Les bases neurobiologiques de l’anxiété

COMMUNIQUÉ | 19 JUIN 2012 - 15H09 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

EUROPE | NEUROSCIENCES, SCIENCES COGNITIVES, NEUROLOGIE, PSYCHIATRIE

Une journée scientifique intitulée « Neurobiological basis of Anxiety disorders » réunit lundi 18 juin à Paris les scientifiques des 6 organismes partenaires de DEVANX [1], projet européen coordonné par l’Inserm, démarré en 2008. L’occasion de faire un point sur l’état des connaissances acquises sur les bases neurobiologiques de l’anxiété.
La connaissance des circuits cérébraux et les molécules-clés impliqués dans les manifestations de l’anxiété a fait de grand progrès depuis quelques années. L’utilisation de modèles animaux a beaucoup contribué à cette compréhension. Chez la souris, il est ainsi possible d’observer les changements comportementaux  qui interviennent dans les situations de conflit émotionnel, par exemple comment l’animal va choisir entre l’exploration d’un espace neuf (curiosité) et le repli sur soi (peur). L’étude de l’animal dans une situation de peur apprise a aussi été bien décrite : comment l’animal va apprendre à associer un environnement neutre avec un danger potentiel.
La sérotonine et le GABA sont les 2 principales molécules « messagères » entre les neurones (« neurotransmetteurs »)  qui sont impliquées dans les états anxieux. Ce sont de fait les cibles communes des médicaments « anxiolytiques ».
Mais le rôle exact de ces molécules, leurs interactions avec l’environnement sont encore à préciser. L’apport de la génétique et les nouvelles données concernant la plasticité du cerveau doivent s’intégrer à la compréhension chaque jour plus fine des mécanismes en jeu. Patricia Gaspar et Laurence Lanfumey, directrices de recherche Inserm – coordinatrices du projet DEVANX – et leurs collègues, ont cherché à aborder l’étude des bases neurobiologique de l’anxiété sous divers angles.

1.   LES ASPECTS PHARMACOLOGIQUES
Les récepteurs GABAb, présents sur les neurones, sont des cibles de nouvelles molécules dont le mode d’action est complètement différent des anxiolytiques classiques (benzodiazépines) qui, quant à eux, agissent sur les récepteurs GABAa. La connaissance de la structure et de la fonction des récepteurs GABAb, ainsi que leurs interactions avec le système sérotoninergique permet de proposer des nouvelles cibles thérapeutiques.
En particulier l’équipe de Benny Bettler, membre du consortium DEVANX localisé en Suisse, a montré que les récepteurs GABAb sont des hétérodimères (assemblage de 2 sous unités différentes de récepteurs) qui possèdent des protéines partenaires pouvant modifier leurs propriétés de couplage. Les propriétés pharmacologiques des récepteurs GABAb varient en fonction de l’organisation des protéines partenaires. D’un point de vue thérapeutique, la modulation positive de ces récepteurs représente une possible stratégie pour le développement de nouveaux anxiolytiques. John Cryan, partenaire du consortium DEVANX en Irlande, a montré que le blocage des récepteurs GABAb induit en effet la diminution d’un comportement dépressif. Dans ce cadre, l’équipe de Laurence Lanfumey à Paris a étudié le lien entre les récepteurs GABAb et le système sérotoninergique.


Ces sous unités sont des récepteurs à sept domaines transmembranaires couplées aux protéines G via la sous unité GABAB2 .Les sous unités GABAB1a et GABAB1b diffèrent entre elles par la présence de deux domaines terminaux (sushi-domain) sur la sous unitéGABAB1a.

2.   LE RÔLE DE LA SÉROTONINE
Chez les personnes souffrant de dépression, d’attaques de panique, d’anxiété, ou de phobies, un traitement permettant d’augmenter le niveau de sérotonine réduit ces pathologies.
Cependant, peu de données étaient disponibles sur la cause initiale de ce manque de sérotonine, déclencheur de ces troubles. C’est pourquoi différents modèles animaux sont nécessaires aux chercheurs pour découvrir et analyser les différentes situations d’un cerveau « pauvre » en sérotonine.
La sérotonine est impliquée dans de nombreux rôles physiologiques : rythmes veille-sommeil, impulsivité, appétit, douleur, comportement sexuel, et anxiété. Son action est médiée par près d’une quinzaine de  sous-types de récepteurs différents.
Le système sérotoninergique est en fait multiple : il est présent dans le système nerveux central (dans les  noyaux du raphé dans le cerveau) et périphérique (dans les cellules entérochromaffines du tube digestif).
La « spécialisation » de neurones en « neurones à sérotonine » est contrôlée par différents facteurs moléculaires, selon leur localisation, et ne se fait pas aux mêmes moments du développement.

