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Physiopathologie cellulaire

Physiopathologie cellulaire des maladies lysosomales

Source : Atlas médical VML - rédaction par le Professeur Thierry LEVADE
(avec la collaboration du Professeur Irène MAIRE et du Docteur Marie Thérèse VANIER) - octobre 2006

Pourquoi s’intéresser à la physiopathologie ?

Malade atteinte de la maladie de Gaucher - JPEG - 13.4 ko

définition de la physiopathologie, cliquez ici
Les maladies lysosomales comprennent une cinquantaine de maladies qui, toutes confondues, touchent environ un nouveau-né vivant sur 7500. Elles représentent donc un problème de santé publique. Elles sont caractérisées par l’accumulation intra-lysosomale de métabolites de nature diverse (mucopolysaccharides, sphingolipides, lipides "neutres", oligosaccharides, protéines...) et par des pathologies aux symptomatologies très variées.

Selon le mécanisme des anomalies fonctionnelles, on distingue les maladies lysosomales héréditaires et les surcharges lysosomales acquises ou induites. Ces dernières sont provoquées en général par des agents cationiques amphiphiles appartenant à diverses familles médicamenteuses. Bien qu’elles ne fassent pas l’objet de ce chapitre, leur étude peut aider à mieux comprendre la relation entre surcharge des lysosomes et développement des lésions de la cellule puis du tissu ainsi touchés.

A l’heure où le traitement enzymatique substitutif existe déjà pour certaines maladies lysosomales et où se développent diverses approches thérapeutiques, quel est l’intérêt d’étudier la physiopathologie de ces affections héréditaires ?

L’approche physiopathologique correspond bien sûr au désir de comprendre comment les anomalies métaboliques engendrent la maladie et pourquoi elles produisent parfois des pathologies de gravité extrêmement différente. Mais, surtout, une meilleure compréhension de la physiopathologie ne peut qu’avoir des retombées pratiques en ce qui concerne le traitement. Cela peut être source de nouvelles approches thérapeutiques (certaines étant déjà en cours d’expérimentation).

Par exemple, l’inhibition partielle de la synthèse des glycosphingolipides constitue une nouvelle approche thérapeutique de certaines neurolipidoses parce qu’elle limite l’influx de substrats dans le lysosome. Une autre voie consiste à éviter la dégradation prématurée d’une enzyme mutante en utilisant des "chaperons" chimiques. Enfin, un traitement complémentaire peut viser à réduire les effets néfastes de la surcharge lysosomale sur les fonctions cellulaires (tels qu’une réaction inflammatoire ou la mise en place d’une réponse auto-immune).

Les différents mécanismes de la surcharge lysosomale

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Les classifications des grands groupes de maladies lysosomales reposent sur la nature et l’origine biochimiques des métabolites accumulés dans les lysosomes et parfois excrétés en excès dans les urines (mucopolysaccharidoses, lipidoses, glycoprotéinoses, oligosaccharidoses...). Les mécanismes de l’accumulation demeurent généraux et ne dépendent pas du type de métabolite. Ces mécanismes sont aujourd’hui relativement bien connus : ils correspondent à la perte de fonction (en-deçà d’un certain seuil critique) d’une protéine lysosomale.

  • L’origine de la perte fonctionnelle

Dans la majorité des cas, la cause de la surcharge est un défaut de l’activité d’une seule enzyme lysosomale, lui-même consécutif à une altération du gène de structure codant pour cette enzyme. Toute une série de défauts moléculaires au niveau de ce gène peuvent être responsables d’une altération de la fonction de l’enzyme, y compris bien entendu les défauts qui entraînent l’absence de synthèse, l’instabilité et la disparition de la protéine enzymatique.

Dans quelques situations plus rares, l’anomalie fonctionnelle des lysosomes concerne deux ou plusieurs enzymes lysosomales. C’est le cas du défaut en protéine protectrice/cathepsine A du complexe enzymatique contenant la -galactosidase et la neuraminidase (dans la galactosialidose), du défaut de l’enzyme générant la formylglycine (à l’origine du déficit multiple en sulfatases qui touche à la fois des enzymes lysosomales et non-lysosomales), ou encore du déficit en N-acétylglucosamine-phosphotransférase qui affecte l’adressage au lysosome de la plupart des hydrolases lysosomales (responsable des mucolipidoses II ou III).

Dans certains cas, rares eux-aussi, l’activité d’une enzyme lysosomale (ou plusieurs) est défectueuse non pas en raison d’un défaut touchant l’enzyme elle-même mais une protéine qui sert "d’activateur" de l’enzyme. C’est le cas du déficit en activateur du GM2 (responsable d’une GM2-gangliosidose ou maladie de Sandhoff ressemblant à la maladie de Tay-Sachs), du déficit en saposine B ou C, ou du déficit en prosaposine.

