cours prions-M1

Les encéphalopathies
spongiformes subaiguës
transmissibles
ou
Maladies à prions
S. Thirion
Les maladies à Prions
- Maladies neurodégénératives transmissibles
- Période d'incubation longue et cliniquement silencieuse
- Évolution lente et toujours mortelle
-Atteintes confinées au système nerveux central
clinique :perte de concentration et de mémoire, apathie, dépression, perte d’intérêt suivi d’ataxie et
de perte d’équilibre
anatomopathologique : vacuolisation intra-neuronale, neurodégénérescence, activation
microgliale, prolifération astrocytaire, présence de microfibrilles amyloïdes
- Absence de réaction inflammatoire ou immunitaire
- Pas de modification d'autres paramètres biologiques
Les maladies à Prions
-Agent Transmissible Non Conventionnel (ATNC)
- signature des ESST : présence de fibrilles amyloïdes
- principal composant des agrégats : protéine prion de
forme « résistante » : PrPres = PrPsc = PrP27-30
- PrP cellulaire ou sensible (PrPc = PrPsen) est
ubiquitaire, fortement exprimée dans le cerveau
= sialo-glycoprotéine ancrée à la membrane
plasmique par une ancre GPI.
Les encéphalopathies spongiformes
transmissibles animales
Tremblante des ovins
-Période d’incubation longue
-Troubles du comportement
(perte de l'instinct grégaire,
hyperexcitabilité, anxiété,
agressivité)
- Prurit localisé d'abord à la tête, puis au dos, puis au corps entier et qui
entraîne des pertes de laine et des lésions cutanées parfois sévères sur
les zones de grattage.
- Troubles moteurs (tremblement de la tête puis du corps tout entier,
défaut de posture, troubles de la miction, incoordination locomotrice,
et finalement impossibilité pour l'animal de se lever).
- L'animal en phase terminale est maigre, sale, présente une toison
délabrée, des lésions de grattage et ne peut plus se tenir debout.
Lésions au niveau du bulbe, la protubérance, le cervelet et le mésencéphale
Cerveau de mouton atteint par la
tremblante
Spongiose, Vacuolisation des corps cellulaires neuronaux, pertes
neuronales
Hypertrophie des astrocytes et astrogliose
Lésions d’autres organes que le SNC (muscle, rétine, hypophyse…)
Transmissibilité de la tremblante
Caractère transmissible de la tremblante du mouton montré dès
1936 par les vétérinaires Cuillé et Chelle
Mode de contamination privilégié est la voie orale
- par la consommation de placentas de brebis infectées
- par le pâturage en zone herbeuse contaminée par l'agent de la tremblante
Transmission de l'infection à la souris à partir de broyats d'acariens
du foin
- réservoirs pourraient être les fourrages.
Transmission "verticale" de la tremblante entre la mère et son petit
controversée
Maladie à sensibilité génétique
- polymorphismes sur le gène Prnp influencent la suceptibilité à la maladie
- durée d’incubation contrôlée par le gène Sip (scrapie incubation period)
L’encéphalopathie spongiforme bovine (ESB)
Maladie neurodégénérative qui frappe le système nerveux
central des bovins. (Appartient à la famille des ESST)
Infection n’entraîne pas de réaction immunologique détectable
Actuellement aucun moyen pratique de diagnostic les bêtes
infectées pendant la phase d’incubation.
tests biochimiques permettant le diagnostic d’une ESST =
détection de la PrPsc
examen histologique post-mortem du tissu nerveux cérébral
permet de confirmer la présence de la maladie.
Astrocytose, vacuolisation et mort des neurones, accompagnées d’une
spongiose interstitielle.
Lésions histologiques sont localisées dans le système nerveux central
au niveau du mésencéphale, la protubérance annulaire, le bulbe
rachidien, le cervelet et les hémisphères cérébraux.
