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les maladies à prion

Exemple d’infection par des agents transmissibles non

conventionnels (ATNC)

Etienne Decroly, CNRSEdecroly@free.fr

Parasites obligatoires non viraux

Rappel des caractéristiques principales des virus Agents infectieux, parasites obligatoires Composés de

Infectieux

Matériel génétique (ADN ou ARN)Protéines (virions extracellulaires)

Doués de capacités réplicatives avec intermédiaires extracellulaires infectieux

Il existe différents types d’éléments réplicatifs simples non viraux

Eléments transposables (non infectieux) Viroïdes (ARN) Prions (protéines)

Les prions sont des ATNC

Caractéristiques principales des prions

Agents infectieux non conventionnels, parasites obligatoires

Composés uniquement de protéines «PRoteinaveaus Infectious Particles ONly »

Résistent aux procédés d’inactivation classiques des acides nucléiques (Alper et al. (1967,

Nature, 214, 764-6)

Aucun ARN ou ADN infectieux isolé à ce jour

Les protéines ne perdent pas leur pouvoir pathogène sous l’action d’agents faiblement

dénaturants classiques (chaleur, UV, trypsine), mais ne résistent pas aux traitements très

dénaturants

Il n’y a pas d’anticorps induit chez l’hôte

Leur mode de réplication lent suppose des modifications post-traductionnelles de

protéines endogènes

Il existe des formes non infectieuses (génétiques) des maladies à prion

Hypothèse du mécanisme d’action des ATNC

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Transconformation

Stanley Prusiner (prix Nobel 1997) : une fraction protéique "modifiée" entraîne la pathologie et transmet la maladie (à un autre animal de la même

espèce ou d'une autre espèce) par sa capacité à modifier la protéine "normale" endogène

en l'absence de tout acide nucléique

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Protéine normale endogène QuickTime™ et undécompresseur TIFF (non compressé)

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Protéine infectieuse

Espèces infectées par des prions

Encéphalophaties subaiguës spongiformes transmissibles (ESST)

Protéines de type prion identifiées chez la levure et les champignons revues : Tuite, 2000, Cell, 100, 289-92; Wickner et al., 2000, Current Biol., 10, R335-7

Encéphalophaties subaiguës spongiformes transmissibles (ESST) induites par les prions

Types d’affection Maladies à infection lente et évolution rapide Au niveau fonctionnel :

Maladies neuro-dégénératives démences troubles moteurs (ex : scrapie) QuickTime™ et un

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Dépôts extracellulaires spongioses, vacuolisation

(cf maladie d'Alzheimer)

Au niveau physiopathologique :

Le cas de la scrapie :

1730 : la tremblante du mouton est connue (France, Grande Bretagne, Allemagne)

C’est une maladie transmissible (1750 importations de moutons anglais en Australie)

N’est pas transmise à l'homme depuis le XVIIIème siècle Un mouton atteint de tremblante :

lésions de grattage (scrapie)(B. Chamak, pour la science, 1999, vol 256)

Anomalies histologiques du SNC des moutons :

1920-21 : description clinique et neuropathologique de maladie de CJ : mêmes lésions que la tremblante (Hans Gerhardt Creutzfeldt) 1930-40 : transmission de la tremblante du mouton au mouton, à la chèvre, avec très longue incubation (+/- 24 mois)

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Vacuolisationdes neurones

et gliose

Les maladies à prion chez l’homme

Trois formes principales de maladies liées à la même protéine

Transmissibles

Sporadiques

Familiales

La protéine du prion humaine « PrP »

(PrP normal, PrPc cellulaire, PrPsen sensible PK)

Le gène PRNP 1 copie sur le chromosome 20 (homme), protéines homologues dans

les autres espèces infectées 3 exons dont seul le troisième code pour la PrP

Structure déduite de la séquence Homme : 253 résidus (27 kDa ); souris, hamster : 254; mouton : 256

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Distribution anatomique : ubiquitaire (1)

Détection de PrP par immunocytochimie Détection de ses ARNm par hybridation in situ Expression de la GFP sous le contrôle du promoteur de PrP bovin

chez la souris

(voir numéro spécial de Microscopy Research and Techniques, 2000, 50Lemaire-Vieille et al., 2000, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 97, 5422-27)

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microscopie électronique

cervelet :E, H : Corps

multivésiculaires C :golgi

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Distribution anatomique : ubiquitaire (2)

Système nerveux central : cortex cérébral et cérébelleux, hippocampe, tronc cérébral… (neurones et glie: astrocytes, microglie)