Une des études réalisées par les spécialistes de la génétique au sein du projet DEVANX a consisté à cibler de manière conditionnelle la production de sérotonine à un temps donné, dans une localisation choisie. L’équipe de Dusan Bartsch, partenaire DEVANX localisé à Mannheim, a par exemple produit des modèles de souris génétiquement modifiées qui permettent de diminuer la sérotonine à différents temps de la vie, en créant des modèles dits inductibles (l’extinction d’un gène peut être induite par l’administration d’une drogue). L’équipe de Patricia Gaspar à Paris a caractérisé des mutations dans lesquelles seule une partie des neurones sérotoninergiques est atteinte (mutation d’un facteur de transcription pet1). Chez ces souris, l’équipe a observé que l’anxiété spontanée était diminuée, mais leur conditionnement à la peur accru. Ainsi, le défaut de sérotonine centrale pourrait contribuer à associer plus facilement une réaction de panique avec des situations neutres.

3.   LES AUTRES CIRCUITS EN JEU : CIRCUITS DE LA PEUR
Les connexions avec des travaux sur la peur et les derniers enseignements d’un point de vue neurocomportemental permettent de croiser les approches.
Il apparaît de plus en plus que ce sont des circuits neuronaux normaux de réaction à l’environnement qui sont détournés ou amplifiés de manière pathologique dans l’anxiété. Dès lors, il est très important de comprendre et d’analyser le fonctionnement de ces circuits chez les animaux « en situation ». A terme, l’objectif consiste à trouver les moyens de « déconditionner » certains circuits cérébraux anormalement ou excessivement activés.

Les nouvelles approches de la physiologie sur l’animal vigile et de pharmacogénétique ont permis des avancées dans ce domaine. Par exemple le laboratoire d’Agnés Gruart à Séville, une des équipes partenaires de DEVANX, a enregistré différents neurones des circuits hippocampiques dans des situations d’apprentissage de la peur et ont observé l’effet de la modification du message médié par le GABAb et la sérotonine. Le laboratoire de Cornelius Gross à l’EMBL de Rome, a montré que l’on pouvait utiliser des récepteurs sérotoninergiques (5-HT1A) exprimés dans différentes régions cérébrales pour abolir transitoirement l’activité des circuits neuronaux très spécifiques. Ceci lui a permis de préciser les circuits hippocampiques et amygdaliens impliqués dans le phénomène de généralisation de la peur.
 
 La recherche dans le domaine de l’anxiété, comme dans de nombreux domaines des Neurosciences, met à profit des approches intégrées, qui nécessitent des expertises multiples. Les études moléculaires doivent à présent impérativement s’intégrer dans le contexte de l’animal entier qui exprime des comportements les plus proches possibles de situations physiologiques, tout en étant rigoureusement contrôlées sur le plan expérimental. Les outils génétiques donnent une puissance inégalée pour rechercher la fonction d’une molécule déterminée ou d’un assemblage moléculaire dans un circuit donné et dans une fenêtre temporelle précise. Ce type d’approche est appelé à se développer dans les années à venir avec des outils qui permettront d’activer ou de rendre silencieux certains circuits neuronaux sélectionnés.
La résolution, pas à pas, de ces processus élémentaires imbriqués, devrait permettre d‘expliquer les mécanismes sous-tendant l’anxiété pathologique.


