Génétique: la malédiction hexanucléotidique

25-01-2018

Pendant des années, les chercheurs ont cherché, sans succès, la cause génétique la plus fréquente de la SLA. Maintenant, ils sont sur une voie rapide pour la traiter.

Par Elie Dolgin

La famille de Mark Price avait un lourd passé de maladies neurologiques. Son oncle et sa sœur étaient mort de sclérose latérale amyotrophique (SLA) et sa mère et sa tante étaient atteintes de démence. Mais ce n’est qu’en 2010, peu de temps après le mariage de sa fille Sharon, lorsque lui-même a commencé à avoir des problèmes d’élocution, qu’il s’est demandé s’il pourrait y avoir une base génétique au passé médical tragique de sa famille.

Moins d’un an plus tard, Price avait été entretemps diagnostiqué SLA, sa fille Sharon se demandait si elle — ou ses futurs enfants — seront également affectés. « J’ai tout arrêté et décidé de ne pas avoir d’enfant, jusqu'à ce que la clarté soit faite. » se rappelle Sharon, alors âgée de 26 ans. Dans un premier temps, les médecins de Price n’a pas réussi à localiser les défauts génétiques, connus à cette époque comme associés à la SLA. Puis vinrent, en septembre 2011, les rapports de deux équipes scientifiques qui avaient trouvé un nouveau gène lié à la SLA et qui pourrait expliquer jusqu'à 40 % des cas familiaux de la maladie et 10 % de ce que l'on appelle les cas sporadiques. De plus, ce gène affecte environ 30 % des cas héréditaires d’une maladie appelée démence fronto-temporale (DFT), fournissant une approche génétique à la recherche des causes de cette maladie neurodégénérative frappant souvent des membres des familles touchées par la SLA — des familles telles que celle de Price.

Mark Price, ici avec ses filles en 1988, a été diagnostiqué SLA en 2011 et trouvé porteur d’un gène C9ORF72 défectueux.

Le coupable est le gène C9ORF72 —localisé sur le chromosome 9 dans une région connue comme (ORF) 72. Et il présente une séquence inhabituelle de nucléotides. Chez certaines personnes, atteintes de SLA ou DFT, une petite portion d’ADN, dans une partie non codante du C9ORF72, est répétée des centaines ou même des milliers de fois. Chez les individus sains, la même séquence — GGGGCC — n’est répétée que moins de deux douzaines de fois.

Price a été testé sur l’expansion de la répétition C9ORF72 au début de 2012. Le test était positif, mais il est décédé un an plus tard. Tandis que Sharon et ses deux sœurs pleuraient leur père, elles devaient aussi se confronter avec le fait que chacune d’elles avait une chance de 50% d’être porteuse de l’anomalie génétique. Elle devaient décider si elles allaient se faire tester.

Recherche de domicile

L’histoire du C9ORF72 commence avec le psychiatre allemand Anton von Braumühl qui a établi pour la première fois, en 1932, un lien entre la SLA et la DFT. Mais ce n’est qu’au milieu des années 2000, quand la génétique a étudié des grandes familles multi-générationnelles touchées par ces deux troubles, que les chercheurs ont commencé à étudier en détail le brin court du chromosome 9. En 2010, ils avaient réduit la recherche à 232 000 nucléotides — relativement peu selon les normes génomiques. Mais aucun des quatre gènes de cette région ne contenait une protéine codante des mutations pouvant expliquer le lien avec la maladie.

« C’est comme connaître la rue, mais pas la maison exacte, » dit Ammar Al-Chalabi, un neurogénéticien clinique du College London Kings.

