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Maladies par expansion de polyglutamine Dondes mokulaires et physiopathologiques Anne-SophieLebre,AlexisBrice Les progres recents realises dans les domaines de la genetique et de la biolo- gie moleculaire ont profondement modifle la connaissance des maladies neurologiques hereditaires. Notamment, une nouvelle classe de mutations a ete impliquee dans une quinzaine d’affectlons : il s’agit des mutations dynaml- ques ou mutations dites instables dues a l’expansion de trinucleotldes rep&% [7]. Ces trinucleotides rep&% sont polymorphes dans la population g&r&ale, et il existe un seuil de repetitions, variable en fonction du locus considere, au- dela duquel le phenotype se manifeste. Les mutations sont qualifiees d’insta- bles car le nombre de repetitions porte par I’allele pathologique varie souvent au tours de sa transmission a la descendance. Deux classes de mutations dynamiques sont d&rites (tab/em 7). La premiere dasse regroupe les expansions generalement de grande taille sit&es dans des regions non codantes de genes qui component des motifs (CGG)n, (CWn, (GAA)n ou (CAG)n. Ce type d’expansions est observe dans le syndrome de I’X fragile (FFWXA) et dans le retard mental lie a I’X (FRAXE), la dystrophie myotonique de Steinert, les ataxies cerebelleuses SCA8 et 12 (SCA, splnocerebekrr atada) et I’ataxie de Friedreich. La deuxieme dasse regroupe les expansions de taille mod&e de trinucleotides CAG ou GCG dans des regions codantes de genes. Ce groupe d’affections comporte la maladie de Huntington, I’atrophie dentate rubro-pallido-luysienne, la maladie de Kennedy, cinq formes d’ataxies cerebel- leuses autosomiques dominantes et la dystrophie musculaire oculo-pharyngk Nous nous interesserons ici aux maladies qui impliquent des expansions instables de trinucleotides CAG dont la consequence est une expansion de polyglutamine dans la proteine correspondante (tableau 2). II s’agit de mala- dies neurodegeneratives pour lesquelles aucun traitement autre que sympto- matique nest disponible et dont I’evolution est, pour la plupart, irreversible et fatale en 10 a 20 ans. II s’agit de maladies de transmission autosomique dominante (sauf la maladie de Kennedy dont la transmission est recessive lice a I’X), qui partagent des caracteristiques cliniques communes parmi les- quelles le phenomene d’anticipation, c’est-a-dire un age de debut plus pre- coce et/au une severite accrue de la maladie au tours des generations suc- cessives. L’anticipation resulte du caractere instable de ces mutations. II a ete postule que l’expansion de polyglutamine dans ces proteines entraine un gain de fonction implique dans la mort neuronale, cela par un mecanisme physiopathologlque probablement commun a toutes ces maladies.

Maladies par expansion de polyglutamine Données moléculaires et physiopathologiques

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Maladies par expansion de polyglutamine

Dondes mokulaires et physiopathologiques

Anne-SophieLebre,AlexisBrice

Les progres recents realises dans les domaines de la genetique et de la biolo- gie moleculaire ont profondement modifle la connaissance des maladies neurologiques hereditaires. Notamment, une nouvelle classe de mutations a ete impliquee dans une quinzaine d’affectlons : il s’agit des mutations dynaml- ques ou mutations dites instables dues a l’expansion de trinucleotldes rep&% [7]. Ces trinucleotides rep&% sont polymorphes dans la population g&r&ale, et il existe un seuil de repetitions, variable en fonction du locus considere, au- dela duquel le phenotype se manifeste. Les mutations sont qualifiees d’insta- bles car le nombre de repetitions porte par I’allele pathologique varie souvent au tours de sa transmission a la descendance.

Deux classes de mutations dynamiques sont d&rites (tab/em 7). La premiere dasse regroupe les expansions generalement de grande taille sit&es dans des regions non codantes de genes qui component des motifs (CGG)n, (CWn, (GAA)n ou (CAG)n. Ce type d’expansions est observe dans le syndrome de I’X fragile (FFWXA) et dans le retard mental lie a I’X (FRAXE), la dystrophie myotonique de Steinert, les ataxies cerebelleuses SCA8 et 12 (SCA, splnocerebekrr atada) et I’ataxie de Friedreich. La deuxieme dasse regroupe les expansions de taille mod&e de trinucleotides CAG ou GCG dans des regions codantes de genes. Ce groupe d’affections comporte la maladie de Huntington, I’atrophie dentate rubro-pallido-luysienne, la maladie de Kennedy, cinq formes d’ataxies cerebel- leuses autosomiques dominantes et la dystrophie musculaire oculo-pharyngk

Nous nous interesserons ici aux maladies qui impliquent des expansions instables de trinucleotides CAG dont la consequence est une expansion de polyglutamine dans la proteine correspondante (tableau 2). II s’agit de mala- dies neurodegeneratives pour lesquelles aucun traitement autre que sympto- matique nest disponible et dont I’evolution est, pour la plupart, irreversible et fatale en 10 a 20 ans. II s’agit de maladies de transmission autosomique dominante (sauf la maladie de Kennedy dont la transmission est recessive lice a I’X), qui partagent des caracteristiques cliniques communes parmi les- quelles le phenomene d’anticipation, c’est-a-dire un age de debut plus pre- coce et/au une severite accrue de la maladie au tours des generations suc- cessives. L’anticipation resulte du caractere instable de ces mutations. II a ete postule que l’expansion de polyglutamine dans ces proteines entraine un gain de fonction implique dans la mort neuronale, cela par un mecanisme physiopathologlque probablement commun a toutes ces maladies.

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48 Les maladies neurc&ghktives

Tableau 1. Les maladies associ&s h ties expansions de trinucl6otides.

Maladie Gmeimpliqu6 Modede Nature Locabation transmission du motif@&& de la r+Stim

Classe 1 : expansions dans des tigions non codantes

Syndrome du X fragile (FRAXA) FMRl XD CCC 5’ non traduit

Retard mental lie a I’X (FRAXE) FMR2 XD CCC 5’ non traduit

Dystrophie myotonique de Steinert (DM) DMPW AD CTG 3’ non traduiV5 DMAHP (promoteur)

Spinocerebellor ataxia 8 (SCAI) SCA8 AD/AR crc non traduit

Spinocerebellar ataxia 72 (SCAl2) PPPZR28 AD CAC 5’ non traduit

Ataxie de Friedreich (FA) X25 AR CAA intronique

Classe 2 : expansions dans des @ions codantes

Maladie de Huntington (MH) IT15

Atrophie dentato-rubro-pallido-luysienne 837 (DRPLA)

Syndrome de Kennedy (SBMA) recepteur aux androgenes

Spirmerebellar atuxia 1 (SCAl ) 9x1

SpinocereberrOr ataxia 2 (SCAZ) scA2

Spinocerebellar ataxia 3/Maladie de MJDl Machado-Joseph (SCA3/MJD)

Spinocerebellar otaxia 6 (SCA6) CACNAl A

Spinocerebellar ataxia 7 (SCA7) sCA7

Dystrophie musculaire oculo-pharyngee PA8P2 (OPMD)

AD

AD

XR

AD

AD

AD

AD

AD

AD

CAG

GIG

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

CCC

5’ codant

centrale

5’ codant

5’ codant

5’ codant

3’ codant

3’ codant

5’ codant

5’ codant

FMR : fragile X mental retardation : DMPK : dysfrophia myotonia protein kinase ; DMAHP : dystrophia myotonia as.sccfafed homeotix protein ; PPP2R2B : sous-unit6 Sgulatri~ de la pro&m phosphatuse PPZA ; IT15 : impor- tant transzri~t 15; CACNAlA : sous-unit6 alA d’un canal culcique voltage&pendant de type P/Q ; PABP2 : poly(R)-binding protein 2 : XD : domincmt li6 h l’X ; XR : &ce.sit li6 h l’X ; AD : autosomique dominant ; AR : autosorrique rbcesif.

1. Aspects cliniques et neuropathologiques

1.1. La maladie de Huntington

La maladie de Huntington (MH) est une affection neurodt$$n&ative de trans- mission autosomique dominante dont la prbalence est elevee en Europe de I’Ouest (environ 5-l O/l 00 000). Elle se CaractPrise par la prkence de mou- vements anormaux involontaires (syndrome choreique), ainsi que des trou-

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Maladies pen expansion de polyglutamine 49

Tableau 2. CuracWstiques des g&es impliqks dans les maladies p expansion de trinuclhotides CAG.