Système nerveux périphérique : neurones des plexus du tube digestif

Organes lymphoïdes (rate, ganglion, amygdales, thymus) : lymphocytes, monocytes, cellules réticulaires dendritiques (présentatrices d'antigènes)

Sang circulant : plaquettes,  sérum, lymphocytes, monocytes. Toutefois il semble qu’il y ait peu de risque de transmission par voie sanguine de nvCJD)

Placenta : transmission fœto-maternelle ? Muscle squelettique (jonction neuro-musculaire) :

transcription des ARNm de PrP chez des souris inoculées avec des extraits de cerveau contenant PrPres, les muscles des pattes arrières expriment PrPres et sont contaminants (Bosque et al., 2002, PNAS, 99, 3812-17)

Mais le muscle de vaches porteuses de l'ESB ne semble pas contaminant

Testicule, ovaire, intestin, (poumon), pancréas (îlots endocrines), glandes salivaires (à sécrétion muqueuse), foie, estomac, intestin, rein (certaines portions tubulaires du néphron)

Fonction naturelle de la PrPC (1)

Impliquée dans le métabolisme des ions Cu, Zn : Les ions divalents induisent l'endocytose de PrP intacte, mais pas de PrP

dépourvue du domaine N-terminal de fixation à ces ions (Sumudhu et al., 2001, Current Biology, 11, 519–23)•

PrP avec activité superoxyde dismutase (SOD) et protection contre radicaux O2 (voir Brown, 2001, TINS, 24, 85-90).

Interaction de PrP avec composants de matrice extracellulaire (laminine, glycosaminoglycannes sulfatés) et leur récepteur (de laminine, complexe dystroglycan) :

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Fonction naturelle de la PrPC (2)

Rôle de transduction de signal ? (Mouillet-Richard et al., 2000, Science, 289, 1925-28)

L’agrégation de PrP (anticorps) active la tyrosine-kinase Fyn par l'intermédiaire de la cavéoline 1

PrP se fixe à l'ARN PrP possède des propriétés proches de celles de la protéine NCp7 de la

capside de HIV-1, vis à vis de l'ARN viral (Gabus et al., 2001, J. Biol.

Chem., 276, 19301-9)

Etude de souris KO PrP -/- : sans phénotype marqué

KO "conditionnel" de PrP (souris) : induction du KO 9 semaines après la naissance sans apparition de dégénérescence neuronale (Mallucci et al., 2001, EMBO J., 21, 202-10)

Biosynthèse, maturation (lignées de neuroblastome, cultures transfectées…)

Synthèse au niveau du réticulum endoplasmique Clivage du peptide signal N-glycosylation (sur 0, 1 ou 2 sites, les 3 formes existent) Formation du pont disulfure Transfert du groupement GPI et clivage des 23 derniers résidus

nécessite la participation de molécules chaperonnes (Bip + protéine X (Prusiner))

Clivage au niveau de la membrane plasmique avec libération de PrP dans le milieu extracellulaire de la PrP (métalloprotéases) avec libération du fragment C-terminal (environ

142 aa, MM 27-30 kDa = PrP 27-30) de la PrP par des métalloprotéases (ADAM10 et ADAM17) (entre aa 112-113)

avec libération d'un peptide N-terminal de 11,5 kDa. Ce clivage est stimulé par les activateurs de la protéine kinase C, mais pas par ceux de la protéine kinase A (Vincent et al., 2001, J. Biol. Chem., 276, 33743-46)

Biosynthèse, maturation

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Synthèse au niveau du RE

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3 isoformes co-existent

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Interprétation : synthèse simultanée de trois formes de PrP (Hedge et al. 1988 Science 279,827-834)

Distribution sub-cellulaire

Dans les radeaux lipidiques de la membrane plasmique (T 1/2

= 5 heures) enrichis en cavéoline 1

Localisation à la synapse (hippocampe, domaines pré- et post-

synaptiques)

Endocytose et adressage au compartiment endosome-

lysosome (dégradation par le système ubiquitine protéasome)

Formes pathogènes de la PrP : la PrPSC (scrapie) ou PrPres (résistante à la PK)

Le même gène code pour PrPsen et PrPres

Caractéristiques physico-chimiques de PrPres

PrPres est capable d'induire la transformation de PrPsen en

PrPres

Caractéristiques biochimiques de PrPres

Mécanismes de la pathogenèse de PrPres

Invasion du Système Nerveux Central par PrPres

Barrières d’espèces

Le même gène code pour PrPsen et PrPres

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Le développement de la MCJ n’est pas lié à l’apparition d’une mutation dans le gène codant pour la PrP