La course était lancée pour identifier le gène responsable. Au moins cinq équipes en Europe et l’Amérique du Nord se sont consacrés à ce problème. Beaucoup pensaient que ce serait simple. Mais le C9ORF72 s’est avéré « très sournois », dit la Dr Ekaterina Rogaeva, généticienne moléculaire à l’Université de Toronto au Canada. « Cette région n’était pas facile à étudier. »

Une équipe dirigée par la Dr Rosa Rademakers, neurogénéticienne à la clinique Mayo de Jacksonville en Floride, a étudié trois générations d’une famille avec dix personnes atteintes de SLA, FTD ou les deux. La Dr Rademakers explique ; « Ne sachant pas ce qu’il fallait chercher dans les génomes de ces patients, nous avons examiné tout ce qui paraissait suspect, y compris la partie riche en GGGGCC du C9ORF72. »

Elle et ses collègues ont mis en place des réactions en chaîne par polymérase (PCRs) pour amplifier cette région et ont constaté un modèle de transmission inhabituel : chez tous les membres de la famille souffrant d’une maladie neurodégénérative, le test PCR a montré deux copies identiques de C9ORF72 alors qu’ils auraient dû en présenter des variantes différentes.

C’était une énigme pour la Dr Rademakers, jusqu'à ce qu’elle se rendit compte que l’anomalie génétique était supérieure à la limite en taille que la PCR pouvait lire. Elle et ses collaborateurs se sont alors tournés vers une technique plus sensible appelée ‘repeat-primed PCR’. Ils ont alors observé, uniquement chez les membres affectés de la famille, une grande expansion de la répétition. Aucun des proches sains ne la présentait. Pas plus que les quelques 1 000 témoins sains.

Les chercheurs ont testé 696 autres personnes affectées de SLA ou de DFT pour s’assurer que cette répétition n’était pas propre à la famille qu’ils avaient étudié. Ils ont découvert la mutation de C9ORF72 chez 59 autres individus non apparentés, dont 22 sans antécédent familial connu de maladies neurodégénératives. Des recherches plus approfondies ont montré que le tronçon GGGGCC se répétait au moins 700 fois.

La Dr Rademakers souvient d’avoir pensé : « Wow, cela aura des conséquences. » Dans le même temps, un consortium international dirigé par le Dr Bryan Traynor, un neurogénéticien de l’Institut National sur le vieillissement à Bethesda, au Maryland, faisait la même découverte. Le Dr Traynor a été amené à s’intéresser à l’expansion de la répétition par une autre méthode d’analyse ADN, le séquençage ‘de la prochaine génération’. Pour lui : « C’était un moment incroyable d’être assis devant cet ordinateur et de savoir ce qui se passait vraiment ».

Les deux équipes publièrent leurs résultats en septembre 2011 dans Neuron, battant les autres groupes qui étaient toujours à sa recherche. Le Dr Al-Chalabi dit « Nous étions battus, mais dans un sens, nous étions ravis d’avoir été devancés. »

La fécondation in vitro a permis aux filles de Price Sharon Stone (à gauche) et à Jodie Price d’éviter de transmettre le gène défectueux à leurs enfants. Image : Sarah Photo Keayes/The Pitch

Des temps passionnants

La découverte a eu un impact immédiat. Selon Pamela Shaw, neurologue à l’Université de Sheffield au Royaume-Uni : « La fréquence du C9ORF72 défectueux chez les patients a fait que tout le monde sérieusement intéressé à la SLA s’est senti obligé de travailler à ce sujet ».

Brian Dickie, directeur du développement de la recherche à la Motor Neurone Disease Association de Northampton au Royaume-Uni, se rappelle un vol de Londres aux Etats-Unis pour une réunion en septembre. C’était cinq jours après les publications par les Dr Rademakers et Traynor. Plusieurs chercheurs SLA et des cliniciens se trouvaient à bord et quelqu'un avait imprimé des copies des manuscrits. Selon le Dr Dickie : « Ils ont été diffusés dans l’avion pendant le vol, c’était clairement un moment passionnant. »

