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Le phénomène Prion, différents aspects d'un nouveau concept en biologie

Authors:

Abstract and Figures

Prion diseases are neurodegenerative disorders causing spongiform encephalopthies in mammals. They have the peculiarity of being transmissible and have led to epidemics such as Kuru in human, scrapie in sheep, chronic wasting disease in cervids and mad cow in bovine. This latter has been transmitted to human where it has induced a variant form of the human Creutzfeldt-Jakob disease. Amyloïd deposits of a misfolded protein (PrP Sc) due to the conformational change of the host encoded cellular prion protein (PrP C) are features of these diseases. The prion hypothesis has proposed PrP Sc to be the infectious agent. Recent arguments in favor of this hypothesis will be reviewed. The puzzling prion strain phenomenon leading to different pathologies and the nature of the infectious particle will also be questioned. The Prion concept, in addition to apply to diseases, has allowed a better understanding of some epigenetics transmissions in fungi. Principle of this concept suggests that different protein conformations may carry and propagate various information opening the way to new investigations on amyloïdosis and their potential to be transmitted. Several examples of Prion-like phenomena not systematically associated with diseases but related to functional amyloïds, sustain a conceptual novelty in biology that will be discussed. Keywords : prion disease, infectious protein, amyloïdosis, prion concept
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Le phénomène prion, différents aspects
dun nouveau concept en biologie
M. Moudjou
1
M. Ermonval
2
1
Unité de virologie et immunologie
moléculaires, Équipe infections à prions,
Inra,
78352 Jouy-en-Josas,
France
<mohammed.moudjou@jouy.inra.fr>
2
Institut Pasteur, Unité de génétique
moléculaire des bunyavirus,
département de virologie,
75015 Paris,
France
<myriam.ermonval@pasteur.fr>
Résumé. Les maladies à prions sont des maladies neurodégénératives respon-
sables dencéphalopathies spongiformes chez les mammifères, ayant la parti-
cularité dêtre transmissibles. Elles ont ainsi provoqué des épidémies (Kuru
chez l homme, tremblante du mouton, dépérissement chronique des cervidés,
vache folle) et ont conduit à lémergence dun variant de la maladie de
Creutzfeldt-Jakob après transmission interespèce de l agent bovin à lhomme.
Elles sont caractérisées par des dépôts amyloïdes constitués dune protéine de
structure anormale, la PrP
Sc
, qui résulte de la conversion de la protéine prion
cellulaire (PrP
C
)delhôte et qui, selon lhypothèse prion, constituerait lagent
infectieux. Cette revue présente les arguments récents appuyant cette hypo-
thèse. Lintriguant phénomène de souches associées à des pathologies différen-
tes et la caractérisation de la particule infectieuse seront également abordés.
Par ailleurs, le concept prion qui dépasse maintenant le cadre de ces maladies
a permis de réévaluer certains événements épigénétiques décrits chez les cham-
pignons. Ce concept, en suggérant un principe tel que diverses structures dune
même protéine puissent porter des informations différentes, a permis délargir
le champ des investigations sur les amyloïdoses et leur transmissibilité poten-
tielle. Lexistence de phénomènes de type prion impliqués dans des fonctions
non systématiquement associées à des pathologies apporte une nouveauté
conceptuelle en biologie.
Mots clés
:
maladie à prion, protéine infectieuse, amyloïdose, concept prion
Abstract. Prion diseases are neurodegenerative disorders causing spongiform
encephalopthies in mammals. They have the peculiarity of being transmissible
and have led to epidemics such as Kuru in human, scrapie in sheep, chronic
wasting disease in cervids and mad cow in bovine. This latter has been trans-
mitted to human where it has induced a variant form of the human Creutzfeldt-
Jakob disease. Amyloïd deposits of a misfolded protein (PrP
Sc
) due to the
conformational change of the host encoded cellular prion protein (PrP
C
) are
features of these diseases. The prion hypothesis has proposed PrP
Sc
to be the
infectious agent. Recent arguments in favor of this hypothesis will be revie-
wed. The puzzling prion strain phenomenon leading to different pathologies
and the nature of the infectious particle will also be questioned. The Prion
concept, in addition to apply to diseases, has allowed a better understanding
of some epigenetics transmissions in fungi. Principle of this concept suggests
that different protein conformations may carry and propagate various informa-
tion opening the way to new investigations on amyloïdosis and their potential
to be transmitted. Several examples of Prion-like phenomena not systemati-
cally associated with diseases but related to functional amyloïds, sustain a
conceptual novelty in biology that will be discussed.
Key words
:
prion disease, infectious protein, amyloïdosis, prion concept
Virologie 2010, 14 (4) : 255-68
doi: 10.1684/vir.2010.0313
Tirés à part : M. Moudjou, M. Ermonval
revue
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Maladies à prions et concept prion
Encéphalopathies transmissibles
chez les mammifères : variations sur un même thème
Les maladies à prions, aussi appelées encéphalopathies
spongiformes transmissibles (EST), sont des maladies
neurodégénératives provoquant des troubles neurologiques
progressifs à issue inéluctablement fatale. Elles peuvent
être dorigine sporadique, génétique ou transmise. Elles
touchent lhomme ainsi quune variété danimaux déle-
vage ou sauvages. Malgré les différentes nomenclatures
sous lesquelles elles ont été décrites, ces maladies sont cau-
sées par des agents infectieux de même nature : les prions
[1]. Selon la théorie de « la protéine seule », émise par
Stanley Prusiner et en accord avec lhypothèse déjà propo-
sée dans les années 1960 par le mathématicien J.S. Griffith
[2], lagent responsable des EST serait une protéine. Lune
des caractéristiques principales des encéphalopathies spon-
giformes est la présence dans le système nerveux central, et
parfois dans les organes lymphoïdes, dagrégats protéiques
constitués de PrP
Sc
(Sc pour scrapie, nom anglo-saxon de
la tremblante du mouton) correspondant à une forme anor-
malement structurée de la protéine prion cellulaire PrP
C
de
lhôte. Laccumulation de la PrP
Sc
dans le cerveau
provoque une dégénérescence neuronale. Les individus
atteints développent des symptômes relatifs à des dysfonc-
tionnements de nature cognitive et motrice qui apparaissent
après une période dincubation relativement longue pou-
vant atteindre jusquà 40 ans chez lhomme. Les EST
humaines connues sont : la maladie du Kuru, apparue
chez les Foré de Papouasie-Nouvelle-Guinée à la suite de
pratiques de cannibalisme rituel ; la maladie de Creutzfeldt-
Jakob (MCJ) dont la forme la plus fréquente est spora-
dique, avec 1,7 cas par million dindividus et par an, mais
qui existe aussi sous forme génétique, iatrogène ou acquise
(vMCJ) ; le syndrome de Gerstmann-Sträussler-Scheinker
(GSS) ; linsomnie fatale familiale (IFF). La transmission
humaine dite iatrogène a eu lieu lors de greffes dorganes,
dinjections dhormones de croissance ou dimplantation
délectrodes [3].
Chez les animaux, le prototype des maladies à prions est la
tremblante du mouton (et de la chèvre) décrite au début du
XIX
e
siècle. Une autre maladie à prions naturelle, rencontrée
en Amérique du Nord, provoque la maladie du dépérisse-
ment chronique (chronic wasting disease, CWD) qui
sétend à de nombreux cervidés sauvages. Lencéphalopa-
thie spongiforme bovine (ESB), dite maladie de la vache
folle, est apparue chez les bovins en Grande-Bretagne au
milieu des années 1980 alors que les bovins semblaient
jusqualors indemnes de ce type de maladie. Durant les
25 dernières années, lépidémie de lESB a touché plus de
183 000 bovins et a provoqué des crises alimentaires et
économiques importantes. Lalimentation à partir de
farines animales mal décontaminées a été mise en cause,
posant le problème de lémergence chez les bovins dune
nouvelle maladie à prions supposée provenir de lagent de
la tremblante du mouton ou de cas rares dESB non détec-
tés auparavant [4]. Lépidémie de la vache folle a été suivie
par lidentification, en 1996, du nouveau variant humain de
la MCJ (vMCJ) dont il a été prouvé quil était à lagent
de lESB [5] contracté par consommation de produits
contaminés dorigine bovine. Ce nouveau variant, contrai-
rement aux autres MCJ connues, affecte des personnes
jeunes et est associé à la présence dagrégats de PrP
Sc
ayant les mêmes caractéristiques que ceux de lESB.
