(Q) fragments]
  • Ataxie spinocérebelleuse 17 : TATA box-binding protein [whole or poly(Q) fragments]

• Autres maladies
  • Atrial amyloidosis : Atrial natriuretic factor
  • Finnish hereditary systemic amyloidosis  : Gelsolin (71 amino acid fragment)
  • Hereditary non-neuropathic systemic amyloidosis  : Lysozyme (whole or fragments)
  • Haemodialysis-related amyloidosis  : B2-microglobulin
  • Hereditary renal amyloidosis : Fibrinogen A -A chain, transthyretin, apolipoproteins Ai and AII, lysozyme, gelsolin, cystatin C
  • Hereditary cerebral amyloid angiopathy : Cystatin C (minus a 10-residue fragment)
  • Injection-localised amyloidosis : Insulin
  • Medullary carcinoma of the thyroid  : Calcitonin (fragment)
  • Primary systemic amyloidosis  : Ig light chains (whole or fragments)
  • Secondary systemic amyloidosis  : Serum amyloid A (whole or 76-residue fragment)
  • Senile systemic amyloidosis  : Transthyretin (whole or fragments)
  • Type II diabetes : Amylin

La maladie de von Hippel-Lindau est un syndrome de prédisposition tumorale à l’origine de tumeurs rénales, endocrines ou vasculaires. Dans cette maladie, la protéine suppresseur de tumeur (VHL) mutante est le siège d’anomalies du repliement et d’une instabilité qui joue un rôle clé dans le processus pathologique.

Injectivité

Comme ces agrégats protéiques pathogènes sont résistants à la désagrégation par les agents désinfectants habituels, ils peuvent infecter d’autres patients par le biais d’extraits tissulaires, d’instruments médico-chirurgicaux.

Ces anomalies de repliements sont à l’origine de leur accumulation dans les tissus. Les chaines polypeptidiques natives, produites dans les ribosomes, sont arrangées en hélice alpha ou feuillets bêta. La configuration de ces arrangements est critique pour leur fonction, leur transport dans les organelles cellulaires ou leur dégradation.

Lors du processus de repliement, des produits intermédiaires partiellement repliés sont produits. Ils peuvent former des agrégats intracellulaires entre eux ou se lier à d’autres protéines.

Protéines chaperones

Dans des circonstances normales, ces intermédiaires sont stabilisés par des protéines chaperones, qui interagissent directement avec ces protéines. Ces protéines chaperones aident au repliement des protéines et à leur transport à travers le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi et au delà. Certaines chaperones sont synthétisées de façon constitutive et sont impliquées dans le trafic protéique intracellulaire normal. D’autres sont induites par le stress cellulaire, comme la chaleur, comme les protéines de choc thermique (heat shock proteins ou HSPs). Elles évitent aux autres protéines lésées par la chaleur de se replier de façon anormale.

Lorsque le repliement protéique est anormal, les chaperones facilitent la dégradation de la protéine pathologique. Ce processus implique le plus souvent, l’ubiquitine, une autre protéine de choc thermique. Celle-ci se lie à la protéine anormale (ubiquitylation ou ubiquitination) et la marque pour sa dégradation dans le complexe protéasome.

Il existe plusieurs mécanismes par lesquels une anomalie du repliement protéique peut entrainer une accumulation intracellulaire et une maladie.

Défaut de transport intracellulaire et sécrétion de protéines critiques

Dans le déficit en alpha1-anti-trypsine, les mutations dans la protéine ralentissent significativement le repliement. Les intermédiaires partiellement repliés s’agrègent dan le réticulum endoplasmique et ne sont pas secrétés. Les agrégats sont cytotoxiques pour les hépatocytes et entrainent une cytolyse hépatique parfois néonatale (hépatite néonatale). Il s’y associe un déficit en enzyme circulante qui cause un emphysème panlobulaire. Dans la mucoviscidose (fibrose kystique du pancréas), certaines mutations retardent la dissociation de la protéine CFTR d’une de ses chaperones. Il s’ensuit un repliement anormal et une perte de fonction protéique.

De même, dans l’hypercholestérolémie familiale, des mutations dans les récepteurs de lipoprotéines de basse densité (récepteurs LDL) entrainent un repliement anormal de la protéine.

Le stress RE induit par les protéines non repliées ou mal repliées

Les protéines non repliées ou mal repliées s’accumulent dans le réticulum endoplasmique (RE). Cette accumulation entraine une réponse cellulaire, appelée ‘réponse aux protéines non pliés’ (Unfolded Protein Response, UPR, médiée par plusieurs protéines localisées dans ou de part et d’autre de la membrane du réticulum endoplasmique.

Les domaines intra-luminaux de ces protéines sont sensibles aux anomalies du repliement protéique. Leurs domaines intracytoplasmiques activent des voies de signalisation qui réduisent les niveaux de protéines mal pliées en augmentant la production de protéines chaperones et en ralentissant la traduction protéique.