Gene Locus Alleles All&les Proteine normaux patholo- 23z

gives de la proteine ruzny cerveaux des mod&s

post-mortem animaux

IT15 4~16.3 6-35 36-180 huntingtine C + + VW

DRPLA 12~13 3-36

SBMA Xqllql2 7-36

49-88 atrophine C +

38-62 rkepteur aux N + androgenes

ADCA SCAl detypel

6~23 6-44 39-83 ataxine 1 N + +

sCA2 12q24,1 13-33 32-200 ataxine 2 C +

SCA3l 14q32,1 12-40 54-89 ataxine 3 C + + MJD

ADCA detypeil sCA7 3~12-13 4-35 37-306 ataxine 7 N, C +

ADCA SCAB 19p13,1 4-18 20/21-33 CACNAlA T detype Ill &inu&aires

N : nuclikire : C : cytoplasmi~e ; T : tmnsrn embranaire. Pow les sigh ADCA, DRPLA, SBMA, SCA et CACNAl A, void Ggende du tableau I.

bles cognitifs et psychiatriques. La maladie debute generalement entre 30 et 50 ans, voire tardivement (jusqu’a la huitieme decennie), et, plus rarement, des I’enfance. Les signes moteurs de debut sont souvent discrets : anomalies des mouvements oculaires, haussement des sourcils, petits mouvements brusques et incontrol& qui se generalisent en choke. L’evolution conduit progressivement a une perte d’autonomie et a un tableau clinlque tres severe qui associe mouvements choreiques incessants, impossibilite de parler, demence sous-corticale et etat cachectique. Dans environ 50 % des cas, les troubles psychiatriques et/au du comportement precedent I’apparition de la choke. L’examen neuropathologique revele une perte neuronale qui touche de maniere p&pond&ante les neurones CABAergiques efferents du striatum, et qui est plus importante dans le noyau caude que dans le putamen 1541. Plus tard, le cortex, I’hypothalamus et le cervelet sont aussi touches, avec une atro- phie du volume cerebral pouvant atteindre 20 9’0.

1.2. Les a-taxies c&&elleuses autosomiques dominantes

Les ADCA (autosomu/ domirmt cerebellar utuxiu) constituent un groupe de maladies neurodegeneratives hereditaires cliniquement et genetiquement heterogenes, dont la prevalence est d’environ 5/l 00 000. L’ataxie apparait generalement vers la troisieme ou la quatrieme decennie. Elle se caracterise

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50 Les maladies neurod6chxktives

par un trouble de la coordination des mouvements dQ a I’atteinte du cervelet et/au de ses afferences et efferences. La direction et I’amplitude des mouve- ments volontaires, ainsi que les contractions musculaires necessaires a I’equi- libre et a la marche, sont perturbees. L’ataxie s’accompagne generalement d’autres signes neurologiques, a I’origine d’une grande heterogeneite clini- que. Ces affections sont dues a une perte neuronale progressive qui touche variablement les noyaux des nerfs craniens bulbo-protuberentiels, les olives bulbaires, les noyaux gris centraux, pontiques et mesencephaliques, le cortex cerebelleux (cellules de Purkinje et cellules des grains) et les noyaux profonds du cervelet [54]. Dans la moelle epiniere, les neurones de la colonne de Clarke et de la come anterieure peuvent etre affect&. Les lesions peuvent egalement toucher des fibres myelinisees telles que les faisceaux ponto-cere- belleux (fibres moussues) et olivo-cerebelleux (fibres grimpantes), ainsi que, dans la moelle, les cordons posterieurs et les faisceaux spino-cerebelleux et pyramidaux. Le tableau clinique peut aller de la simple atrophie cerebello-oli- vaire a des profils beaucoup plus complexes.

Plusieurs classifications fondles sur des criteres anatomo-pathologiques ont ete proposees mais se sont revelees insatisfaisantes. En 1981, A. Harding a defini une classification clinique simple des ADCA. Deux elements sont constants : le mode de transmission autosomique dominant et la presence dune ataxie c&e- belleuse permanente. En fonction des signes cliniques associes au syndrome drebelleux, la classification de Harding distingue trois types d’ADCA 1241. Les types I et II peuvent, de facon variable, associer une ophtalmoplegie, une atro- phie optique, une demence, des signes extrapyramidaux et une amyotrophie. L’existence dune degenerescence pigmentaire de la retine est caracteristique du type II. Le type Ill est caracterise par un syndrome cerebelleux dit * pur * car sans signes associes, de debut generalement tardif (60 ans ou plus).

1.3. L’atrophie de~tato-rubro-pnuidn-luysienne

L’atrophie dentato-rubro-pallido-luysienne (DRPLA, dentafo-rubru/-~u//~do-pallido-luy- sian afropbyj a une prevalence d’environ 0,2 a 0,7/l 00 000 au Japon, mais elle est extremement rare en Amerique du Nord et en Europe. Elle a ete rap- prochee des ADCA pour les raisons suivantes : la presence d’une ataxie cere- belleuse quasi constante, I’existence d’une atteinte severe du noyau dentele, et, a un moindre degre, une atteinte du cortex cerebral. Les patients presen- tent une ataxie associee generalement a un syndrome choreo-athetosique, des myoclonies, un tremblement, une epilepsie ou une demence. Les lesions neuropathologiques caracteristiques sont principalement une perte neuro- nale avec gliose dans le noyau sous-thalamique, la partie externe du globus pallidus, le noyau dentele et le noyau rouge en accord avec I’atrophie du cer- velet et du tronc cerebral visible 8 I’IRM (imagerie par resonance magnetique) cerebrale [54, 721.

1.4. La maladie de Kennedy

La maladie de Kennedy ou amyotrophie spino-bulbaire (SBMA, spina/ and bul- bar muscular utrophfl est une maladie de transmission recessive lice au

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Maladies par expansion de polyglutamine 51

chromosome X caracterisee par une perte des neurones moteurs des nerfs craniens et de la moelle. La maladie debute entre 20 et 50 ans par des cram- pes puis la perte progressive des motoneurones est severe au niveau de la come anterieure de la moelle epiniere et des neurones moteurs du bulbe [54]. Souvent, la maladie est sans incidence sur la duree de vie des patients. Elle se traduit par une faiblesse musculaire, une dysarthrie, des fasciculations et une dysphagie, et peut s’accompagner dune perte partielle des caracteres sexuels secondaires. Les femmes heterozygotes sont generalement non symptomati- ques.

2. Dorm&es mokulaires sur les maladies par expansion de polyglutamine

2.1. Identification des g&es impliqu6s dans ces maladies

Le premier gene implique dans une maladie par expansion de polyglutamine a et@ localise en 1986 par analyse de liaison genetique dans la maladie de Kennedy (SBMA) : il s’agit d’un gene situe sur le chromosome X 1161. Les trou- bles endocriniens observes chez les patients atteints de SBMA ont conduit a rechercher des anomalies du gene du recepteur aux androgenes (AR), localise dans la region candidate en Xql 1 -ql2, et ont permis de reveler, en 1991, I’existence d’une expansion de trinucleotides CAG dans le premier exon du gene [37].

Le gene IT1 5 (important transcript 75) implique dans la MH (en 1993), ainsi que les genes B37 (en 1994), SCAl (en 1993) et SCA3/MJD (en 1994) respec- tivement impliques dans la DRPLA et dans deux formes d’ADCA, ont aussi ete identifies par clonage positionnel. Une expansion instable de trinucleotides CAG a ete mise en evidence dans la region codante de chacun de ces genes 171, ce qui a permis d’expliquer I’anticipation observee dans les familles de malades. De nouvelles strategies d’identification de genes contenant des expansions de CAG ont ete developpees, et ont par la suite assure le sucds du clonage des genes SCA2 (en 1996), SCA6 et 7 (en 1997) [7]. A ce jour, onze loci ont ette localises pour les ADCA, et sept genes ont ete isoles et leurs mutations carac- t&i&es (tableau 7). Cependant, les onze loci deja connus ne rendent pas compte de I’ensemble des ADCA, indiquant qu’il reste done d’autres loci a identifier.

2.2. Caracthistiques clinico-g&&iques

Les affections causees par I’expansion de trinucleotides CAG debutent le plus souvent a I’age adulte. Les mutations responsables partagent des proprietes permettant de suspecter un mecanisme physiopathologique commun : a) I’apparition des troubles au-dela de trente a quarante repetitions CAG (a

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52 Les maladies neurod&$&mtives

I’exception de la SCAG), b) I’existence d’une forte correlation inverse entre le nombre de repetiiions CAG sur I’allele mute et Ilge de debut de la maladie, et c) I’instabilite de la mutation lors des transmissions (a l’exception de la SCA6).

Alors que les alleles normaux sont transmis sans modification a la des- cendance, les alleles avec expansion sont instables (a I’exception de la SCAG) et sont transmis avec une tendance a I’augmentation du nombre de repeti- tions au tours des generations. Cette instabilite rend compte du phenomene d’anticipation observe dans les familles (a I’exception de la SBMA). Pour la plu- part des genes concern&, I’instabilite est plus marquee lors des transmissions paternelles que maternelles. Certaines transmissions paternelles aux loci MH, SCAI ou SCA7 sont associees a de grandes augmentations de la taille de I’expansion, et rendent compte de la plupart des cas juveniles [lo, 151. La variabilite des tailles d’expansion observees lors des transmissions paternel- les est le reflet d’un mosaicisme gonadique, lequel est visualise par analyse directe de I’ADN extrait de spemre de patients 110, 47, 691. Le grand nombre de divisions cellulaires necessaires a la production de spermatozoTdes matu- res pourrait expliquer le mosaicisme marque observe dans le sperme des patients. Le degre de mosaicisme gonadique est correle avec I’instabilite observee lors des transmissions. Cette instabilite des longues repetitions CAG pourrait resulter d’un glissement de I’ADN polymerase et/au a la formation de structures secondaires en epingle a cheveux lors de la replication [17, 711. Les repetitions de petite taille qui ne peuvent former de telles structures, sont de ce fait beaucoup plus stables.