Depuis lintroduction du néologisme prion en 1982 [6]
provenant de lacronyme anglais, proteinaceous infectious
particle, de nombreuses données expérimentales ont mon-
tré le rôle primordial de la protéine PrP
C
dans la réplication
et la transmission de lagent infectieux. Des souris invali-
dées pour lexpression de la PrP
C
sont insensibles à une
infection par des prions. Par ailleurs, lexpression de la
PrP
C
dans les neurones est nécessaire à la manifestation
des phénomènes de neurodégénérescences associées [7].
Originellement, le terme prion a été défini comme « une
petite particule protéique infectieuse, résistante à la plupart
des procédés qui détruisent les acides nucléiques ». Cette
définition est toujours valable, car aucun acide nucléique
spécifique na été trouvé associé à lagent. Lélément cen-
tral dans la pathogenèse des prions reste bien la conversion
de la protéine normale PrP
C
en une protéine anormale dite
PrP
Sc
. Contrairement à la PrP
C
dont la structure secondaire
est riche en hélices α, la PrP
Sc
est riche en feuillets β, mais
aussi, insoluble dans les détergents non ioniques, sagrège
et est partiellement résistante aux protéases. Ainsi, selon
« la théorie de la protéine seule » régissant les infections
à prions :
la PrP
Sc
est la principale constituante de lagent
transmissible ;
la réplication de ce dernier est le résultat dun change-
ment conformationnel de la PrP
C
.
Un tel processus de conversion peut, par ailleurs, rendre
compte des différentes étiologies des maladies à prions.
Il peut en effet être déclenché soit par contact avec un
prion exogène (cas transmis), soit par une transconformation
stochastique (cas sporadiques), soit par mutation du gène
codant pour la PrP
C
, ce qui conduit à lexpression dune
protéine dont la convertibilité est accrue (cas génétiques).
Hypothèse prion dite de la protéine seule :
la preuve finale ?
Le concept prion repose donc sur lhypothèse selon
laquelle lagent infectieux est constitué dune forme
anormale d une protéine dont la genèse est obtenue par
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transconformation dune forme normale de la même pro-
téine. Cette conversion nécessite une interaction physique
entre ces deux formes de PrP. Selon cette théorie, le pro-
cessus de conversion doit être possible in vitro,dansunsys-
tème acellulaire par mélange des deux conformères de la
protéine prion. Historiquement, ce type dexpérience a été
réalisé avec succès pour la première fois par Kocisko et al.
[8] par coincubation de PrP
Sc
semi-purifiée avec de la pro-
téine PrP
C
radiomarquée utilisée comme substrat de conver-
sion. Ces conditions ont permis de générer de la PrP
Sc
radio-
active résistante à la protéase K (PK), indiquant que les
noyaux de PrP
Sc
ont bien transformé la PrP
C
radioactive.
Cependant, ces expériences qui nécessitaient des stœchio-
métries élevées de PrP
Sc
nont pu clairement être reliées au
caractère infectieux des prions. Elles ont néanmoins permis
de reproduire in vitro les caractéristiques de spécificité de
souches (voir plus loin) et dhomologie de séquence en aci-
des aminés importantes pour leur propagation [9, 10].
La mise en œuvre dune nouvelle technologie appelée
PMCA : Protein Misfolding Cyclic Amplification par
Saborio et al.[11] a conduit à des avancées renforçant
lhypothèse prion. La technique PMCA consiste en une
succession de cycles dincubation à 37 °C et de sonication,
appliquée à un homogénat de cerveau sain contenant la
PrP
C
« ensemencée » par de très faibles quantités de maté-
riel infecté. Son principe repose sur la capacité de la soni-
cation à fragmenter des agrégats de PrP
Sc
néoformés pour
générer de nouveaux noyaux infectieux, aboutissant à une
augmentation exponentielle de PrP
Sc
par transconforma-
tion du substrat PrP
C
(figure 1). Ce processus de conversion
peut-être perpétué indéfiniment par dilutions sériées du
produit amplifié dans de nouveaux homogénats de
cerveaux sains fraîchement préparés. Lamplification
considérable de PrP
Sc
obtenue par la technique PMCA
saccompagne dune augmentation des titres infectieux
[12]. Cette technique a finalement permis de produire de la
PrP
Sc
PK-résistante et infectieuse à partir de PrP
C
haute-
ment purifiée mais en présence de facteurs tels des acides
nucléiques ou des polyanions [13].
Selon le principe de propagation des prions et afin de
saffranchir de facteurs pouvant être présents dans les
homogénats de cerveaux sains, il a été tenté de transconfor-
mer de la PrP recombinante (PrP
rec
) purifiée vers un état
fibrillaire, voire amyloïde pour en tester le pouvoir patho-
gène. Récemment, Atarashi et al. ont mis au point une
technique, QuIC (Quaiking-Induced Conversion) dont le
principe sinspire de celui de la PMCA mais utilise lagita-
tion mécanique au lieu de la sonication comme moyen de
fragmentation des fibrilles de PrP
rec
néoconverties [14].
Dans cette étude utilisant de la PrP
rec
purifiée comme sub-
stitut à la PrP
C
de cerveau sain, le produit damplification
sest révélé peu infectieux, probablement pour des raisons
liées à lorganisation structurale des fibrilles de PrP
rec
ainsi
générées.
Dautres équipes ont testé linfectiosité de PrP
rec
convertie
en fibrilles in vitro mais sans succès avéré [15-17]. Les pre-
miers résultats probants ont été publiés par Legname et al.
[18]. Cependant, ces premières données étaient critiqua-
bles, car les auteurs avaient utilisé une protéine PrP de
hamster dépourvue de sa partie N-terminale. Surtout, les
tests dinfection avaient été réalisés avec des souris trans-
géniques qui exprimaient cette même PrP tronquée à un
Lysat de cerveau
sain contenant de la
PrP
c
, ensemencé de
très peu de PrP
sc
Incubation
30' à 37 ˚C
+
Sonication
Sonication
Sonication
20"-40"
PrP
Sc
originale
PrP
C
PrP
Sc
néoformée
3
e
cycle
2
e
cycle
1
er
cycle
Incubation
Incubation
Figure 1. Diagramme représentant le principe de la technique PMCA (Protein Misfolding Cyclic Amlplification). Un échantillon dhomogé-
nat de cerveau sain contenant de la PrP
C
est ensemencé avec une très faible quantité de PrP
Sc
.Lamplification cyclique consiste en
lalternance de cycles dincubation du mélange à 37 °C, permettant la conversion et la polymérisation de PrP
Sc
, et de brèves sonications
conduisant ainsi à une fragmentation des polymères néoformés, et par conséquent à la formation de nouvelles unités (noyaux) de conver-
sion (adapté de Saborio et al. [11]).
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niveau très élevé (16 à 32 fois) en comparaison du niveau
de PrP
C
dans un cerveau de hamster, et ces souris avaient
tendance à développer spontanément des signes neurolo-
giques probablement dus à la surexpression de PrP tron-
quée. Linoculation à des souris sauvages dhomogénats
de cerveaux issus de ces souris atteintes suite à linjection
de PrP
rec
transconformée a toutefois révélé la présence dun
agent prion transmissible. Ces études ont récemment été
reprises et confirmées en utilisant de la protéine PrP
rec
non tronquée, convertie vers un état riche en feuillets β et
inoculée soit à des souris ne surexprimant que quatre fois la
PrP complète [19], soit à des souris sauvages [20], soit en
utilisant des hamsters et de la PrP
rec
de la même espèce
[21]. De plus, plusieurs souches expérimentales de prions
ayant des caractéristiques pathologiques et physicochimi-
ques nouvelles ont ainsi été isolées [19, 21-23], y compris
des souches dont les PrP
Sc
sont dites senPrP
Sc
, car sensi-
bles au traitement par la PK [24]. Ce dernier résultat invite à
sinterroger sur la capacité des tests de diagnostic basés
exclusivement sur la propriété de résistance des prions à
la protéolyse à détecter tous les types de prions. Il est à
souligner ici un travail récent combinant lutilisation de
PrP
rec
murine, la technique PMCA et des additifs tels le
phospholipide POPG (1-palmitoyl-2-oléoylphosphatidyl-
glycérol) et des ARN tissulaires totaux [20]. Cette appro-
che a pour la première fois produit in vitro un prion capable
dinfecter des souris sauvages en induisant une mortalité
précoce (150 jours), et ce, dès le premier passage. Une
approche similaire a tout récemment permis de générer un
prion de hamster en absence de tout cofacteur additionnel
[25]. Il est à noter que dans ce cas, lespèce formée est
moins infectieuse. Ces résultats appuient très fortement
lhypothèse de la protéine seule dans les maladies à prions
et mettent en lumière le rôle facilitant et/ou stabilisateur de
certains cofacteurs.
