Les cytopathies mitochondriales regroupent une grande variété de
pathologies dont le dénominateur commun est un déficit de la
chaîne respiratoire mitochondriale.
La chaîne respiratoire a pour rôle
essentiel la synthèse d’acide adénosine triphosphate (ATP)
nécessaire à toutes les cellules de l’organisme.
Cette synthèse se
fait à partir de cinq complexes multienzymatiques localisés dans la
membrane interne de la mitochondrie.
Le rôle central des
mitochondries et la complexité de leur organisation faisant
intervenir de multiples enzymes et plusieurs centaines de gènes,
expliquent la sévérité et la grande fréquence des cytopathies
mitochondriales parmi les maladies métaboliques.
Physiologie
:
La mitochondrie occupe une place centrale dans le métabolisme
intermédiaire.
D’une part, elle est le siège des nombreuses réactions
du catabolisme cellulaire, telles celles conduisant à l’oxydation des
acides gras (B-oxydation), des acides carboxyliques dérivant des
sucres (cycle de Krebs) ou des acides aminés.
D’autre part, elle contrôle les réactions anaboliques (synthèse) de la cellule par
l’intermédiaire de la synthèse d’énergie sous forme d’ATP.
Ces
réactions d’oxydation et de synthèse d’ATP sont étroitement
couplées à travers les processus de la phosphorylation oxydative.
La phosphorylation oxydative a lieu au niveau de la chaîne
respiratoire située dans la membrane mitochondriale interne.
Elle
fait intervenir d’une part des réactions d’oxydation qui aboutissent
à une consommation d’oxygène, d’autre part une réaction de
phosphorylation de l’acide désoxyribonucléique (ADP) intramitochondrial en ATP.
La chaîne respiratoire est composée de
cinq complexes multienzymatiques qui fonctionnent comme
transporteurs d’électrons : le complexe I (NADH-CoQ réductase,
près de 40 sous-unités), le complexe II (succinate-CoQ réductase,
quatre sous-unités), le complexe III (ubiquinone-cytochrome c
réductase, 11 sous-unités) et le complexe IV (cytochrome c oxydase,
13 sous-unités).
Enfin, le complexe V, ou ATPase (14 sous-unités),
assure la synthèse de l’ATP à partir de l’ADP et du phosphate
inorganique dans la matrice mitochondriale.
En outre, la mitochondrie intervient de façon déterminante dans
l’homéostasie cellulaire de nombreux cations, en particulier du
calcium, mais également dans les phénomènes primaires contrôlant
l’entrée des cellules dans les voies de l’apoptose et de la nécrose.
Les symptômes observés au cours d’une anomalie de la chaîne
respiratoire mitochondriale peuvent être rapportés d’une part à la
carence en ATP nécessaire à toutes les cellules de l’organisme,
insuffisamment compensée par la production énergétique de la
glycolyse anaérobie, d’autre part à la formation de radicaux libres et
à l’accumulation de substrats en amont du blocage métabolique, responsables de l’acidose.
Les radicaux libres ont une toxicité sur les
membranes lipidiques et une action mutagène sur l’ADN
mitochondrial (ADNmt).
Chaque cellule humaine possédant plusieurs dizaines à plusieurs
milliers de mitochondries et chaque mitochondrie plusieurs copies
d’ADNmt, une même cellule peut contenir à la fois des molécules
normales et des molécules mutées : on parle d’hétéroplasmie.
Au
cours des divisions cellulaires, les molécules mutées et normales
sont distribuées au hasard dans les cellules filles et leur proportion
peut être très variable d’une cellule à l’autre, d’un organe à l’autre,
et peut varier également au cours du temps au sein d’un même
organe : c’est la ségrégation mitotique.
Le génotype d’une cytopathie
mitochondriale liée à un défaut de l’ADNmt se définit d’une part
par la présence de la mutation, d’autre part par le pourcentage de
molécules mutées dans un tissu.
Ce pourcentage variant d’un tissu
à l’autre et au cours du temps, l’hétéroplasmie est à la base de
l’hétérogénéité clinique observée chez ces patients.
Ainsi, dans le
syndrome de Pearson, lié à une délétion de l’ADNmt, les patients
non décédés d’infections ou de leur atteinte hépatique et digestive
évoluent vers une encéphalopathie.
Le pourcentage de molécules délétées diminue au cours du temps dans les tissus sanguins et
augmente dans le muscle.
Cependant, les différentes protéines de la chaîne respiratoire
mitochondriale sont codées en partie par le génome mitochondrial
et en partie par des gènes nucléaires, un déficit de la
phosphorylation oxydative peut avoir une origine soit
mitochondriale, soit nucléaire.
La molécule d’ADNmt est circulaire,
bicaténaire, très compacte et elle possède son propre code
génétique.