Paradoxalement, l’activation de la réponse aux protéines non repliées (UPR) conduit aussi à la mort cellulaire par activation des caspases, en particulier une caspase résidente du réticulum endoplasmique, la caspase-12 (CASP12).

Ainsi, les protéines mal repliées déclenchent initialement la fonction cytoprotectrice de cette réponse mais si les protéines anormales persistent, les fonctions cytotoxiques pro-apoptotiques l’emportent et déclenchent l’apoptose.

Les agrégations de protéines mal repliées, causées par les mutations géniques, la sénescence et des facteurs environnementaux inconnus sont maintenant reconnus comme des facteurs de maladies dégénératives comme la maladie d’Alzheimer, la maladie de Huntington, la maladie de Parkinson et probablement le diabète de type 2.

Le manque de glucose et d’oxygène, le stress cellulaire causé par la chaleur, entrainent également des anomalies de repliement des protéines et déclenchent une réponse aux protéines UPR

Agrégation de protéines anormales

Les protéines anormales ou mal repliées peuvent se déposer dans les tissus et interférer avec leur fonction normale. Les dépôts peuvent être intracellulaire, extracellulaire ou les deux. Ces agrégats peuvent directement ou indirectement causer des anomalies tissulaires et des maladies. Ces maladies sont appelées protéinopathies ou maladies d’agrégation protéique.

L’agrégation protéique est un processus complexe qui se déroule en plusieurs étapes. Les dérivées les plus précoces de ce processus peuvent être toxiques, probablement par l’exposition de radicaux NH ou CA qui peuvent servir des donneurs ou d’accepteurs de liaison hydrogène dans des interactions anormales avec d’autres protéines cellulaires.

Les agrégations protéiques anormales sont une caractéristique fréquente de beaucoup de maladies neurodégénératives du cerveau. Tauopathies

Les dépôts filamenteux et les agrégats constitués de la protéine associée aux microtubules (MAP) appelée Tau caractérise plusieurs maladies neurodégénératives appelées ‘tauopathies’.

Le lien entre l’agrégation de Tau et le développement de la neurodégénération et la mort neuronale n’est pas connu. En particulier, l’action toxique ou protectrice des agrégats n’est pas clairement établie.

Maladies conformationnelles

• Déficit en alpha1-antitrypsine
• Démences conformationnelles
  • Démences tardives
  • Amyloses
  • Encéphalopathies à prions
  • Maladie de Huntington
  • Maladie d’Alzheimer
• Porphyries ALAD

Maladies neurodégénératives

Beaucoup de maladies humaines sont causées par des mutations qui n’affectent pas l’expression ou la fonction protéique mais qui modifient la stabilité conformationnelle de la protéine. Cette instabilité conformationnelle peut empêcher la protéine de se replier correctement pour réaliser sa structure tertiaire et favorise les liens intermoléculaires, ce qui entraîne une agrégation intracellulaire de la protéine et des lésions cellulaires. Cette accumulation est lente ce qui explique que ces maladies touchent des personnes adultes ou âgées.

Cette agrégation de protéines de conformation anormale est observée dans plusieurs maladies neurodégénératives, comme la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et les encéphalopathies spongiformes.

Dans ces maladies, une des conséquences des mutations observées est l’instabilité moléculaire des protéines codées, qui entraîne la formation de liens bêta intermoléculaires, par lesquels les brins peptidiques s’alignent de façon parallèle pour former des feuillets bêta extrêmement stables. Ces feuillets bêta s’accumulent dans les cellules et éventuellement les tissus (amylose tissulaire), et provoquent une maladie.

Dans plusieurs maladies neurodégénératives, comme la maladie de Parkinson, la maladie d’Alzheimer ou d’autres maladies neurodégénératives tardives, on peut observer des agrégations protéiques causées par des anomalies conformationnelles.

Des changements mineurs de conformation peuvent être cytotoxiques sans entraîner des dépôts amyloïdes. C’est en particulier le cas des accumulations de protéine mutante dans le réticulum endoplasmique des hépatocytes pour l’alpha-1-antitrypsine et la neuroserpine dans les neurones. Dans la maladie d’Alzheimer et d’autres démences, les lésions surviennent lors des liaisons intermoléculaires initiales qui précèdent la formation des plaques amyloïdes.

Une seule modification d’acides amines suffit à des anomalies du repliement protéique et le déclenchement d’une maladie conformationnelle. Cela est particulièrement vrai lorsque les anomalies touchent les domaines fonctionnels de la protéine, comme dans les serpines.

Propagation et prions

Les études structurales des serpines ont montré un phénomène curieux des encéphalopathies familiales ou acquises : la capacité des oligomères protéiques et des filaments à se propager, et pour les prions, à se propager de façon infectieuse.