Caractérisation de la particule
infectieuse
Notion de souche de prions : la PrP
Sc
, une protéine
à géométrie variable
Lexistence de différentes souches de prions est lun des
aspects les plus énigmatiques et les plus difficiles à expli-
quer compte tenu de la nature exclusivement protéique de
lagent pathogène des EST. Cela a dailleurs longtemps fait
obstacle à lhypothèse prion en suggérant que le support
des variations de souches devait dépendre dun acide
nucléique (théorie du virus ou du virino [26]), par analogie
aux souches de micro-organismes présentant des spécifici-
tés dhôte et de virulence dépendantes de leur génotype.
Létude des prions de levure, comme on le verra plus loin,
a été cruciale non seulement à la validation du concept
prion, mais aussi à la compréhension du phénomène de
souches [27].
Des souches de prions différentes présentent des caractéris-
tiques phénotypiques et biochimiques stables et distinctes
qui sont préservées après transmission à un même hôte.
Une souche de prion peut être définie par :
le temps dincubation de la maladie quelle induit chez
lhôte ;
la distribution cérébrale des dépôts de PrP
Sc
ainsi que
les lésions neuropathologiques (spongioses, profils lésion-
nels) et les symptômes associés ;
les caractéristiques physicochimiques spécifiques à la
PrP
Sc
de chaque souche. Parmi les paramètres biochimi-
ques, le profil glycotypique de la molécule PrP
Sc
partiel-
lement résistante à un traitement à la PK (PrP
res
) est défini
par les taux relatifs des différentes formes non, mono et
biglycosylées de PrP
res
et par la taille de la forme non
glycosylée, déterminés par électrophorèse. Ce dernier cri-
tère est souvent utilisé pour le diagnostic et la classifica-
tion des souches de prions (figure 2).
Toutefois, cette classification repose sur la spécificité des
anticorps utilisés pour la détection et se révèle aujourdhui
plus compliquée. En effet, la PrP
res
de type 1 a pu être
détectée dans plusieurs cas humains classés auparavant
comme MCJ de type 2 ou comme vMCJ [28]. Cela a été
mis en évidence grâce au développement de nouveaux anti-
corps de haute affinité pour la région N-terminale riche en
octapeptides répétés de la PrP, qui reconnaissent la PrP
res
de type 1 mais pas celle de type 2 [28, 29]. Cette comple-
xité est aussi révélée par lanalyse du taux daccumulation
Type 1
PrP
res
PrP
C
Type 3 Type 4
MCJ sporadique, iatrogène
nvMCJ
ESB
Non glycosylée
Monoglycosylée
Biglycosylée
Non glycosylée
21 kDa
Monoglycosylée
Biglycosylée
Type 4Type 2
Figure 2. Représentation schématique des profils de migrations
électrophorétiques des glycoformes de PrP
C
(encadré gauche) en
comparaison des glycotypes de PrP
res
(encadré droit) obtenus
après digestion à la protéase K de différentes PrP
Sc
et détection
avec un anticorps classique. Les types de PrP
res
correspondent à
différentes souches humaines de prions associées aux MCJ spora-
diques et iatrogènes (classification de Collinge et al., [5]) et à la
souche de lESB. La taille de lespèce de PrP
res
non glycosylée
ainsi que labondance relative des différentes glycoformes sont
caractéristiques dune souche donnée. Lextrême ressemblance
du profil de migration des PrP
res
de lagent de lESB et de celui
du nouveau variant de la MCJ (vMCJ) a confirmé lorigine bovine
de ce dernier.
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dun fragment produit par protéolyse endogène de la PrP
Sc
,
le fragment C2 qui varie en fonction des systèmes cellulai-
res ou des tissus infectés [29]. Le taux de fragment C2 par
rapport à la PrP
Sc
non clivée pourrait alors, pour une souche
et dans un tissu donné, refléter des propriétés liées au tro-
pisme cellulaire et avoir des conséquences sur la signature
biochimique de la souche.
Les modèles transgéniques murins ont été largement utili-
sés pour analyser le phénomène de souches de prions [30].
Des souris génétiquement modifiées afin dexprimer uni-
quement la protéine PrP
C
dorigine humaine, ovine ou
bovine sont capables de propager des souches de prions
issues de ces mêmes espèces et dont les caractéristiques
sont généralement préservées. Des modèles de souris trans-
géniques ont par exemple permis de définir deux à trois
groupes de MCJ humaines [5, 31] et ont montré que le
nouveau variant de la MCJ en était distinct mais présentait
des similitudes avec lagent de l ESB (figure 2), prouvant
ainsi que la souche de prion bovin avait, par franchissement
de la barrière despèce, provoqué lémergence du nouveau
variant humain de la MCJ. Concernant les souches de trem-
blante adaptées à la souris, alors que lon pensait quil exis-
tait une vingtaine de souches différentes [32], il semble que
leur nombre en soit plus limité et quau maximum cinq
profils majeurs de souches puissent rendre compte dune
grande part de la diversité des phénotypes observés en
conditions naturelles [33].
Il est à noter que de nouvelles souches de prions continuent
à être découvertes [4], à limage de la souche Nor98, res-
ponsable dune forme atypique de tremblante décrite pour
la première fois en 1998 chez les ovins, en Norvège et des
deux souches de prions découvertes récemment chez les
bovins. Ce sont les programmes de surveillance active
mis en place pour les ruminants depuis 2001 qui ont
dévoilé la présence, dans de nombreux troupeaux de mou-
tons, dune souche de tremblante dont le profil biochimique
est atypique comparé à celui des souches classiques de
tremblante. De façon inattendue, cette nouvelle souche,
qui sest révélée être identique à Nor98, touche les moutons
réputés réfractaires aux souches classiques de tremblante et
ayant le génotype ARR/ARR en relation avec le polymor-
phisme de la PrP
C
de mouton [34]. À la lumière de ces
données, il est légitime de se poser la question de la perti-
nence du programme de sélection génétique des moutons
de génotype ARR visant à éradiquer la tremblante. Par ail-
leurs, à côté de la souche de lESB longtemps considérée
comme unique, les deux nouvelles souches de prions
bovins ont été identifiées récemment au Japon et en Italie,
puis en France et aux États-Unis. Contrairement à lESB,
leur fréquence dapparition est faible (0,35 à 0,41 cas par
million de vaches) avec seulement 36 cas de bovins dénom-
brés depuis 2002, et elles touchent des animaux âgés (9 à
13 ans). Ces informations suggèrent lexistence de formes
sporadiques de prions bovins passées inaperçues [35].
Lhypothèse qui se dessine pour expliquer le phénomène de
souche repose essentiellement sur limplication dune
variabilité conformationnelle de la structure tertiaire de la
molécule de PrP
Sc
et/ou de celle de lorganisation des
oligomères (structure quaternaire) quelle constitue [19],
comme illustré plus bas et dans la figure 3. La notion de
souche de prions peut être résumée selon le cheminement :
une protéine, plusieurs conformations, plusieurs souches,
différentes pathologies. Si tel est le cas, la PrP
Sc
peut être
qualifiée de protéine à géométrie variable. Les mécanismes
moléculaires sous-tendant cette variabilité structurale ne
sont pas encore compris, de même que les relations physio-
logiques entre les conformations différentes, le profil
glycotypique, la distribution spatiale de la PrP
Sc
dans les
différentes régions du cerveau et les mécanismes de neuro-
dégénéresence. Un degré supplémentaire de complexité est
atteint avec la mise en évidence de différentes formes
de prions [28] et de la possible coexistence de souches
associées à une maladie à prions donnée [33, 36].
Particule infectieuse : une question de taille
Si la structure de la PrP
C
a pu être déterminée par différen-
tes approches (RMN, cristallographie), celle de la PrP
Sc
nest que partiellement connue, car obtenue à basse résolu-
tion avec du matériel semi-purifié. Lessentiel de nos
connaissances sur la PrP
Sc
en termes de structure peut se
résumer en deux points :
la PrP
Sc
est très enrichie en feuillets β ;
elle est organisée en fibrilles, en agrégats ou en structu-
res amyloïdes [37].
Depuis la constatation que la taille de lagent pathogène des
prions, déduite des premiers travaux dinactivation par les
rayonnements ionisants [38], était plus petite que celle des
virus connus à lépoque, peu de données ont été rapportées
sur la taille de la particule infectieuse. Notamment, la ques-
tion de létat doligomérisation de la sous-population de
PrP
Sc
portant le pouvoir infectieux le plus élevé reste
posée. Des résultats récents obtenus par filtration proposent
une taille de lagent infectieux comprise entre 15 et 35 nm
selon les souches étudiées [39]. Des analyses par AFFF
(Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation) et par dis-
persion de la lumière multiangle ont montré que la particule
la plus infectieuse de PrP
res
pour la souche 263K de hams-
ter était de forme sphérique et/ou elliptique, avec un diamè-
tre compris entre 17 à 27 nm pour une masse moléculaire
variant de 300 à 600 kDa. Pour une particule infectieuse
exclusivement constituée de PrP, loligomère corres-
pondant contiendrait 14 à 28 molécules. La définition de
« particule la plus infectieuse » en termes defficacité de
conversion ou en termes de pathogénicité reste à préciser.