En effet :

Pour les formes infectieuses, même si il y a une notion de terrain génétique (polymorphismes ), la maladie est liée à la contamination par la PrPres exogène

Pour les formes familiales la maladie est liée à une mutation « pré-existante »

: MCJ (145,171,178,183,200,210 ), Syndrome GSS (102,105,117,180,198,217 ), FFI (178 )

Il n’y a pas de liaison génétique directe pour les MCJ sporadiques. Toutefois, les polymorphismes (180,208,232) prédisposent à la maladie

Formes pathogènes de la PrP : la PrPSC (scrapie) ou PrPres (résistante à la PK)

Le même gène code pour PrPsen et PrPres

Caractéristiques physico-chimiques de

PrPres

PrPres est capable d'induire la transformation de PrPsen en

PrPres

Caractéristiques biochimiques de PrPres

Mécanismes de la pathogenèse de PrPres

Invasion du Système Nerveux Central par PrPres

Barrières d’espèces

Caractéristiques physico-chimiques de PrPres

Résistance à la protéolyse par la protéinase K (méthode de détection) Solubilité modifiée

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Destruction : autoclavage 136° 18 minutes, ou chaleur sèche 160° 24 h

Pourquoi cette résistance?

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Modification de la conformation 3D : transformation de l’hélice alpha en feuillet béta

Conséquences de cette modification ?

Les fragments de PrPres s’accumulent dans les cellules et

s'agrègent en donnant des dépôts extracellulaires similaires

aux dépôts amyloïdes

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A: dépôts amyloïdes (IC)B : cortex cérébral patient GSS (IC)C : fibrilles PrP synthétiques (ME)

Formes pathogènes de la PrP : la PrPSC (scrapie) ou PrPres (résistante à la PK)

Le même gène code pour PrPsen et PrPres

Caractéristiques physico-chimiques de PrPres

PrPres est capable d'induire la

transformation de PrPsen en PrPres

Caractéristiques biochimiques de PrPres

Mécanismes de la pathogenèse de PrPres

Invasion du Système Nerveux Central par PrPres

Barrières d’espèces

La transmission n’est possible que chez un hôte exprimant la PrP

Notion issue de la barrière d’espèce (Tremblante du mouton)

Les souris KO PrP -/- ne développent pas la maladie après infection par la PrPres

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S. Lehmann, medecine/sciences 1996; 12: 949-58

PrPres induit la transformation de la PrPsen

2 modèles types (Aguzzi et al 2001 Nature Cell Biol., 2, 118-125)

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Transformation induite

Nucléation polymérisation QuickTime™ et undécompresseur TIFF (non compressé)

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Modèle des différentes formes d’infection à prions

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Formes sporadiques

Formes pathogènes de la PrP : la PrPSC (scrapie) ou PrPres (résistante à la PK)

Le même gène code pour PrPsen et PrPres

Caractéristiques physico-chimiques de PrPres

PrPres est capable d'induire la transformation de PrPsen en PrPres

Caractéristiques biochimiques de PrPres

Mécanismes de la pathogenèse de PrPres

Invasion du Système Nerveux Central par PrPres

Barrières d’espèces

Caractéristiques biochimiques de

PrPres

problème des souches

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Homogénat de cerveauDigestion PK

WB! Une seule bande si déglycosylation

Kahan et al medecine Sciences1997;13(1):62-5 Collinge et al 1996, Nature 383,685-690

les anomalies (cliniques, neuropathologiques) sont liées à l'augmentation du % de PrPCtm

edge et al., 1998, Science, 279, 827-34

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:

Preuves de l'existence de différentes souches de MCJ

Il existe différentes maladies liées à la PrP• Temps d'incubation variable• Histopathologie spécifique• Profils de glycosylation différents

Or il n'existe qu'un seul gène et une seule protéine du point de vue de la séquence primaire

ces différences démontrent l'existence de nvMCJ ces différences restent difficilement explicables par la théorie de la trans-conformation uniquement !

Y a-t-il d'autres protéines associées ?Y a-t-il des petits ARN associés ? Y a-t-il une infection virale associée ?

Formes pathogènes de la PrP : la PrPSC (scrapie) ou PrPres (résistante à la PK)

Le même gène code pour PrPsen et PrPres

Caractéristiques physico-chimiques de PrPres

PrPres est capable d'induire la transformation de PrPsen en PrPres

Caractéristiques biochimiques de PrPres

Mécanismes de la pathogenèse de PrPres Invasion du Système Nerveux Central par PrPres

Barrières d’espèces

Mécanismes pathogéniques de la PrPres

la PrPres entre en contact avec la PrPsen à la surface de la cellule cible et induit sa

transformation en PrPres. Par la suite l’endocytose de la PrPres via le récepteur de la

laminine augmente l'efficacité de la transformation PrPsen en PrPres.