D’autres maladies lysosomales sont dues à des déficits de protéines qui normalement assurent le passage des métabolites de l’intérieur du lysosome vers l’extérieur (le cytoplasme). Ces déficits en transporteurs concernent l’efflux de cystine ou d’acide sialique (cystinose et Salla Disease).

Enfin, certaines maladies lysosomales sont causées par le défaut de protéines de la membrane lysosomale (maladie de Danon) ou impliquées dans le trafic vésiculaire et le transport intracellulaire (maladie de Niemann-Pick type C).

  • L’origine de la surcharge lysosomale

Le déficit fonctionnel, quelle qu’en soit son origine, provoque le blocage d’une voie catabolique lysosomale. L’accumulation d’un substrat (parfois de plusieurs) est due au fait que ces voies de dégradation lysosomale sont linéaires et n’ont pas de voie de suppléance locale (à l’intérieur du lysosome), et que les métabolites complexes sont séquestrés dans les lysosomes en raison d’une compartimentation métabolique relativement étanche entre les lysosomes et le cytoplasme. La surcharge qui apparaît alors dans les lysosomes peut aussi avoir un retentissement extracellulaire.

Le matériel accumulé dans les lysosomes peut provenir de la cellule elle-même ou provenir de l’extérieur. En effet, deux phénomènes concourent à alimenter les lysosomes en substrats : l’autophagie (ou "auto-digestion" de certains constituants de la cellule) et l’endocytose (l’internalisation de molécules de petite taille, de microorganismes ou même de cellules avoisinantes).

La quantité de matériel accumulé dans les lysosomes dépend de la vitesse relative d’"entrée" des substrats dans le compartiment lysosomal et de leur "sortie" (dégradation ou excrétion). Les "entrées" de métabolites dans le compartiment lysosomal peuvent varier considérablement selon les types cellulaires et les tissus, en fonction de leur biosynthèse endogène dans certains tissus (par exemple, galactosylcéramide, gangliosides et sulfatides sont synthétisés en quantité considérable dans le système nerveux) ou en raison de leur apport exogène spécifique dans certains tissus. Par exemple, au cours de la maladie de Gaucher, l’accumulation de glucosylcéramide dans la rate et le foie s’explique par la dégradation des glycolipides des cellules sanguines dans ces organes ; l’accumulation d’esters de cholestérol et de triglycérides dans les surrénales de patients atteints de maladie de Wolman s’explique par la vitesse de captation des lipoprotéines, particulièrement importante dans ce tissu.

Le concept actuel concernant les "sorties" de métabolites du compartiment lysosomal postule que, en général, seuls les métabolites simples (monosaccharides, acides aminés, acides gras, sphingosine, cholestérol, glycérol...) peuvent sortir du compartiment lysosomal, éventuellement grâce à un transporteur, tandis que les métabolites complexes ne peuvent pas sortir du lysosome. Cependant, les mécanismes de "sortie" (systèmes de transport, protéines de liaison) demeurent mal connus.

Les diverses symptomatologies et les différences phénotypiques

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La relation entre le matériel accumulé et la physiopathologie des maladies lysosomales est loin d’être parfaitement élucidée.

  • Relation entre métabolite accumulé et organe cible

Il paraît avéré que la nature (et la gravité) des atteintes tissulaires est corrélée à la localisation de l’accumulation des métabolites, celle-ci étant liée au fait que certaines voies métaboliques sont normalement plus actives dans certains tissus ou types cellulaires que dans d’autres.

Ainsi, le tissu conjonctif est préférentiellement atteint par la surcharge en mucopolysaccharides ; la splénomégalie est le signe majeur d’une surcharge en glucosylcéramide qui est formé à partir des glycolipides membranaires des leucocytes ; l’os est touché par le défaut des ostéoclastes en cathepsine K ; la gaine de myéline est anormale en cas de défaut du dégradation du galactosylcéramide ou des sulfatides,…

Des maladies avec accumulation prédominante dans le système nerveux central (gangliosidoses, sulfatidoses..) évoluent vers une encéphalopathie ; des maladies avec accumulation exclusivement viscérale (maladie de Gaucher ou de Niemann-Pick forme adulte) auront des complications viscérales, sans atteinte majeure du système nerveux.

  • Relation entre surcharge et atteinte clinique

De plus, il semble exister une corrélation assez nette entre la sévérité du bloc catabolique, la vitesse d’accumulation des métabolites (qui dépend de l’influx de ces métabolites dans les lysosomes et de l’activité métabolique résiduelle réelle) et la gravité clinique de la maladie. Cette activité catabolique réelle (normale ou résiduelle) peut être évaluée par la mesure in situ de l’activité catabolique lysosomale dans des cellules intactes vivantes en culture.