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Quelques éléments expérimentaux soulignent toutefois un
pouvoir de conversion plus élevé in vitro des petits oligo-
mères plutôt que des gros agrégats de PrP
res
[40]. Il est
légitime de penser que lunité la plus infectieuse puisse
avoir une taille compatible avec une activité cytotoxique,
comme par exemple des protofibrilles qui peuvent former
des pores membranaires affectant lintégrité cellulaire [41].
Le lien entre la résistance à la protéolyse de la PrP
Sc
et
linfectiosité est une question assez récurrente dans le
domaine des prions. Des exemples de découplage entre
ces deux propriétés ont été décrits sans que pour autant
lentité infectieuse sensible à la PK (senPrP
Sc
) ait pu être
clairement caractérisée [42, 43]. Dans la plupart des cas, la
senPrP
Sc
est associée à des particules dont létat dagréga-
tion est moindre que celui dagrégats de PrP
Sc
résistants au
traitement à la PK [44, 45]. Lutilisation dune autre pro-
téase, la thermolysine, capable de digérer la PrP
C
mais non
la PrP
Sc
, a montré limportance quantitative de la senPrP
Sc
dans plusieurs modèles expérimentaux ou dinfection
naturelle [29, 46, 47].
Tout récemment, une étude comparative des propriétés
physicochimiques de la PrP
Sc
de diverses souches de
prions produites dans des modèles de souris transgéniques
définis a été réalisée à partir de fractions obtenues par
sédimentation en gradient de vélocité. Le potentiel infec-
tieux associé aux différents états dagrégation de PrP
Sc
a été
évalué [48]. Alors que le profil de sédimentation de la
PrP
res
varie selon les souches de prions, cette étude a mon-
tré que le profil correspondant aux particules les plus infec-
tieuses nest pas systématiquement superposable à celui du
pic de sédimentation contenant la majorité de PrP
res
. Ainsi,
dans le cas des souches dites rapides qui présentent un
temps court dincubation de la maladie, linfectiosité est
associée aux fractions de faible coefficient de sédimenta-
tion correspondant à une taille estimée à 150 kDa et
contenant peu de PrP
res
[48, 49]. Pour ces souches, on
peut envisager que lessentiel de linfectiosité soit porté
par une faible proportion de particules de PrP
Sc
résistante
à la PK, par une sous-population de PrP
Sc
sensible aux
traitements protéolytiques ou par des particules de PrP
Sc
associées à dautres composantes cellulaires tels des lipides
ou des lipoprotéines de faible densité [48].
La stabilité des fibres de PrP
Sc
en relation avec leur pouvoir
infectieux est une notion importante à considérer dans les
maladies à prions et a été étudiée dans un modèle de prions
synthétiques [23]. La stabilité des oligomères de prions
aurait en effet des conséquences sur leur capacité à être
fragmentés in vivo, propriété nécessaire mais non suffisante
pour la transmission de lagent : les plus susceptibles
à la fragmentation pourraient samplifier et se propager
aisément et, par conséquent, être plus efficacement
transmissibles [50].
Souche 2
Souche 1
Agrégation :
Fibrilles amyloïdes
Prion 1
Prion 4
Prion 3
PrP
C
normale
Prion 2
Interaction physique PrP
C
/PrP
Sc
:
Formation d'un hétérodimère
Conversion
de la PrP
C
Oligomérisation
Souche 3
Souche 4
Figure 3. Modèle représentant un mécanisme de transmission par empreinte conformationnelle permettant de rendre compte de la
diversité des souches de prions.
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Prions de levure et validation
du concept prion
Le rôle dune protéine en tant quagent pathogène dans la
propagation et/ou la transmission de diverses maladies neu-
rodégénératives à prions est maintenant bien admis.
Cependant, cest la compréhension, grâce à lhypothèse
prion, de la transmission épigénétique de certains
caractères connus de longue date chez la levure [51] qui
a, en retour, apporté une validation au concept prion.
Le fait que le concept prion ait donné son nom à la protéine
responsable dESTentraîne une ambiguïté de terminologie.
Lorsquil sagit de prions de levure, les protéines impli-
quées ne présentent pas dhomologie de séquence avec la
protéine PrP
C
de mammifère. On se réfère dans ce cas au
concept prion en tant que phénomène de transmission
dinformation portée par une structure particulière dune
protéine. De nombreuses revues font le point sur les prions
de champignons [52-55], et il ne sera abordé ici que les
éléments appuyant le concept prion.
Transmission épigénétique de caractères
chez les champignons
Deux exemples de phénotype chez la levure Saccharomy-
ces cerevisiae illustrent des processus de transmission de
caractères sans que le matériel génétique ne soit directe-
ment impliqué [51]. Ce nest que récemment que ces
phénomènes épigénétiques ont pu être expliqués. Dans le
cas des levures [URE3], ce phénotype est relié à une déré-
gulation du métabolisme azoté [56]. Il a été montré que
lagrégation de la protéine Ure2p rend cette dernière inca-
pable dassurer son rôle de régulateur négatif de transcrip-
tion de gènes impliqués dans le catabolisme de lazote. Par
ailleurs, chez les levures dites [PSI+], lagrégation du fac-
teur de terminaison de traduction Sup35p empêche partiel-
lement la reconnaissance de codons stop [57]. Cette perte
de contrôle darrêt de traduction peut conduire à la synthèse
de nouvelles protéines favorisant dans certaines conditions
lémergence de nouvelles propriétés (voir plus loin). Dans
ces deux exemples, les protéines agrégées sont riches en
feuillets β et forment des fibres amyloïdes stables, support
dinformation transmise aux cellules filles. Ces deux prions
de levure présentent par ailleurs toutes les autres propriétés
de ceux de mammifères :
il est possible de transférer des agrégats protéiques
purifiés à des cellules normales de levure et de leur
transmettre le nouveau phénotype ;
la propagation après transmission ne peut se faire que si
la levure exprime la protéine endogène correspondante ;
des agents dénaturant les protéines (chlorure de guani-
dium) empêchent la reformation dagrégats de prions et
restaurent le phénotype de départ.
Cest ainsi que lhypothèse prion dune transmission de
caractères par lintermédiaire dune protéine seule a trouvé
une validation chez la levure. Il est à noter que lexpression
de la protéine Sup35 de levure et la propagation de ses
caractéristiques prion ont été obtenues expérimentalement
en cellules de mammifères [58, 59], suggérant lexistence
de mécanismes communs, de la levure à lhomme, pour ces
processus de transmission dinformations via des structures
protéiques.
Lephénomèneprionobservéchezlalevureaégalement
apporté des éléments de réponse à la question des souches
de prions. En effet, différentes structures dagrégats amyloï-
des associées à des phénotypes différents ont pu être décrites
[27, 52, 60]. Notamment, il a été établi que la protéine Sup35
pouvait sagréger in vitro selon au moins deux « conforma-
tions » (différents types de fibres amyloïdes). Une fois intro-
duits dans la levure, ces agrégats conduisent à des degrés
variables de manifestation de phénotypes [PSI+]. Ces sou-
ches de [PSI+] sont alors caractérisées par la couleur des
levures qui dépend du degré dinactivation de la protéine
prion Sup35. Les études chez la levure appuient donc tous
les aspects du concept prion en montrant que des conforma-
tions protéiques différentes (phénomène de souches)
peuvent moduler certaines activités, être amplifiées (réplica-
tion), être transmises à des cellules filles (propagation) ainsi
quexpérimentalement à dautres cellules (infection).
Un autre exemple bien étudié de transmission épigénétique
de caractère concerne linduction dune mort cellulaire
chez le champignon filamenteux Podospora anserina, via
lagrégation de la protéine HET-s impliquée dans un
processus dincompatibilité entre les éléments formant
lhétérocaryon après fusion de deux mycéliums de
génotypes Het-s et Het-S [61, 62].