Les gènes qui la composent sont sans introns : 13 gènes
codant des protéines de la chaîne respiratoire, 22 gènes d’acide
ribonucléique de transfert (ARNt) et deux gènes d’ARN ribosomaux
(ARNr).
Avec le recul du temps, il apparaît que l’ADNmt ne rend
compte que d’une fraction minoritaire des mitochondriopathies : pas
plus de 10 % en moyenne.
Aussi, la variabilité clinique des cytopathies mitochondriales n’est pas tant due à l’hétéroplasmie
qu’au caractère ubiquitaire de la chaîne respiratoire mitochondriale.
Curieusement, les cytopathies mitochondriales qui ont leur origine
dans le génome nucléaire ne se présentent pas toutes avec une
atteinte multiviscérale, alors que l’anomalie génétique est portée par
toutes les cellules et que celles-ci nécessitent une respiration
cellulaire mitochondriale.
Présentations cliniques
:
A - PRÉSENTATIONS CLINIQUES
EXTRÊMEMENT VARIABLES :
Le diagnostic de cytopathie mitochondriale était évoqué initialement
pour des maladies neurologiques ou dans des syndromes variés, le
plus souvent à expression neuromusculaire : syndrome de Leigh,
maladie d’Alpers, myoclonus epilepsy associated with ragged red
fibers (MERRF), mitochondrial myopathy, encephalomyopathy, lactic
acidosis, strokes-like episodes (MELAS), syndrome de Kearns-Sayre, chronic progressive external ophthalmoplegia (CPEO).
Elles
étaient alors connues sous le nom de myopathies mitochondriales.
Très vite, ce diagnostic a été évoqué devant des atteintes multiviscérales, associant des organes apparemment sans relation (association illégitime de symptômes), ce qui a amené à parler de
cytopathies mitochondriales.
Actuellement, ce diagnostic est
également évoqué devant des atteintes d’organe isolées telles une
myocardiopathie ou une insuffisance hépatique.
Ces atteintes sont d’évolution le
plus souvent rapidement évolutive.
Cependant, dans de rares cas,
des patients ont vu leurs symptômes régresser, voire guérir.
L’évolution de la maladie est donc imprévisible, mais le plus
souvent de mauvais pronostic.
Bien que la maladie puisse
commencer à n’importe quel âge et qu’il existe des présentations de
l’adulte, les débuts sont le plus souvent précoces, avant l’âge
de 1 an.
B - SYNDROMES D’ORIGINE MITOCHONDRIALE :
Des délétions de l’ADNmt ont été identifiées dans des syndromes
caractéristiques cliniquement.
Il s’agit :
– du syndrome de Kearns-Sayre, associant une ophtalmoplégie
externe et une rétinite pigmentaire, éventuellement un bloc auriculoventriculaire,
une protéinorachie et une ataxie cérébelleuse ;
– du syndrome de Pearson, associant une insuffisance pancréatique
externe et une anémie sidéroblastique néonatale avec neutropénie et
parfois thrombopénie ;
– du syndrome de Wolfram, associant un diabète insulinodépendant
à début précoce, un diabète insipide, une atrophie optique et une
surdité ;
– d’une atrophie villositaire et/ou d’une néphropathie
tubulo-interstitielle.
Ces délétions sont de grande taille, le plus souvent sporadiques, et
emportent des gènes codant pour des protéines de la chaîne
respiratoire, des gènes d’ARNt, mais rarement des gènes d’ARNr.
Elles sont toujours hétéroplasmiques et elles se retrouvent en
quantité variable selon les tissus, surtout dans les tissus qui sont
cliniquement affectés.
Une même délétion peut donner des tableaux
cliniques très variés comme le syndrome de Kearns-Sayre et le
syndrome de Pearson.
De rares cas de délétions de transmission
maternelle et de transmission autosomique dominante indiquant
l’intervention d’un gène nucléaire ont été décrits.
Différentes mutations ponctuelles sont aussi à l’origine de
syndromes, parfois cliniquement caractéristiques.
Ces mutations
sont de transmission maternelle et les atteintes cliniques dépendent
du nombre de molécules mutées dans chaque tissu.
Le phénotype
clinique s’exprime en général à partir de 80 % de molécules mutées.
Les mutations peuvent toucher soit des gènes d’ARNt, soit des
gènes d’ARNr, soit des gènes codant pour des protéines de la chaîne
respiratoire.
– Plusieurs mutations ont été rapportées dans l’atrophie optique de Leber, caractérisée par une perte rapide de la vision centrale
par dégénérescence du nerf optique, en moyenne vers 20 ans de vie.
Des dysarythmies cardiaques peuvent être associées.