L’encéphalopathie spongiforme bovine (ESB)
- Période d'incubation longue et cliniquement silencieuse
-Troubles du comportement
anxiété, agressivité, peur
-Hypersensibilité
Bruit, lumière, toucher
-Troubles locomoteurs
ataxie, ébriété
- Maigreur, décubitus, issue toujours fatale
Origine de l’ESB
Trois hypothèses sont actuellement proposées :
-Mutation neurochimique déclenchée par une exposition
à des pesticides organophosphorés. *
-franchissement de la barrière d’espèce de l’agent de la
tremblante du mouton par l’intermédiaire des farines
animales.
- Infection endémique d’une ESB d’origine bovine
amplifiée par le recyclage à grande échelle des carcasses
bovines dans la production des farines animales.
* : hypothèse très contreversée
Transmissibilité de l’ESB
• Transmission de l’ESB s’est effectuée par voie
alimentaire via les farines de viandes et d’os (FVO).
• Caractère inoculable de l’ESB chez les bovins est
parfaitement mis en évidence.
• Apparition de la maladie et sa durée d’incubation sont
dépendantes de la dose infectante.
Encéphalopathie transmissible du vison (TME)
Découverte pour la première fois en 1947 aux USA, puis décrite au
Canada et en Finlande.
Touche le vison d'élevage (Mustela visio)
Période d'incubation estimée à 6 mois environ.
Maladie du dépérissement chronique
(Chronic Wasting Disease)
Etiologie et mécanisme de
transmission naturelle
inconnus
Affection neurologique progressive.
Touche les ruminants sauvages nord-américains (cerfs, élans)
Lésions qualitativement comparables aux autres ESST.
Encéphalopathie spongiforme féline
Découverte en 1990 en Grande-Bretagne chez un chat domestique.
Troubles apparaissent chez l’adulte de plus de 4 ans
Ataxie, agressivité, torpeur, tremblements, convulsions.
Contamination orale via les aliments industriels envisagée.
Les encéphalopathies spongiformes
subaiguës transmissibles humaines
Les encéphalopathies spongiformes transmissibles humaines
maladie
Cause
Kuru
Transmission par consommation rituelle des cerveaux
de cadavres chez les Forés de Papaousie
Maladie de CreutzfeldtJacob (MCJ)
MCJ iatrogène
MCJ sporadique
MCJ familiale
Nouvelle variante (nvMCJ)
Syndrome de
Gerstmann-SträusslerScheinker (GSS)
Mutations héritables du gène de la PrP ; quelques cas
sporadiques
Insomnie familiale fatale Mutations héritables du gène de la PrP (mutations
(FFI)
D178N, M129)
Insomnie fatale
sporadique (FSI)
Mutations non héritables, ou conversion spontanée de
la PrPc en PrPsc
Histologie du Kuru
Vacuolisation des neurones (spongiose)
mort neuronale, gliose et dépôts de PrPsc (nombreuses plaques monoconcentriques)
Maladie de Creutzfeld-Jakob (MCJ)
MCJ sporadique
- 85 à 90 % des cas (0,5 – 1 cas /million d’habitants / an)
- Touche les 2 sexes, se déclare entre 50 et 75 ans
- Mutations non héritables (somatiques) du gène de la PrP
ou conversion spontanée de la PrPc en PrPsc
MCJ familiale
- 10 à 15 % des cas
- Mutations héritables du gène de la PrP
- Transmission de type autosomique dominant
- Âge moyen : 34 à 54 ans
Maladie de Creutzfeld-Jakob (suite)
MCJ iatrogène (ou infectieuse)
Plus d’une centaine de cas- apparaît entre 10 et 35 ans après contamination
Transmission par :
- l’hormone de croissance humaine extraite d’hypophyses de cadavres
- greffe de dure-mère
- transplantation de cornées
- contamination d’électrodes d’enregistrement neurologique.
Nouveau variant MCJ
- MCJ atypique survenue en 1994 en Grande-Bretagne
- Près de 150 cas
- Atteint des patients jeunes (< 30 ans)
- Souche de prion identique à celle de l’ESB.