Analogies conformationnelles et « domaines prion »
interchangeables
Le phénomène de nucléation est assuré par des domaines
identifiables (domaines prion) sur les protéines formant des
structures amyloïdes (figure 4). Alors que la délétion de ces
domaines supprime le phénomène de polymérisation,
celui-ci peut être induit sur des protéines hétérologues
(GFP, récepteurs aux glucocorticoïdes, hémagglutinine)
fusionnées à ces domaines peptidiques qui se présentent
donc comme modulables [58, 63]. Pour Sup35p, la fonc-
tion catalytique est portée par la région C-terminale de la
protéine, et cest son domaine N-terminal qui a la capacité
dadopter une structure apte à sagréger. Lorsque cette
région est remplacée par le domaine prion dautres protéi-
nes impliquées dans des processus de conversion (Ure2p
ou Rnq1p), l état prion est conféré à la protéine de fusion
contenant le domaine fonctionnel de Sup35p et peut alors
transmettre le caractère [PSI+]. Ces études ont prouvé que
les domaines prion étaient nécessaires et suffisants pour
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permettre la formation dagrégats amyloïdes. Bien quil ny
ait pas dhomologie dans la séquence en acides aminés de
ces « domaines prion », des caractéristiques communes
émergent, telle la présence de résidus polaires non chargés,
des répétitions de résidus glutamine et asparagine ou
encore des séquences oligopeptidiques répétées. Certaines
séquences au sein des domaines prion pourraient être
importantes pour induire lagrégation alors que dautres le
seraient pour le processus dautoréplication. De nombreux
exemples dinterversion de domaines prion sont mainte-
nant publiés, et on peut mentionner la capacité de
séquences polyglutamine dérivées de lhuntingtine (mala-
die dHuntington) à induire la polymérisation de Sup35p
(figure 4) à condition que le nombre de répétitions dans la
séquence polyQ soit suffisant (plus de 40 résidus).
Des prédictions de séquences indiquent que des protéines
de diverses espèces présentent des caractéristiques les ren-
dant aptes à exister sous différentes formes. Des domaines
putatifs prion ont été trouvés sur 1 à 3 % de protéines de
S. cerevisiae,deC. elegans,deD. melanogaster et sur un
nombre important de protéines dArabidopsis thaliana
mais aussi humaines [55]. Des travaux très récents dana-
lyse de séquences et dinterversion de domaines protéiques
ont conduit à lidentification et à la validation de protéines
à caractère amyloïdogénique chez la levure, suggérant que
le phénomène prion est répandu chez les eucaryotes infé-
rieurs [64]. À lappui de cette hypothèse, une équipe vient
de démontrer lexistence dune septième protéine prion, le
régulateur de transcription Sfp1 responsable du détermi-
nant non mendélien [ISP+] chez S. cerevisiae [65].
Phénomène prion en biologie :
un concept plus général
Le fait quune protéine puisse transmettre une information
en propageant son empreinte conformationnelle à une pro-
téine endogène à lintérieur dune me cellule mais surtout
entre cellules, voire entre individus dune même espèce ou
despèces différentes est en soi un concept révolutionnaire
qui conduit à évaluer certains aspects du dogme central en
génétique moléculaire. La capaci de certaines protéines à
exister sous différentes conformations et les informations
différentes qui y sont associées pourraient avoir un rôle
important dans lévolution et servir des activités biologiques.
Comme résu dans les tableaux 1 et 2, différents groupes
ont recherché si le phénomène prion pouvait sexprimer dans
dautres situations pathologiques présentant des points com-
muns avec les maladies à prions [66, 67] mais aussi au cours
de processus biologiques [55].
Dautres maladies transmises
par des agents protéiques ?
Différentes maladies neurodégénératives peuvent être
considérées comme des maladies du repliement de protéi-
nes. Elles présentent des points communs, notamment
lagrégation de protéines spécifiques à chaque type de
maladie. Pour linstant, seules les maladies à prions sont
connues comme étant transmissibles [68]. Par ailleurs,
contrairement aux maladies à prions, les autres maladies
neurodégénératives (Parkinson, Alzheimer, etc.) nont pas
déquivalents connus chez lanimal, mais des modèles
expérimentaux ont pu être développés permettant ainsi
létude de certains processus dagrégations protéiques et
la révélation de leur potentiel transmissible [67].
Amyloïdoses neurodégénératives
Dans le cas de la maladie dAlzheimer, maladie neurodé-
générative la plus fréquente chez lhomme, les fibres amy-
loïdes constituées de peptide Aβ42 sont des composants
majeurs de plaques extraneuronales trouvées dans le
cerveau des patients atteints. Des intermédiaires de petites
tailles ou protofibrilles, plutôt que de longues fibres
amyloïdes, sont toxiques sur des cultures de neurones, et
de petits oligomères de peptides amyloïdes provoquent un
défaut de mémoire à long terme lorsque inoculés à des
Ure2p
Rnq1p
Sup35p
Type [PSI]
[URE3]
[PSI]
[PIN]
DP
Ure2p
-Sup35p
DP
DP
DP
polyQ J
J
J
JDP
DP
1289
254
254
254
254
114
114
114
114
685
685
685
354
94
153 405
685
218
HET-s
[Het-s]
1
1
1
DP
DF
DF
DF
DF
DP
Rnq1
-Sup35p
polyQ-Sup35p
DF = domaine fonctionnel J = région JonctionDP = domaine prion
Figure 4. Schéma illustrant la mise en évidence de domaines
prion, DP, identifiables sur différentes protéines prion de champi-
gnon. Les phénotypes prion correspondant à lagrégation de ces
protéines sont indiqués en lettres rouges. Les domaines prion
sont modulables et peuvent provoquer lagrégation de protéines
hétérologues. De façon simplifiée est illustré le fait quaprès
échange du domaine prion de Sup35 par ceux dUre2 ou de
Rnq1, la protéine de fusion peut produire le phénotype PSI+.
Des séquences polyQ contenant plus de 40 répétitions de résidus
glutamine, comme cest le cas pour des formes amyloïdes de hun-
tingtine, sont également capables dinduire le phénotype prion PSI
lorsque greffées au domaine fonctionnel de la protéine Sup35.
Pour cette dernière, il a été défini une zone de jonction (J)
qui nest ni fonctionnelle ni prionogénique mais relie ces deux
domaines.
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souris. Enfin, des modèles transgéniques ont été conçus
pour étudier les mécanismes associés au développement
de maladies neurodégénératives. Notamment, des souris
qui surexpriment la protéine APP humaine, précurseur
dont dérive le peptide Aβ42, servent de modèle à létude
de la maladie dAlzheimer. Ces souris finissent par
Tableau 1. Exemples d’amyloı
¨
doses associe
´
es a
`
des maladies.
Pro téine Maladie Tra nsmissi on
Protéine prion P rP (humai ne e t anim ale) Encéphalopathies sp ongif ormes Naturelle et expérim ental e [3, 5, 30]
Peptide amyloïde Aβ42 ou protéine
Tau (humaine)
Maladie dAlzh eimer Expérimentale, modèle souris Tg-APP [69]
α-synucléine (hu maine) Maladie de Parkinson Propagation tissulaire et modèle souris [68]
Polyglutamines
Huntingtine (hum aine)
Maladie dHu ntington Expérimentale, modèles cellu lair es, PolyQ
et levure [71]
Amyline (humaine ) Diabète de type 2 ND, propagation tissu lai re [74]
Protéine amyloïde sé riqu e SAA
(humaine)
Amyloïdose systémique secondaire Expérimentale, modèle induit chez
la souris [73, 74]
Transthyrétine (humaine) Amyloïdose systémique familiale ou sénile ND, propagation tissulaire [74, 79]
Gelsoline (humaine) Amyloïdose familiale f inlanda ise ND, propagation tissulair e [74, 80]
Protéine amyloïde sé riqu e SAA
(animale)
Amyloïdose systémique (oiseaux, rongeurs) Expérimental e, modèle induit chez
la souris [75]
Apolipoprotéine AI I
(humaine et de souris)
Amyloïdose familial e ou s énile
(polyneuropathies)
Naturelle et expérimentale chez
la souris [78]
ND = non déterminé.
Tableau 2. Exemples d’amyloı
¨
des fonctionnels et de phe
´
nome
`
nes prion en biologie.
Pro téine Implication/p hénotype Transmission
Bactéries
Curline
E. coli
Biofilms bactériens ND, [82, 89]
Champignons
Ure2p
Saccharomyces cerevisiae
[URE3]
Utilisation de lazote
Naturelle et expérimentale
[56, 62]
Sup35p
S. cerevisiae
[PSI+]
Codon stop ignoré
Naturelle et expérimentale
[58, 62]
Rnq1p
S. cerevisiae
[PIN]
Cycle cellulaire
Naturelle et expérimentale
[55, 62]
HET-S
P. anserina
Incompatibilité e ntre noyaux de lhétérocaryon Naturelle et expérimentale [61]
Hydrophobine (champig nons) Modulation des tensi ons d e surface ND [89]
Nudibranches
CPEB
Aplysie
Polyadénylation d ARNm
mémoire à long terme
Expérimentale en levure [ 85, 86 ]
Insectes
Fibroïne
B. mori
Soie du Bombyx ND [89]
Spidroïne
N. clawipes
Soie de toile daraig née ND [83, 89]
Mammifères
TIA-1 Granules de stress Expérimentale en levure [88]
Hormones pituitaires Granules de stockage (ACTH, β-e ndo rphi ne, prol actine , GH) ND [91]
Pmel7 Granules de stockage et sécrétion de la mélanine Expérimentale en levure [89, 90]
ND = non déterminé.
