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les maladies à prion
Exemple d’infection par des agents transmissibles non
conventionnels (ATNC)
Etienne Decroly, [email protected]
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