Histologie de CJD
Fig 1 Cortex
Fig 3 Astrocytose
(GFAP)
Fig 2 Cervelet
Fig 4 plaques amyloïdes
Les encéphalopathies spongiformes transmissibles humaines
L’agent des maladies à prions
Efficacité de la voie d’administration
Voie d’inoculation
Facteur de multiplication
Intracérébrale
1
Intraveineuse
10
Intrapéritonéale
50
Sous-cutanée
Orale
25 000
125 000
Cheminement de l’agent infectieux (1)
Plusieurs routes semblent exister…
Quand l’agent de la tremblante est transmis oralement à des hamsters:
Le Prion part du tube digestif puis atteint la moelle épinière par
l’intermédiaire des nerfs périphériques reliant ces deux tissus (nerfs
splanchniques).
Il progresse alors (1 mm/jour) jusqu’aux zones centrales du SN.
Les cellules gliales pourraient être à l’origine de ce transport
Cheminement de l’agent infectieux (2)
L’infectiosité n’est généralement pas limitée aux tissus nerveux…
- Réplication de l’agent dans les organes lymphoïdes associés au tube digestif (plaques de Peyer
comprenant les ganglions sur la paroi de l’intestin grêle), puis dans les organes lymphoïdes secondaires
(rate et thymus) via les systèmes lymphatique et réticulolymphocytaire.
- Rôle relais important des cellules dendritiques folliculaires (proches des filets nerveux du système
nerveux autonome)
- Autre compartiment cellulaire peut être impliqué dans l’accumulation de la PrPsc dans les organes
lymphoides
Evolution de l’infectiosité dans différents organes
Les deux « chemins d’accès » de la PrPsc au SNC
Ghosh (2004) Adv Drug Deliv Reviews
La notion de souches
La notion de souche * (Chandler, 1961) définit des isolats qui
transmettent à leur descendance des caractéristiques
particulières :
Les signes cliniques (comportement de l’animal)
La durée de la maladie (court ou long temps d’incubation)
la répartition des lésions dans le cerveau (nombre, taille et distribution des
vacuoles dans les différentes aires cérébrales)
La présence ou l’absence de plaques amyloides
La localisation cérébrale de dépots de la PrPsc
le profil électrophorétique
Les propriétés des souches se transmettent même après
passage d’une espèce à une autre.
*(toutes établies chez la souris à partir d’inoculats de cerveaux de moutons infectés)
La barrière d’espèce
Barrière d’espèce : résistance à l’infection des prions issus
d’une autre espèce animale.
Transmission d’une ESST à une espèce différente de celle de départ :
1. Allongement de la période d’incubation au cours du 1er passage.
2. Stabilisation après plusieurs passages au temps d’incubation caractéristique de la souche
transmissibilité inter-espèce des ESST semble gouvernée par trois facteurs
:
- la dose infectante
- la voie d’infection
1- Intracérébrale, 2- intraveineuse, 3- intrapéritonéale,
4- sous-cutanée, 5- orale
- la barrière d’espèce (dépend de l’espèce donneuse ET de l’espèce receveuse)
Notions de souches et de barrières d’espèce
La PrPsc qui s’accumule de novo correspond toujours à la séquence de
la PrP de l’hôte et pas à celle de l’inoculum.
La nature de l’ATNC ?
Propriétés physico-chimiques de la PrPsc
Traitement
Conditions
Effet sur la tremblante
Procédés physico -chimiques
Soude
1 N pendant 1 heure à 20°C
inactivation
Procédés enzymatiques
DNase
100g/ml
résistant
Proteinase K
100 mg/mg de prot 1h à 37°C
résistant
Procédés physiques
Autoclavage classique 121°C pendant 20 min
résistant
Autoclavage
136°C pendant 18 min sous
3bars
inactivation
Chaleur sèche
600°C
résistant
UV
forte dose
résistant
La nature de l'agent transmissible
+
+
Le Virus
Le Prion
Le Virino
Très résistant aux processus d'inactivation
Hypothèse virale
• Admise jusqu’au début des années 1980
• Exp d’inactivation rayons X taille génome 2 à 4 kb
(plus petite connue à ce jour)
• Présence d’acides nucléiques retrouvés
systématiquement dans les fractions hautement
purifiées de scrapie
• Aucune séquence nucléique identifiée à ce jour
• Hypothèse est que PrPc mutée = récepteur haute
affinité pour le virus
Détection de particules de 25 nm non associées à la PrP
Hypothèse protéique
Le concept de la protéine infectieuse est une hypothèse de travail largement
admise restant à démontrer !