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développer des symptômes neurologiques évoquant, pour
certains, des traits de la pathologie humaine. Par ailleurs,
lorsque ces souris reçoivent des injections dextraits de cer-
veaux provenant dindividus décédés à la suite dune mala-
die dAlzheimer, laccumulation de plaques amyloïdes
dans leur cerveau est accélérée [69]. Plus surprenant, le
phénotype de lAβ amyloïdose transmise à des souris trans-
géniques dépend à la fois de lorigine de linoculum et de
lhôte, rappelant le phénomène de souches dans les mala-
dies à prions [70].
Dans cette même optique, des modèles cellulaires montrent
clairement quun processus de propagation de type prion
conduit à laccumulation dagrégats intracellulaires de
polypeptides à polyglutamine tels ceux impliqués dans cer-
taines maladies neurodégénératives (maladie de Hunting-
ton). Ces agrégats sont transmis de façon cytoplasmique
lors des divisions cellulaires de sorte que leur phénotype
persiste [71].
Pourquoi les maladies à prions seraient-elles les seules
maladies humaines neurodégénératives infectieuses ?
Le fait que la protéine PrP soit conservée chez les mammi-
fères et sa nature membranaire ancrée à la face externe de la
surface cellulaire par une structure lipidique, le glycosyl-
phosphatidylinositol (GPI), représentent sans doute des
éléments favorables à leur propagation. En effet, alors que
des cellules en culture exprimant une PrP dépourvue
dancre GPI naccumulent pas de PrP
res
et ne sont pas
infectieuses [72], lexpression membranaire de Sup35p de
levure par addition dune ancre GPI permet sa transmission
intercellulaire en cellules de mammifères [59]. Ces
éléments, ajoutés à ceux de modèles de souris transgéni-
ques qui révèlent « linfectiosité » dagrégats dAβ42,
conduisent à se poser la question du risque possible de
transmission damyloïdoses neurodégénératives, autres
que les maladies à prions (tableau 1).
Amyloïdoses systémiques
Dans certains types de diabètes ou certaines amyloïdoses
systémiques, des agrégats protéiques extracellulaires sont
trouvés dans différents organes (foie, cœur, rate). Des amy-
loïdoses secondaires saccompagnant de dépôts protéiques
au niveau des articulations, du cœ ur ou des reins, ont
également été mises en évidence après des hémodialyses
répétées et dans des cas damyloïdoses sériques (SAA)
chez des patients atteints par ailleurs darthrite rhumatoïde
ou dautres maladies inflammatoires chroniques [73, 74].
Les amyloïdoses de type SAA résultent de lagrégation et du
dépôt dans différents tissus dun fragment dérivé dune pro-
téine sérique amyloïde A. Elles sont décrites également chez
certains rongeurs et oiseaux aquatiques sans que létiologie
en soit connue. Un modèle expérimental de ce type damy-
loïdose a été développé dès les années 1980 chez la souris
lexpression de la SAA est induite en deux à trois semaines
par un stimulus inflammatoire. Ces modèles ont révélé la
possibilité de transmission expérimentale damyldoses
systémiques sériques par un mécanisme de type prion [75].
Linoculation à ces souris dextraits de rates de souris attein-
tes contenant des plaques amyloïdes accélère le processus
pathologique par le biais des fibres amyloïdes elles-mêmes.
On retrouve ici le mécanisme damplification de lagrégation
par le phénomène de nucléation-polymérisation observé
dans les maladies à prions, agrégation qui peut être transférée
en série et est détruite par des agents dénaturant les protéines.
En effet, les fibres amyloïdes de SAA constituent le facteur
facilitant qui ne peut à lui seul provoquer la maladie. Le pro-
cessus inflammatoire est nécessaire pour induire la produc-
tion dune quantité importante de protéine SAA qui pourra
alors être convertie. Un modèle de souris développant spon-
tanément une maladie inflammatoire entraînant la synthèse
de protéine SAA a été utilisé afin dévaluer leffet facilitateur
sur la formation de dépôts amyloïdes SAA de certaines
structures fibrillaires, notamment de peptides synthétiques
produits en nanotechnologie en vue dapplications dans les
domaines de lalimentation, de lenvironnement ou de la
santé [76]. Bien quaucun élément épidémiologique ne soit
disponible à ce stade, ces études sont importantes pour com-
prendre limpact que certains facteurs provenant dactivités
humaines pourraient avoir sur le développement de patho-
logies chez des personnes sensibles, car présentant préalable-
ment des symptômes inflammatoires. Dans ce contexte, il est
à mentionner que des phénomènes inflammatoires (mammi-
tes, néphrites) pourraient participer à la dissémination de
lagent de la tremblante du mouton [77].
Une amyloïdose naturelle dite sénile provoque des poly-
neuropathies chez lhomme. Elle saccompagne au cours
du vieillissement de laccumulation de fibres amyloïdes
constituées dapolipoprotéines AII (A-ApoAII). Linjection
de fibres dA-ApoAII induit une amyloïdose systémique
sévère chez la souris. Cette pathologie est transmissible
par voie orale, et lon retrouve dans lintestin des plaques
amyloïdes qui se propagent ensuite à dautres organes.
La transmission naturelle de ces structures amyloïdes se
produit chez de jeunes souris élevées dans la même cage
quune souris âgée présentant la pathologie. La transmis-
sion se fait alors par ingestion via les fèces. Un phénomène
de souche a été décrit pour cette amyloïdose qui existe sous
trois formes, A-ApoAII A, B et C [78].
Chez lhomme plus de 20 protéines différentes sont trou-
vées sous forme dagrégats fibrillaires dans divers tissus
comme par exemple dans le cas damyloïdoses à transthy-
rétine [79] ou de lamyloïdose familiale finlandaise carac-
térisée par des agrégats constitués de fragments dérivés de
la gelsoline [80]. Il nest pas exclu que certaines amyloïdo-
ses systémiques prouvées expérimentalement infectieuses
« à la manière des prions » puissent, dans des situations
particulières, savérer transmissibles.
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Des « prions » pas toujours pathologiques
La question a été posée de savoir si la modulation dactivité
de protéines par ladoption de conformations alternatives
aboutissant à des structures amyloïdes pouvait avoir des
implications physiologiques.
De nombreuses protéines peuvent établir des interactions
intermoléculaires via la formation de feuillets β prompts à
se structurer en fibres [74]. Il sagit dune propriété intrin-
sèque à de nombreux polypeptides. Par ailleurs, les méca-
nismes de nucléation-polymérisation sont utilisés pour la
formation de filaments stables assurant un rôle structural
et/ou dynamique dans la cellule. Toutefois, à la différence
de filaments de type actine, les fibres amyloïdes présentent
des structures particulières (cross-β) pour lesquelles
lempilement de feuillets β provenant de différents mono-
mères se fait perpendiculairement à laxe du filament.
Ces structures réagissent à des colorants tels le rouge
congo et la thioflavine.
Ces structures amyloïdes ne sont pas toujours associées à
des pathologies mais existent dans la nature elles ont été
conservées au cours de lévolution pour assurer des fonc-
tions particulières. Ces structures sont beaucoup plus sta-
bles que les monomères globulaires qui les constituent.
Certains auteurs parlent de structures plus solides que le
métal. Elles possèdent, par ailleurs, une certaine plasticité
leur permettant de sadapter aux conditions du milieu [81].
Cest le cas de la curline et dautres constituants des bio-
films bactériens [82], de lhydrophobine denveloppe de
champignons qui résiste à leau et aussi de la fibroïne de
soie et de la spidroïne de toiles daraignées [83]. On peut
aussi citer le chorion des coquilles dœufs de poissons et
dinsectes et la nicorine, une toxine bactérienne formant
des canaux ioniques par agrégation. Comme nous le ver-
rons, des structures amyloïdes fonctionnelles existent aussi
chez les mammifères (tableau 2).
Ainsi, la formation de fibrilles amyloïdes de différents
types trouvées dans de nombreux organismes procède du
même mécanisme de nucléation-polymérisation que celui
utilisé par les prions. On parle de phénomène prion, car le
critère de transmission nest pas forcément démontré.
Phénomène prion et évolution chez la levure
Comme préalablement mentionné, le phénomène prion dans
son intégralité est largement utilisé chez les champignons.