2.3. Fonction des proteines h polyglutamine

Parmi les differents genes identifies a ce jour, seuls les genes qui cadent pour le recepteur aux androgenes et le gene CACNAl A, respectivement associes a IaSBMA et a la SCAG, ont une fonction connue. Le recepteur aux androgenes est un facteur de transcription exprime dans les tissus cibles des androgenes, ainsi que dans les motoneurones de la moelle et les noyaux des nerfs era- niens, structures qui degenerent au tours de la SBMA [54]. Le gene CACNAl A code pour la sous-unite czlA d’un canal calcique voltage-dependant de type P/ Q [7]. A I’exception de la repetition de polyglutamine et parfois de regions riches en prolines, les huit proteines impliquees dans ces maladies ne presentent pas d’homologies (tableau 2). Cependant, les repetitions de trinucleotides CAC sont localisees dans des regions genomiques particulierement riches en puri- nes. La region polyglutamine est retrouvee dans de nombreux facteurs de transcription, et ces domaines sont suffisants, a eux seuls, pour activer la transcription in vitro ]18]. Les seules donnees fonctionnelles connues concer- nent la huntingtine, proteine potentiellement impliquee dans le transport vesiculaire et la constitution du cytosquelette ]I 21, et les ataxines 1 et 7 qui sont probablement des constituants de la matrice intranucleaire [34, 651.

2.4. Modgles animaux

II n’existe pas de modele nature1 de ces maladies. La creation de souris trans- geniques mimant la pathologie humaine a beaucoup contribue a envisager

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Maladies par expansion de polyglutamine

les mecanismes qui m&rent a la mort neuronale observee dans ces affec- tions. Des modeles murins pour la MH, la SCAI , la SCAZ, la SCA3/MJD, et la DRPLA [2, 38, 591 ont ete obtenus par transgenese sous controle de divers promoteurs, de formes mutees completes ou tronquees des proteines corres- pondantes. Les souris presentent des phenotypes neurologiques et neuropa- thologiques qui rappellent certains aspects de ces maladies. Cependant, les premiers modeles murins de SBMA porteurs de petites expansions 1441 n’ont montre ni les signes d’atieinte neurologique ni la degenerescence neuronale habituellement observee avec de plus grandes expansions.

Une strategic par recombinaison homologue (knock-in) a aussi ette utilisee afin de maitriser la fenetre d’expression spatio-temporelle et le site d’integra- tion de la proteine avec expansion de glutamine. Des expansions (50 a 109 CAG) ont ete introduites dans les genes IT1 5 (MH) [38] et SCAl [2], mais les souris ne presentent pas de phenotype clinique ou neuropathologique.

Un autre modele murin de maladie a polyglutamine a ete construit par introduction par recombinaison homologue de cent quarante-six repetitions CAG dans le gene codant pour I’hypoxanthine phosphoribosyl transferase (HPRT) [38]. L’introduction de la longue polyglutamine chez ces souris a con- duit b I’apparition d’un phenotype neurologique d’aggravation progressive, sans evidence de neurodegenerescence. Le gene codant pour I’HPRT n’etant associe a aucune affection degenerative chez la souris, c’est done bien I’intro- duction de la polyglutamine qui a confer@ le gain de fonction toxique, et dans ce cas p&is, independamment du contexte proteique.

Enfin, des modeles ont Pte realises chez la drosophile pour la MH [31] et la SCA3 [68] qui ont produit un phenotype pathologique, avec une mort cel- lulaire tardive dans certains des organes cibles pour I’expression du trans- gene.

3. Les approches physiopathologiques

L’atteinte neuronale exclusive observee dans les maladies a polyglutamine laisse supposer une susceptibilite particuliere de ces cellules a la toxicite induite par les expansions de polyglutamine. Ces cellules (neurones et photo- recepteurs de la retine dans la SCA7) sont post-mitotiques et tres specialisees, done peut-etre plus vulnerables. Cependant, tous les neurones ne sont pas atteints au tours de ces maladies, et il existe une relative specificite des lesions en fonction du gene implique. Une piste interessante a ete trouvee avec la mise en evidence d’inclusions intranucleaires dans le cerveau des patients au tours de la plupart de ces pathologies (fubleau2) 136, 481. Ces inclusions contiennent la proteine pathologique et pourraient resulter dune anomalie de conformation des proteines. Un mecanisme similaire a ete pro- pose dans d’autres maladies neurodegeneratives associees a des depots de proteines anormales telles que la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkin- son, les demences fronto-temporales ou les maladies a prions [I, 25, 521.

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54 Les maladies neurod6&xkftives

3.1. Les expansions de polyglutamine causent un gain de fonction toxique

Les mecanismes par lesquels les expansions de polyglutamine induisent la mort neuronale selective dans ces affections sont encore mal connus. II sem- ble toutefois qu’il s’agisse d’un gain de fonction, c’est-a-dire de I’acquisition par la proteine mutee d’une fonction nouvelle. En effet, les proteines patho- logiques impliquees sont exprimees dans les structures qui degenerent et il existe au-dela du seuil pathologique une correlation negative entre le nom- bre de glutamines et I’age de debut et/au la s&kite de la maladie.

Plusieurs arguments vont a I’encontre de I’hypothese dune perte de fonc- tion et sont compatibles avec celle d’un gain de fonction. - Un patient qui presente une diminution de 50 % de I’expression de la hun- tingtine par deletion d’un des alleles du gene IT1 5 ne presente pas le pheno- type MH [3]. - Les patients homozygotes pour la mutation de type expansion d’une poly- glutamine dans le gene IT1 5 (MH) n’ont pas un phenotype plus severe que les patients heterozygotes avec des nombres de repetitions comparables [I 41. Cependant, un phenotype plus severe a ette rapporte pour des patients homo- zygotes pour d’autres maladies a polyglutamine [58]. - Les patients atteints d’un syndrome du testicule feminisant presentent une perte totale de la fonction du recepteur aux androgenes (AR) mais pas de phC notype neurologique. Chez les patients atteints de SBMA, une perte partielle de la fonction du gene codant pour I’AR explique la resistance mod&e aux androgenes, mais ne rend pas compte de la perte neuronale selective des motoneurones observee dans cette affection 1541. - Les souris homozygotes pour I’inactivation (knock out) de I’homologue murin du gene IT1 5 (MH) presentent une mart embryonnaire precoce, phe- notype radicalement different de la MH. Ce phenotype disparait lors du croi- sement de souris heterozygotes pour I’inactivation du gene murin IT1 5 et de souris transgeniques porteuses d’un YAC (chromosome artificiel de levure) contenant le gene IT1 5 humain : les souris portant uniquement du gene IT1 5 humain apporte par le YAC sont viables 1261. Ce resultat demontre que la pro- teine mutee peut restaurer la fonction normale de la proteine.

Le gain de fonction interviendrait au niveau proteique, la toxicite de la proteine mutee augmentant done avec la longueur de la polyglutamine. Cette toxicite a ete observee in vitro, et les modeles cellulaires mammiferes ont cor- robore ces resultats.

3.2. Formation des c&gab

3.2.1. Phence d’agr6gats in vivo et in vitro In vivo, a la suite d’une conformation anormale de la proteine mutee, des agregats insolubles sous forme d’inclusions intranucleaires neuronales dans les cerveaux de patients sont observees dans la plupart des maladies a poly- glutamine [36, 481 (a I’exception de la SCA6 pour laquelle la proteine mutee est detectee dans des agregats perinucleaires [30]), ainsi que dans de nom-

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Maladies par expmsion de plyglutamine 55

breux modeles transgeniques 1381 (tableuu2). Ces inclusions, contenant la proteine mutee, sont d&e&es par I’anticorps 1C2 qui reconnait de facon specifique ies expansions de polyglutamine (671 et, generalement, par ies anticorps diriges contre l’ubiquitine 127,401. Ces inclusions se presentent sous la forme de structures arrondies d’environ 1 a 2 urn de diametre, clairement distinctes du nucleole et, dans le cas de la SCAl, differentes des structures dans lesquelles I’ataxinel est normalement locaiisee [65]. DiFiglia et al. [13] ont egalement rapporte la presence de granules, de filaments paralleles et de fibrilles orientees au hasard dans des inclusions intranucleaires observees chez un patient atteint de MH. Des agregats en dehors du noyau ont aussi ete observes dans cette maiadie (neurites dystrophiques, agregats dans le neuro- pile).

