MALADIES MOLÉCULAIRES

MALADIES MOLÉCULAIRES

La pathologie, c’est-à-dire l’étude des maladies, fut d’abord une pathologie d’organes, essentiellement appuyée sur l’anatomie. Un grand pas fut franchi lorsque Virchow montra vers 1850 que tous les tissus sont formés de cellules. L’étude physio-pathologique au niveau cellulaire, longtemps purement descriptive, est restée néanmoins irremplaçable dans plusieurs domaines, en particulier en cancérologie. Depuis que la culture de cellules est venue donner un nouvel essor à la pathologie cellulaire, ainsi qu’à la cytogénétique, ce sont les progrès de la biochimie, aidés efficacement par la microscopie électronique, qui ont réussi à faire passer l’étude de la cellule au niveau moléculaire.

Biologie moléculaire et pathologie moléculaire

Le développement rapide de la biologie moléculaire a été marqué par des étapes justement célèbres: la découverte de la structure en double hélice de l’acide désoxyribonucléique (ADN) en 1953, par Crick et Watson, qui expliquait le mécanisme de la transmission des caractères héréditaires, puis celle des bases de la synthèse protéique en 1961 par Jacob et Monod. Les réussites récentes du génie génétique ont donné une dimension nouvelle à la biologie, en particulier à la biologie médicale. Beaucoup de ce que l’on ne faisait que pressentir lors de la rédaction précédente de cet article, il y a une dizaine d’années, est désormais connu, grâce aux méthodes de la génétique moléculaire: elles sont décrites dans l’article qui porte ce nom.

La biologie moléculaire est celle des grosses molécules, protéines et acides nucléiques. On peut faire remonter la naissance de la pathologie moléculaire aux années 1956-1959, quand Ingram, par la technique de la «carte peptidique», put montrer qu’une grave maladie de l’hémoglobine, la drépanocytose, affection héréditaire très fréquente chez les Noirs originaires d’Afrique, était due au remplacement d’un acide glutamique par une valine dans les chaînes 廓 de l’hémoglobine. Mais déjà, en 1949, Pauling et Itano avaient mis en évidence l’anomalie de charge électrique de l’hémoglobine drépanocytaire. On a pu ensuite remonter de la protéine à l’ADN, montrant que la mutation causale consistait en un changement d’une seule base dans le gène codant pour la chaîne 廓 de la globine: un triplet nucléotidique GAG, signifiant acide glutamique, devient GTG, signifiant valine.

À partir de l’exemple de l’hémoglobine, qui reste le modèle le mieux étudié, des progrès extraordinairement rapides ont été réalisés. On distingue parmi les maladies moléculaires celles qui sont héréditaires (de beaucoup les mieux connues) et celles qui sont acquises. On peut aussi différencier les anomalies des protéines, selon qu’elles sont enzymatiques ou non. Un chapitre nouveau, inaccessible il y a encore peu d’années, s’est ouvert avec la découverte d’anomalies de protéines de structure. Les connaissances sont d’ailleurs devenues si étendues que nous devrons nous borner à donner quelques exemples, choisis dans des domaines privilégiés.

Plusieurs étapes ont permis de tels progrès. Ce fut d’abord la découverte que les gènes sont discontinus, formés d’exons qui se retrouveront dans l’ARN messager, et d’introns destinés à être éliminés; il est maintenant possible, grâce à une méthode que l’on a appelée PCR (polymerase chain reaction ), d’amplifier des quantités infimes d’ADN pour les analyser; on peut ainsi examiner l’ADN correspondant à n’importe quel gène dans n’importe quel tissu; enfin, les progrès du séquençage ont permis d’obtenir la séquence en bases, dont on déduit la séquence en acides aminés en appliquant le code génétique, de très nombreuses protéines normales ou pathologiques. Plus encore, ces séquences sont emmagasinées dans des banques de données; dès qu’on en découvre une nouvelle, on fait appel à ces banques pour savoir si l’on connaît déjà des séquences apparentées à celle qu’on vient de découvrir, et on fait ainsi l’arbre généalogique des familles de protéines.