Une hypothèse a été proposée sur lavantage de lutilisation
dun tel processus biologique chez la levure. La transmis-
sion de caractères variant en fonction de conformations
protéiques pourrait permettre une adaptation de lorga-
nisme et constituer ainsi un mécanisme dévolution
[60, 84]. Des mutations se produisent spontanément avec
une fréquence faible de 10
5
à10
7
dans le gène de struc-
ture de la protéine Sup35 de levure. Si lon reprend lexem-
ple du phénotype [PSI+], le passage de certains codons
stop va conduire à lexpression de « nouvelles protéines ».
Ces variations de protéome peuvent conférer des avantages
(gains de fonction) aux cellules [PS1+] en les rendant plus
aptes que les levures sauvages à se multiplier sur certains
milieux. Le phénomène prion associé à Sup35 permet ainsi
laccumulation de mutations qui se seraient avérées délétè-
res dans un contexte normal mais qui, en ne sexprimant
phénotypiquement que lors de la perte du phénotype prion,
participeraient à des processus évolutifs. Cest donc la pos-
sibilité de former différents types de fibres amyloïdes qui
va permettre lapparition et la transmission de nouveaux
caractères en conférant une plasticité phénotypique favori-
sant létablissement de mutations adaptatives [27].
Phénomène prion et mémoire chez laplysie
Récemment, une activité de type prion a été décrite chez un
mollusque marin, laplysie, pour une protéine de la famille
CPEB (cytosolic polyadenylation elements binding protein).
Celle-ci régule lactivité de traduction dARN messagers
(ARNm) neuronaux par le degré de leur polyadénylation.
Une forme de type prion de CPEB (ApCPEB), riche en
feuillets β, serait impliquée dans le maintien dun potentiel
synaptique, nécessaire au stockage de la mémoire à long
terme [85]. La capacité dApCPEB de former des fibres
via un domaine prion et la possibilité pour cette forme agré-
gée de se fixer plus efficacement aux ARNm dormants
associés à CPEB ont été démontrées dans le modèle levure
et très récemment confirmées dans des neurones daplysie
[86]. De nombreuses protéines ont une durée de vie limitée
(quelques heures), or il ny a pas de bases moléculaires
pouvant rendre compte (au moins en partie) des processus
de mémoire à long terme. Il est envisagé que des boucles
rétroactives de régulation soient impliquées au travers de
réseaux complexes de signalisation. La capacité dautoré-
plication associée au domaine prion de CPEB offre une
possibilité de maintien durable de la mémoire par stimula-
tion dune activité au niveau de synapses neuronales indi-
viduelles, grâce à la stabilité temporelle de type prion
dApCPEB [55].
Phénomène prion en cellules de mammifères
Chez les mammifères, la formation de fibres amyloïdes se
produit avec différentes protéines tels les cristallines des
fibres du cristallin de lœil, la fibrine impliquée dans la
coagulation sanguine ou encore des conformères amyloï-
des de lendostatine, un fragment peptidique dérivé
du collagène [55]. La myoglobine dans des conditions
particulières est également capable dadopter ce type de
structure [87].
Différents exemples ont été récemment donnés de phéno-
mène prion associé à des fonctions cellulaires. En cas de
stress, la protéine TIA-1 qui se lie aux ARN messagers
provoque un arrêt général de traduction. Un domaine de
type prion a été mis en évidence sur cette protéine. Lorsque
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Virologie, Vol. 14, n
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les conditions environnementales sont délétères, TIA-1
sagrège, servant de base à la formation de granules de
stress dans le cytosol de cellules de mammifère en culture.
Comme pour ApCPEB, les caractéristiques prion de cette
protéine ont été démontrées chez la levure de même que le
caractère modulable du domaine prion de TIA-1 [88].
Un autre exemple concerne la mise en évidence de diffé-
rentes structures de la mélanine dont une forme agrégée est
stockée dans des granules de sécrétion spécialisées, les
mélanosomes. Les polymères de mélanine ont un rôle fonc-
tionnel dans les mélanocytes, mais sont également impor-
tants au cours de phénomènes pathologiques par protection
contre les effets toxiques de formes oligomériques intermé-
diaires de mélanine non agrégées [89, 90].
Enfin, des travaux récents réalisés sur différents types cel-
lulaires et confirmés chez lanimal ont montré que certaines
hormones neuroendocrines formaient des fibres amyloïdes
pour leur stockage dans des granules de sécrétion. La sécré-
tion de ces hormones sous forme de monomères solubles
nécessite à nouveau un changement de conformation [91].
Phénomène prion chez les virus et chez les plantes ?
Alors que le phénomène prion est présent dans de nom-
breuses espèces animales, il na pas encore été décrit chez
les virus et chez les plantes. Toutefois, chez les plantes, des
processus de stockage protéique saccompagnent du
changement conformationnel de protéines qui deviennent
insolubles dans certains détergents [92], rappelant les
observations faites sur certains des granules de sécrétion
de mammifères. Par ailleurs, chez les virus, les change-
ments de conformation associés à des fonctions sont
fréquents, et des phénomènes dagrégation sont observés
sans que la nature des agrégats ne soit connue. On peut
citer lexemple des usines virales [93], de la protéine non
structurale (NSs) du virus de la vallée du Rift, soluble dans
le cytosol mais capable de former de longs filaments
nucléaires [94] et du facteur de virulence PB1-F2 du virus
influenza capable de former des fibres de nature amyloïde
in vitro [95]. La question de la représentation du phéno-
mène prion dans tous les règnes du vivant est donc ouverte
et il nest pas exclu quelle soit plus générale que ce que
lon imagine actuellement.
Conclusion
Létude des maladies à prions a mis en évidence limplica-
tion dun agent pathogène dont la nature biochimique est
une protéine. Cela a conduit à létablissement du concept
prion de protéines autoréplicatives qui, dans une conforma-
tion alternative, sont capables dinduire la transconforma-
tion de protéines endogènes homologues. Ce concept
révolutionnaire conduit à considérer le rôle de la structure
imposée à un niveau posttraductionnel, dans la propagation
dune pathologie, mais de façon plus inattendue, comme
support dinformation transmissible non strictement dépen-
dante du code génétique. Ce phénomène, conservé au cours
de lévolution, sapplique également à des processus bio-
logiques des domaines « prion » aptes à sagréger selon
les conditions peuvent exercer des fonctions favorables aux
organismes vivants.
Alors que les structures amyloïdes ont longtemps été consi-
dérées comme associées uniquement à des processus
pathologiques chez les mammifères (amyloïdoses neurodé-
génératives et systémiques), le rôle important de ces
organisations supramoléculaires dans des phénomènes
biologiques est maintenant bien admis. Une protéine, en
adoptant différentes conformations pouvant chacune être
porteuse dinformation différente, pourrait favoriser des
processus dadaptation conférant un avantage évolutif et
un niveau de complexité supplémentaire au vivant. Ce nou-
veau concept souligne les limites du paradigme du tout
génétique qui place le gène au cœur de tout processus
biologique.
Remerciements. Nous tenons à remercier Agnès Billecocq,
Marie-Annick Persuy et Bernard Charley pour leur lecture
approfondie de ce manuscrit.
Conflits dintérêts : aucuns.
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Article
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Prions are infectious, self-propagating amyloid-like protein aggregates of mammals and fungi. We have studied aggregation propensities of a yeast prion domain in cell culture to gain insights into general mechanisms of prion replication in mammalian cells. Here, we report the artificial transmission of a yeast prion across a phylogenetic kingdom. HA epitope-tagged yeast Sup35p prion domain NM was stably expressed in murine neuroblastoma cells. Although cytosolically expressed NM-HA remained soluble, addition of fibrils of bacterially produced Sup35NM to the medium efficiently induced appearance of phenotypically and biochemically distinct NM-HA aggregates that were inherited by daughter cells. Importantly, NM-HA aggregates also were infectious to recipient mammalian cells expressing soluble NM-HA and, to a lesser extent, to yeast. The fact that the yeast Sup35NM domain can propagate as a prion in neuroblastoma cells strongly argues that cellular mechanisms support prion-like inheritance in the mammalian cytosol.
Article
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Four protein-based genetic determinants or prions-[SWI(+)], [MCA], [OCT(+)], and [MOT3(+)]-are recent additions to the list of well-known Saccharomyces cerevisiae prions, [PSI(+)], [URE3], and [PIN(+)]. A rapid expansion of this list may indicate that many yeast proteins can convert into heritable prion forms and underscores a problem of prion input into cellular physiology. Here, we prove that the global transcriptional regulator Sfp1 can become a prion corresponding to the prion-like determinant [ISP(+)] described earlier. We show that SFP1 deletion causes an irreversible [ISP(+)] loss, whereas increased SFP1 expression induces [ISP(+)] appearance. Cells that display the [ISP(+)] phenotype contain the aggregated form of Sfp1. Indeed, these aggregates demonstrate a nuclear location. We also show that the phenotypic manifestation of Sfp1 prionization differs from the manifestation of SFP1 deletion. These properties and others distinguish [ISP(+)] from yeast prions described to date.