Certaines des lignees murines atteintes de MH, generees par Mangiarini et al. [38], presentent des inclusions intranucleaires qui apparaissent precoce- ment, bien avant l’expression du phenotype et la degenerescence neuronale et qui sont observees dans des tissus neuronaux et non-neuronaux [57]. Des inclusions intranucieaires ont aussi ete observees dans le * modele murin HPRT * de Ordway et al. [38] et dans les * modeies drosophile *. Enfin, la for- mation d’agregats a pu etre reproduite in vitro dans des modeies celiulaires de ces maladies, agregats insolubles saris doute derives de proteines mal con- formees [41,48]. La seuie presence d’une repetition polygiutamine de grande tailie semble suffisante pour induire I’apparition d’inclusions independam- ment du contexte proteique. Le contexte genetique pourrait quanta lui jouer un role dans la specificite tissulaire ou dans la s&&rite de I’atteinte pour cha- curie des maladies.

Deux hypotheses principales pourraient rendre compte de I’existence d’inclusions intranucleaires qui contiennent la proteine pathologique chez les patients : soit une modification de conformation de la proteine, soit I’action d’une transglutaminase neuronale.

3.2.2. L’agrhation rbulte d’un changement de conformation de la prot&ne pathologique 3.2.2.1. Hyp3h&e de Perutz

Perutz et al. [51] proposent que les proteines avec expansion de poiygluta- mine adoptent une conformation aiteree. Les longues sequences de polyglu- tamine pourraient former des feuiliets p capables d’interagir de facon non covalente avec des proteines, homoiogues ou non, contenant une polygluta- mine, et ainsi perturber le fonctionnement cellulaire. Une modelisation a con- duit a proposer que deux chaines antiparaileles de glutamines pourraient se iier en formant des liaisons hydrogenes (formation de polurzipper). La struc- ture serait d’autant plus stable que le nombre de repetitions de glutamine serait important. D’autres proteines susceptibles de former des feuillets /3, tel- les que les proteines PA4 et PrPsc, ont ete d&rites comme &ant impiiquees respectivement dans la maladie d’Alzheimer et dans une forme atypique de la maladie de Creutzfeld-Jacob, et toutes ies deux forment des agregats resis- tants aux proteases 1531. Par analogie, il est possible de supposer que ies expansions de polyglutamine forment des feuillets p insolubles qui s’agre- gent pour former les inclusions intranucleaires.

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56 Les maladies ne~d6&hd.ives

De facon complementaire, Scherzinger et al. ont etudie in vitro le com- portement de fragments de la huntingtine recombinante, et ont montre qu’au-dela d’un seuil de cinquante et une repetitions, i’agregation de la poly- glutamine croit en fonction de la concentration et de la longueur de la rep& tition de glutamines, et conduit a la formation de fibrilles insolubles de type amyloi’de [61]. Cependant, les inclusions generees dans ce modele in vitro sont marquees par les colorants de la proteine amyloi’de, ce qui n’est pas le cas des inclusions observees chez les patients atteints de MH.

3.2.2.2, Prothes ti expansion de polyglutamine : conformation alt6rfSe reconnue pea Yanticorps 1 C2

Dans toutes les maladies associees a I’expansion de polyglutamine, il existe un certain nombre de repetitions dans I’allele mute au-dela duquel la patho- logie apparait. Ce seuil se situe entre trente et quarante repetitions, a I’excep tion de la SCA6 (vingt repetitions) (fableuu2). L’hypothese d’un changement de conformation de la proteine a partir de ce seuil de repetitions de glutami- nes a ete suggeree. Ce changement de conformation a pu etre mis en evi- dence avec I’anticorps monoclonal 1 C2 qui reconnait de facon specifique les expansions de polyglutamine (> 38 glutamines environ) 1671. De meme, des produits insolubles de tres haut poids moleculaire ont pu etre mis en evidence par wesfern blot lors de I’analyse de proteines mutees [29, 491.

II a ete demontre dans des modeles cellulaires que les acides amines flan- quants la polyglutamine influencent la capacite de la proteine a former des agregats. Ainsi, in vitro, pour un meme nombre de glutamines, I’ataxine 2 et la huntingtine forment plus rapidement des agregats que I’atrophine 1 et I’ataxine 3 121. Cela pourrait expliquer pourquoi le nombre minimum de glu- tamines necessaires pour rendre la proteine pathologique differe d’une mala- die a I’autre.

3.2.3. Hypoth&se de l’action des txmsglutaminases neuronales II a ete initialement suggere par Green [ZO] que les repetitions de glutamines pourraient etre la cible de transglutaminases specifiques de certaines popula- tions neuronales. La reaction de transglutamination pourrait aboutir a la for- mation de liaisons covalentes avec d’autres proteines par I’intermediaire de liaisons isopeptidiques yglutamyl-lysine. Les complexes insolubles ainsi trees pourraient precipiter et etre a I’origine de lesions cellulaires dans les neuro- nes. L’absence de renouvellement des neurones et une moindre degradation proteolytique des complexes dans ces cellules pourraient expliquer I’atteinte neuronale [33]. Des peptides synthetiques de type polyglutamine, substrats des transglutaminases, sont de bons accepteurs d’amines et conduisent a la formation de complexes insolubles in vitro [33]. Des resultats similaires ont ete obtenus in vitro avec la huntingtine, I’atrophine 1 et le recepteur aux androgenes mutes [32]. Cette hypothese, qui implique des transglutaminases neuronales a ete recemment etayee par une etude montrant que des inhibi- teurs des transglutaminases ralentissent significativement la mort cellulaire et I’agregation dans un modele cellulaire de DRPLA [28].

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Maladies par expansion de plyglutcbne 57

3.3. Implication de l’agkgation dans la pathogen&se de la maladie

La mauvaise conformation de la polyglutamine pourrait etre responsable du gain de fonction toxique. Cependant, de nouvelles donnees indiquent qu’il existe une dissociation entre la presence d’inclusions intranucleaires et la mort neuronale. Ainsi, dans la MH, certains neurones du striatum, normale- ment tres atteints dans cette affection, sont peu frequemment porteurs d’inclusions intranucleaires [22]. De meme, la lignee de souris transgeniques de Mangiarini et al. exprimant la huntingtine mutee tronquee presente de nombreuses inclusions intranucleaires avec tres peu de neurodegeneres- cence, alors que la lignee de Reddy et al., exprimant la proteine huntingtine entiere, subit une degenerescence severe du striatum avec peu d’inclusions [38]. Le modele de souris transgeniques SCAl de Klement et al. montre que les agregats intranucleaires ne sont pas necessaires a I’initiation de la patho- gen&e 1381. De plus, les inclusions observees dans des tissus non-neuronaux de modeles murins [57] confirment que l’agregation peut survenir en l’absence de facteurs specifiques du cerveau, et que les inclusions ne sont pas suffisantes pour induire la mort cellulaire. Enfin, un modele in vitro de la MH a permis de mettre en evidence une absence de correlation entre la mart neu- ronale et la formation des inclusions [60]. Ces resultats suggerent que les inclusions intranucleaires pourraient jouer un role different voire protecteur dans le processus physiopathologique [63].

La progression lente de la maladie et I’etude des modeles transgeniques [38] suggerent que I’atteinte cellulaire se fait en plusieurs etapes avec une periode precoce et prolongee de dysfonctionnement neuronal suivie d’une mart neuronale tardive. Les inclusions intranucleaires pourraient done jouer un role tardif dans la pathogen&e et compromettre, a terme, la survie de la cellule.

3.4. Importance de la localisation nuclbaire

La localisation nucleaire des proteines a polyglutamines a clairement ete impliquee dans la pathogen&e. En effet, dans le modele murin de SCAl de Klement et al. presentant un signal de localisation nucleaire inactive, la pro- teine pathologique est localisee dans le cytoplasme, entrainant une absence de degenerescence neuronale [SS]. De meme, la transfection de la hunting- tine mutee dans des neurones en culture primaire n’induit I’entree en cycle apoptotique que si la huntingtine est localisee dans le noyau [60], ce qui sug- g&e que le noyau constitue probablement un site primaire de la pathogen&e des affections par expansion de polyglutamine.

L’environnement nucleaire pourrait favoriser l’agregation 138, 501 peut- etre parce que le noyau est moins efficace que le cytoplasme a degrader, res- taurer la conformation ou desagreger les proteines mal conformees. De plus, la compartimentation du noyau pourrait concentrer la proteine mutee dans des sous-domaines qui favorisent I’agregation. Le noyau pourrait done a la fois etre le site de toxicite et de promotion de I’agregation du fait de sa struc- ture. Enfin, il suffirait que le processus d’agregation soit initie pour qu’il se

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58 Les maladies neurod&&Gralives

grZn&alise, phenomene qui n’est pas sans rappeler les modifications confor- mationnelles de la proSine PrP dans les maladies a prions [53].