Les principaux niveaux génétiques où peuvent se produire des anomalies moléculaires sont les suivants:

– délétion du gène abolissant le codage de la protéine et supprimant sa production;

– mutation portant sur une base nucléotidique au sein du gène et déterminant la terminaison prématurée de la synthèse (mutation non-sens), ou la formation d’une protéine «erronée» dont les propriétés sont altérées (mutation faux-sens);

– délétion ou insertion de bases dans le gène, provoquant un décalage de la phase de lecture;

– défaut de maturation du messager, qui ne peut être traduit en protéine, bien qu’il soit normalement élaboré au niveau du gène;

– anomalies de la zone régulatrice, provoquant une diminution de la production;

– un mécanisme récemment découvert est l’expansion de répétitions de trinucléotides, sur lequel nous reviendrons.

Jusqu’à une date récente, la seule méthode pour identifier un gène partait d’une protéine connue. Celle-ci permettait d’obtenir des oligonucléotides à partir de la séquence connue. Dans une banque d’ADN complémentaire ou de messager, on pouvait identifier ces séquences. Mais la plupart des maladies échappait à une telle individualisation. Deux approches se sont révélées très fructueuses.

Le «clonage positionnel» détermine d’abord la localisation du gène sur un chromosome, en cherchant une liaison génétique entre la transmission du gène malade (on dit «ségrégation») et un des multiples marqueurs que l’on connaît actuellement, jalonnant la totalité du génome. On s’efforce ainsi de localiser le gène dans un territoire aussi restreint que possible. À partir d’un locus connu, l’approche peut être aléatoire ou ciblée. L’approche aléatoire consiste à se rapprocher progressivement du gène en multipliant les sondes. Elle est très lente et laborieuse. L’approche ciblée utilise des particularités du gène: une anomalie chromosomique (délétion, translocation) indiquant un point de cassure du gène; ou un test fonctionnel quand le transfert du gène (dans des cellules en culture, par exemple) lui confère des propriétés spécifiques. Cette méthode a été particulièrement employée pour des oncogènes.

Une seconde méthode, très en faveur actuellement, est celle des «gènes candidats»: si l’on connaît une protéine qui soit vraisemblablement impliquée dans la genèse d’une maladie, on en caractérise le gène, dont il faudra ensuite vérifier qu’il est muté chez les malades. On peut citer deux exemples de succès récents: des rétinites pigmentaires ont pour cause une altération d’une protéine spécifique de la rétine, la rhodopsine; la paralysie périodique hyperkaliémique est due à un défaut d’un canal sodium intervenant dans la transmission neuromusculaire.

Maladies moléculaires héréditaires

L’exemple des hémoglobinopathies était presque le seul que l’on pouvait donner, il y a dix ans, de maladies moléculaires. Il reste le mieux connu; nous ne le décrirons que brièvement ^{[cf. HÉMOGLOBINOPATHIES]}. L’hémoglobine adulte, la principale, est un tétramère formé de deux chaînes 見 (dont le gène est porté par le chromosome 16) et de deux chaînes 廓 (dont le gène est porté par le chromosome 11). Il existe des anomalies qualitatives dans lesquelles une des deux chaînes est porteuse d’une mutation qui peut en altérer les propriétés physico-chimiques ou physiologiques, comme l’affinité pour l’oxygène; on en connaît plusieurs centaines, de gravité variable, que nous ne détaillerons pas ici. Il existe aussi des anomalies quantitatives, dans lesquelles ce n’est pas la nature de l’hémoglobine qui est modifiée mais sa production, ou plutôt celle d’une de ses chaînes. Ce sont les thalassémies. Selon la chaîne qui est en cause, on distingue les 見 et les 廓 thalassémies. On sait que le gène 見 est dupliqué en 見¹ et 見², alors que le gène 廓 est unique, mais ne fonctionne qu’après la naissance, remplaçant le gène 塚 , actif pendant la vie fœtale. Les thalassémies, à l’état homozygote, se traduisent par une anémie sévère et précoce; quant aux anomalies moléculaires, elles sont différentes dans les deux cas. Dans les 見 thalassémies, il s’agit presque toujours de délétions complètes de gènes, et la gravité dépend du nombre de gènes délétés. Une délétion des quatre gènes est incompatible avec la survie; si trois gènes sont enlevés, on obtient une forme d’anémie sévère avec apparition de tétramères 廓⁴ qu’on appelle hémoglobine H. Une délétion de un ou deux gènes est beaucoup moins grave. Les mécanismes des 廓 thalassémies sont multiples, et rares sont les délétions totales. Parmi les mutations, la plus fréquente provoque l’apparition d’un codon stop qui entraîne la terminaison prématurée de la synthèse de la protéine.