L’une de ces
mutations est majoritairement observée.
– Le syndrome MERRF est dû à une mutation touchant l’ARNtLys
au nucléotide 8344.
– Le syndrome MELAS associe une encéphalomyopathie avec
acidose lactique et pseudoaccidents vasculaires débutant par des
migraines au cours de l’adolescence.
La mutation au nucléotide 3243
dans le gène d’ARNtLeu est retrouvée dans 80 % des syndromes
MELAS.
Cette mutation a également été retrouvée dans des
tableaux de diabète et surdité de transmission maternelle.
– Le syndrome neurogenic ataxia-retinitis pigmentosa (NARP) associe
une neuropathie, une ataxie, une rétinite pigmentaire, des
convulsions et un retard mental ou une démence.
Il est lié à une
mutation ponctuelle au nt8993 dans le gène ATPase 6.
Cette
mutation a également été décrite dans des syndromes de Leigh.
– Deux mutations de l’ADNmt ont été décrites dans des tableaux
de myocardiopathie.
Des déplétions de l’ADNmt, correspondant à une réduction majeure
du nombre de molécules d’ADNmt, ont été décrites dans des
tableaux de défaillance multiviscérale néonatale avec acidose
lactique et des tableaux d’insuffisance hépatocellulaire.
Ces
déplétions sont parfois de transmission autosomique récessive,
indiquant la présence de gènes nucléaires intervenant dans la
réplication de l’ADNmt.
Des déplétions sont également décrites
dans des myopathies mitochondriales induites par l’AZT chez les
malades atteints du syndrome d’immunodéficience acquise (sida).
Enfin, une acidose lactique a été rapportée chez des nouveau-nés de
mères traitées par l’AZT.
C - MANIFESTATIONS CLINIQUES RAPPORTÉES
AU GÉNOME NUCLÉAIRE
:
La plupart des gènes codant pour les différentes sous-unités de la
chaîne respiratoire sont connus.
Cependant, des mutations de ces
gènes ont été rapportées, à ce jour uniquement dans les déficits en
complexe I et II de la chaîne respiratoire.
Aucune mutation n’a
été rapportée dans les gènes nucléaires codant les différentes sousunités
du complexe IV, alors que ces gènes ont été séquencés par
différentes équipes.
En revanche, des mutations de plusieurs gènes
d’assemblage de ce même complexe viennent d’être identifiées.
Il est probable que bien d’autres gènes nucléaires soient impliqués
dans des déficits de la chaîne respiratoire, qu’il s’agisse de gènes
d’assemblage ou de gènes codant pour des protéines chaperonnes
ou d’import mitochondrial.
Le premier gène nucléaire retrouvé muté dans un déficit de la chaîne
respiratoire est le gène codant pour la succinate déshydrogénase,
sous-unité catalytique du complexe II, chez deux soeurs nées de
parents consanguins et présentant un syndrome de Leigh.
D’autres patients décrits présentaient une encéphalopathie et une
atrophie optique.
Des mutations sur des gènes nucléaires codant pour des sous-unités
du complexe I ont également été identifiées récemment dans un petit
nombre de déficits en complexe I [Loeffen J et al. Mutations in
the complex I NDUFS2 gene of patients with cardiomyopathy and
encephalomyopathy. Ann Neurol 2001 ; 49 : 195-201].
Il s’agit des
gènes codant pour les sous-unités NDUFV1, NDUFS8, NDUFS7,
NDUFS1, NDUFS2 et NDUFS4.
Les présentations cliniques sont
essentiellement neurologiques, le plus souvent avec un syndrome
de Leigh.
Les matients mutés pour NDUFS2 présentaient une
myocardiopathie.
Si aucun gène codant pour les sous-unités du complexe IV n’a été
impliqué jusqu’à présent dans des déficits en complexe IV, des
mutations sur quatre gènes d’assemblage de ce même complexe ont
été identifiées : SURF1 (méthode de complémentation fonctionnelle),
COX10 (méthode de cartographie par homozygotie), SCO2
(méthode des gènes candidats) puis SCO1 (méthode de cartographie
génétique).
Le gène SURF1 serait muté dans près de 50 % des
syndromes de Leigh rapportés à un déficit en complexe IV.
Si
les présentations cliniques sont essentiellement neurologiques et
apparaissent dans les 2 premières années de vie, nous avons un
patient déficitaire du complexe IV avec mutation SURF1 dont la
présentation clinique n’était pas celle d’un Leigh : il présentait une
cassure staturopondérale à l’âge de 6 mois avec atrophie villositaire
et acidose lactique.
Le gène COX10, impliqué dans la farnésylation
de l’hème, a été retrouvé muté dans une famille consanguine.