[1] DEVANX: “Serotonin and GABA-B receptors in anxiety : From developmental risk factors to treatment”, projet soutenu par la Commission Européenne, démarré en 2008, dont les partenaires sont l’Inserm (coordinateur), University College Cork, Irlande, European Molecular Biology Laboratory, Italie/Allemagne, Central Institute of Mental Health, Mannheim, Allemagne, Universitaet Basel, Suisse, Universidad Pablo de Olavide, Espagne

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Quand le cœur dépasse ses limites

mardi 17 juillet 2018

Après une course d’endurance extrême, le cœur peut présenter une dysfonction qui perdure et dont les mécanismes cellulaires demeurent inconnus. Les équipes d’Olivier Cazorla au laboratoire de Physiologie et médecine expérimentale du cœur et des muscles et de Cyril Reboul au Laboratoire de Pharm-écologie cardiovasculaire, identifient les mécanismes qui affectent la contractilité cardiaque en fonction de la durée de l’exercice. Cette étude, publiée le 01 Mai 2018 dans la revue International Journal of Cardiology, décrit des interactions entre les signalisations redox et adrénergiques à l’origine de désordres fonctionnels de la machinerie contractile cardiaque pouvant contribuer à différentes pathologies cardiaques.

La popularité des courses d’extrême endurance comme les trails, triathlons et marathons augmente mondialement depuis 30 ans, tout comme l’âge moyen des participants. Réaliser un exercice intense de type marathon est devenu un challenge personnel pour beaucoup d’individus, même pour « le sportif du dimanche ». Cette pratique s’est même durcie avec l’apparition des « ultra » où les efforts intenses dépassent les 10 heures d’affilées. Pour autant, cette pratique sportive ne fait l’objet d’aucune recommandation médicale particulière.

Pourtant, au cours des 10 dernières années, il a été montré que ce type d’épreuves physiques extrêmes était à l’origine de troubles transitoires de la fonction cardiaque, aujourd’hui connu sous le nom de fatigue cardiaque. Bien que ce phénomène soit rapporté dans un grand nombre d’études cliniques sur le terrain ou en laboratoire, à ce jour les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents n’ont jamais été clairement identifiés.
Les chercheurs ont exploré les mécanismes sous-tendant cette fatigue cardiaque sur un modèle de rat coureur en se concentrant sur le rôle de la signalisation médiée par le système adrénergique et la signalisation médiée par le stress oxydant, toutes deux très largement sollicitées au cours de l’exercice physique. Différents systèmes expérimentaux complémentaires ont été mis en œuvre in vivo, ex vivo (cœur isolé) et in vitro (cellule isolée), couplés à une approche pharmacologique.

La fonction cardiaque explorée in vivo par échocardiographie est plutôt améliorée par une course modérée d’une demi-heure. Si la course se prolonge plusieurs heures des dysfonctions des capacités de remplissage du cœur (fonction diastolique) sans atteinte majeure de la fonction de contraction sont observées comme chez l’Homme. Cette dysfonction persiste sur cœur isolé, suggérant des altérations de l’organe indépendantes de facteurs circulants. L’étude du couplage excitation-contraction à l’échelle cellulaire montre que les protéines de la machinerie contractile (sarcomère) sont préférentiellement affectées.

Il est aujourd’hui connu que la réponse du cœur à l’exercice est associée à la fois à un stress adrénergique et à un stress oxydant. A l’étage des protéines contractiles des myocytes cardiaques, un exercice modéré engendre à la fois l’activation d’une signalisation adrénergique, caractérisée par la phosphorylation de certaines protéines régulatrices cibles et une signalisation dite redox qui conduit à la s-glutathionylation d’une protéine clé dans la régulation de la fonction sarcomérique, la Myosin Binding protein-C (MyBP-C). Lorsque l’exercice est intense et prolongé, la s-glutathionylation de la MyBP-C empêche la signalisation dépendante du stress adrénergique d’impacter ses cibles au niveau de la machinerie contractile cellulaire. Ces modifications au niveau du sarcomère sont directement corrélées aux modifications contractiles de la cellule cardiaque et du cœur entier.
Les chercheurs montrent que l’on peut prévenir ces altérations fonctionnelles du cœur avec une supplémentation des animaux avant la course avec un antioxydant à large spectre, la N-acetylcystéine. Cela permet d’augmenter, avant l’épreuve physique intense, les stocks de glutathion réduit, de normaliser le niveau de s-glutathionylation de la MyBP-C. Cette stratégie permet finalement de préserver la voie de signalisation adrénergique sur les myofilaments et de normaliser la fonction cardiaque.
Ces résultats mettent en évidence des mécanismes cellulaires et moléculaires à l’origine de la fatigue cardiaque observée chez l’Homme après une épreuve physique de longue durée.