L’agrégation en filaments polymériques est particulièrement susceptible de se produire en présence d’un récepteur de brin bêta, comme pour le feuillet bêta des mutants d’alpha1-antitrypsine de conformation instable.

Les serpines et les prions dimérisent en échangeant des domaines et les oligomères initiaux, comme ceux des serpines, agissent comme une matrice ou un moule pour la propagation des changements conformationnels.

La modification se propage de molécule en molécule, qui s’étendent pour former des polymères à longue chaîne. Ce phénomène est bien illustré par les mutations de l’antithrombine.

Alors que les mutations de l’alpha 1-antitrypsine et de la neuroserpine entraînent la formation de polymères à longue chaîne, celles de l’antithrombine entraîne la formation de monomères inactifs d’antithrombine.

Selon un processus voisin de celui proposé pour les encéphalopathies à prions, la forme anormale d’antithrombine se lie à une molécule normale d’antithrombine, qui conduit à la propagation de l’inactivation conformationnelle.

Thérapeutique

Le fait que les maladies conformationnelles soient dues à des liaisons bêta aberrantes ouvre des possibilités thérapeutiques. Elles reposent sur le blocage de la formation des liens bêta et l’augmentation du turnover des agrégats accumulés. Des chaperons chimiques peuvent aussi être utilisés pour stabiliser les intermédiaires de la voie de repliement.

Amyloses

Les amyloses forment un groupe hétérogène de maladies caractérisées par le dépôt tissulaire d’une substance légèrement éosinophile, acellulaire et aux propriétés tinctoriales spécifiques. Les traits caractéristiques de la substance amyloïde est la coloration par le rouge Congo et la biréfringence à la lumière polarisée. Les mécanismes moléculaires qui déterminent ces dépôts sont très variés et spécifiques de chaque maladie de ce groupe. Cependant, elles partagent presque toutes un mécanisme commun, la formation de liaison bêta formée par des liens hydrogène entre des boucles et des feuillets peptidiques. Quelques protéines plus grandes et très organisées comme les cystatines peuvent former des liens intermoléculaires par des échanges de domaines, comme les liaisons boucle-feuillet des serpines. Le résultat est la formation de polymères dans lesquels les molécules individuelles retiennent leur structure ordonnée. Dans d’autres protéines, comme la beta2-microglobuline, le lysozyme ou la transthyrétine, la liaison survient par l’alignement des segments de peptides pour donner les structures bêta de la substance amyloïde. Le terme d’amylose ne désigne pas une maladie, mais le dépôt extracellulaire d’une substance insoluble rappelant l’amidon dans les tissus, décrit dès la moitié du 19ème siècle par Virchow. Ce dépôt, localisé ou systémique, peut s’observer dans de nombreuses circonstances pathologiques, très hétérogènes. Cette substance possède des caractéristiques spécifiques qui permettent son identification. Elle est colorée par le rouge Congo. Elle apparait ainsi rouge en lumière conventionnelle et verte en lumière polarisée (biréfringence). La microscopie électronique a montré sa nature fibrillaire et sa configuration en feuillets bêta-plissés, qui explique ses propriétés tinctoriales.

Les amyloses constituent ainsi un large groupe d’anomalies liées aux anomalies de repliement d’une protéine extracellulaire. Ce repliement protéique anormal génère des agrégats protéiques insolubles et pathogènes qui se déposent dans les tissus sous forme de fibrilles protéiques et de feuillets bêta. Ces feuillets bêta sont formés par des filaments de polypeptides en zigzag.

Les deux formes les plus fréquentes d’amylose systémique sont l’amylose AL constituée de chaînes légères et l’amylose AA ou amylose réactionnelle, secondaire à des maladies inflammatoires chroniques, comme l’arthrite rhumatoïde ou les infections chroniques. L’incidence de l’amylose AL est d’environ 1 cas pour 100 000 personnes et par an dans les pays occidentaux. Les amyloses héréditaires forment un groupe de maladies encore en croissance, qui posent d’importants problèmes diagnostiques. En fonction de la topographie des dépôts, on distingue une amylose localisée et une amylose diffuse ou amylose systémique.

Amylogenèse
La voie finale de l’amylogenèse est la production de fibrilles amyloïdes dans la matrice extracellulaire. Le processus par lequel des protéines précurseurs produisent des fibrilles apparait multifactoriel et différé en fonction des types de substance amyloïde. Dans l’amylose AL, des substitutions d’acides aminés sur des positions spécifiques de la région variable de la chaîne légère surviennent à des fréquences plus grandes que dans les immunoglobulines non amyloïdogènes. Ces substitutions déstabilisent les chaînes légères et augmentent la probabilité de fibrillogenèse.