La
présentation clinique était celle d’un rachitisme vitaminodépendant
par tubulopathie dans la première année de vie puis d’une
régression psychomotrice avec atteinte sévère de la substance
blanche.
Le gène SCO2 a été retrouvé muté dans huit familles non
apparentées.
Les patients présentaient tous une myocardiopathie
précoce et un syndrome de Leigh.
Enfin, le gène SCO1 a été retrouvé
muté chez quatre enfants d’une même famille présentant une
insuffisance hépatocellulaire néonatale.
Seule l’étude
systématique de ces gènes dans tous les déficits en complexe IV,
sans préjuger des présentations cliniques, pourrait préciser
l’éventuelle tissu-spécificité de l’expression de ces gènes.
Les gènes
SCO1 et SCO2 sont impliqués dans l’import mitochondrial du
cuivre.
On peut s’étonner que deux gènes de fonctions proches
puissent donner, à l’état muté, des tableaux cliniques aussi différents
qu’une myocardiopathie et une insuffisance hépatocellulaire chez
l’homme.
Des mutations sur les gènes codant pour les sous-unités SDHd et
SDHc ont été décrites dans des familles de paragangliomes de
transmission autosomique dominante et dans les
phéochomocytomes [Astuti D et al. Germline SDHD mutation in
familial phaeochromocytoma. Lancet 2001 ; 357 : 1181-1182. Gimm O
et al. Somatic and occult germ-line mutations in SDHD, a
mitochondrial complex II gene, in non familial pheochromacystoma.
Cancer Res 2000 ; 60 : 6822-6825. Niemann S; Muller U.
Mutations in SDHC cause autosomal dominant paraganglioma,
type 3. Nat Genet 2000 ; 26 : 268-270].
C’est la première fois qu’un
déficit de la chaîne respiratoire est aussi directement impliqué dans
une pathologie tumorale.
D’autres gènes ont été décrits dans des déficits de la chaîne
respiratoire : le gène Tafazzin dans le syndrome de Barth, qui associe
une myocardiopathie précoce et une neutropénie chez le jeune
garçon (syndrome lié à l’X), le gène Thymidine phosphorylase dans
le syndrome myo-neuro-gastro intestinal encephalopathy (MNGIE), qui associe une myopathie mitochondriale, une neuropathie, une
encéphalopathie et une maladie gastro-intestinale avec des diarrhées
intermittentes et des pseudo-obstructions intestinales, le gène
DDP codant pour une protéine d’import mitochondrial dans un
tableau de surdité-dystonie, le gène codant pour la paraplégine
dans un tableau de paraplégie spastique de transmission
autosomique récessive et le gène Hsp60 codant pour une protéine
chaperonne dans un tableau de défaillance métabolique
néonatale.
Enfin, le gène ANT1, impliqué dans l’import
mitochondrial de l’ATP/ADP, a été impliqué dans plusieurs
tableaux de myopathie mitochondriale et d’ophtalmoplégie externe
avec délétions multiples de l’ADNmt de transmission autosomique
dominante [Kaukonen J et al. Role of adenine nucleotide translocator
1 in mtDNA maintenance. Science 2000 ; 289 : 782-785].
D - MALADIES ET DÉFICITS SECONDAIRES DE LA CHAÎNE
RESPIRATOIRE MITOCHONDRIALE :
Enfin, il apparaît de plus en plus d’exemples montrant l’implication
de la chaîne respiratoire dans certaines maladies génétiques.
L’exemple le plus frappant est celui de l’ataxie de Friedreich,
maladie autosomique récessive dont le gène a été identifié par
clonage positionnel et qui code pour une protéine, la frataxine, dont
la fonction était incomprise.
Des travaux entrepris chez la levure
et dans des homogénats de coeurs humains ont permis de montrer
que la frataxine aurait un rôle dans le métabolisme du fer
mitochondrial et que son absence conduit à un déficit de la chaîne
respiratoire mitochondriale.
L’autre exemple est celui des déficits
de synthèse des quinones entraînant un déficit de la chaîne
respiratoire.
E - MANIFESTATIONS ANTÉNATALES :
Les manifestations anténatales sont peu rapportées dans la
littérature.
Pourtant, compte tenu du caractère ubiquitaire de la
chaîne respiratoire, celle-ci joue probablement un rôle crucial dans
le développement foetal.
Le symptôme de loin le plus fréquent
touche la croissance intra-utérine : un retard de croissance intrautérin
(RCIU) est identifié dans 20 % des cytopathies mitochondriales
, le plus souvent isolé (taille et périmètre crânien
normaux pour l’âge gestationnel à la naissance).
Les grossesses sont
le plus souvent menées à terme. Rarement, les mères perçoivent des
mouvements foetaux diminués pendant le troisième trimestre.