Le Dr Brian Zambrowicz est chef de la génomique fonctionnelle chez Regeneron Pharmaceuticals, une société à Tarrytown, New York, qui a été créée pour lutter contre les maladies neurodégénératives et dont la stratégie a été revue 20 ans après que leur premier candidat-médicament se soit avéré inopérant pour la SLA. Selon lui, plusieurs fabricants de médicaments ont sauté sur la conclusion. Ainsi, la découverte du C9ORF72 a incité son entreprise à se concentrer à nouveau sur les thérapies SLA, commençant par la création d’un modèle de souris C9orf72. Le Dr Zambrowicz explique : « C’était difficile d’ignorer une découverte comme celle du C9ORF72. »

Ionis Pharmaceuticals, une firme spécialisée dans les thérapies à base d’ARN antisens qui peuvent masquer les gènes qui causent des maladies, a également embrayé rapidement. Le Dr Frank Bennett, vice-président de la recherche chez Ionis, basé à Carlsbad en Californie, se souvient : « Nous avons établi ensemble notre plan le jour de la publication de ces articles ». En deux ans, il a démontré, avec ses collaborateurs universitaires, qu’un médicament antisens pouvait réduire les niveaux d’ARNm C9ORF72 aberrants dans des cultures cellulaires. Un peu plus de deux ans plus tard, Ils validaient ces données dans des modèles murins. Un candidat-médicament-cadre de Ionis fait actuellement l’objet d’études précliniques de toxicologie, et des essais humains pourraient commencer au début de l’année prochaine.

Selon le Dr Lucie Bruijn, scientifique en chef à l’ALS Association de Washington DC, cette accélération a été possible en partie grâce à l’afflux de chercheurs s’efforçant à découvrir le mécanisme par lequel le défaut du C9ORF72 provoque la maladie. L’expansion de répétition a rappelé celles trouvées chez d’autres maladies neurodégénératives, notamment la maladie de Huntington, la dystrophie myotonique et l’ataxie spinocérébelleuse. En outre, il concerne génétiquement également la FTD. Avant, les chercheurs qui étudient ces maladies du cerveau travaillaient isolément. Après la découverte du C9ORF72, ils se sont découverts un objectif commun.

La Dr Bruijn explique: « Nous avions tout à coup un grand nombre de cliniciens et de chercheurs intéressés par la SLA, ce qui a donné un énorme coup de pouce à cette recherche. » Les premières idées sur les raisons pour lesquelles les mutations GGGGCC étaient susceptible de provoquer la SLA ou la FTD avaient moins à voir avec l’expansion de la répétition et qu’avec la protéine C9ORF72 normale. La Dr Rademakers a remarqué que les niveaux de la protéine normale étaient réduits chez les personnes atteintes du défaut génétique. Bien que le rôle de la protéine soit encore mal compris, elle semble être impliquée dans le transport de molécules dans les cellules. L’observation du Dr Rademakers a conduit à la suggestion que des niveaux plus bas de C9ORF72 normal pourraient induire des réponses cérébrales pathologiques.

Les premières études semblaient réfuter cette hypothèse. Les souris avec peu ou pas d’expression de la protéine C9orf72 dans leurs neurones, n’affichaient aucun signe de comportements d’une maladie neurodégénérative. Leurs cerveaux ne présentaient aucune des caractéristiques moléculaires de la SLA ou de la DFT. Plus récemment, toutefois, plusieurs équipes ont remarqué des anomalies immunitaires chez les souris qui n’ont pas de C9orf72 dans tous leurs tissus. Ensemble, ces résultats indiquent que les niveaux inférieurs de C9orf72 normal ne causent pas d’eux-mêmes la dégradation des neurones, mais que les réponses immunitaires altérées pourraient favoriser la gravité ou la progression de la maladie. Le neuroscientifique Jeroen Pasterkamp du Centre Médical de l’Université d’Utrecht aux Pays-Bas déclare : « Cela peut y contribuer, mais en conjonction avec d’autres mécanismes. »

Travailler pour mieux comprendre

Le mécanisme alternatif le plus évident est la toxicité dans l’ARN. D’autres maladies causées par des expansions répétées non-codantes sont expliquées par des agrégations aberrantes d’ARN dans le noyau qui lient et séquestrent des protéines constitutives indispensables au fonctionnement cellulaire approprié. Poursuivant cette hypothèse, le docteur en neurosciences moléculaires Adrian Isaacs et ses collègues de l’University College de Londres ont crée des mouches à fruits transgéniques afin de vérifier si ces agrégats causaient la maladie. Ils ont été surpris.

