Le Prion

PRoteinaceaous Infectious particle ONly

ou agent pathogène non conventionnel

Définition

Le terme prion a été créé par S.Prusiner [Prusiner SB. Novel proteinaceous infectious particles cause scrapie. Science 1982 ; 216 : 136-44.] pour désigner les agents infectieux responsables de certaines maladies neurodégénératives chez l’homme et les animaux.

Dans le mot prion, on trouve le P de protéine, Le I de infection et les lettres ON pour le début du mot « only », précisant ainsi que cet agent pathogène n’est pas du tout conventionnel ! Ce n’est pas une cellule (bactérie, virus, parasite, champignon), c’est « seulement » une molécule de nature protéique.

L’histoire du prion est avant tout une  » passionnante  » aventure scientifique dont le chemin est encore pavé de multiples incertitudes.

La théorie du prion, qui valut à son auteur, Stanley Prusiner, le Prix Nobel de Médecine en 1997, a marqué une vraie révolution dans le monde de la biologie. En effet, le terme d’agent infectieux était jusque-là réservé aux organismes possédant leur propre acide nucléique (ADN ou ARN) et capables de se multiplier. Or, pour Prusiner, une protéine cellulaire peut changer de conformation et devenir ainsi résistante aux protéases, ces enzymes censées la décomposer. Elle s’accumule alors à l’intérieur de la cellule et forme des plaques qui, dans le cas des encéphalopathies spongiformes transmissibles, transforment les tissus neuronaux en une véritable éponge.

Cette protéine infectieuse aurait donc la propriété de « transformer » des protéines tout à fait normales, contenues dans les tissus nerveux principalement. Les protéines en question, qui sont alors appelées « PrP » pour Protéine-Prion, prennent une structure tridimensionnelle anormale. Au lieu de s’enrouler, elles se plient en accordéon et deviennent incapables d’accomplir leur rôle biologique initial. Autre caractéristique, la protéine-prion provoquerait, par simple contact, la modification des protéines voisines. Ainsi, de proche en proche, ces protéines devenues anormales s’accumulent dans le cerveau, et forment des agrégats qui lui donnent l’aspect d’une éponge.

Ce mécanisme simplifié est loin de tout élucider pour autant. En effet, deux hypothèses restent d’actualité :

• la maladie serait due à la présence du prion seul, mais alors le dogme du codage génétique est remis en cause
• la maladie serait due à un agent infectieux (comme un virus ou une bactérie…) producteur de la protéine, mais qui n’a pas encore été mis en évidence et encore moins isolé.

Et comme toujours en biologie, les mécanismes réellement impliqués sont toujours plus complexes que nos modèles expérimentaux.

Le Prion Codé Par Nos Propres Gènes !

Ainsi, on découvre en 1985 qu’il existe un gène humain codant la PrP (protéine-prion) situé sur le bras court du chromosome 20. Les 2 formes (codée et infectieuse) diffèrent par leur structure tridimensionnelle. L’hypothèse de la possibilité de l’induction de la structure protéinique anormale (PrPres, ou résistante) par le prion sur la protéine normale (PrPc, ou cellulaire) contredit le dogme du codage des protéines par l’ADN et l’ARN et pourtant …

Le Prion : Un Virus Peu Convetionnel ?

Les modèles classiques de la virologie ne semblent pas pouvoir expliquer la biologie et les propriétés physico-chimiques des prions. Dans les années 70, les chercheurs britanniques ont proposé le modèle du « virino », une particule infectieuse pouvant se répliquer activement ou passivement. Le « virino » serait constitué d’une information génétique propre entourée de molécules protéolipidiques de l’hôte et, de ce fait même, non exposé au système immunitaire. Cette hypothèse expliquerait la variabilité des souches de scrapie ainsi que la possibilité de mutations. Quoi qu’il en soit, toutes les tentatives faites pour caractériser un acide nucléique dans les préparations acellulaires purifiées susceptibles de transmettre la maladie ont jusqu’à présent échoué.