Les
autres manifestations anténatales sont de deux types :
dysfonctionnements d’organe (myocardiopathie, troubles du rythme
cardiaque, ascite en cas d’insuffisance hépatique qui se révèle dans
les toutes premières heures de vie, hydrops foetal par anémie) et
anomalies malformatives (malformations cérébrales avec agénésie
du corps calleux, leucomalacie périventriculaire, calcifications
intracérébrales et ventricules élargis, malformations squelettiques
avec brachydactylie, hypoplasie des phalanges, association
VATER, malformations digestives avec atrésie duodénale (et
polyhydramnios), duplication du cholédoque, agénésie de la
vésicule biliaire, malformations urologiques avec dilatation des
cavités pyélocalicielles et de la vessie (avec polyhydramnios),
microkystes, dysmorphies faciales.
Néanmoins, ni le RCIU ni
les autres anomalies ne sont spécifiques d’une maladie
mitochondriale. Seuls les antécédents familiaux permettent
actuellement de craindre une récidive de la maladie.
F - CORRÉLATION GÉNOTYPE-PHÉNOTYPE ?
Aucune corrélation entre la clinique et les données moléculaires n’est
possible.
En effet, une même délétion de l’ADNmt peut donner des
tableaux cliniques très différents (comme le syndrome de Kearns-Sayre et le syndrome de Pearson), ou un même tableau clinique peut
être dû à plusieurs anomalies moléculaires.
C’est le cas du syndrome
de Leigh qui peut être rapporté à une mutation de l’ADNmt ou à
une mutation de plusieurs gènes nucléaires (SURF1, SDH...), des
associations diabète-surdité (mutations NARP, MELAS, délétion de
l’ADNmt, ou mutations du génome nucléaire).
Les présentations
cliniques pour un même gène nucléaire semblent homogènes à
l’exception de quelques cas.
On ne peut cependant tirer aucune
conclusion car l’homogénéité clinique n’est peut-être que le reflet
d’un biais de sélection.
L’exemple en est donné par les gènes de
structure du complexe I de la chaîne respiratoire qui n’ont été
étudiés que chez des patients venant d’un service de neurologie.
Notre exemple de patient avec présentation gastroentérologique et
mutation SURF1 semble aller contre cette homogénéité clinique.
Enfin, peu de gènes nucléaires ont été trouvés mutés à l’heure
actuelle.
Signes biologiques
:
Les signes biologiques observés dans une cytopathie mitochondriale
peuvent traduire l’atteinte d’un organe liée au déficit de la chaîne
respiratoire mitochondriale, comme une tubulopathie ou une
insuffisance hépatocellulaire.
Ils peuvent être également la
conséquence du blocage de la voie métabolique de synthèse
mitochondriale de l’ATP et être liés à l’accumulation de métabolites
en amont de ce déficit.
Aussi, lorsqu’une cytopathie mitochondriale
est suspectée devant une ou plusieurs atteintes d’organe, le bilan
d’investigation doit comporter l’exploration systématique des autres
organes à la recherche d’une atteinte multiviscérale et un bilan
métabolique à la recherche d’une acidose métabolique et d’une
accumulation de substrats en amont de la chaîne respiratoire, tels
que les intermédiaires du cycle de Krebs.
L’acidose est due à
l’accumulation d’équivalents réduits comme le nicotinamide
adénosine dinucléotide (NADH) qui pousse à la transformation de
l’acétoacétate en 3-hydroxybutyrate, entraînant une élévation du
rapport 3-hydroxybutyrate sur acétoacétate dans la mitochondrie.
De la même façon, dans le cytoplasme, la transformation du pyruvate en lactate est favorisée et le rapport lactate/pyruvate
s’élève.
Ceci est particulièrement vrai en période postprandiale
quand l’oxydation des substrats glycolytiques conduit à une
production accrue de pyruvate.
De façon similaire, le cycle de Krebs
en amont de la chaîne respiratoire a une activité diminuée,
conduisant à une accumulation des corps cétoniques après les repas,
alors que ceux-ci devraient normalement diminuer en période
postprandiale sous l’action de l’insuline.
On parle alors de
cétogenèse paradoxale.
Ces perturbations biochimiques qui doivent
conduire à l’étude de la chaîne respiratoire mitochondriale peuvent
cependant manquer et leur absence n’élimine en rien le diagnostic
de cytopathie mitochondriale.
Diagnostic
:
L’investigation des maladies mitochondriales se fait à trois niveaux :
métabolique, biochimique et génétique.
L’investigation métabolique
apporte des arguments en faveur ou non d’une cytopathie
mitochondriale.
Seules les investigations enzymatiques et
moléculaires confirment le diagnostic.