Article
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Prions are unconventional infectious agents thought to be primarily composed of PrP(Sc), a multimeric misfolded conformer of the ubiquitously expressed host-encoded prion protein (PrP(C)). They cause fatal neurodegenerative diseases in both animals and humans. The disease phenotype is not uniform within species, and stable, self-propagating variations in PrP(Sc) conformation could encode this 'strain' diversity. However, much remains to be learned about the physical relationship between the infectious agent and PrP(Sc) aggregation state, and how this varies according to the strain. We applied a sedimentation velocity technique to a panel of natural, biologically cloned strains obtained by propagation of classical and atypical sheep scrapie and BSE infectious sources in transgenic mice expressing ovine PrP. Detergent-solubilized, infected brain homogenates were used as starting material. Solubilization conditions were optimized to separate PrP(Sc) aggregates from PrP(C). The distribution of PrP(Sc) and infectivity in the gradient was determined by immunoblotting and mouse bioassay, respectively. As a general feature, a major proteinase K-resistant PrP(Sc) peak was observed in the middle part of the gradient. This population approximately corresponds to multimers of 12-30 PrP molecules, if constituted of PrP only. For two strains, infectivity peaked in a markedly different region of the gradient. This most infectious component sedimented very slowly, suggesting small size oligomers and/or low density PrP(Sc) aggregates. Extending this study to hamster prions passaged in hamster PrP transgenic mice revealed that the highly infectious, slowly sedimenting particles could be a feature of strains able to induce a rapidly lethal disease. Our findings suggest that prion infectious particles are subjected to marked strain-dependent variations, which in turn could influence the strain biological phenotype, in particular the replication dynamics.
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Transmissible spongiform encephalopathies (TSEs) are a group of neurodegenerative diseases that are associated with the conformational conversion of a normal prion protein, PrPC, to a misfolded aggregated form, PrPSc. The protein-only hypothesis asserts that PrPSc itself represents the infectious TSE agent. Although this model is supported by rapidly growing experimental data, unequivocal proof has been elusive. The protein misfolding cyclic amplification reactions have been recently shown to propagate prions using brain-derived or recombinant prion protein, but only in the presence of additional cofactors such as nucleic acids and lipids. Here, using a protein misfolding cyclic amplification variation, we show that prions causing transmissible spongiform encephalopathy in wild-type hamsters can be generated solely from highly purified, bacterially expressed recombinant hamster prion protein without any mammalian or synthetic cofactors (other than buffer salts and detergent). These findings provide strong support for the protein-only hypothesis of TSE diseases, as well as argue that cofactors such as nucleic acids, other polyanions, or lipids are non-obligatory for prion protein conversion to the infectious form.
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The influenza A virus PB1-F2 protein, encoded by an alternative reading frame in the PB1 polymerase gene, displays a high sequence polymorphism and is reported to contribute to viral pathogenesis in a sequence-specific manner. To gain insights into the functions of PB1-F2, the molecular structure of several PB1-F2 variants produced in Escherichia coli was investigated in different environments. Circular dichroism spectroscopy shows that all variants have a random coil secondary structure in aqueous solution. When incubated in trifluoroethanol polar solvent, all PB1-F2 variants adopt an alpha-helix-rich structure, whereas incubated in acetonitrile, a solvent of medium polarity mimicking the membrane environment, they display beta-sheet secondary structures. Incubated with asolectin liposomes and SDS micelles, PB1-F2 variants also acquire a beta-sheet structure. Dynamic light scattering revealed that the presence of beta-sheets is correlated with an oligomerization/aggregation of PB1-F2. Electron microscopy showed that PB1-F2 forms amorphous aggregates in acetonitrile. In contrast, at low concentrations of SDS, PB1-F2 variants exhibited various abilities to form fibers that were evidenced as amyloid fibers in a thioflavin T assay. Using a recombinant virus and its PB1-F2 knock-out mutant, we show that PB1-F2 also forms amyloid structures in infected cells. Functional membrane permeabilization assays revealed that the PB1-F2 variants can perforate membranes at nanomolar concentrations but with activities found to be sequence-dependent and not obviously correlated with their differential ability to form amyloid fibers. All of these observations suggest that PB1-F2 could be involved in physiological processes through different pathways, permeabilization of cellular membranes, and amyloid fiber formation.
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Transmissible spongiform encephalopathies (TSEs), are fatal neurodegenerative diseases caused by unconventional agents, the prions. They are characterised by the accumulation in infected tissues of an abnormally folded form of the host-encoded prion protein (PrP). This pathological form is partially resistant to protease digestion, leading to the production of so-called PrPres fragments. Different isolates from the same host species may show different eletrophoretic profiles, reflecting the existence of different prion strains. The active surveillance of ruminant TSEs implemented in European countries, based on a large-scale biochemical testing of brain tissue samples from carcasses, has revealed PrPres profiles unnoticed so far. Experimental transmission of these atypical cases to various transgenic mouse lines has led to the recognition of a novel scrapie strain in sheep and goats, called Nor98, and of two variant strains of spongiform encephalopathy in cattle. This review is aimed at summarising the current knowledge on these newly recognised forms of ruminants TSEs, and at discussing their possible origin and potential implications in terms of animal and human health.
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Neurodegenerative diseases as diverse as Alzheimer's, Parkinson's, and Creutzfeldt-Jakob disease share a common pathogenetic mech- anism involving aggregation and deposition of misfolded proteins, which leads to progressive central nervous system disease. Although the type of aggregated protein and the regional and cellular distribu- tion of deposition vary from disease to disease, these disorders may all be linked by similar pathways of protein aggregation with fibril formation and amyloid deposition. This perspective on pathogene- sis suggests that a wide variety of neurodegenerative diseases can be grouped mechanistically as brain amyloidoses, an outlook that yields novel insights into potential therapeutic approaches that may be ap- plicable across the broad spectrum of neurodegenerative disease.
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The abnormally folded form of the prion protein (PrPSc) accumulating in nervous and lymphoid tissues of prion-infected individuals can be naturally cleaved to generate a N-terminal-truncated fragment called C2. Information about the identity of the cellular proteases involved in this process and its possible role in prion biology has remained limited and controversial. We investigated PrPSc N-terminal trimming in different cell lines and primary cultured nerve cells, and in the brain and spleen tissue from transgenic mice infected by ovine and mouse prions. We found the following: (i) the full-length to C2 ratio varies considerably depending on the infected cell or tissue. Thus, in primary neurons and brain tissue, PrPSc accumulated predominantly as untrimmed species, whereas efficient trimming occurred in Rov and MovS cells, and in spleen tissue. (ii) Although C2 is generally considered to be the counterpart of the PrPSc proteinase K-resistant core, the N termini of the fragments cleaved in vivo and in vitro can actually differ, as evidenced by a different reactivity toward the Pc248 anti-octarepeat antibody. (iii) In lysosome-impaired cells, the ratio of full-length versus C2 species dramatically increased, yet efficient prion propagation could occur. Moreover, cathepsin but not calpain inhibitors markedly inhibited C2 formation, and in vitro cleavage by cathepsins B and L produced PrPSc fragments lacking the Pc248 epitope, strongly arguing for the primary involvement of acidic hydrolases of the endolysosomal compartment. These findings have implications on the molecular analysis of PrPSc and cell pathogenesis of prion infection.
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Mammalian prions are the infectious agents responsible for transmissible spongiform encephalopathies (TSE), a group of fatal, neurodegenerative diseases, affecting both domestic animals and humans. The most widely accepted view to date is that these agents lack a nucleic acid genome and consist primarily of PrP(Sc), a misfolded, aggregated form of the host-encoded cellular prion protein (PrP(C)) that propagates by autocatalytic conversion and accumulates mainly in the brain. The BSE epizooty, allied with the emergence of its human counterpart, variant CJD, has focused much attention on two characteristics that prions share with conventional infectious agents. First, the existence of multiple prion strains that impose, after inoculation in the same host, specific and stable phenotypic traits such as incubation period, molecular pattern of PrP(Sc) and neuropathology. Prion strains are thought to be enciphered within distinct PrP(Sc) conformers. Second, a transmission barrier exists that restricts the propagation of prions between different species. Here we discuss the possible situations resulting from the confrontation between species barrier and prion strain diversity, the molecular mechanisms involved and the potential of interspecies transmission of animal prions, including recently discovered forms of TSE in ruminants.