Quels sont les conséquences ?

Perturbation de la biosynthèse de la PrP par le RE

Modification des glycosylations de la PrP

Dégénérescence neuronale suite à

Accumulation de la PrPres dans le RE et le cytosol

Libération de fragments toxiques dans le milieu extracellulaire (cf amyloïdes)

Apoptose des neurones

Formes pathogènes de la PrP : la PrPSC (scrapie) ou PrPres (résistante à la PK)

Le même gène code pour PrPsen et PrPres

Caractéristiques physico-chimiques de PrPres

PrPres est capable d'induire la transformation de PrPsen en PrPres

Caractéristiques biochimiques de PrPres

Mécanismes de la pathogenèse de PrPres

Invasion du Système Nerveux Central par

PrPres Barrières d’espèces

Mécanismes d’invasion par les prions

Rôle prépondérant du SI (même s’il n’y a pas de syndrome infectieux ni d’IgG)

La réplication périphérique précède l'invasion du SN

Tissus infectés (via le récepteur de la PrP (laminine))

Rate

Ganglions

Formations lymphatiques

Lymphocytes B

Plaques de Payers

Système réticulo endothélial

Intestins

ce sont les tissus à risque

Mécanismes d’invasion du SNS

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Schéma d'après Aguzzi et al., 2001, Nature Cell Biol., 2, 118-25)

Mécanismes d’invasion du SNS

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Progression des lésions cellulaires dans le SNS

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Formes pathogènes de la PrP : la PrPSC (scrapie) ou PrPres (résistante à la PK)

Le même gène code pour PrPsen et PrPres

Caractéristiques physico-chimiques de PrPres

PrPres est capable d'induire la transformation de PrPsen en PrPres

Caractéristiques biochimiques de PrPres

Mécanismes de la pathogenèse de PrPres

Invasion du Système Nerveux Central par PrPres

Barrières d’espèces

Barrières d’espèces

ESB :

• 1988 transmission aux souris (intracérébrale puis voie

orale)

• transmission aux visons (intracérébrale et voie orale

(0,6g))

• transmission aux porcs (intracérébrale; pas par voie orale)

• transmission aux macaques

• analyse de souris transgéniques

Barrière d’espèce

ESB :• 1988 transmission aux souris (intracérébrale puis voie

orale)• transmission aux visons (intracérébrale et voie orale (0,6g)• transmission aux porcs (intracérébrale pas par voie orale)• Analyse de souris transgéniques

l'efficacité de la transmission dépend de la distance génétique entre les Prp.

• Preuve de la transmission aux macaques• Nouvelles formes de la maladie (nvMCJ) cf fig. TD 11

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S. Lehmann, medecine/sciences 1996; 12: 949-58

Barrières d’espèces

ESB :

• 1988 transmission aux souris (intracérébrale puis voie

orale)

• transmission aux visons (intracérébrale et voie orale

(0,6g))

• transmission aux porcs (intracérébrale; pas par voie orale)

• transmission aux macaques

• analyse de souris transgéniques

• L'efficacité de la transmission dépend de la distance

génétique entre les PrP

Méthodes de détection

Tests post mortem

Coupes histologiques (AC)

3 tests de dépistage (WB, elisa)

Injection de broyats de cerveaux aux souris

Critères cliniques

Augmentation de la protéine 14.3.3 dans le LCR (pas pour le

nvMCJ)

Analyse RMN : signal élevé dans le pulvinard

Dépistage sur les amygdales

Détection précoce dans le sang = enjeu primordial pour les

transfusions

Les « Viroïdes »

Petits ARN simple brin (240-400 nucléotides)

Non-encapsidés

Se répliquent selon la méthode en cercle roulant

Ils n'ont pas de région codant pour des protéines et doivent donc

utiliser les enzymes de leur hôte pour leur réplication

Provoquent des maladies affectant des plantes (interaction directe entre leur

génome d'ARN, ou d'autres ARN générés lors de l’infection, et une ou plusieurs cibles

cellulaires)

Sont considérés comme des fossiles vivants issus d'un monde pré-

cellulaire            

Existe-t-il un autre agent ?

Après 3 passages

• La virulence

• Le délai d’incubation

• ESB clinique sans PrPres

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Lasmezas et al 1997, science 275 402-405