A - INVESTIGATION ENZYMOLOGIQUE
:
Le diagnostic des cytopathies mitochondriales repose sur l’étude
enzymatique des différents complexes de la chaîne respiratoire à
partir de mitochondries isolées du ou des tissus atteints.
L’étude de
la chaîne respiratoire mitochondriale se fait par des techniques de
polarographie et de spectrophotométrie, à partir de
mitochondries isolées de muscle, de lymphocytes entiers et de
fibroblastes.
Grâce à une miniaturisation poussée des techniques
d’analyse, l’étude spectrophotométrique est également possible à
partir de microbiopsies de tissu myocardique, hépatique, rénal et
intestinal.
B - POLAROGRAPHIE
:
Les études polarographiques permettent de mesurer la
consommation d’oxygène par des fractions enrichies en
mitochondries à l’aide d’une électrode de Clark en présence de différents substrats (malate + pyruvate, malate + glutamate,
succinate, palmitate...).
Un déficit du complexe I se traduit
par une oxydation diminuée du NADH, tandis que l’oxydation de
substrats produisant du FADH2 (succinate) est normale.
La situation
opposée s’observe dans le cas d’un déficit du complexe II, alors
qu’un déficit du complexe III ou du complexe IV affecte l’oxydation
de tous les substrats.
De façon similaire, dans le cas d’un déficit du
complexe V, l’oxydation de tous les substrats, en présence d’ADP,
est déficitaire.
Cependant, dans ce dernier cas, l’addition d’un agent
découplant tel que le cyanure de carbonyle m-chlorophénylhydrazone
(m-Cl-CCP) stimule fortement les oxydations,
indiquant que la phosphorylation de l’ADP en ATP est l’étape
limitative.
Les études polarographiques permettent de détecter non seulement
des déficits de la phosphorylation oxydative, mais aussi des déficits
en pyruvate déshydrogénase, en enzyme du cycle de Krebs, des
défauts des transporteurs, de cofacteurs d’oxydation (coenzyme A,
NAD+), puisque toutes ces anomalies conduisent également à une
diminution de la production des équivalents réduits utilisés par la
mitochondrie.
Ces études requéraient, il y a encore quelques années, des quantités
de muscle de l’ordre du gramme (environ 2 g), mais des
miniaturisations permettent maintenant d’obtenir des préparations
enrichies en mitochondries à partir de petites biopsies musculaires
(100-200 mg de muscle, prélevés sous anesthésie locale), ce qui
permet des études polarographiques chez de très jeunes enfants.
Il
est également possible de faire ce type d’étude sur des lymphocytes
circulants (isolés sur coussin de Ficoll à partir de 10 mL de sang) ou
sur des cellules en culture perméabilisées par un détergent (lignées
lymphoblastoïdes, fibroblastes).
Une limite importante est d’avoir
du matériel frais car les études polarographiques sont impossibles
sur tissu congelé.
C - SPECTROPHOTOMÉTRIE
:
Les études spectrophotométriques permettent de mesurer les
activités des complexes de la chaîne respiratoire seuls ou par groupe,
en utilisant des donneurs ou des accepteurs d’électrons spécifiques.
Dans ce cas, il n’est pas nécessaire d’isoler des
mitochondries.
En conséquence, la quantité de matériel nécessaire
est beaucoup moins importante (10-20 mg) et peut être obtenue par
biopsie à l’aiguille (foie, rein) ou même par biopsie endomyocardique.
Il est cependant indispensable que les prélèvements
soient immédiatement congelés et maintenus en permanence dans
l’azote liquide (ou au pire à - 80 °C), les enzymes de la chaîne
respiratoire étant très rapidement dégradées au cours d’une
mauvaise conservation.
D - INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS :
Si les investigations de la chaîne respiratoire sont délicates
techniquement, leur interprétation pose également des problèmes.
Une activité normale de la chaîne respiratoire ne permet pas
totalement d’exclure un déficit, même si le tissu étudié est celui qui
exprime la maladie.
Il est possible d’être en présence d’une anomalie
touchant les propriétés cinétiques d’une enzyme (non décelable par
les techniques utilisées) ou d’une hétérogénéité tissulaire.
Il est alors
indispensable de tester d’autres tissus et, éventuellement, de
renouveler plus tard ces investigations.
Une anomalie des activités respiratoires n’implique pas forcément
que le déficit de la phosphorylation oxydative soit primaire.
En effet,
des activités déficitaires de la chaîne respiratoire peuvent être
secondaires à des anomalies de la b-oxydation.
Il est donc utile
d’étudier in vitro l’oxydation des acides gras quand la présentation
clinique est compatible avec une erreur innée de cette oxydation
(myocardiopathie, défaillance hépatique).