Dans certaines maladies lysosomales, l’évaluation de la vitesse de dégradation in situ peut être un élément pronostique (les formes les plus graves étant corrélées avec un déficit sévère de la vitesse de dégradation).

D’autre part, comme une voie métabolique dans un tissu donné peut être plus ou moins active au cours du développement, l’atteinte clinique peut apparaître à des âges variables. Il existe ainsi différentes formes cliniques pour la "même" maladie lysosomale.

  • Relation génotype-phénotype

Pour de nombreuses maladies lysosomales, il est (encore ?) difficile d’établir des corrélations entre les défauts géniques et le degré de sévérité de l’atteinte clinique. Bien entendu, l’absence complète de protéine enzymatique conduit à un phénotype sévère tandis que les défauts qui n’abolissent pas totalement la fonction s’accompagnent de formes plus modérées.

Souvent, néanmoins, l’hétérogénéité clinique n’est pas expliquée par les mutations retrouvées. Pour certaines affections, la symptomatologie et la progression de la maladie sont très semblables entre membres de la même fratrie, ce qui peut permettre de prévoir l’évolution clinique chez les frères ou sœurs plus jeunes. Par contre, des exemples dans la littérature montrent que des facteurs épigénétiques et peut-être aussi environnementaux viennent modifier la présentation clinique (âge de début, symptômes, vitesse de la détérioration). Ces facteurs restent à identifier.

Les mécanismes de la "souffrance" cellulaire

Les bases moléculaires des lésions ou dysfonctionnements de la cellule ayant une surcharge lysosomale sont imparfaitement connues, voire ignorées dans certains cas.

Les hypothèses

Une première question (sans réponse) est de savoir s’il existe une physiopathologie unique, c’est-à-dire un mécanisme pathogénique commun à plusieurs ou à toutes les maladies lysosomales. Diverses hypothèses peuvent être proposées :

  1. La pathologie cellulaire est-elle reliée à l’augmentation du volume lysosomal induite par la surcharge (c’est-à-dire au volume des métabolites accumulés et à la force osmotique de ces métabolites) ?

On sait seulement que des modifications du volume lysosomal pourraient être "perçues" par la cellule et qu’elles peuvent accompagner la mort cellulaire dans certaines conditions. Ceci étant, le gonflement lysosomal provoqué indirectement par certains médicaments (par exemple, dans les phospholipidoses induites) ne semble pas systématiquement délétère.

  1. Existe-t-il une rupture des lysosomes surchargés et cette rupture est-elle toujours pathogène ?
  2. Existe-t-il une "perméabilité" sélective de la membrane lysosomale à certaines substances accumulées et non métabolisées et une sortie de ces composés ?

Outre le fait que certaines molécules sont normalement évacuées du lysosome grâce à des transporteurs, certaines enzymes lysosomales pourraient sortir du lysosome dans des conditions de stress et provoquer des dégats après avoir été relarguées.

  1. Le stockage lysosomal entraîne-t-il des carences en certains métabolites cellulaires indispensables ?
  2. Certains métabolites accumulés (lipides) peuvent-ils subir des modifications, par exemple oxydatives (comme on peut le voir dans les céroïde-lipofuscinoses) les transformant en composés toxiques ?
  3. L’augmentation de l’activité d’autres hydrolases lysosomales (que celle responsable du déficit) ou l’accumulation de protéines qui sont observées lors de certaines maladies lysosomales est-elle un facteur causal du dysfonctionnement cellulaire, ou seulement le reflet d’autres dérégulations ?

A l’inverse, certaines maladies lysosomales s’accompagnent d’une surcharge en d’autres composés que ceux servant de substrats à l’enzyme déficitaire (par exemple, des gangliosides s’accumulent dans les mucopolysaccharidoses). Cette anomalie secondaire pourrait néanmoins participer aux dysfonctions cellulaires.

  1. Les fonctions des lysosomes autres que celles de la dégradation des substrats (par exemple, les fonctions des lysosomes sécrétoires) sont-elles perturbées par la surcharge ?
  2. Des voies de signalisation sont-elles perturbées, directement ou indirectement, par le bloc métabolique lysosomal ?