Amylose liée à la transthyrétine (amylose ATTR)
La transthyrétine normale est une protéine tétramérique qui possède quatre sous-unités identiques. Les monomères variants instables sont produits par la substitution d’un acide aminé. Ils permettent des précipitations de la protéine en cas de stimuli physiques ou chimiques, comme le pH local de surface, le champ électrique. Ces stimuli sont responsables des dépôts amyloïdes dans l’amylose AI et dans l’amylose TTR. Ils peuvent expliquer la spécificité d’organes des dépôts amyloïdes. L’âge joue un rôle dans la formation des fibrilles amyloïdes. En effet, les patients porteurs d’un variant transthyrétine n’ont pas de signes cliniques apparents jusqu’à la moitié de la vie, malgré la présence de transthyrétine anormale depuis le début de la vie. Lorsque les symptômes débutent, la progression est ensuite rapide, suggérant un effet d’âge. L’amylose cardiaque sénile est due aux dépôts de fibrilles dérivées de transthyrétine normale est spécifiquement observée chez des sujets âgés. Le rôle d’un essaimage dans la précipitation des fibrilles amyloïdes a été démontré in vivo, suggérant que l’amylose crée de l’amylose. Cela explique partiellement pourquoi l’amylose se concentre dans certains organes ou régions et épargne les autres parties du corps.

Les dépôts amyloïdes
Les dépôts amyloïdes sont identifiés sur la base de la biréfringence verte du rouge Congo au microscope optique et la présence de fibrilles non branchantes, rigides de 7,5 à 10 nm de diamètre en microscopie électronique. Par exemple, les molécules de lysozyme, de transthyrétine, d’apolipoprotéine A-I et de chaîne légère d’immunoglobuline s’associent pour former des feuillets bêta secondaires bien caractérisés en microscopie électronique, avec des distances interbrins et interfeuillets de 4,7 et 10 à 13 Å, respectivement.
La conformation originale des protéines ne peut plus être distinguée à ce stade. Les feuillets bêta contigus de chaines polypeptidiques constituent un protofilament. Quatre à six protofilaments sont enroulés les uns aux autres pour former la fibrille amyloïde, avec un diamètre de 7,5 à 10 nm visible en microscopie électronique à transmission (grossissement x100,000). Cette ultrastructure de la fibrille permet l’intercalation régulière du colorant rouge Congo et donne à la substance amyloïde sa spécificité tinctoriale : la biréfringence vert pâle en lumière polarisée. Environ 21 protéines différentes peuvent former des dépôts amyloïdes. Malgré leurs structures et leurs fonctions très différentes, ces protéines ne peuvent être distingués morphologiquement lorsqu’elles forment des fibrilles amyloïdes. La forme fibrillaire de ces protéines est une structure primordiale formée par les liaisons hydrogène entre les groupes amide et carbonyl de la chaîne principale, plus que par les interactions des chaînes latérales qui conditionnent la structure des protéines globulaires fonctionnelles. La capacité à former de la substance amyloïde (amyloïdogènese) réside dans la capacité de ces protéines d’acquérir plus d’une conformation, ce qui les a fait surnommer ‘protéines caméléons’.

Une anomalie du repliement
La conversion de la structure d’une protéine native en feuillets bêta-plissés antiparallèles (dans lesquels les extrémités N- et C-terminales sont orientées de façon antiparallèle) est un processus proche du repliement protéique physiologique. Le repliement des polypeptides nouvellement synthétisés se déroule selon une séquence rapide de modifications conformationnelles dans le cytoplasme. Selon la théorie de l’énergie de repliement (theory folding energy landscape), le processus suit une voie en entonnoir dans laquelle les dérivés intermédiaires conformationnels forment progressivement un produit final. De plus, à un minimum d’énergie semblable à celui atteint par la protéine native, le polypeptide peut acquérir une forme mal repliée alternative et relativement stable, favorable à l’agrégation protéique. Lorsque le processus de repliement est terminé et la protéine secrétée, beaucoup de protéines sont en équilibre dynamique sous une conformation partiellement repliée. Dans cet état, elles parcourent la partie finale de la voie de repliement, formant en définitive une protéine native ou une protéine mal repliée. Sous une forme d’hélice aléatoire, le polypeptide mal replié entre dans une voie en entonnoir dans laquelle les intermédiaires conformationnels deviennent progressivement mieux organisés lorsqu’ils fusionnent, résultant en un état natif plus stable. Cet état minimise l’énergie libre, qui résulte de l’équilibre entre le niveau d’enthalpie et le niveau d’entropie conformationnelle (L’enthalpie est l’énergie interne de la protéine repliée, principalement déterminée par le type et le nombre de liens intramoléculaires; l’entropie conformationnelle est le niveau d’aléatoire du polypeptide en solution). Les chaînes protéiques sont synthétisées dans le réticulum endoplasmique (ER), se replient, passent dans un système cellulaire de contrôle de qualité protéique, puis sont secrétées. Dans l’environnement extracellulaire, les mutants peuvent changer d’une forme totalement repliée à une forme partiellement repliée, puis parcourir à nouveau la partie finale du processus de repliement. Les protéines normales sont fonctionnellement actives et sont métabolisées normalement. Les polypeptides partiellement repliés ou mal repliés ont une forte propension à s’agréger les uns aux autres. Les conditions environnementales et les modifications chimiques peuvent favoriser cette agrégation. Les oligomères, ou protofibrilles, peuvent médier une toxicité cellulaire en activant l’apoptose dans les cellules cibles. Dans l’amylose, les protéines mal repliées potentiellement pathogènes peuvent se former de différentes façons. La protéine peut avoir une propension intrinsèque à avoir une conformation pathogène, qui s’accroit avec l’âge. C’est le cas de la transthyrétine normale des patients atteints d’amylose systémique sénile. Elle peut avoir une concentration élevée dans le sérum, ce qui favorise son dépôt tissulaire et son agrégation. C’est le cas de la beta2-microglobuline chez les patients en hémodialyse au long cours. Un autre mécanisme amylogène est le remplacement d’un acide aminé par un autre dans la séquence protéique, comme dans les amyloses familiales (ou amyloses héréditaires). Un troisième mécanisme est le remodelage protéolytique d’un précurseur protéique, comme dans les cas de la protéine précurseur amyloïde (APP) de la maladie d’Alzheimer. Ces mécanismes peuvent agir indépendamment ou en association. En plus de la capacité amylogène intrinsèque de la protéine pathogène, d’autres facteurs peuvent agir en synergie dans la formation des dépôts amyloïes. Par exemple, la protéine précurseur peut atteindre une concentration locale critique et déclencher la formation de fibrilles bêta. Ce processus peut être favorisé par des facteurs environnementaux locaux et par des interactions avec les matrices extracellulaires.