L’identification de déficits de la chaîne respiratoire est devenue de
plus en plus fiable depuis l’introduction de la notion de rapport des
différentes activités enzymatiques entre elles.
En effet, si les valeurs
absolues de l’activité des différents complexes sont très variables, en
revanche les rapports de ces valeurs absolues entre elles restent très
constants quel que soit le tissu étudié (foie, muscle, coeur,
lymphocytes, fibroblastes).
Ceci a permis d’identifier certains
déficits partiels d’un des complexes de la chaîne respiratoire dans
des cas où les valeurs absolues des activités enzymatiques ne
permettaient pas de le faire.
L’activité du complexe I dans les cellules entières (lymphocytes
circulants ou cellules en culture) est difficile à mesurer en raison
d’une importante activité NADH-cytochrome c réductase
contaminante dans ces cellules.
L’expression des déficits de la chaîne respiratoire dans des cellules
en culture est instable et les activités reviennent à la normale quand
les cellules sont cultivées dans des conditions classiques.
La
présence d’uridine (200 µM) et de pyruvate (5 mM) dans le milieu
de culture empêche une contre-sélection des cellules déficitaires et
leur permet donc de pousser normalement.
Il y a alors stabilisation
du phénotype mutant (l’uridine, indispensable à la synthèse des
acides nucléiques, serait en quantité limitative en raison d’un déficit
secondaire de la dihydro-orotate-déshydrogénase couplée à la chaîne
respiratoire).
De mauvaises conditions de congélation se traduisent par des pertes
d’activité de la chaîne respiratoire qui peuvent mimer un déficit.
Enfin, les tissus fixés pour des études de morphologie ne peuvent
pas être utilisés pour l’étude enzymologique de la chaîne
respiratoire.
E - CHOIX DU TISSU À ÉTUDIER
:
Pour chaque malade, la question se pose de savoir quel tissu doit
être étudié.
A priori, il s’agit du tissu cliniquement atteint.
Ainsi, si
le tissu atteint est le muscle squelettique, l’étude enzymologique se
fait sur une microbiopsie de deltoïde.
Dans le cas où c’est le système
hématopoïétique qui est affecté (syndrome de Pearson), la chaîne
respiratoire est étudiée sur les lymphocytes circulants.
Des atteintes
s’exprimant de façon prédominante dans le foie ou le coeur peuvent
être étudiées sur des biopsies hépatiques à l’aiguille ou des biopsies endomyocardiques.
Cependant, quand des organes d’accès difficile
sont touchés (cerveau, rétine, système endocrinien, muscle lisse), les
investigations ne peuvent se faire que sur des tissus périphériques
(muscle squelettique, lymphocytes, fibroblastes en culture).
Quel que
soit l’organe atteint, il est essentiel de prélever une biopsie de peau
des patients (même en post mortem immédiat) pour de futures
investigations enzymologiques ou moléculaires sur fibroblastes en
culture.
En effet, de cette étude sur fibroblastes en culture dépend la
possibilité d’un futur diagnostic prénatal pour les grossesses
suivantes.
Il faut cependant rappeler que dans la moitié des cas
environ les déficits de la chaîne respiratoire s’expriment dans les
fibroblastes.
F - ÉTUDES HISTOPATHOLOGIQUES
ET IMMUNOHISTOCHIMIQUES :
La caractéristique histologique des myopathies mitochondriales est
la présence de fibres rouges déchiquetées (ragged red fibers [RRF]),
mises en évidence par coloration au trichrome de Gomori qui
montre l’accumulation de mitochondries anormales à la périphérie
des fibres musculaires.
Cependant, l’absence de RRF n’élimine pas
le diagnostic et inversement, la présence de RRF ne semble pas
spécifique d’un déficit de la chaîne respiratoire mitochondriale.
Par ailleurs, des études histoenzymologiques du tissu atteint au
moyen d’anticorps contre des sous-unités de la succinate
déshydrogénase ou de la cytochrome oxydase constituent un critère
diagnostique de cytopathie mitochondriale plus fiable que la
présence de RRF.
G - IMAGERIE PAR SPECTROSCOPIE DE RÉSONANCE
MAGNÉTIQUE DU MUSCLE ET DU CERVEAU
:
La spectroscopie de résonance magnétique permet d’étudier in vivo
le métabolisme énergétique dans le muscle et le cerveau.
Le
phosphate inorganique (Pi), la phosphacréatine (Pcr), l’adénosine
mono-, di- ou triphosphate et le pH intracellulaire peuvent être
suivis. Le rapport Pi/Pcr, le plus utilisé, est augmenté chez les
patients.
Ces anomalies deviennent un outil diagnostique et de
l’évolution de la maladie mais ne sont pas spécifiques des déficits
de la chaîne respiratoire.