L’exemple des hémoglobinopathies n’est plus le seul à pouvoir être interprété en termes moléculaires; de nombreuses maladies héréditaires ont aujourd’hui leur mécanisme décrypté, au point que nous ne pouvons songer à les énumérer. Nous nous bornerons, d’une part, à souligner la vitesse extraordinaire avec laquelle le mécanisme des maladies neurologiques se dévoile, et, d’autre part à développer brièvement deux modèles caractéristiques, l’un d’une maladie liée au sexe, l’autre d’une maladie autosomique récessive.

Un modèle d’une maladie liée au chromosome X . Un des succès les plus précoces et les plus impressionnants de la méthode dite de génétique inverse a été la myopathie appelée dystrophie musculaire de Duchenne de Boulogne. C’est la plus fréquente des maladies liées au sexe, atteignant un garçon sur 3 500 environ. Dans sa forme la plus typique, elle entraîne un arrêt de la marche entre cinq et dix ans et la mort autour de la vingtième année. Il en existe une forme plus lente, dite de Becker. Les premiers symptômes biochimiques connus étaient dus à la fuite des enzymes musculaires dans le plasma où leur taux augmente considérablement. C’est entre 1985 et 1987 que des approches successives isolèrent le gène: sa localisation précise fut d’abord reconnue grâce à des translocations entre le chromosome X et un autosome, qui cassaient l’X en un point défini situé en Xp21. Le gène de cette DMD est le plus grand qui soit connu; il mesure 2 300 kilobases (à titre de comparaison, un gène de globine couvre environ 2 kb). Il contient 79 exons; son messager de 14 kilobases code pour une protéine, la dystrophine, qui compte 3 685 acides aminés. Le rôle de la dystrophine est encore mal élucidé. Chez les malades, dans les deux tiers des cas au moins, on trouve des délétions, dont la taille et la position dans la molécule expliquent la sévérité plus ou moins grande des symptômes. Par des méthodes immunochimiques, on peut détecter la dystrophine: en règle, elle est absente dans la forme grave de Duchenne, diminuée ou raccourcie dans la forme de Becker.

Un modèle de maladie autosomique récessive , la mucoviscidose (ou fibrose kystique). C’est la plus fréquente des maladies récessives en Europe, touchant un enfant pour 2 500 naissances, ce qui signifie que la fréquence des porteurs sains hétérozygotes est de 1 sur 25. Elle entraîne deux symptômes majeurs traduisant une pathologie des sécrétions exocrines, une atteinte pulmonaire et pancréatique. C’est une maladie très invalidante. Son seul signe de biologie clinique est une élévation de l’ion chlore dans la sueur. Le gène fut d’abord localisé par liaison génétique sur le bras long du chromosome 7. C’est après une longue traque que deux groupes, l’un des États-Unis, l’autre du Canada, isolèrent le gène en 1989. Il couvre 250 kilobases et est morcelé en 27 exons; le messager de 6 kilobases code pour une protéine de 1 480 acides aminés, à structure typique de protéine membranaire. Elle est appelée CFTR (cystic fibrosis transmembrane regulator ) et semble être en fait un canal chlore. Contrairement au cas de la dystrophine des anomalies – on en connaît plusieurs centaines, toutes différentes –, on ne trouve pas de grandes délétions faisant disparaître tout ou partie du gène. L’anomalie la plus fréquente est une délétion de trois bases qui supprime une phénylalanine au codon n^o 508, qui représente environ 60 p. 100 des mutants.