Pathogénie
Bien que les mécanismes moléculaires en cause soient différents et spécifiques de chaque maladie, la plupart entrainent la formation de feuillets bêta par des liaisons hydrogène entre des boucles et des feuillets peptidiques. Certaines protéines de grande taille et très ordonnées, comme les cystatines, peuvent former des liens intermoléculaires par échange de domaines, comme pour les liens boucle-feuillet des serpines. Le résultat est la formation de polymères dans lesquels les molécules individuelles conservent partiellement leur structure ordonnée. Dans d’autres protéines, comme la beta2-microglobuline, le lysozyme ou la transthyrétine, les liaisons surviennent selon un alignement remarquable pour donner les feuillets bêa donnant la substance amyloïde. Les dépôts amyloïdes forment d’abondants dépôts de substances anhistes intercellulaires dans les tissus, Ces dépôts interfèrent avec la fonction normale de l’organe (comme le cœur, le poumon et le foie). Ces anomalies fonctionnelles sont à l’origine de symptômes de la maladie. Cependant dans les maladies neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer, le rôle des dépôts amyloïdes dans la physiopathogénie est encore mal connu.

Instabilité protéique
Une instabilité des variants amylogènes a été observée pour la cystatine C (CST3), les chaînes légères d’immunoglobulines (Ig Kappa et Ig Lambda). La gelsoline, par exemple a une conformation native qui est thermodynamiquement moins stable que sa contrepartie normale. Une réduction de la stabilité normale de la transthyrétine (TTR) rend plus facile la dissociation du tétramère en monomères. Les mutations du lysozyme déstabilisent sa structure tertiaire et génèrent ainsi des protéines partiellement repliées et des conformations spatiales différentes du même polypeptide. Les monomères de transthyrétine (TTR) et les formes partiellement repliées de lysozyme ont une forte propension à s’auto-agréger et s’assembler en fibrilles. Le rôle de la stabilité protéique dans la formation des bêta-fibrilles in vivo a été montré dans l’étude des variants naturels, non amylogènes de la transthyrétine et du lysozyme. La déstabilisation est nécessaire et probablement non suffisante pour conférer le potentiel amylogène à une protéine. D’autres caractères structuraux sont nécessaires pour la formation de bêta-fibrilles. Les acides aminés chargés peuvent moduler le processus d’agrégation, agissant comme des portiers structuraux par le biais de forces répulsives. Dans certaines protéines, comme la gelsoline (GSN), à l’origine de l’amylose type 5 (type finlandais), le repliement anormal causé par la mutation rend la protéine susceptible à une attaque par des protéases, générant des polypeptides hautement amylogènes. Les formes normales et amylogènes de la protéine sont synthétisées et secrétées comme des protéines natives, mais le système cellulaire de contrôle de qualité semble incapable de reconnaître et détruire les mutants pathogènes.