Par ailleurs, les inclusions intranucleaires pourralent compromettre la fonction cellulaire en sequestrant des proteines indispensables au fonction- nement des neurones @gore 7) tels que des facteurs de transcription, notam- ment des proteines contenant des polyglutamines telle que la TBP (TATA-bin- ding protein) [SO], la CBP (CREB-binding protein) 12, 351 mais aussi les formes normales des proteines impliquees dans les maladies a polyglutamine. D’autres fonctions nucleaires, telles que I’epissage des ARNm ou I’export des proteines et des ARN vers le cytoplasme, pourraient etre perturbees. L’hypo- these d’alt&ation de la maturation des ARNm est interessante car elle a ega- lement Pt6 proposee comme mckanisme implique dans des maladies du motoneurone 1481 et parce que deux proteines impliquees dans ces maladies (I’ataxine 2 et I’atrophine 1) contiennent des motifs trouves dans les proteines impliquees dans I’epissage des ARNm 1481.

Enfin, une invagination de la membrane nucleaire, ainsi qu’une desorga- nisation de la matrice nucleaire, avec une redistribution de la proteine PML (promyelocytic/eukemiaprofein) est observee lors de I’expression de I’ataxine 1

+ CASPASES 4

lnleraction awe le complexe NcoBhSii3A/HDAC \

.-__-._...- . . .._ ..~

I .

Pmthe muthe --t+ Voie Ubigui~e/PmtAwome .------+ mal confomCe

Altintion de I ‘expression de

nombmux g&es

chapemns (HSP40/70/90)

polyyglutamine (TBP CBP, . . )

I Figure 1. Hypoth%s concernant les mbmismes physiopatholcgiques impliq-&s dans les maladies h polyglutamjnes. + : activation ; HSP : hea? shock protein ; NII : neuronal infranucleao inclusions ; Ub : ubiquitination ; TBP : TATA-binding protein ; CBP : CRE&binding protein.

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Maladies par expmsion de polyglutamhe

mutee dans un modele ceilulaire de la SCAl 1651. Ce resultat confirme que I’expression des proteines mutees dans le noyau a de multiples consequen- ces qui pourraient concourir a la mort neuronale.

3.5. Implication de prot6ases dans les maladies h polyglutamine

3.5.1. R6le de la protholyse

De nombreux arguments demontrent in vitro et in vivo I’existence d’une pro- teolyse des proteines a polyglutamines. Une petite proteine, I’ataxine 3, entre passivement dans le noyau, mais I’entree dans le noyau de grosses proteines telles que la huntingtine necessite un transfert actif par les pores nucleaires. Cependant, des resultats recents permettent de penser qu’il s’agirait d’un frag- ment de la huntingtine, et non la proteine entiere, qui entre dans le noyau 19, 421. De meme, les resuitats d’etudes immunohistochimiques sur coupes de cerveaux de patients indiquent, dans au moins trois maladies, que des frag- ments clives, et non ies proteines mutees entieres, sont contenus dans les inclusions intranucleaires [I 11. Des fragments de clivage contenant I’expan- sion ont aussi ete observes dans des modeles cellulaires [I 9, 451.

La cinetique de formation des agregats et la vulnerabiiite des cellules en culture a la mort celluiaire sont augmentees iorsque I’on utilise des formes tronquees de proteines contenant la polygiutamine [42,49]. Ces formes tron- quees contenant la polyglutamine seraient plus toxiques que ies proteines entieres car plus aptes a s’agreger et causer la mort cellulaire. Ceia suggere que la proteolyse pourrait acceierer ie processus de la maladie. Les caspases reprbentent des proteines candidates Mdentes pour intervenir dans le cli- vage des proteines mutees yigure 7).

3.5.2. R6le des caspuses Certaines proteines avec polyglutamine possedent des motifs de reconnais- sance par les caspases, proteines impiiquees dans le processus apoptotique, et notamment la caspase 3 [19,46,56,70]. Les resultats sont controverses en ce qui conceme l’influence de la longueur de la polyglutamine sur i’efficacite de clivage in vitro par les caspases 119, 701. II a ete montre par la methode TUNEL [28, 391 et par test colorimetrique de viabilite au MlT (3-(4,5-dimethyl- thiazoi-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) [23, 421 que l’apoptose obser- vee dans des modeles in vitro pourrait resulter d’un clivage proteolytique fai- sant intervenir les caspases, lesquelles jouent par ailleurs un role determinant dans la degradation et la proteolyse de constituants intracellulaires et dans i’apoptose neuronale.

Ona et al. 1381 ont demontre dans un modele animal de MH que I’absence de caspase 1 favorise la survie des neurones, ralentit la formation des inclusions et I’apparition des symptomes de la maladie. Par ailleurs, cer- tains inhibiteurs de caspases peuvent proteger de la mort celluiaire des CellU- ies transfectees avec des proteines a poiyglutamine [60]. De meme, des neu- rones en culture primaire exprimant une expansion de polyglutamine n’entrent pas en phase de mort cellulaire iorsque i’on inhibe la caspase 8 (551.

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60 Les maladies neurodWn&rtives

Enfin, la co-expression d’une proteine a polyglutamine et de proteines antia- poptotiques telles que Bcl-XL dans des neurones en culture primaire permet de bloquer la mort neuronale [55, 601.

Le debut souvent tardif, la progression lente de ces maladies, et les resul- tats observes dans les mod&es transgeniques suggerent que I’atteinte neuro- nale se fait en plusieurs &apes. Ces maladies ne seraient pas liees seulement a un declenchement anormal des programmes de mort cellulaire par apop- tose. II s’agirait plutot d’un dysfonctionnement precoce et prolonge de cer- tains neurones, qui seraient plus tardivement elimines par apoptose. Les modeles de maladie a polyglutamine chez la drosophile (31, 681 recapitulent les differents stigmates cellulaires de ces pathologies et notamment la forma- tion des inclusions et la degenerescence cellulaire tardive. Dans ces modeles, des genes modificateurs ont pu etre identifies, genes permettant parfois de restaurer partiellement un phenotype normal [68].

3.6. Implication de protgines chaperons

La cellule normale contient des proteines chaperons qui participent a la bonne conformation, a I’elimination et/au la desagregation des proteines dans des conditions normales et de stress. L’expression de la proteine avec polyglutamine pourrait induire un stress cellulaire. Dans les tissus atteints et les cellules transfectees, des proteines chaperons sont redistribuees dans les agregats, notamment les proteines HSP (heat-shockprotein) [48]. Dans certains modeles cellulaires, les agregats s’accompagnent aussi d’une surexpression de la proteine HSP70 IS]. Cette surexpression n’a pas ete observee dans les etudes sur cerveaux humains post mortem [48]. La redistribution des protei- nes chaperons constituerait une reponse cellulaire a la presence des protei- nes mal structurees et agregees. II est possible que cette redistribution dans les agregats epuise la cellule en proteines chaperons, celles-ci ne pouvant alors plus assurer leur fonction normale @gure 7). Ainsi, la surexpression de la proteine HDJ-Z/HSDJ (de la famille des HSP40) peut reduire a la fois I’agrega- tion des proteines a polyglutamine et la mot-t cellulaire [48]. La surexpression des proteines chaperons pourrait permettre de moduler I’agregation et de conclure si cette agregation est protectrice ou deletere pour la cellule.

3.7. Implication de la voie ubiquitine-pro&some

Le proteasome est responsable de la degradation ubiquitine-dependante de nombreuses proteines, incluant les proteines mal conformees IS]. L’ubiquiti- nation est une &ape nomale du processus proteolytique avant le ciblage vers le proteasome. Ce complexe est present dans les neurones et a recem- ment ette implique dans l’apoptose 1211. Plusieurs etudes ont montre que les proteines avec polyglutamine sont reconnues par la voie ubiquitine-protea- some, et qu’il existe une redistribution de composants majeurs du protea- some (sous-unites 19S, 205) dans les inclusions intranucleaires chez des patients et des souris transgeniques 14, 38, 48, 661 (figure 7). Le proteasome constitue une defense de la cellule qui reconnait et Plimine les proteines mal conformees. L’hypothese qui fait intervenir le proteasome est confortee par

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Maladies par expansion de polyglutamhe 61

des etudes montrant que des inhibiteurs du proteasome favorisent I’agrega- tion de proteines avec polyglutamine, probablement en augmentant leur concentration intracellulaire [8]. La redistribution des sous-unites du protea- some pourrait aussi appauvrir les neurones en proteasome fonctionnel, ce qui conduirait a une augmentation des proteines mal conformees non elimi- nees.

3.8. Interaction avec le complexe NCoR/mSin3A/HDAC

Recemment, il a ete montre que la huntingtine et I’atrophine 1 interagissent avec des protkines du complexe N-CoWmSin3A/HDAC [2, 61. Ce complexe contient les proteines N-CoR (co-represseur de recepteurs nucleaires), mSin3A et HDAC (histones desacetylases). Ce complexe proteique peut, par recrute- ment d’une HDAC sur la region promotrice d’un gene, conduire a la repres- sion de la transcription de ce gene. II exlste une augmentation de l’interaction entre la proteine N-CoR et la huntingtine lorsque celle-ci est mutee. Des etu- des immunohistochimiques sur coupes de cerveaux humains en post-mortem ont montre : a) une modification de la localisation subcellulaire de NcoR chez les patients atteints de MH IS], b) la sequestration des proteines mSin3 et HDACl/Z dans les inclusions intranucleaires presentes chez les patients atteints de MH ou de DRPLA 12, 61 (f7gure 7). L’expansion de glutamines pour- rait done perturber I’activite normale du complexe N-CoR/mSin3A/HDAC. II reste a verifier si la modification de ce complexe peut etre observee dans les autres maladies par expansion de polyglutamine, avant de conclure qu’il s’agit d’un maillon du processus physiopathologique commun a toutes ces maladies.