Proposée par Charles Weissmann en 1991, la théorie de l’ »holoprion » fait une synthèse qui tient compte de l’ensemble des données. L’agent infectieux, l’holoprion, serait constitué de l’association d’un petit acide nucléique, le « coprion », dont la nature reste à préciser, avec l’ »apoprion » (la protéine PrP pathogène). Dans ce modèle, le coprion serait responsable de la variabilité de la souche, et l’apoprion des phénomènes neuropathologiques qui entraînent la mort neuronale.

Des travaux sur la levure confortent l’hypothèse du prion : des protéines s’y comportent comme des éléments génétiques héritables, qui peuvent acquérir une nouvelle conformation et contraindre d’autres protéines du même type à adopter la même conformation.

Des travaux récents signalent cependant la présence de particules pseudo-virales dans des cerveaux de patients atteints de nvMCJ et la présence d’ARN de petite taille, potentiellement rétroviral, copurifiant avec l’infectiosité et partiellement résistant aux nucléases. Néanmoins aucun ARN spécifique n’a pu être mis en évidence de façon reproductible dans les cerveaux des individus infectés.

Le Prion : Une Protéine Infectieuse ?

Le concept initial de protéine étrangère autoréplicable, soit directement, soit par un processus de « reverse translation » a donc été abandonné depuis que la PrP a été identifiée comme une protéine du soi. Pourtant de nombreuses données de biologie moléculaire sont en faveur de l’hypothèse de la « protein only », défendue par Prusiner et ses collaborateurs s’appuyant sur 5 arguments :

les fractions infectieuses purifiées contiennent un seul composant identifiable, la PrPsc, isoforme pathogène de la PrPc normale, cette PrP pathogène est partiellement résistante aux protéases (PrPres).

• la PrPres s’accumule proportionnellement au titre infectieux sans augmentation des ARN messagers correspondants.
• les souris « knock-out » (ce sont des souris dont le gêne en question est inactivé) pour le gène de la PrPc ne sont pas infectables par des fractions de PrPsc homologue.
• l’infectiosité est diminuée par les agents dénaturant les protéines alors qu’elle n’est pas altérée par les méthodes physico-chimiques dégradant les acides nucléiques.
• les mutations de la PrPc peuvent à elles seules entraîner l’apparition d’une Encéphalopathie Spongiforme Subaiguë.

Le Prion : Un Pouvoir Pathogène Original

La PrPres semble donc effectivement induire la transformation de la PrPc : soit par interaction directe soit par l’intermédiaire d’une protéine chaperonne modifiant la structure tridimensionnelle de la PrPc. Autre éventualité, l’agent infectieux inconnu modifie la chaîne métabolique aboutissant normalement à la PrPc.

Autre observation troublante, la protéine PrPres a un effet toxique sur les cellules nerveuses, mais il semble que la présence de la protéine normale soit nécessaire à cette toxicité.

La PrPsc, de même masse moléculaire et de même charge que la PrPc, ne résulte donc ni d’un épissage alternatif ni de modifications post-traductionnelles. L’hypothèse la plus vraisemblable fait intervenir une interaction protéine/protéine au cours de laquelle la PrPsc induirait de façon autocatalytique et irréversible le changement conformationnel de la PrPc en PrPres (en moins d’une milliseconde !). Ce phénomène s’expliquerait d’autant mieux si la PrP était une protéine  » auto-chaperone « . La PrPc serait correctement repliée alors que la PrPsc correspondrait à un repliement pathologique qui lui permettrait d’échapper au catabolisme cellulaire assuré habituellement par les protéases, d’où son accumulation et les phénomènes physiopathologiques observés. Reste à savoir ce qui provoque ce changement de conformation ! Dans ce modèle, la probabilité d’interaction entre la PrPc de l’hôte et la PrPsc de l’inoculum serait le support moléculaire du phénomène de barrière d’espèce et de la notion de souche.

Connait-On Des Facteurs De Susceptibilité ?