Les mouches avec plus de 100 répétitions GGGGCC montraient en effet des signes de neurodégénérescence induite par le C9ORF72 — mais seulement lorsque l’ARN contenant la répétition pouvait être traduite en une protéine, et pas lorsque l’ARN était parsemé de signaux d’arrêt de translation. En d’autres termes, les agrégats de RNA ne suffisaient pas à eu seuls à provoquer la maladie. Des protéines dévoyées semblaient être les vrai pilotes. Le Dr Isaacs dit : « J’étais convaincu que les mouches nous montreraient une toxicité RNA comme cause, mais, quand nous avons vu les résultats, il était clair que ce n’était pas le cas. »

Les protéines qui émanent de l’expansion de GGGGCC sont créés par un processus inhabituel qui ne nécessite pas de signal de départ et peut se produire même avec des séquences répétées, situées dans des régions non-codantes des gènes. La Dr Laura Ranum, une neurogénéticienne de la University of Florida College of Medicine de Gainesville, décrit pour la première fois ce phénomène en 2010 dans les tissus de personnes atteintes d’ataxie spinocérébelleuse et de dystrophie myotonique et dans des modèles murins de ces maladies.

Selon la Dr Ranum, la communauté de recherche a initialement ignoré ses conclusions. Beaucoup doutaient que le mécanisme soit réel. Puis, au symposium des maladies neurologiques en novembre 2011 à Arlington en Virginie, vinrent les protéines de liaison à l’ARN lorsque les Dr Rademakers et Traynor abordent le C9ORF72 et où le Dr Ranum évoque la forme inhabituelle de la translation des protéines. Les scientifiques relient rapidement les deux points.

Le Dr Dieter Edbauer, un spécialiste des neurosciences moléculaires au Centre allemand pour les maladies neurodégénératives à Munich, se rappelle qu’assis dans le public et écoutant l’exposé de la Dr Ranum, il a consulté son ordinateur portable pour voir quels types de protéine l’expansion C9ORF72 pourrait produire. Parce que la répétition est longue de six nucléotides et que la synthèse des protéines s’appuie sur un code de triplet, le Dr Edbauer s’est rendu compte que le C9ORF72 pourrait donner un nombre de protéines différentes, chacune contenant deux acides aminés répétés maintes et maintes fois. Il a cliqué sur chacune de ces protéines potentielles. Le Dr Edbauer se rappelle : « J’ai regardé à gauche et à droite pour voir si quelqu'un avait vu ce que j’avais fait. Je pensais que tout le monde devait avoir eu la même idée, mais apparemment pas. »

Quinze mois plus tard, en février 2013, le Dr Edbauer et collègues ont signalé que ces protéines s’accumulaient dans le cerveau des personnes touchées par le C9ORF72. Quelques jours plus tard, La Dr Rademakers et ses collègues de la clinique Mayo, dirigés par le chercheur en neurosciences moléculaire Leonard Petrucelli, publient des conclusions similaires, comme la Dr Ranum elle-même l’a fait avant la fin de l’année.

Depuis lors, on a prouvé qu’au moins certaines de ces protéines répétées sont « uniformément toxiques », explique le Dr Paul Taylor, généticien moléculaire à la St Jude Children Research Hospital à Memphis, Tennessee. Ces protéines semblent causer une neurodégénérescence dans le trafic moléculaire entre le noyau et le cytoplasme des cellules du cerveau. Selon le Dr Jeffrey Rothstein, neurologue à la Johns Hopkins University School of Medicine à Baltimore (Maryland) : « Le transport nucléaire est vraiment le dérèglement principal du C9ORF72 ».