3.9. Althtion de l’expression de nombreux g&es

Deux etudes realisees a I’aide de la technique de dflerential disp/uy dans des modeles cellulaires de MH ont permis de mettre en evidence une alteration de I’expression de nombreux genes lorsque la huntingtlne est mutee [2] dont il est encore difficile de dire si les modifications concourent a la mort cellu- laire.

3.10. Progression de la maladie et vulnhbilit~ shctive : relation cwec la conformation anormale de la proteine

Le debut tardif de la maladie et I’atteinte selective de certains types de neu- rones sont des caracteristiques des maladies b polyglutamine. La maladie debute en effet le plus souvent a I’age adulte, alors que la proteine mutee s’exprime pendant toute la vie. Ce delai suggere qu’il existe une accumulation de produits toxiques, probablement des agrkgats, ou une atteinte cumulative

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62 Les maladies neurocGg6n6ratives

des processus cellulaires (fonctionnement des mitochondries, transport axo- nal des proteines, organisation de la matrice nucleaire, etc.).

La selectivite des lesions peut s’expliquer selon differentes hypotheses. En effet, malgre une expression ubiqultaire des proteines avec polyglutamine, seules certaines populations de cellules degenerent [62j. Le niveau d’expres- sion du transcrit ou de la proteine pathologique dans les neurones variant certainement d’une structure a I’autre, pourrait contribuer a la difference de concentration cellulaire des monomeres mal conform& entre les differentes structures. Les modifications post-traductionnelles peuvent expliquer la selec- tivite de I’atteinte, notamment le clivage de la proteine mutee par les protea- ses specifiques, I’alteration du transport nucleaire ou le cross-linking par des transglutaminases. Enfin, la nature des proteines partenaires specifiques pourraient contribuer a I’atteinte selective. En effet, un changement de con- formation de la proteine pathologique est compatible avec I’hypothese d’une interaction specifique de la proteine mutee avec des proteines dont la topo- graphie d’expression pourrait correspondre aux structures qui degenerent. Ainsi, la technique de chromatographie d’atfinite et la methode du double hybride ont deja permis d’identifier des partenaires pour certaines proteines avec polyglutamine. La proteine SH3GL3, partenaire de la huntingtine, a une interaction plus forte avec la proteine mutee qu’avec la proteine normale [64j. La proteine LANP (leucin-rich acidic nuclear protein), partenaire de I’ataxine 1, pourrait etre responsable de la vulnerabilite particuliere des neurones dans la SCAl 1431. Son expression est preponderante dans les cellules de Purkinje, preferentiellement atteintes dans la SCAl . Le profil d’expression spatio-tem- pore1 de LANP en fait un bon candidat pour expliquer la specificite d’atteinte des cellules lesees dans la SCAI.

4. Conclusion

L’observation d’inclusions intranucleaires ou de materiel agrege dans les neu- rones au sein des structures affectees renforce I’hypothese de mecanismes physiopathologiques communs a toutes ces affections. II reste a demontrer I’importance des inclusions intranucleaires, du clivage par des caspases, ainsi que l’implication du complexe NcoR/mSin3A/HDAC ou de partenaires protei- ques des formes mutees dans le processus physiopathologique et la mort cel- lulaire selective. Compte tenu du nombre d’hypotheses avandes (figure 7) et des genes potentiellement impliques, la t&he parait ardue mais il faut espe- rer que la profusion recente de modeles transgeniques de maladies a poly- glutamine contribuera a I’elucidation des etapes physiopathologiques et eventuellement permettre d’identifier de nouveaux genes modificateurs. La comprehension des mecanismes a I’origine de la mort cellulaire pourra alors offrir de nouvelles cibles dans une perspective therapeutique. Par exemple, la surexpression de molecules chaperones et I’utilisation d’inhibiteurs des cas- pases ou de facteurs anti-apoptotiques pourraient etre test& pour ralentir la progression de la maladie. Prevenir ou freiner la progression de ces affections d’evolution fatale reste done I’objectif a atteindre.

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Maladies par expcrnsion de plyglutamine

Remerciements : Nous remercions les DB C. Stevanin et L. Jamot pour la lec- ture critique de ce chapitre. Nos travaux sont finances par I’lnstitut national de la Sante et de la recherche medicale, la fondation Verum et I’Association pour le developpement de la recherche sur les maladies genCtiques neurolo- glques et psychiatriques.

R6fhences

t 11 Alves-Rcdrigues A., Gregori L., FigueiredoPereira M.E., Ubiquitin, cellular inclusions and their role in neurodegeneration, Trends Neumsci. 21 (1998) 516-520.

[2l ASHG. 49th Annual Meeting. 19-23 octobre 1999, Am. J. Hum. Genet. 65 (Suppl.) (1999).

[31 Ambrose C.M., Duyao M.P., Barnes G.. Bates G.P., Lin C.S., Srinidhi J., BaxendaIe S.. Hummerich H.. Lehrach H., Altherr M., Structure and expression of the Huntington’s disease gene: evidence against simple inactivation due to an expanded CAG repeat, Somatic, Cell & Molecular Genetics 20 (1994) 27-38.

[41 Bailey C.K., McCampbell A., Madura K., Meny D.E., Biochemical analysis of high mole cular weight protein aggregates containing exIxmded polyglutamine repeat andro gen receptor, Am. J. Hum. Genet. 63 (Suppl.) (1998) A8.

[51 Baumeister W.. Wals J., Zuhl F.. Seemuller E.. The proteasome: paradigm of a self-corn- partmentaIizing protease, Ceil 92 (1998) 367-380.

[61 BoutelI J.M., Thomas P., Neal J.W., Weston V.J., Duce J., Hcnper P.S., Jones A.L., Aber- rant interactions of transcriptional repressor proteins with the Huntington’s disease gene product, huntjngtin, Hum. Mol. Genet. 8 (1999) 1647-1655.

[71 Brice A.. Unstable mutations and neurodegenerative disorders, J. Neurol. 245 (1998) 505-510.

t81 Chai Y.. Koppenhafer S.L., Shoesmith S.J.. Peres M.K., Paulson H.L., Evidence for pro tecrsome involvement in polyglutamine disease: localization to nuclear inclusions in SCAJ/MJD and suppression of polyglutamine aggregation in vitro, Hum, Mol. Genet. 8 (1999) 673-682.

[91 Cooper J.K., Schilling G.. Peters M.F., Herring W.J., Sharp A.H., Kominsky Z., Masone J.. Khc~l F.A., Delanoy M., Borchelt D.R., Dawson V.L., Dawson T.M.. Ross CA.. Truncated N-terminal fragments of hunting-tin with expanded glutamine repeats form nuclear and cytOplasmic aggregates in cell culture, Hum. Mol. Genet. 7 (1998) 783-790.

[lOI David G.. Dr?rr A.. Stevanin G., Cancel G., Ablxrs N., Benomar A., BelaI S., Lebre A.-S.. Abada-Bendib M., Grid D., Holmberg M.. Yahyaoui M., Hentati F., ChkiIi T., Agid Y.. Brice A.. Molecular and clinical correlations in autosomaI dominant cerebellar ataxia with prcgressive macular dystrophy (.%A?). Hum. Mol. Genet. 7 (1998) 165-170.

[ll] Davies SW., Turmaine M.. Cozens B.A., DiFiglia M., Sharp A.H., Rces CA.. Scherzinger E., Wanker E.E.. Mangiorini L., Bates G.P., Formation of neuronal intranuclear inclusions (NIU underlies the neurological dysfunction in mice tronsgenic for the I-ID mutation, CelI 90 (1997) 537-548.

[121 DiFiglia M., Sapp E.. Chase K., Schwarz C., MeIoni A., Young C., Martin E., Vonsattel J.P., Carraway R., Reeves S.A., Boyce F.M., Aronin N., Huntinglin is a cytoplasmic protein a%sociatedwithvesiclesinhumanandratbminneurons,Neuron14(1995) 1075-1081.

[13] DiFiglia M., Sapp E., Chase K.O., Davies SW., Bates G.P.. Vonsattel J.P., Aronin N., Aggregation of huntirrgim in neuronal intranuclear inclusions and dysirophic neurites in brain, Science 277 (1997) 1990-1993.

[141 Dun A., Hahn-Bar ma V., Brice A., Pecheux C., Dade C., Feingold J., Homozygceity in Huntington’s disease, J. Med. Genet. 36 (1999) 172-173.