Les gènes des protéines PrP de l’homme et de nombreux mammifères ont été isolés et séquencés. La structure comparée de ces gènes révèle de grandes similitudes et une homologie de séquence en acides aminés de 80 % pour la protéine PrP. Les progrès accomplis dans la connaissance des maladies animales et humaines montrent que le gène PrP joue un rôle essentiel dans la susceptibilité à l’infection et sur l’évolution de la maladie.

Chez l’homme, le gène de la protéine PrP (PRNP) est séquencé, et son implication dans les maladies à prions est maintenant bien établi.

Dans les formes sporadiques, le gène, rappelons-le, est normal. Cependant une particularité de sa séquence constitue un facteur de susceptibilité à la maladie de Creutzfeldt-Jakob. Cette particularité est une variabilité au niveau d’un triplet de bases (codon 129) qui code soit pour l’acide aminé Valine (Val) soit pour l’acide aminé Méthionine (Met). Dans la population générale 50 % des individus sont hétérozygotes (Met/Val) et 50 % sont homozygotes (35 % Met/Met et 15 % Val/Val). Or, il a été constaté une différence très significative de la distribution de ces codons entre sujets sains et sujets atteints de MCJ :

Polymorphisme	Sujets sains	Sujets MCJ
Met / Val	50 %	10 %
Met / Met	35 %	79 %
Val / Val	15 %	11 %

Ces données montrent que le fait pour un individu de posséder l’homozygotie Met/Met au niveau du codon 129 est un facteur de risque de développer la MCJ sporadique. Cette particularité du génotype induit par ailleurs une évolution plus rapide de la maladie que chez les malades hétérozygotes. Chez 90 % des sujets atteints par la forme génétique de la maladie et dans tous les cas recensés de MCJ variante (vache folle), ce même facteur de risque (homozygotie Met/Met) a été retrouvé. A l’inverse, quelle que soit l’origine de la maladie, le fait d’être hétérozygote au niveau du codon 129 semblerait être un facteur de protection partielle.

On ne connaît pas encore le mécanisme moléculaire rendant compte de ces observations. Une hypothèse serait que l’homozygotie du codon 129 favoriserait l’interaction entre les protéines PrP normale et pathologique avant le changement de conformation.

Une Barrière Eentre Les Espèces ?

Lorsque l’on injecte un agent de type prion d’une espèce donnée à un animal d’une autre espèce, on constate une diminution très importante de l’efficacité de transmission et une augmentation également très importante du temps d’incubation de la maladie. Cette résistance à l’infection par des prions issus d’une autre espèce animale a été dénommée « barrière d’espèce » (Pattison and Jones, 1968). Mais, si la maladie apparaît, le temps d’incubation, généralement très long lors du premier passage à un nouvel hôte, se raccourcit par la suite pour atteindre une valeur stable caractéristique de l’espèce. Les doses infectantes nécessaires au franchissement des barrières d’espèce sont très supérieures à celles assurant la contamination au sein d’une même espèce. La voie d’inoculation joue également un rôle très important : les injections intracérébrales étant de loin les plus efficaces !

L’hypothèse d’un changement conformationnel de la protéine normale par son isoforme pathogène est compatible avec ces phénomènes de barrière d’espèce. La conformation de la PrPres faciliterait le repliement défectueux de la PrPc ayant la même séquence en acides aminés. Par contre, l’apparition de feuillets beta serait plus difficile à induire quand le modèle PrPres n’est pas strictement identique à la PrPc, ce qui est le cas dans le changement d’espèce. Pour notre malheur, ce gène se révèle s’être bien conservé au cours de l’évolution ce qui rend le franchissement des barrières d’espèce envisageable et même fortement probable aux vues des dernières études publiées.

Le Prion Est-Il Nécessaire Et Suffisant Pour Déclencher La Maladie ?