Recherche de responsabilité

Certains chercheurs sont maintenant prêts à rejeter entièrement la faute pour la maladie reliée au C9ORF72 sur ces protéines problématiques. Steven McKnight, biochimiste à l’Université du Texas Southwestern Medical Center à Dallas explique : « Je ne mâche pas mes mots ici : les poly-dipeptides toxiques ne contribuent pas à la maladie, ils représentent la maladie, ». McKnight qualifie les agrégats de RNA et la diminution des niveaux de protéine C9ORF72 normaux comme « accessoires».

Mais la plupart des chercheurs sont plus nuancés. Aaron Gitler, spécialiste en neurosciences moléculaire à Stanford University School of Medicine en Californie explique : « La preuve que c’est la protéine qui est toxique est accablante, dans ces modèles simplifiés. Cependant, dans le contexte de la maladie humaine, cela pourrait être une combinaison de facteurs, il faut garder l’esprit ouvert. »

Le débat sur le mécanisme de la maladie n’est pas que purement théorique : il guide le développement de médicaments. Certaines entreprises, y compris Neurimmune de Zurich en Suisse et Voyager Therapeutics de Cambridge du Massachusetts, se concentrent sur le blocage des protéines répétitives ou l’empêchement de leur formation, alors que d’autres, comme Karyopharm Therapeutics de Newton au Massachusetts, espèrent atténuer les défauts dans le transport nucléaire sans ciblage direct des produits du C9ORF72.

Mais certaines stratégies thérapeutiques, tels que les thérapies antisens, ne dépendent pas du mécanisme réel. Parce que les médicaments antisens peuvent arrêter la production d’ARN et de protéines, il n’importe pas ce qui est la cause dans les cellules du cerveau, dit Paul Bolno, directeur de Wave Life Sciences à Cambridge au Massachusetts qui est sur la bonne voie pour commencer à tester, l’année prochaine, une Thérapie ciblée C9ORF72 antisense chez des patients. Et parce que vous pouvez suivre les niveaux de protéines répétées dans le liquide céphalorachidien, il est simple de déterminer si le médicament travaille. « Vous disposez d’un biomarqueur mesurable » dit Bolno.

Vu dans quelle mesure les chercheurs et les entreprises pharmaceutiques ont progressé en si peu de temps, il est tout à fait possible qu’un traitement efficace pour la maladie induite par le C9ORF72 sera disponible le jour où des membres de la famille de Mark Price commenceraient à développer des symptômes de neurodégénérescence. Haley, sa plus jeune fille, estime cette perspective encourageante. « Chapeau à la communauté scientifique » dit-elle. Mais elle s’inquiète que les décideurs n’en font pas assez pour soutenir les mesures de santé préventives déjà disponibles actuellement, pour aider, en premier lieu, à éviter les maladies liées au C9ORF72.

Pour des raisons de planification familiale, Haley et ses sœurs ont opté pour connaître leur statut C9ORF72 peu de temps après que leur père soit testé positif. « Malheureusement », dit Jodie, l’ainée : « c’était une mauvaise nouvelle pour tout le monde. » Chaque sœur est depuis passée par la fertilisation in vitro, avec comme étape supplémentaire, avant l’implantation, la vérification que les embryons étaient libres de la défectuosité de C9ORF72. C’était lourd émotionnellement, physiquement et financièrement pour tout le monde, le coût étant estimé au minimum à 150 000 dollars australiens. En fin du compte, cependant, « C’était une confirmation du travail scientifique, et de ce que nous pourrions nous débarrasser de la malédiction familiale », dit Haley

Le fils de Sharon Jack vient de fêter son troisième anniversaire, Jodie attend une fille à la mi-novembre, et Haley a deux embryons congelés, prêts à l’emploi après son mariage du 9 décembre.

 

Traduction : Fabien

Source : Nature Outlook