[151 Duyao M.. Ambrose C., Myers R., Novelletto A., Persichetti F.. Frontali M., Folstein S.. Ross C.. Franz M., Abbott M., Gray J.. Conneally P.. Young A., Penney J., Holkngsworth Z., Shoulson I., Iazmrini A.. Falek A., Koroshetz W.. Sax D., Bird E., Vonsattel J., BoniBa E.,

63

Page 18: Maladies par expansion de polyglutamine Données moléculaires et physiopathologiques

64 Les maladies neurod&6n6ratives

Alvix J., Bickham Concle J.. Cha J.H., Dure L., Gomez F.. Ramos M., Sanchez-Romos J., Snodgrass S., de Young M.. Wexler N., Moskowitz C.. Penchaszadeh G., MacFarlane H.. Anderson M.. Jenkins B., Srinidhi J., Barnes G., Gusella J., MacDonald M.. Trinucleotide repeat length instability and age of onset in Huntington’s d&ease, Nature Genet. 4 (1993) 387392.

[Ml Fischbeck K.H., Ionasescu V.. Ritter A.W.. Ionasescu R.. Davies K., Ball S., Bosch P.. EUm.s T.. Hausmanowa-Pet I., Borkowska J.. Localization of the gene for X-linked spinal muscular atrophy, Neurology 36 (1986) 1595-1598.

[171 Gacy A.M., Gcellner G., Juranic N., Macura S., McMurraY CT., Trinucleotide repeats that expand in human disease form hairpin structures in vitro, Cell 81 (1995) 533540.

1181 Gerber H.P., Seipel K., Georgiev 0.. Hofferer M., Hug M., Rusconi S., Schaffner W., Trans- criptional activation modulated by homopolymeric glutamlne and proline stretches, Science 263 (1994) 808-8 11.

1191 Goldberg Y.P.. Nicholson D.W., Rasper D.M., Kalchman M.A., Koide H.B., Graham R.K., Bromm M.. Kcaemi-Esfarjani P.. Thornberry N.A., Vailkmcourt J.P., Hayden M.R.. Clea- vage of huntingtin by apopain. a proapoptotic cysteine protease. is modulated by the polyglutamine tract, Nature Genet. 13 (1996) 442-449.

1201 Green H.. Human genetic diseases due to codon reiteration: relationship to on evolutio nary mechanism, Cell 74 (1993) 955956.

1211 Grimm L.M., Osborne B.A.. Apoptosis and the proteasome, Results Probl. Cell Differ. 23 (1999) 209-228.

[221 Gutekunst CA., Li S.H., Yi H.. Mulroy J.S.. Kuemmerle S., Jones R., Rye D., Ferrante R.J., Hersch SM., Li X.J., Nuclear and neuropil aggregates in Huntington’s disease: rela- tionship to neuropathology. J. Neurosci. 19 (1999) 2522-2534.

[231 Hackam A.S., Singaraja R.. Zhang T., Gcol L.. Hayden MR. In vitro evidence for both the nucleus and cytoplasm as subcellular sites of pathcgenesis in Huntington’s disease, Hum. Mol. Genet. 8 (1999) 25-33.

I241 Hording A.E.. Clinical features and classification of inherited ataxias, Adv. Neural. 61 (1993) l-14.

1251 Hardy J.. Gwinn-Hardy K., Genetic classification of primary neurcdegeneratlve disease, Science 282 (1998) 1075-1079.

I261 Hcdgson J.G., Smith D.J.. McCutcheon K., Koide H.B., Nishlyama K.. Dinulos M.B.. Ste- vens M.E.. Bissada N.. Nasir J.. Kanazawa I., Disteche C.M.. Rubin E.M., Hayden M.R.. Humon hunfingtin derived from YAC tramgenes compensates for loss of murine hunting- tin by rescue of the embryonic lethal phenotype, Hum. Mol. Genet. 5 (1996) 1875-1885.

WI Holmberg M.. Dwckaerts C.. Dun A., Cancel G.. Gourfinkel-An I., Damier P.. Foucheux B., Trottier Y.. Hirsch EC., Agid Y., Brice A., Splnocerebellar otaxia type 7 (SCA7): a neuro degenerative disorder with neuronal intranuclear inclusions, Hum Mol. Genet. 7 (1998) 913-918.

1281 Igorahi S.. Koide R.. Shimohata T.. Yomada M., Hayashi Y.. Takono H.. Date H., Gyake M., Sat0 T.. Sate A.. Egawa S.. Ikeuchi T., Tanaka H., Nakono R., Tanaka K., Hozumi I., Inunrka T., Takahashi H., Tsuji S., Suppression of aggregate formation and apoptosis by irar@utaminase inhibitors in cells expressing truncated DRPLA protein with an expar- ded polyglutamine stretch. Nature Genet. 18 (1998) 11 l-l 17.

[291 l&da H.. Yamaguchi M.. Sugai S., Axe Y.. Narumlya S., Kakizuka A., Expanded poly- glutamine in the Machado-Joseph disease protein induces cell death in vitro and in vlvo. Nature Genet. 13 (1996) 196-202.

1301 khfkawa K.. FujigcLsaki H.. Saegusa H.. Ohwada K., Fujita T., Iwomoto H., Komatsumki Y.. Toru S., Toriyama H.. Watanabe M.. Ohkoshi N., Shoji S., Kancaawa I., Tanabe T., Mizu- sawa H.. Abundant expression and cytoplasmic aggregations of ralphallA voltage- dependent calcium channel protein associated with neurcdegenerahon in spinccere bdCn atccda We 6. Hum. Mol. Genet. 8 (1999) 1185-l 193.

[3I1 Jackson G.R.. Salecker I.. Dong X.. Yao X., Arnheim N., Faber P.W.. MacDonald M.E., ZipurskY S.L.. Polyglutcrmineexpanded human huntingfin tmnsgenes induce degene- ration of Drosophila photoreceptor neurons, Neuron 21 (1998) 633642.

Page 19: Maladies par expansion de polyglutamine Données moléculaires et physiopathologiques

Maladies par expansion de polyglutamine

[321 Kahlem P.. Green H., Djian P., Transglutaminase action imitates Huntington’s disease: selective polymerization of hunting-tin containing expanded polyglutamine, Mol. Cell 1 (1998) 595-501.

[331 Kahlem P., Terre C., Green H., Djian P., Peptides containing glutamine repeats CLS subs- trates for transglutominase-catalyxed cross-linking: relevance to d&eases of the nervous system, Prcc Natl. Acad. Sci. USA 93 (1996) 14580-14585.

[%I Kaytor M.D.. Duvick LA, Skinner P.J., Koob M.D., Ranum L.P., On H.T., Nuclear lccali- ration of the spinocerebelkxr ataxia type 7 protein, ataxin7. Hum. Mol. Genet. 8 (1999) 1657-1664.

[35] Karar&sev A., Preisinger E., Dranovsky A., Goldgaber D., Housmon D., Insoluble deter- gent-reSiStant aggregates form between paulolcgical ond nonpathological lengths of polyglutamine in mammalian cells, Proc. Natl Acad. Sci. USA 96 (1999) 11404-l 1409.

[361 Koyano S.. Uchihara T., Fujigasaki H., Nakamura A,, Yagishita S., Iwabuchi K., Neuro nal intronuclear inclusions in spinccerebellar atoxia type 2: triplelabeling immunofluo- rescent study, Neurosci. Lett. 273 (1999) 117-120.

1371 La Spada A.R.. Wilson E.M.. Lubahn D.B., Harding A.E., Fischbeck K.H., Andrcgen rmptOr gene mutations in X-linked spinal and bulbar muscular atrophy, Nature 352 (1991) 77-79.

[381 Lin X., Cummings C.J., Zcghbi H.Y., Expanding our understanding of polyglutamine diwases through mouse models, Neuron 24 ( 1999) 499-502,

[391 Liu Y.F.. Expression of polyglutamineexIxrnded hunting%n aclivates the SEKl-JNK pathway and induces apoptosis in a hippocam@ neuronal cell line, J. Biol. Chem. 273 (1998) 28873-28877.

1401 Lunkes A.. Mandel J.-L.. Polyglutamines, nuclear inclusions and neurcdegeneration. Nature Med. 3 (1997) 1201-1202.

[411 Lunkes A., Mondel J.L., A cellular model that recapitulates major pathcgenic steps of Huntington’s disease, Hum Mol. Genet. 7 (1998) 1355-1361.

[421 Martindale D., Hackam A., Wieaorek A., Ellerby L., Wellington C., McCutcheon K., Sin- garaja R., Koxemi-I%mjani P., Devon R.. Kim S.U., Bredesen DE, Tuforo F., Hayden M.R.. Length of huntingtjn and its polyglutomine tract influences localization and frequency of intracellular aggregates, Nature Genet. 18 (1998) 15C-154.

[431 Matilla A.. Koshy B.T., Cummin gs C.J., Isobe T., On H.T.. Zcghbi H.Y.. The cerebellar leucine-rich acidic nuclear protein interacts with ataxin-1, Nature 389 (1997) 974-978.