Environnement tissulaire
En dehors de la cellule, les variants amylogènes atteignent un état d’équilibre entre les formes complètement repliées et les formes partiellement repliés, mais de grandes variations de concentrations de ces deux formes sont observées. En réalité, tous les facteurs qui modifient la structure tridimensionnelle des protéines, comme le pH bas, l’oxydation, l’augmentation de la température, la protéolyse limitée, les ions métalliques et les osmolytes, peuvent déplacer l’équilibre vers un état amylogène partiellement replié. Par exemple, l’urée aux concentrations observées dans la médullaire rénale augmente la formation des bêta-fibrilles en réduisant le temps nécessaire à la formation d’un noyau, qui initie la croissance rapide de la bêta-fibrille. De plus, le microenvironnement local modifie l’organisation ultrastrucurale des dépôts protéiques. Par exemple, le pH influence le devenir des chaînes légères d’immunoglobulines, favorisant l’agrégation amyloïde en bêta-fibrilles ou les agrégats amorphes caractéristiques de la maladie de dépôts des chaînes légères. Des composants fréquents des dépôts amyloïdes, comme les glycosaminoglycanes et la protéine amyloïde du sérum (SAP pour serum amyloid P) peuvent jouer un rôle semblable en activant l’intégration de la forme soluble du polypeptide dans la bêta-fibrille plus stable et insoluble.

Protéolyse
Dans certaines amyloses, seul un segment limité du précurseur de la protéine amyloïde forme les bêta-fibrilles. L’exemple type est la protéine APP de la maladie d’Alzheimer, dans laquelle les bêta-fibrilles sont constituées par les fragments allant des résidus 39 à 43 de la protéine APP de 753 acides aminés. À l’inverse, dans l’amylose associée au lysozyme (amylose de type 8) (MIM.105200), une protéine de pleine taille est détectée dans les bêta-fibrilles.

L’implication de la protéolyse d’une protéine précurseur varie beaucoup d’un type d’amylose à l’autre. Le remodelage des chaines légères d’immunoglobulines en est un modèle. Cette protéolyse est réalisée par des enzymes extracellulaires ou péricellulaires, comme ceux qui clivent la protéine amyloïde sérique SAA. Dans le cas de la gelsoline (GSN) et de la protéine amyloïde Abri, les protéases agissent dans l’appareil de Golgi. La flexibilité structurale de la protéine-cible permet une protéolyse limitée et ainsi un relargage de polypeptides, qui ne présentent pas la plasticité conformationnelle de la protéine originale.

Une maladie conformationnelle
Les amyloses appartiennent au cadre des maladies conformationnelles parce que l’agrégation protéique pathologique est principalement due à une réduction de la stabilité du repliement et à la possibilité d’avoir plusieurs conformations L’agrégation protéique a une action toxique pour la cellule. Le risque d’agrégation est minimisé par les séquences protéiques qui confèrent une forte stabilité et une cinétique rapide de repliement. Ces deux phénomènes minimisent la concentration de protéines partiellement repliées, d’agrégation facile. Cependant, certaines protéines requièrent d’importantes anomalies structurales de leur état natif pour remplir leur fonction. Par exemple, la plasticité structurale de la classe émergente des ‘protéines non repliées’ favorise l’interaction avec leurs ligands. Pour ces protéines, le risque d’auto-agrégation semble la contrepartie d’une fonction sophistiquée. Les lipoprotéines amylogènes en sont un exemple. En fonction de la composition en acides aminés, les apolipoprotéines A-I sans lipides se comportent en protéines non repliées de façon native. Cet état garantit la plasticité de la protéine, qui peut se déplier partiellement lorsque les lipides sont relargués et se replier lorsque les lipides sont fixés. Ces caractéristiques sont particulièrement évidentes pour le domaine N-terminal de l’apolipoprotéine A-I, le constituant principal des fibrilles amyloïdes d’apolipoprotéine A-I. D’autres lipoprotéines, comme l’apolipoprotéine A-II, l’apolipoprotéine E et la protéine amyloïde sérique A (SAA), peuvent former des dépôts amyloïdes et constituent à ce titre un groupe particulier.

Une maladie transmissible médiée par les protéines
Certains modèles animaux d’amylose étudiant la protéine amyloïde sérique A (SAA) ou apolipoprotéine A-II ont fait suggérer une transmissibilité de l’amylose. Chez la souris, l’amylose AA est causée par une réaction inflammatoire qui produit une surproduction de la protéine de phase aigüe inflammatoire SAA (serum amyloid A). L’injection ou l’administration orale d’un facteur promoteur de l’amylose, un homogénat de fibrilles amyloïdes naturelles, accélère le dépôt de substance amyloïde au cours du processus inflammatoire. Ces données sont compatibles avec la capacité des fibrilles de catalyser les changements conformationnels d’une protéine soluble. La capacité de fibrilles préformées de déclencher la fibrillogenèse a été démontrée in vitro pour les peptides amyloïdes A, le lysozyme ou la beta2-microglobuline. À l’exception de la protéine prion (PrP), il n’a pas d’éléments en faveur d’une transmissibilité de l’amylose chez l’homme. Cependant, la formation d’amylose peut être accélérée par la présence de noyaux fibrillaires dans les tissus. Ainsi, chez les patients ayant une amylose associée à la transthyrétine (TTR) et qui reçoivent un transplant hépatique, la transplantation hépatique minimise la production de transthyrétine amylogène mais n’arrête pas la progression de l’amylose cardiaque, avec accumulation de transthyrétine sauvage et non plus mutée. Cette constatation rappelle la capacité de la protéine prion pathologique (PrPsc) à convertir sa contrepartie sauvage et normale (PrPc) en une conformation pathologique (PrPsc). La principale différence entre ces deux phénomènes est que l’accumulation de TTR sauvage est due à une TTR anormale du même patient et non transmise par un autre individu, comme dans le cas des maladies à prions.