Figure : Durant un exercice physique, différentes voies de signalisation sont activées pour augmenter la force de contraction du cœur. Dans la cellule musculaire cardiaque (myocyte) qui compose le cœur, la machinerie contractile est une cible préférentielle. En fonction de l’intensité/durée de l’exercice, le stress oxydant généré induit la S-glutathionylation de la cMyBP-C (annotée en rouge -GS). Cette modification interfère avec les phosphorylations dépendantes du système adrénergique (annotées en bleu -P). Durant un exercice « modéré », il y a plus de phosphorylations dans le sarcomère ce qui est bénéfique pour la fonction cardiaque in vivo (partie gauche). Un exercice prolongé épuisant augmente la S-glutathionylation de la cMyBP-C et diminue les phosphorylations du sarcomère ce qui induit des troubles transitoires de la relaxation et donc des capacités de remplissage du cœur entre chaque contraction.
© Olivier Cazorla et Cyril Reboul

Références :
*         Stress-induced protein S-glutathionylation and phosphorylation crosstalk in cardiac sarcomeric proteins - impact on heart function. Chakouri N, Reboul C, Boulghobra D, Kleindienst A, Nottin S, Gayrard S, Roubille F, Matecki S, Lacampagne A, Cazorla O. 
International Journal of Cardiology. 258 (2018) 207–216. DOI: 10.1016/j.ijcard.2017.12.004
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Contacts :
*         Olivier Cazorla Physiologie et Médecine Expérimentale du cœur et des muscles – PHYMEDEXP –
CNRS UMR 9214 - Inserm U1046 - Université de Montpellier
CHU Arnaud de Villeneuve
34295 Montpellier cedex 05 Tél. 04 67 41 52 44
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*         Cyril Reboul 
Laboratoire de Pharm-écologie CardioVasculaire –LaPEC
UPRES 4278 – Université d’Avignon
84000 Avignon Tel. 04 90 16 29 46

    DOCUMENT         CNRS         LIEN  
 

L'ADN : DÉCHIFFRER POUR MIEUX COMPRENDRE LE VIVANT

La cellule, le patrimoine génétique


© IBS/CEA
La brique élémentaire de tous les êtres vivants est la cellule. Elle renferme en son sein une molécule qui porte son patrimoine génétique.

Publié le 25 janvier 2018
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Les êtres vivants ont pu s’adapter à tous les milieux et coloniser l’ensemble des écosystèmes marins et terrestres ! Que ce soit une bactérie, un homme, un lichen ou une sauterelle, tous les organismes ont quelque chose en commun : la cellule. Autonome, elle vit, se reproduit et meurt.

AU CŒUR DE LA CELLULE
Les cellules sont les plus petites unités du vivant. Pour les voir, il suffit d’un microscope car une cellule animale mesure en moyenne 20 micromètres. Elles se classent en deux types : les procaryotes et les eucaryotes. Les premières, de simples poches de liquide contenant des biomolécules, délimitées par une membrane et ne comportant pas de noyau, sont dites “ primitives ”. Les bactéries sont les principaux représentants de cette confrérie. Les cellules eucaryotes sont plus organisées, avec différents compartiments ayant chacun un rôle à jouer, comme le noyau.


        1 - Le noyau : centre de contrôle de la cellule. Il contient le matériel génétique sur lequel est inscrit le mode d'emploi de tout organisme. Chaque cellule utilise le génome d'une façon différente. Elle a son propre mode d'emploi.

*         2 - Les lysosomes : centres de recyclage. Ce sont de petits sacs qui concentrent les substances à détruire et les enzymes nécessaires à cette destruction.

*         3 - Les ribosomes : usines de production des protéines. Ils synthétisent des protéines à partir des instructions données par le noyau.

*         4 - L'appareil de Golgi : centre de tri. Dans ces sacs empilés les uns sur les autres s'achève la préparation de protéines synthétisées dans la cellule en vue de leur exportation.

*         5 - Le cytoplasme : agora de la cellule. Délimité par la membrane plasmique, le cytoplasme est constitué d'eau et de biomolécules et contient les divers organites cellulaires (noyau, mitochondries…).

*         6 - Les mitochondries : centrales énergétiques. Elles sont le siège de la respiration cellulaire et de la production d'énergie.