Il faut enfin noter, intermédiaires entre les maladies héréditaires et les cancers, les affections de la réparation de l’ADN . Celui-ci a, en effet, de multiples occasions de subir des altérations, «soignées» par des mécanismes enzymatiques complexes de réparation; s’ils sont défaillants, on voit apparaître des maladies qui sont souvent prélude à des cancers, notamment de la peau.

De l’étude des maladies héréditaires on peut tirer une conclusion générale, qui souffre certes des exceptions, mais qui est valable dans l’ensemble. Une maladie récessive correspond à une perte de fonction d’une protéine, le plus souvent une enzyme; les enzymes étant en règle en excès, une demi-dose suffit à assurer la fonction, et le sujet doit être homozygote pour la mutation pour être malade. Une maladie dominante correspond en règle à un gain ou à un changement de fonction pour une protéine, dont l’altération se fait sentir même si l’autre allèle est normal.

Les expansions de trinucléotides . Au cours des trois dernières années a été mis en évidence un nouveau mécanisme de pathologie moléculaire. Un certain nombre de gènes possèdent, dans leur partie codante ou non, des répétitions de triplets nucléotidiques, dont le rôle n’est pas connu. Lorsque ce nombre augmente au-delà d’un niveau critique, des phénomènes pathologiques apparaissent, peut-être parce que des répétitions trop nombreuses gênent le métabolisme ultérieur de la molécule. Ces «mutations dynamiques» se modifient d’une génération à la suivante; lorsque le nombre de trinucléotides augmente chez les descendants, la maladie s’aggrave et apparaît plus précocement: c’est le phénomène d’anticipation.

À l’heure actuelle (1994), on en connaît sept exemples, dans les domaines cliniques les plus variés. Nous nous bornerons à évoquer les plus importants. La première décrite a été ce que l’on appelle le syndrome de l’X fragile: cette situation, liée à une fragilité du chromosome X dans des conditions de culture de cellules, est très fréquente; elle est en relation avec l’augmentation (passant par exemple de 30 à 300) de répétitions d’un triplet CCG qui n’est pas dans la partie codante du gène. Les garçons atteints présentent un retard intellectuel plus ou moins accentué. Dans la dystrophie myotonique, une myopathie fréquente de l’adulte, le gène en cause, qui siège en 19q13.2, porte une répétition CTG dont le nombre augmente chez les malades. Mais la découverte la plus importante concerne la maladie de Huntington, une affection neurologique de haute gravité, qui ne se manifeste qu’à l’âge adulte. On tournait autour de son gène depuis dix ans, sur le chromosome 4 en 4p16.3. On a finalement découvert en 1993 qu’une répétition CAG existait dans un gène qui code pour une protéine, de fonction encore inconnue. De l’augmentation de ces répétitions résulte une maladie à hérédité dominante.

Maladies moléculaires acquises

La pathologie moléculaire acquise est difficile à définir, et ses limites sont imprécises. Même les traumatismes ont un retentissement moléculaire.

Les avitaminoses représentent des exemples de maladies acquises dont la cause siège directement au niveau moléculaire, car de nombreuses vitamines agissent en tant que coenzymes, par exemple la vitamine B1, coenzyme de la pyruvate décarboxylase. Sa déficience, par manque d’apport alimentaire ou par trouble de l’absorption, donne des atteintes neurologiques. Mais même au cours des maladies génétiques proprement dites, les facteurs acquis peuvent jouer un rôle. L’exemple le plus démonstratif en est peut-être l’anémie hémolytique par déficit héréditaire en glucose-6-phosphate déshydrogénase, une enzyme du globule rouge. La maladie ne se manifeste le plus souvent qu’après l’absorption de certains médicaments (surtout antipaludéens, mais aussi sulfamides) ou de certains aliments (fèves).

En réalité, le type de maladie auquel le concept de maladie moléculaire acquise s’applique le mieux est le cancer. Au niveau protéique, on peut signaler la résurgence d’isozymes (formes moléculaires d’enzymes génétiquement déterminées) de type fœtal, avec diminution des isozymes de type adulte, au cours de la cancérogenèse dans de nombreux tissus (F. Schapira).