Les autres constituants de l’amylose
Tous les dépôts amyloïdes contiennent de la protéine SAP (APCS), une glycoprotéine appartenant à la famille des pentraxines (PTXs) qui lie la substance amyloïde indépendamment de la protéine d’origine. Elle possède un motif protéique spécifique de fixation pour les fibrilles amyloïdes. SAP (APCS) est hautement protégé contre la protéolyse et ainsi rend les fibrilles amyloïdes résistantes à la dégradation. Les protéoglycanes sont également fréquents dans les dépôts amyloïdes et contribuent fortement au fort contenu en carbohydrates de la substance amyloïde. L’héparane sulfate en particulier à une cinétique de dépôt dans les tissus semblable aux protéines fibrillaires et colocalise avec des éléments constitutifs de la matrice extracellulaire, comme le perlecan, la laminine, l’entactine et le collagène IV. Ces molécules constituent une structure facilitant la phase initiale de la nucléation fibrillaire et pourraient jouer un rôle de cible dans la localisation des dépôts amyloïdes dans les tissus. Par exemple, l’apolipoprotéine E est une composante fréquente des dépôts amyloïdes et les études épidémiologiques ont montré un risque accru de maladie d’Alzheimer parmi les personnes porteuses de l’allèle 4 de l’apolipoprotéine E. Cependant, le rôle de l’apolipoprotéine 4 dans l’amylose systémique n’est pas clair.

La spécificité tissulaire des dépôts amyloïdes
La diversité de localisation des dépôts amyloïdes est encore inexpliquée. Des agrégats protéiques spécifiques se constituent dans des organes-cibles définis : la beta2-microglobuline dans les articulations, la chaine A du fibrinogène dans le rein, le variant Met30 de la transthyrétine dans les nerfs périphériques. Dans l’amylose à chaines légères (amylose AL), les dépôts peuvent intéresser n’importe quel organe. Le site de dépôts peut dépendre de plusieurs facteurs favorisant la formation de fibrilles, comme une haute concentration locale de protéines, un pH bas, la survenue d’un processus protéolytique ou la présence de fibrilles. Des interactions spécifiques avec des glycosaminoglycanes ou des récepteurs cellulaires de surface, comme le récepteur pur la glycosylation de produits finaux (RAGE pour advanced glycation end-products) Dans l’amylose AL, la reconnaissance de composants tissulaires particuliers, comme le collagène, par les chaînes légères d’immunoglobulines amylogènes peuvent déterminer la spécificité des dépôts tissulaires. Certaines chaines légères ont un tropisme spécifique pour le glomérule rénal, probablement à cause de l’interaction de ces protéines avec les cellules mésangiales.

Mécanisme des lésions tissulaires
Les mécanismes par lesquels les agrégats amyloïdes peuvent causer des lésions tissulaires et une dysfonction d’organe sont encore mal connus. Le dépôt de grande quantité de substance amyloïde peut altérer l’architecture tissulaire et provoquer une dysfonction d’organe. Les fibrilles amyloïdes peuvent également interagir avec des récepteurs locaux comme les RAGEs (récepteurs pour la glyocsylation de produits finaux). Dans la maladie d’Alzheimer, une réponse inflammatoire dans le cortex cérébral en réponse à l’accumulation de bêta-amyloïde contribue à la pathogenèse de la maladie. Dans l’amylose associée à la transthyrétine et la maladie d'Alzheimer, les intermédiaires oligomères solubles de l’assemblage fibrillaire sont cytotoxiques in vivo et in vitro. Les précurseurs fibrillaires solubles ont de fortes chances d’être des structures quaternaires qui médient une toxicité cellulaire par un stress oxydatif et activent la voie apoptotique. Selon cette hypothèse, les dépôts amyloïdes fibrillaires matures sont des réservoirs protéinacés en équilibre avec des ensembles plus petits, potentiellement toxiques (agrégats ordonnés). Plusieurs éléments cliniques suggèrent que, dans l’amylose AL par exemple, des oligomères solubles sont toxiques et contribuent aux dysfonctions d'organes. Par exemple, les neuropathies périphériques et les amyloses cardiaques et rénales s’améliorent considérablement après la chimiothérapie qui arrête la production de chaine légère avant que les dépôts amyloïdes ne régressent.