L’Homme est composé de 5 000 à 30 000 milliards de cellules.


* Au sein d’un organisme, les cellules peuvent avoir des formes et des fonctions différentes mais elles contiennent toutes, dans leur noyau, les mêmes informations génétiques, le même patrimoine. Chez les eucaryotes pluricellulaires, les cellules sont réunies en tissus. Un tissu est composé de plusieurs types de cellules avec des fonctions bien distinctes, mais il y a souvent un type cellulaire prédominant remplissant la même fonction, comme les hépatocytes dans le foie.
*
* Différents tissus peuvent s’associer pour former un organe et plusieurs organes peuvent contribuer à une même grande fonction physiologique. Les cellules germinales sont fabriquées par l’appareil reproducteur. De l’union du patrimoine génétique d’un spermatozoïde et de celui d’un ovule naîtra un nouvel individu. Les cellules de l’œuf se multiplieront et se différencieront pour produire les centaines de lignées de cellules spécialisées, dites somatiques, qui constitueront la peau, le cerveau, le tube digestif… de ce nouvel individu.
*
* D’après la découverte de fossiles de stromatolithes1 dans les lagunes australiennes, la vie aurait commencé sur Terre il y a 3,5 milliards d’années. De la bactérie unicellulaire à l’Homme, composé de pas moins de 30 000 milliards de cellules, le Vivant n’a cessé d’innover !
*
1 : Stromatolithes : constructions fossiles, formées en général par des cyanobactéries (algues bleues), qui existent encore à l'heure actuelle.

Les différents types de cellules


Les deux types de division

Les deux types de division. © Victoria Denys/CEA


La mitose, une division cellulaire

Chez l'Homme, les cellules souches (indifférenciées) et les cellules somatiques (différenciées et spécialisées) se multiplient par mitose pour donner deux cellules identiques, dites diploïdes, contenant 23 paires de chromosomes. Les cellules germinales (cellules sexuelles ou gamètes), quant à elles, doivent subir deux divisions successives (méiose) pour donner des cellules, dites haploïdes, avec un seul exemplaire de chacun des 23 chromosomes. Lors de la fécondation, les deux gamètes fusionnent pour générer un œuf diploïde. Le mélange de 50 % du patrimoine de la mère avec 50 % du patrimoine du père est appelé brassage génétique. La reproduction sexuée augmente la biodiversité et par conséquent le potentiel adaptatif de l'espèce.  

LE CYCLE CELLULAIRE
En 24 heures, depuis sa naissance jusqu’à sa division ou sa mort, une cellule suit un cycle de 4 phases.

*         La première, notée G1, correspond à sa croissance. Pendant ce temps, plus ou moins long, la cellule exerce ses fonctions ordinaires sans produire de nouvel ADN.
*         La seconde étape, S, est celle de la synthèse de l’ADN et de la réplication chromosomique.
*         Lors de la phase G2, la cellule s’assure que la réplication s’est bien passée.
*         Puis elle déclenche la dernière phase, celle de la division cellulaire.


Le cycle cellulaire. © Victoria Denys/CEA


L'ADN
Histoire de lu vivant et de l'ADN

L’enquête a commencé au siècle des Lumières par des observations macroscopiques sur la biodiversité. Les explorateurs rapportent de nouvelles espèces que Carl Von Linné, Georges Cuvier et Georges Buffon nomment et classent selon les caractères propres à chacune (nombre de membres, bipédie,
poils, plumes…). Puis Jean-Baptiste de Lamarck invente la biologie ; il est le premier à comprendre que les espèces évoluent. Au XIXe siècle, Charles Darwin émet l’idée qu’un caractère possède une certaine variabilité au sein d’une
population et que la sélection naturelle conserve les variations les plus favorables, dans un contexte donné ou un environnement spécifique.
En 1866, dans le potager de son abbaye, le moine Gregor Mendel découvre que certains caractères sont héréditaires : c’est la naissance de la génétique.
En 1952, la scientifique Rosalind Franklin parvient à “ photographier ” une molécule d’ADN et émet l’hypothèse de sa structure en double hélice. La reprise de ces travaux par Francis Crick et James Watson ouvre la voie à la biologie moléculaire.
Vidéo
La découverte de l'ADN

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L'ADN, vecteur de l'hérédité
Le noyau, de forme sphérique, est l'organite le plus volumineux de la cellule. Ses 5 micromètres de diamètre permettent de l’observer en microscopie optique. Une goutte de vert de méthyl suffit à révéler son principal constituant, l’Acide DésoxyriboNucléique (ADN). C'est la molécule support du patrimoine génétique de tout être vivant. La longue chaîne d’ADN est composée d'une succession de nucléotides (contenant des bases) accrochés les uns aux autres par des liaisons phosphodiester. Les 4 bases qui composent l’alphabet du programme génétique sont A, T, G et C.