Mais l’étude de la cancérogenèse a été bouleversée par une découverte fondamentale, celle des oncogènes. On a identifié dans le génome normal des animaux des gènes «Onc», très semblables aux gènes des virus cancérogènes. Ceux-ci sont surtout des rétrovirus, dont le génome est constitué d’ARN; une enzyme, la transcriptase réverse ou inverse, dont le gène fait partie du génome viral, catalyse la synthèse d’ADN, transcrit à partir de cet ARN. L’ADN peut alors être intégré dans le génome de la cellule hôte. Les oncogènes doivent être activés pour devenir effectivement cancérogènes. Ils agiraient par l’intermédiaire de leur activité «codante», vis-à-vis de la synthèse de certaines protéines. Un certain nombre de ces oncogènes ont des propriétés phosphorylantes. D’autres peuvent être synthétisées en excès par suite d’activation ou d’amplification de leurs gènes.

On a pu démontrer récemment qu’il existe à l’inverse des «antioncogènes» ou «suppresseurs de tumeur», dont la disparition ou l’inactivation par mutation permet la tumorigenèse. La théorie émise par Knudson en 1971 s’est vérifiée dans nombre de cas. Elle postule un mécanisme en deux temps: le premier est une perte de l’hétérozygotie pour un gène, par perte spécifique du gène ou d’un chromosome tout entier; le second est une mutation qui inactive l’allèle restant; c’est lorsque les deux allèles ont été rendus inactifs que la tumeur peut se développer; ce phénomène peut s’observer dans des cancers familiaux (certains cancers du côlon, des néoplasies endocriniennes, des rétinoblastomes, les neurofibromatoses) comme dans des cancers sporadiques sans caractère familial.

Il paraîtrait anormal en 1994 de terminer un article sur les maladies moléculaires sans mentionner deux aspects fondamentaux de la prévention et de la thérapeutique.

La prévention des maladies héréditaires actuellement incurables se fait grâce au diagnostic prénatal. Il date d’environ vingt-cinq ans et comporte deux branches fondamentales, mis à part l’aspect morphologique révélé par l’échographie du fœtus:

– la cytogénétique, destinée à mettre en évidence les anomalies chromosomiques;

– le diagnostic prénatal moléculaire; d’abord effectué dans des cellules amniotiques puis sur des villosités choriales, en mesurant les activités enzymatiques des cellules, il s’est orienté de plus en plus vers l’analyse de l’ADN; pour chaque maladie génétique, on dispose de sondes d’ADN permettant de reconnaître les molécules normales ou anormales de l’ADN du fœtus. Souvent ce ne sont pas les difficultés techniques qui posent les problèmes les plus ardus, mais les questions éthiques: telle maladie, de gravité moyenne, ou d’apparition tardive, justifie-t-elle un diagnostic prénatal qui peut conduire à une décision d’avortement? Une difficulté supplémentaire vient des possibilités récentes d’un diagnostic préimplantatoire, sur lesquelles nous ne pouvons nous étendre ici.

La thérapie génique . Il s’agit là d’un traitement en devenir. Il transforme radicalement les concepts de la médecine: l’ADN, de responsable de maladies, devient médicament. Par sa nature même, il modifie l’essence de l’individu dont on va changer le programme. La méthode n’en est encore qu’à ses débuts, dans la plupart des cas au stade expérimental chez l’animal. On peut envisager:

– la greffe de cellules génétiquement modifiées; les cellules du malade sont prélevées, traitées par introduction du gène curatif, puis réinjectées au sujet;

– l’administration in vivo d’un vecteur contenant le gène d’intérêt lorsqu’il s’agit d’organes dont on ne peut prélever les cellules. Une méthode particulièrement simple consiste à effectuer un transfert d’ADN «nu» directement dans l’organisme. Les résultats potentiels de la thérapie génique ne peuvent encore être évalués. Ils ne connaissent aucune limite théorique.

Dans tous les cas, un point fondamental est à souligner: dans l’état actuel des connaissances et de l’éthique médicale, on ne doit envisager chez l’homme qu’une thérapie génique somatique, modifiant les caractéristiques d’un organe ou d’un tissu. La modification ne doit pas s’inscrire dans les cellules germinales, de manière à ne pas risquer d’altérer la descendance du sujet que l’on soigne.

Encyclopédie Universelle. 2012.