Les 2 concepts majeurs de cette hypothèse (selon S.B. Prusiner)
sont :
1. L’existence de deux conformations (deux
repliements) pour une même séquence de protéine
2. la possibilité pour la protéine pathologique de
convertir la forme normale en forme pathologique : le
"baiser de la mort".
Hypothèse de l’holoprion
L'agent infectieux serait constitué de l'association entre la
PrPsc ou "coprion" et un acide nucléique de très petite taille
ou "holoprion".
- L'acide nucléique (inconnu à ce jour) serait responsable de
la variabilité des souches et des conformations stériques de
PrPsc ; ainsi que de la transmissibilité de la pathologie.
- La PrPsc serait impliquée dans l'apparition des signes
neuropathologiques.
Les deux faces de la PrP
Gène humain codant pour la PrPc
Séquence
codante
Séquence
codante
D’après Médecine/Sciences vol 18, décembre 2002
La protéine-prion humaine
Glycoprotéine de 33 à 35 kDa exprimée de manière constitutive
dans la plupart des tissus
Expression plus importante dans le cerveau
Augmentation de l’expression de PRNP dès le 10e jour
embryonnaire
Région régulatrice du gène de la PrPc a des caractéristiques de
gène de «ménage »
La protéine-prion humaine
Les modifications post-traductionnelles consistent en quatre étapes principales :
- le retrait du peptide signal amino-terminal.
- le retrait des vingt-trois résidus de l'extrémité carboxy-terminale et l'addition d'un groupement
glycosylphosphatidylinositol (GPI) sur un résidu Asn, permettant l'ancrage de la protéine à la
membrane plasmique.
- la formation d'un pont disulfure entre les résidus cystéines 179 et 214.
- l'addition de deux groupements d'oligosaccharides sur les résidus Asn 181 et 197.
D’après Médecine/Sciences vol 18, décembre 2002
La protéine-prion humaine
-Trois hélices et deux feuillets structurent la partie carboxy-terminale de la PrP (42 %
d'hélice et 3 % de feuillet ).
-Le domaine C-terminal est globulaire, l'extrémité N-terminale est flexible et librement mobile
-En dépit de quelques différences de séquences primaires, les structures tridimensionnelles
des PrP recombinantes humaine, murine et bovine se superposent parfaitement n'apportant
aucun éclairage nouveau quant à l'existence d'une barrière d'espèce.
D’après Médecine/Sciences vol 18, décembre 2002
Fonctions de PrPc
1. Signalisation cellulaire
2. résistance des cellules au stress oxydant
- via une activité Cu/Zn superoxyde dismutase
- abaisserait le contenu cellulaire en radicaux libres
Les cellules déficientes en Prp
Les souris KO pour PrP (prnp -/-)
Leurs développement, reproduction et comportement sont normaux
La présence de PrPc est indispensable pour que la maladie puisse se développer
La réintroduction d’un transgène prnp restaure leur sensibilité à la maladie
La surexpression de PrP est à l’origine d’une maladie neurodégénérative
spontanée ne s’accompagnant pas d’accumulation de PrPsc dans le SNC et
difficilement transmissible
Pas de fonction vitale exercée par la PrP, ou mise en place de système
de compensation ?