[441 Merry D.E.. Fischbeck K.H., Genetics and molecular biology of the andrcgen receptor CAG repeat, in : Wells R.D.. Warren ST. (&l.), Genetic instabilities and hereditarY neuro- lcgical diseases, Academic Press, San Diego, 1998, pp. 101-l 11,

[451 Merry D.E.. Kobayashi Y., Bailey C.K., Taye A.A., Fischbeck K.H., Cleavage, aggrega- tion and toxicity of the expanded andrcgen receptor in spinal and bulbar muscular atrophy, Hum. Mol. Genet. 7 (1998) 693-701.

[461 Miyashita T., Okamura-Oho Y.. Mito Y., Nagafuchi S., Yamada M.. Dentatombral palli- doluysian atrophy 0RPI.A) protein is cleaved by caspase-3 during apoptosis, J. Biol. Chem. 272 (1997) 29238-29242.

1473 Monckton D.G., Cayuela M.L., Gould F.K., Brcck G.J., Silva R., Ashizawa T., Very large (GAG)(n) DNA repeat expansions in the sperm of two spinccerebellor ataxia type 7 males, Hum. Mol. Genet 8 (1999) 2473-2478.

[481 Paulson H.L.. Protein fate in neurodegenerative proteinopathies: polyglutomine diseases join the (mis)fold, Am. J. Hum. Genet. 64 (1999) 339-345.

[49lPcruLsonH.L.,PerezM.K.,TrottierY.,~o~~J.Q..SubramonyS.H.,~S.S.,McoldelJ.-L., Fischbeck K.H., Pittman R.N., Intranucleor inclusions of expanded polyglutamine pro tein in spinccerebellcn ataxia type 3. Neuron 19 (1997) 333-344.

[50] Perez M.K., Paulson H.L., Per&e S J., Saionz S.J., Bonini N.M., Pittman R.N., Recruitment and the Role of Nuclear LccaB&ion in Polyglutamine-mediated Aggregation, J. Cell Biol. 143 (1998) 1457-1470.

[511 Perutz M.F., Johnson T., Suzuki M., Finch J.T., Glutamine repeats as polar zippers: their possible role in inherited neurcdegenerative d&eases, Prcc. Natl. Acad. Sci. USA 91 (1994) 5355-5358.

65

Page 20: Maladies par expansion de polyglutamine Données moléculaires et physiopathologiques

66 Les maladies neurcd&@kxtives

[52] price D.L., Sisodfa S.S., Borchelt D.R., Genetic neurcdegenerative diseases: the human illness and transgenic models, Science 282 (1998) 1079-1083.

[53] Prusiner S.B., Inherited prion diseases, hoc. Natl. Acad. Sci. USA 91 (1994) 461 l-4614.

[541 Robitaille Y., Lopes-Cendes I., Becher M., Rouleau G., Clark A.W., The neuropatholcgy of CAG repeat diseases: review and update of genetic and moleculcn features, Brain Pathol. 7 (1997) 901-926.

1551 Sanchez I., Xu C.J., Juo P., Kakizaka A., Blenis J., Yuan J., Caspase8 is required for cell death induced by expanded polyglutomine repeats, Neuron 22 (1999) 62-33.

[561 Sanpei K.. Takano H.. Igorashi S., Sate T., Oyake M., Sasaki H., Wakisaka A., Tashiro K., Ishida Y., lkeuchi T., Koide R., Soito M., Sate A.. Tanaka T., Hanyu S., Takiyama Y., Nishizawa M., Shimizu N., Nomura Y., Sagawa M., Iwabuchi K., Eguchi I., Tanaka H., Takahashi H.. Tsuji S., Identification of the spinccerebellar ataxia type 2 gene using a direct identification of repeat expansion and cloning technique, DIRECT, Nature Genet 14 (1996) 277-284.

[571 Sathasivam K.. Hobbs C.. Twmaine M., Mongiarini L.. Mahcrl A., Bertaux F., Wanker E.E., Doherty P., Davies SW., Bates G.P., Formaiion of polyglutamine inclusions in non-CNS tissue, Hum. Mol. Genet. 8 (1999) 813-822.

[581 Sate K.. Kashihora K., Okada S., Ikeuchi T., Tsuji S., Shomori T., Morimoto K., Hayabara T., Does homozygosity advance the onset of dentatorubrd- pallidoluysian atrophy?, Neu- rolosy 45 (1995) 1934-1936.

[591 Suto T.. Oyake M., Nakamura K., Nakao K., Fukusima Y., Oncdera 0.. Igarashi S., Takano H., Kikugawa K., Ishida Y., Shimohata T., Koide R., Ikeuchf T., Tanaka H., Futa- mura N.. Matsumura R.. Takayanagi T.. Tanaka F., Sobue G., Komure 0.. Takahashi M., Sano A., Ichfkawa Y.. Goto J.. Konazawa I.. Transgenic mice harboring a full-length human mutant DRPLA gene exhibit age-dependent intergenerational and somatic ins- tabilities of CAG repeats comparable with those in DRPLA patients, Hum Mol. Genet. 8 (1999) 99-106.

[601 Saudou F.. Finkkeiner S., Devys D., Greenberg M.E., Hunting-tin acts in the nucleus to induce apoptosis but death does not correlate with the formation of intmnuclear inclu- sions, Cell 95 (1998) 55-56.

[61]~e~gerEE.,LurzR.,TurmcdneM.,McolgicoinLL.,HollenbachB.,~~R.,BdesG.P., Davies SW., Lehrach H., Wcmker E.E., Huntingtinencoded polyglutamine expansions form amyloid-like protein aggregates in vitro and in vivo, Cell 90 (1997) 549-558.

1621 Servadio A., Koshy B., Armstrong D., Antalffy B., OR H.T., Zoghbi H.Y., Expression ana- lysis of the atoxin- protein in tissues from normal and spinocerebellar ataxia type 1 individuals, Nature Genet. 10 (1995) 94-98.

[631 Siscdia S.S.. Nuclear inclusions in glutamfne repeat disorders: are they pernicious, coin- cidental, or beneficial?, Cell 95 (1998) 1-4.

[641 Settler A.. Walter S.. Wedemeyer N., Hasenbonk R., Schemnger E., Eickhoff H.. Bates G.P., Lehrach H.. Wanker E.E.. SH3GL3 associates with the Huntfngtin exon 1 protein and pro motes the formation of polyglncontatnfng protein aggregates, Mol. Cell 2 (1998) 427-436.

[651 skinner P.J.. Koshy B.T.. Cummings C.J., Klement LA., Helen K., Servadio A.. Zcghbi H.Y., Orr H.T.. Ataxin-1 with an expanded glutamine tract alters nuclear matrixassociated structures, Nature 389 (1997) 971-974.

[661 Stenoien D.L., Cummings C.J., Adams H.P., Mancini M.G.. Pate1 K., DeMartino G.N., Marcelli M., Weigel N.L., Mancini M.A., Polyglutomineexpmded andrcgen receptors form aggregates that sequester heat shock proteins, proteasome mmponents and SRC-1, and are suppressed by the HDJ-2 chaperone, Hum Mol. Genet. 8 (1999) 731-741.

[671 Trottier Y.. Lutz Y.. Stevanin G.. Imbert G., Devys D., Cancel G., Saudou F., Weber C., David G.. Las40 T.. Agid Y.. Brice A.. Mcmdel J.-L.. Polyglutomine expansion as a patholcgical epitope in Huntington’s disease and four dominant cerebellcrr ataxias, Nature 378 (1995) 403-406.

[681 Warrick J.M.. Paulson H.L., Gray-Board G.L., Bui QT., Fischbeck K.H., Pittman R.N., Boninf N.M.. Expanded polyglutamine protein forms nuclear inclusions and causes neural degeneration in Drosophila. Cell 93 (1998) 939-949.

Page 21: Maladies par expansion de polyglutamine Données moléculaires et physiopathologiques

Maladies par expansion de plyglutamine 67

[69lW~~~M..AbeK..AoldM..YasuoK.,ItoyamaY.,~~iM.,IkedaY.,IizukaT.,IkedaM., Shimka M., Mkushima K , Hiroi S., Mitotic cold meiotic stability of the CAG repeat in the X-linked spinal and bulbar muscular atrophy gene, Clin. Genet. 50 (1996) 133-137.

[701 Wellington CL., Ellerby L.M.. Hackam AS., Margolis R.L., Trifiro M.A., Singaraja R.. McCutcheon K.. Salvesen G.S.. Propp S.S.. Bromm M.. Rowland K.J., Zhang T., Rasper D.. Roy S.. Thornberry N.. Rinsky L.. Kakizuka A., Ross CA., Nicholson D.W., Bredesen D.E., Hayden M.R.. CaspcLse cleavage of gene products associated with triplet expcrnsion disorders generates truncated fragments containing the polyglutamine tract, J. Biol. Chem. 273 (1998) 9158-9167.

[711 WelIs R.D., MolecuIar bask of genetic instability of triplet repeats. J. Biol. Chem. 271 (1996) 2875-2879.

[721 Yagishita S.. Inoue M.. CIinicolxrtholcgy of spinccerelxlke degeneration: its correlation to the unstable CAG repeat of the affected gene, Bathol. Int. 47 (1997) 1-15.