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La molécule d’ADN en version 3D est un assemblage de deux chaînes hélicoïdales (ou brins) s’enroulant autour d’un axe. Cette double hélice est maintenue grâce aux liaisons hydrogène entre les bases qui se font face. Ces bases, dites complémentaires (A s’apparie avec T et C avec G) forment comme les barreaux d’une échelle. Les deux brins d’un ADN donnent donc la même information, comme une photo et son négatif.

Dans les gènes, une suite de trois lettres forme un mot, ou codon. Les mots forment des phrases ou des instructions qui sont à l’origine des caractères héréditaires. La plupart du génome reste non lisible.

Schéma de l'ADN. © Victoria Denys/CEA



Deux êtres humains qui n'ont aucun lien de famille ont 99,9 % d'ADN en commun.

LES CHROMOSOMES, SUPPORTS MATÉRIELS DES GÈNES

Au moment de la division cellulaire, l’ADN se compacte autour de protéines et s’organise en bâtonnets visibles, les chromosomes. Chaque espèce possède un nombre constant et spécifique de chromosomes : 46 pour l’Homme, 24 pour le riz, 8 pour la mouche… Chez la bactérie, il n’y en a qu’un et il est circulaire ! Si la cellule est stoppée pendant sa division, il est possible de réaliser un caryotype, sorte d’instantané de ses chromosomes. Ceux-ci sont découpés puis classés selon une numérotation internationale. Par exemple, un caryotype sert à identifier le sexe d’un individu (chromosome 23 XX - femelle ou XY - mâle) ou à détecter certaines anomalies, comme la trisomie 21 (3 copies du chromosome 21).

Un chromosome humain débobiné mesure un mètre d’ADN ! Sur ce mètre étalon, certaines fractions sont des instructions qui commandent la synthèse de protéines ; ce sont les gènes. Unités de base de l’hérédité, ils déterminent ce que nous sommes et comment nous fonctionnons (couleur des yeux, groupe sanguin…).

LE COMPLEXE DU GÉNOME
Organisme    Nombre de chromosomes    Taille du génome en millions de bases    Nombre de gènes
Homme    46    3300     21000
Riz    24    430    37000
Mouche    8    165    13000

Un organisme complexe, comme l'Homme, a-t-il un plus gros génome et plus de gènes qu'un organisme " moins évolué " ?

C'est globalement vrai quand on compare les procaryotes (bactéries) aux eucaryotes (plantes, animaux…). Cependant, chez les eucaryotes, le paradoxe existe. L'Homme a à peine deux fois plus de gènes que la mouche et moins qu'un grain de riz ! Il n'existe pas de relation entre la complexité d'un organisme et le nombre de gènes ou la taille de son génome.

LES GÈNES
Il existe environ 21 000 gènes chez l'Homme. La plupart des gènes codent pour des protéines qui jouent un rôle particulier dans notre organisme. Certaines participent au transport, à la signalisation cellulaire… D'autres, comme les enzymes, réalisent des réactions chimiques. Deux étapes sont nécessaires à leur fabrication : la transcription et la traduction.

1 - La transcription
Pour fabriquer une protéine, le gène va transmettre son mode d'emploi du noyau au cytoplasme grâce à une molécule navette, l'ARN messager (ARNm). Pour cela le gène est transcrit en un ARNm qui est sa copie exacte ; à un détail près : la base T est remplacée par une base spéciale, la base uracile (U). Les ARNm sont transformés pour enlever des parties non-codantes.