Ainsi, dans la maladie de Gaucher, le glucosylcéramide accumulé modifie la signalisation intracellulaire par le calcium. Il stimule aussi la biosynthèse de certains phospholipides, ce qui pourrait expliquer les modifications dans la croissance de certaines cellules observées dans cette lipidose. Par ailleurs, la surcharge des lysosomes et le bloc métabolique pourraient avoir des conséquences sur la composition d’autres constituants de la cellule et retentir ainsi sur son fonctionnement. En effet, dans certaines sphingolipidoses (par exemple, maladie de Niemann-Pick, leucodystrophie métachromatique) ou la maladie de Niemann-Pick type C, on a récemment constaté des modifications de la composition des microdomaines des membranes plasmiques. Comme ces microdomaines servent de plates-formes pour la transmission des signaux, il est possible que ces altérations secondaires entraînent des troubles de la signalisation. D’autres lipides membranaires tels que les gangliosides affectent le fonctionnement des neurones : ainsi, dans les gangliosidoses ou certaines mucopolysaccharidoses (avec surcharge en gangliosides), on observe une dendritogenèse anormale, des sphéroïdes axonaux, des méganeurites. C’est cette hypothèse d’une dérégulation des réponses cellulaires qui est actuellement la plus testée, et qui est discutée ci-dessous.

Maladies lysosomales et apoptose

La surcharge lysosomale s’accompagne dans un certain nombre de maladies d’un accroissement de la mort cellulaire. Cette toxicité a été notée pour la première fois dans le cas de la maladie de Krabbe : le galactosylcéramide est le sphingolipide qui induit la formation des "cellules globoïdes" caractéristiques de cette affection, mais c’est une molécule dérivée, la galactosylsphingosine (ou psychosine), qui se comporte comme composé toxique et qui entraîne la mort des oligodendrocytes et l’arrêt de la myélinisation. Bien qu’elle soit un lysosphingolipide normalement présent à l’état de traces, la psychosine s’accumule lors de la maladie de Krabbe (chez l’homme ou la souris). La mort cellulaire induite par la psychosine est une mort par apoptose (une modalité de mort définie par des critères morphologiques et l’activation d’une cascade protéolytique particulière qui généralement ne provoque pas de réaction inflammatoire liée à la libération du contenu cellulaire).

Par extension, il a été proposé que dans d’autres lipidoses lysosomales, la formation en excès de lysosphingolipides (glucosylsphingosine dans la maladie de Gaucher, lysosulfatide dans la leucodystrophie métachromatique,...) pourrait entraîner de la mort cellulaire. Même si cette hypothèse pathogénique reste à valider, force est de constater que dans de nombreuses maladies lysosomales il existe des perturbations de la mort par apoptose. Ceci a été observé aussi bien sur des cellules en culture ayant un déficit lysosomal que dans les tissus des patients ou des animaux atteints de maladies lysosomales. Dans certains cas, il y a une majoration anormale de l’apoptose, suivie d’une perte cellulaire (parfois une perte neuronale) ; dans d’autres situations, les cellules mutantes résistent davantage que les cellules saines à des stress extérieurs.

Parmi les mécanismes potentiels en cause, on peut évoquer : l’accumulation à l’intérieur ou à l’extérieur de la cellule d’une molécule toxique (comme la psychosine ou la sphingosine), le défaut d’une molécule bloquant l’apoptose (comme la prosaposine ou le produit du gène CLN3), le défaut de maturation d’une protéine de l’apoptose (par exemple, certaines cathepsines) ou encore, de façon plus générale, des anomalies du trafic intracellulaire (comme on le voit dans les mucolipidoses). Toutes ces anomalies pourraient perturber la réponse apoptotique de la cellule.

Maladies lysosomales et inflammation

Des observations récentes montrent l’existence de phénomènes inflammatoires dans diverses pathologies lysosomales. Il est d’ailleurs possible que l’apoptose discutée plus haut soit une conséquence de cette inflammation. D’une part, une inflammation systémique a été décrite dans la maladie de Gaucher, associée à une production accrue de cytokines inflammatoires et de chémokines. Ceci pourrait expliquer la survenue de certains troubles hématologiques (hypergammaglobulinémie, myélome, leucémies) parfois observés dans cette affection.

D’autre part, une inflammation au niveau du système nerveux central, notamment une activation microgliale, a été rapportée dans certaines sphingolipidoses (gangliosidoses, maladie de Krabbe) et mucopolysaccharidoses (types I et IIIB). Cette activation de la microglie précèderait la neurodégénérescence et l’apparition des signes cliniques. L’altération de la barrière hémato-encéphalique serait suivie d’une infiltration du système nerveux par des cellules inflammatoires, entraînant la production de cytokines et une apoptose neuronale (ou sa majoration). Ces phénomènes inflammatoires seraient réduits après greffe de moelle osseuse ou par suppression d’une chémokine, MIP-1.

Enfin, dans le même contexte de dérégulation des réponses inflammatoire et immune, la production d’auto-anticorps (anti-gangliosides) a été décrite au cours des GM2-gangliosidoses. En se fixant à la surface des neurones, ces auto-anticorps participeraient à l’activation microgliale. On ignore encore les raisons de la production de ces auto-anticorps.

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