Maladies à prions

Les maladies humaines à prions (ou encéphalopathies spongiformes transmissibles) regroupent la maladie de Creutzfeldt-Jakob (CJD), la maladie de Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS) et le kuru. Il s’agit de maladies neurodégénératives rares touchant environ 1 personne pour 1 million dans le monde. Malgré cette rareté, ce groupe a fait l’objet d’une grande attention depuis la survenue d’une épidémie bovine d’une nouvelle maladie à prions, l’encéphalopathie spongiforme bovine (ESB), qui représentait une importante menace de santé publique. La transmissibilité de ces maladies a été montrée par inoculation intracérébrale d’homogénats de cerveau chez le chimpanzé dès les années 1960. L’épidémiologie des maladies à prions humaines montre trois types étiologiques : héréditaire, sporadique et acquis. Les cas héréditaires représentent environ 15% des cas. Les cas acquis, comme le Kuru et la MCJ iatrogène, sont rares. Toutes les maladies à prions humaines et animales partagent le même aspect histopathologique : une triade associant vacuolation spongiforme (pouvant toucher n’importe quelle partie de la matière grise), une prolifération astrocytaire et une perte neuronale. Des dépôts de substance amyloïde (ou plaques amyloïdes) peuvent s’associer. Ces plaques sont composées principalement de l’isoforme anormale, partiellement résistante aux protéines, d’une sialoglycoprotéine appelée protéine prion PrP. La protéine PrP s’exprime dans de très nombreux types cellulaires, mais à des niveaux très élevés dans les neurones. Elle joue un rôle de protéine de surface ancrée à l’inositol glycosylphosphatidyl. Une isoforme anormale de la protéine PrP (notée PrPSc) est l’agent transmissible, ou prion, de ce groupe de maladies. Cette isoforme est dérivé de l’isoforme cellulaire PrPCpar un mécanisme post-traductionnel. Cette modification est plus conformationnelle que covalente. Alors que PrPC est pleinement sensible à la protéolyse, PrPSc s’accumule dans le cerveau pendant la maladie et est partiellement résistante aux protéases. La protéine PrP est codée par le gène PRNP qui est un gène unique localisé sur le bras court du chromosome 20. Il mesure 16 kb et contient deux exons. Le cadre de lecture complet de 759 nucléotides est contenu dans le deuxième exon qui comprend la majeure partie de l’ARNm de 2,4 kb. Des mutations du gène PRNP ont été identifiées dans les formes familiales de MCJ, confirmant qu'il s’agissait d’une maladie mendélienne autosomique dominante. La MCJ peut dont être héritée par une mutation germinale ou transmise par inoculation. Les mutations pathogènes identifiées dans le gène PRNP sont réparties en deux groupes. Le premier regroupe des mutations ponctuelles entrainant une substitution d’acides aminés ou la production d’un codon stop entrainant l’expression d’une protéine PrP tronquée. Le deuxième regroupe des insertions codant un octapeptide répété cinq fois dans la protéine normale. D’importantes variabilités phénotypiques peuvent s’observer dans la même famille, avec des phénotypes allant de la MCJ classique à des démences atypiques de très longue durée sans les caractères histopathologiques classiques des encéphalopathies spongiformes. L’étiologie des formes sporadiques reste obscure. Elles pourraient être dues à des mutations somatiques de PRNP ou à des conversions spontanées et aléatoires de PrPC à PrPSc. Les maladies à prions peuvent se transmettre entre espèces mammifères par inoculation. Cependant, cette transmission est difficile et ne se fait que dans une petite proportion d’animaux inoculés et après une période prolongée d’inoculation. Le déterminant principal de cette barrière d’espèce est le degré d’homologie entre la protéine PrP de l’espèce donneuse et celle de l’espèce receveuse. Ainsi les souris transgéniques pour les hamsters PrP perdent leur barrière d’espèces pour les prions de hamster. La réplication des prions pourrait survenir par l’interaction directe entre PrPSc et PrPC , catalysant la conversion PrPC vers PrPSc. Cette action pourrait ainsi conduire à une conversion de quantité croissante de PrPC vers PrPSc. Les mutations pathogènes de la protéine prion pourraient entraîner la production d’une protéine anormale qui convertirait spontanément la protéine PrPSc chez des individus ayant reçu le gène muté anormal. Le fait que presque toutes les MCJ sporadiques s’observent chez des patients homozygotes pour un polymorphisme protéique apparemment anodin plaide fortement pour ce mécanisme. En effet, des interactions entre protéines prions peuvent survenir plus facilement chez les individus ayant deux copies identique du gène de la protéine PrP. Les hétérozygotes, produisant deux protéines différentes, pourraient donc être ainsi protégés.