La PrPsc
Sain
atteint
d’ESST
- +
- +
Protéinase K
PrPsens = PrPc
PrPres = PrPsc
• PrP Normale
• PrP anormale
•
•
PrP-sen, PrPc
Trouvée dans de nombreux
tissus et types cellulaires
Glycoprotéine de surface liée
aux cellules par un
groupement GPI
•
•
•
soluble dans les détergents
Digérée par la protéinase K
Essentiellement structure en
hélice •
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•GPI : glycosylphosphatidylinositol
PrP-res, PrPSc
Spécifique des ESST
Trouvée dans le SNC, la rate, les
ganglions lymphoïdes
Large agrégats et fibrilles
amyloïdes
insoluble dans les détergents
Résistante à la protéinase K
Essentiellement structure en
feuillet Composé majeur des fractions
infectieuses
neurotoxique
Conversion des PrPc en PrPsc
Technique de PMCA = protein misfolding cyclic amplification
conversion cyclique de grande quantité de PrPc en PrPSc malconformée à partir de quantité
indétectable de PrPSc
gain de sensibilité > 106 par rapport au WB
inoculation en ip d’hamster avec souche scrapie 263K (10% d’homogénat de cerveau infecté)
Sang collecté et purifié est amplifié par PMCA sur homogénat de cerveau sain
Souris CD1 inoculées en icv par souche FU asiatique de CJD
RT-PCR sur homogénat de cerveau ou sur cellules microgliales en culture
Sérum amyloid A3 et L-selectin très précoce (20j) - MIP-1a, MIP-1b, MCP1, IL-1a et TNFa >10x entre 30 et 40j
mesures de précaution:
(a)
le contrôle épidémiologique de la population dans les pays où des cas de vMCJ et/ou
d’encéphalopathie bovine spongiforme (EBS) ont été identifiés
(b)
l’exclusion des candidats donneurs de sang ayant voyagé ou séjourné pour une certaine période
de temps dans des pays touchés par l’EBS, ou ayant été transfusés ou transplantés
(c)
la limitation du contenu du plasma en leucocytes
(d)
l’élimination de la protéine prion pathologique au décours des étapes de fractionnement.
« l’élimination » de la protéine prion pathologique au décours des étapes de fractionnement
les précipitations en présence d’éthanol, les filtrations en profondeur, et les chromatographies,
contribuent à une élimination importante des prions
-> hydrophobicité et tendance de l’agent infectieux à s’agréger
les étapes de nanofiltration sur des membranes multicouches (porosité de 75 nm ou moins), utilisées
pour la sécurisation virale des facteurs de coagulation ou des immunoglobulines, retiennent,
vraisemblablement par des mécanismes d’exclusion stérique et de piégeage, plus de trois à cinq logs
de prions.
Le risque de transmission de vMCJ par les produits plasmatiques parait très mince, mais….
doute subsiste temps que la nature de l’agent infectieux présent dans le sang ne sera pas
pleinement élucidée.
Les causes de la mort neuronale
Causes de la mort neuronale
- L'accumulation de la PrPsc et les signes de la neuropathologie
sont co-localisés dans les mêmes aires cérébrales.
- La neuropathologie précède dans le temps l'agrégation des formes
fibrillaires.
-PrPsc n’est pas retrouvée dans certaines formes de maladies à
prions héritées ou induites expérimentalement.
Agrégation de la PrPsc = cause principale de la pathogenèse ??
Mécanismes cellulaires et moléculaires mis en place au cours de l'infection et
responsables de la mort neuronale sont inconnus ;
Idem pour ceux responsables de la vacuolisation des neurones survivants, de la
multiplication astrocytaire et de l'activation microgliale.
Causes de la mort neuronale (2)
Les hypothèses (non exclusives) :
-la perte de la fonction physiologique de la PrPc, une topologie ou une
localisation sub-cellulaire aberrante de la PrPc.
- la toxicité intrinsèque des agrégats de PrPsc et/ou de fragments peptidiques de
la PrP formés de novo.
- une "cytotoxicité indirecte" causée par divers facteurs cellulaires sécrétés en
réponse à l'infection.
Cheminement cellulaire de la PrP
Différents contrôles de qualité existent au cours de la synthèse,
maturation et recyclage de la PrPc.
Les voies endo-lysosomales et la propagation de PrPres
Cytotoxicité de la PrP cytosolique
Une fraction mal repliée de PrPc, est adressée au protéasome, et transite par le cytosol…
In vitro
In vivo
DAPI
TUNEL
L’expression de la forme cytosolique
de PrP induit l’apoptose
Perte neuronale massive dans la couche des grains
Atrophie de la couche moléculaire
Gliose sévère
Cinétique et sévérité des lésions sont corrélées au
développement de l’ataxie observée chez les souris CyPrP.