2- La traduction
Une fois dans le cytoplasme, l'ARNm va rejoindre les usines à protéines, les ribosomes. Dans celles-ci seront assemblés les constituants de base d'une protéine, les acides aminés selon la séquence donnée par l'ARNm. Mais comment passer d'un alphabet de 4 lettres (A, U, C, G) à une protéine ? Chaque acide aminé correspond à un ou plusieurs codons. Un troisième acteur, l'ARN de transfert (ARNt), reconnaît spécifiquement le codon de l'ARNm qui correspond à l'acide aminé qu'il porte. Ainsi, le ribosome glisse le long de la séquence de l'ARNm, et assemble les acides aminés apportés au fur et à mesure par les ARNt. Le ruban protéique se replie au cours de sa synthèse pour prendre in fine une conformation tridimensionnelle qui lui confère ses propriétés et sa fonction.


LES ALLÈLES
Chez l’Homme, les chromosomes vont par paire ! Pour chaque paire, ils sont identiques, portent les mêmes gènes. Cependant, il peut y avoir plusieurs versions, ou allèles, d’un même gène. Les combinaisons de deux allèles identiques ou différents donnent le génotype de l’individu. Par exemple, pour déterminer le groupe sanguin, il existe 3 versions du gène : l’allèle A, B et O ; ce qui donne AA, AB, AO, BB, BO ou OO. A et B sont dominants sur O ; A et B sont co-dominants et O est récessif. Le génotype AA donnera le phénotype [A]

Le génotype AB donnera le phénotype [AB]
Le génotype AO donnera le phénotype [A]
Le génotype BO donnera le phénotype [B]
Le génotype OO donnera le phénotype [O]
Le génotype BB donnera le phénotype [B]

Les phénotypes sont le résultat de l’expression des génotypes.


Chez les procaryotes, dont les cellules sont dépourvues de noyau, plus de 90 % du génome codent pour une protéine. Chez les eucaryotes, ce sont seulement 2 %. Les 98 % restants ont été longtemps appelés à tort “ ADN poubelle ” ; leur rôle n’est pas encore complètement élucidé, mais une partie servirait à réguler les gènes.

La déclinaison d'un gène ou comment conjuguer les allèles
Quand vous verrez un chat à 3 couleurs, pariez avec vos amis que c’est une femelle ! Vous gagnerez à tous les coups.

Explications : Les gènes sont à l’origine des caractères héréditaires comme la couleur du pelage des chats. Il existe plusieurs versions d’un gène que l’on appelle allèles.

Dans notre exemple, l’allèle redo confère la couleur orange et red° la couleur noire. Chaque gène, porté par les deux chromosomes d’une même paire, existe donc en deux exemplaires, une combinaison de 2 allèles qui détermine le génotype. Chez les chats, le gène de la couleur du poil est porté par le chromosome sexuel “ X ”. Un mâle (XY) ne possède qu’un seul chromosome X. Il ne peut donc exprimer qu'un seul a

llèle ; il est redo (orange) ou red° (noir). Une femelle (XX), quant à elle, présente une des 3 combinaisons d’allèles ou génotypes possibles : redo/redo, redo/red° ou red°/red° ; le phénotype couleur du pelage [noir et orange] n’apparaît donc que chez la femelle.

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Une nouvelle méthode ouvre la voie à l’étude des protéines à séquence répétée

SCIENCE 24.04.2018
Certaines pathologies – c’est notamment le cas de la maladie de Huntington - sont causées par des protéines présentant un nombre anormalement élevé de répétitions d’un même acide aminé
acide aminé
Élément de base constituant les protéines.
. La structure protéique adoptée au niveau de ces répétitions est désordonnée et non accessible aux outils d’analyse actuels. Mais à Montpellier, l’équipe de Pau Bernadó vient de mettre au point une nouvelle méthodologie permettant de s’affranchir de cette limite. Ce travail ouvre la voie à une meilleure compréhension de la maladie de Huntington, mais également à l’étude d’autres maladies héréditaires associées à ce type de phénomène.