La poursuite des travaux de Stanley Prusiner sur les souris transgéniques, fait apparaître qu’au moins un autre facteur appartenant à l’hôte serait impliqué. En effet, le franchissement de la barrière d’espèce serait également dû à une autre protéine (« chaperonne ») qui faciliterait la transformation de PrPc en PrPsc.

De plus, un travail français publié dans la revue américaine Science (janvier 1997) remet en cause la responsabilité unique de la protéine du prion dans la transmission de la maladie « des vaches folles » (ESB). Leurs expériences de transmission de la maladie à la souris démontrent qu’il est possible de dissocier le pouvoir infectieux de la présence du prion.

Selon ces chercheurs, « un autre agent non encore identifié pourrait en fait transmettre l’ESB ». Ce travail est important car il relance le débat sur la transmission des maladies à prions.

Brièvement…

La maladie est donc clairement associée à une isoforme anormale d’une protéine appelée PrP (protéine prion) présente normalement dans le cerveau de chacun d’entre nous. La protéine normale est en fait présente chez tous les vertébrés. Elle est dénommée PrPc (c pour cellulaire) et, son gène est localisé sur le chromosome 20 dans l’espèce humaine. Cette glycoprotéine a un poids moléculaire de 33.000 Daltons. Sa fonction est encore inconnue à ce jour, mais elle n’est sans doute pas essentielle puisque des souris délétées du gène de la PrPc sont parfaitement viables et ne présentent ni déficit neurologique ni déficit psychophysiologique, bien que des travaux récents semblent indiquer qu’elle intervient dans la transmission synaptique. La PrP est une protéine extrinsèque de la membrane cellulaire majoritairement endocytosée et catabolisée par la cellule. Sa demi-vie est de quelques heures. Elle est bien conservée au cours de l’évolution.

La protéine anormale, appelée PrPsc (sc pour « scrapie » ou tremblante du mouton) est, par opposition à la protéine normale, insoluble en présence de détergents et résiste à l’hydrolyse par les enzymes protéolytiques ce qui explique sa résistance extrême (à la cuisson et la congélation notamment). Elle serait capable de s’auto-répliquer en convertissant la protéine normale en protéine anormale. De plus, bien qu’ayant une composition en acides aminés identique à celle de la protéine normale, elle présente une conformation spatiale différente caractérisée par une augmentation de la quantité de feuillets bêta plissés par rapport aux hélices alpha. Une accumulation cytoplasmique de PrPsc conduirait, par des mécanismes encore mal connus, à la mort cellulaire. Les protéines anormales libérées après la mort du neurone pourraient alors pénétrer des neurones voisins en se fixant sur la protéine PrP ancrée dans la membrane et les infecter selon le même processus de transmission de conformation anormale. Ainsi, la transmission de proche en proche serait responsable de la destruction progressive et irréversible du système nerveux central.

Cette accumulation est détectable sous la forme de dépôts identifiables au microscope optique avec des anticorps anti-PrPsc. Il s’agit d’un des caractères spécifiques de la maladie. Des études immunocytochimiques ont montré que les bâtonnets des plaques amyloïdes des cerveaux infectés étaient bien constitués de PrPres. Il en est de même pour les structures filamenteuses mises en évidence en microscopie électronique dans le cortex de patients atteints de Creutzfeldt-Jakob iatrogène.

Ces caractères immunochimiques et la résistance à aux protéases sont retrouvés dans toutes les variétés d’encéphalopathies spongiformes transmissibles et constituent des éléments essentiels de diagnostic.

Selon ce modèle, une protéine peut prendre une conformation anormale sans que son gène soit modifié. Par contre, les formes héréditaires d’encéphalopathies spongiformes sont dues à la présence de mutation(s) dans le gène codant pour la PrP. Ces mutations sont suffisantes pour entraîner le changement conformationel de la PrPc en PrPsc et provoquer la maladie en l’absence d’agent exogène.

Les souris dépourvues du gène prion apparaissent normales et sont résistantes à l’apparition de la maladie après inoculation de l’agent infectieux. Le gène et la protéine prion jouent donc un rôle nécessaire au développement de la maladie.