Les protéines sont formées d’une combinaison de 20 acides aminés. Chez les eucaryotes
eucaryotes
Organisme dont la cellule possède un « vrai » noyau, entouré d’une membrane.
, environ 15% des protéines présentent des séquences composées de la répétition d’un seul acide aminé. Ces répétitions confèrent une certaine plasticité aux protéines mais, dans un petit nombre de cas, les parties répétées s’étendent. Cela entraîne l’agrégation de la protéine concernée et son dysfonctionnement.
Ainsi, la maladie de Huntington est provoquée par la présence d’une protéine, la huntingtine, présentant un nombre anormalement élevé de répétitions de l’acide aminé glutamine. Habituellement, la glutamine est répétée autour de 20 fois dans cette protéine. Mais un défaut dans la réplication de l’ADN peut conduire le nombre de glutamines à augmenter de génération en génération. La maladie de Huntington se développe lorsque le nombre de répétitions dépasse 35, et ce de façon d’autant plus précoce que le nombre de glutamines est élevé : une personne porteuse d’une huntingtine présentant 38 répétitions de la glutamine déclarera la maladie à un âge très avancé, alors que dans les formes juvéniles de la maladie la protéine est caractérisée par 55, voire 100 répétitions de l’acide aminé.

Un seuil pathologique du nombre de répétitions
"Le nombre de 35 répétitions apparaît comme un seuil au-delà duquel la protéine se comporte anormalement, explique Pau Bernadó du centre de biochimie structurale* à Montpellier. Notre hypothèse est qu’au-delà de cette limite, la protéine change de structure et voit sa fonction altérée. Cependant, tester cette hypothèse se heurte à un obstacle méthodologique : les outils actuels ne permettent pas d’étudier ce type de protéine". En effet, la partie polyglutaminique de la protéine ne se replie pas ; elle reste désordonnée et n’est pas accessible à la cristallographie classiquement utilisée pour déterminer la structure 3D des protéines. Une autre méthode, la spectroscopie par résonnance magnétique nucléaire (RMN), permet d’accéder à la structure de protéines non repliées : elle est déduite de la fréquence de résonnance des atomes, fréquence qui est spécifique de chaque atome et varie en fonction de son environnement proche. Néanmoins cette méthode est de peu d’utilité dans le cas des séquences répétées puisque tous les acides aminés sont identiques : toutes les glutamines apparaissent sur une région très réduite du spectre, rendant difficile son attribution.

Marquer individuellement chaque glutamine

Zoom sur la partie du spectre de RMN de la protéine huntingtine contenant la séquence polyglutaminique. La méthode développée par l’équipe de Pau Bernadó permet de marquer individuellement les glutamines (notées Q) et de les identifier à l’intérieur d’un ensemble autrement indifférencié (en gris). Chaque pic correspond à un acide-aminé.
C’est pour mettre au point une méthodologie permettant d’étudier la structure des huntingtines normales et pathologiques, que Pau Bernadó a bénéficié d’un financement du Conseil européen de la recherche (ERC). Deux ans de travail ont été nécessaires pour réaliser la preuve de concept
preuve de concept
Démonstration de l’intérêt d’une invention ou d’une technologie.
publiée en mars dernier dans la revue Angewandte Chemie International Edition. Ce chercheur et son équipe ont combiné deux méthodes (synthèse de protéine in vitro et ARNt suppresseurs de codons non-sens) pour marquer individuellement chaque glutamine et pouvoir ainsi les identifier sur les spectres issus de la RMN. En réitérant l’opération sur chaque glutamine présente, il est possible d’obtenir la structure de la partie polyglutaminique et d’étudier l’impact du nombre de glutamines répétées sur cette structure.

Une fenêtre sur le monde des protéines à séquences répétées
Cette nouvelle méthodologie ouvre de nombreuses perspectives pour l’étude des protéines avec répétitions, encore peu documentées. Les répétitions de la glutamine sont à l’origine d’au moins dix autres maladies neurodégénératives comme la maladie de Kennedy et autres pathologies neuromusculaires, avec des seuils de répétitions pathologiques très similaires. Par ailleurs, beaucoup de protéines comportant des répétitions d’acides aminés sont impliquées dans des fonctions biologiques importantes. Mieux cerner le monde encore opaque des protéines répétées permettra de mieux comprendre leur comportement et d’envisager de nouvelles stratégies thérapeutiques.
Note
* unité 1054 Inserm/CNRS/Université de Montpellier, Centre de biochimie structurale (CBS), équipe Structure et fonction de protéines hautement flexibles, Montpellier
 

Source
A Urbanek et coll. A general strategy to access structural information at atomic resolution in polyglutamine homorepeats. Angew Chem Int, édition en ligne du 7 mars 2018

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