H - INVESTIGATION MOLÉCULAIRE :
Les différentes protéines de la chaîne respiratoire mitochondriale
étant codées en partie par le génome mitochondrial et en partie par
des gènes nucléaires, un déficit de la phosphorylation oxydative
peut avoir une origine soit mitochondriale, soit nucléaire.
Dans la plupart des cas, malheureusement, les études
enzymologiques ne permettent pas de définir la sous-unité
déficitaire dans ces grands complexes multiprotéiques et il est donc
impossible de connaître l’origine génétique des déficits observés
chez les malades.
Il peut s’agir soit de mutations ponctuelles ou de
délétions de l’ADNmt, soit de mutations siégeant dans des gènes
nucléaires codant pour des sous-unités de la chaîne respiratoire, soit
encore de mutations dans des gènes participant à la mise en place et
au contrôle de la chaîne respiratoire et de l’ADNmt.
Les premières
bases génétiques des maladies mitochondriales ont été mises en
évidence à la fin des années 1980 avec l’identification de délétions
puis de mutations de l’ADNmt dans plusieurs syndromes ou
associations.
Ce n’est que très récemment que des mutations dans
des gènes nucléaires de la chaîne respiratoire ont été identifiées.
Dans l’euphorie des premières trouvailles sur l’ADNmt, de
nombreux groupes ont entrepris de rechercher systématiquement
des remaniements de l’ADNmt dans les déficits de la chaîne
respiratoire.
Avec le recul du temps, il apparaît que l’ADNmt ne
rend compte que d’une fraction minoritaire des mitochondriopathies
: pas plus de 10 % en moyenne.
Le rendement du
diagnostic est naturellement fonction de l’intensité des efforts
consentis en matière de séquençage systématique de l’ADNmt des
patients.
L’évaluation du rendement du séquençage systématique
des 16,5 kb reste à faire.
Cette exploration est compliquée par le
nombre élevé de polymorphismes de l’ADNmt.
En pratique, seule
la recherche des grandes délétions et des mutations les plus
fréquentes de l’ADNmt est mise en oeuvre de façon systématique
chez tout patient investigué à l’hôpital Necker-Enfants Malades.
Ceci
a permis d’identifier, chez 10 à 15 % des patients de notre cohorte,
les mutations responsables de la maladie.
La place, somme toute très modeste, des remaniements de l’ADNmt
dans les mitochondriopathies n’était pas véritablement une surprise,
dans la mesure où l’immense majorité des sous-unités de la chaîne
respiratoire est codée par le génome nucléaire.
Ces gènes (environ
90) sont maintenant tous localisés et leurs séquences codantes sont
disponibles.
En revanche, la régulation et la mise en place de la
chaîne respiratoire sont contrôlées par de nombreux gènes encore
peu connus chez l’homme.
Chez la levure, environ 300 gènes ont été
répertoriés, mais leurs homologues humains sont encore à identifier.
Ainsi, le nombre total de gènes éventuellement impliqués de façon
directe ou indirecte dans les maladies mitochondriales est de
plusieurs centaines.
La présence de plusieurs enfants atteints d’un
déficit de la chaîne respiratoire mitochondriale dans une même
famille, le grand nombre de familles consanguines, et tous les modes
de transmission de l’hérédité mendélienne observés dans ces
familles sont des arguments génétiques pour l’origine nucléaire d’un
grand nombre de cytopathies mitochondriales.
La recherche de
mutations sur le génome nucléaire reste du domaine de la recherche.
L’hétérogénéité génétique des mitochondriopathies risque fort d’être
considérable, et il se pourrait bien qu’à chaque famille correspondent
un gène ou une mutation différente sans prévalence d’aucune sorte.
Face à une telle situation et dans un but de recherche, comme de
conseil génétique, il faut imaginer une stratégie adaptée à la
complexité de la situation.
Notre stratégie actuelle consiste à
identifier le compartiment porteur de la mutation par
complémentation des cellules déficientes du patient au moyen de
cellules témoins Rho0 vides d’ADNmt et qui n’apportent donc que
leurs noyaux.
L’échec de la complémentation signe l’origine mitochondriale de la mutation, son succès et son origine nucléaire.
Dès lors, plusieurs stratégies peuvent être mises en place pour tenter
d’identifier ces gènes nucléaires.
I - ÉTUDE DE GÈNES CANDIDATS :
Plusieurs mutations de gènes codant soit pour des protéines de la
chaîne respiratoire, soit pour des protéines d’assemblage ou de
régulation, ont été décrites, en association à divers syndromes.
Des
mutations de ces gènes doivent donc être recherchées devant des
patients présentant de tels tableaux cliniques.
De la même façon,
l’homologue humain d’un gène dont la fonction est connue chez la
levure est candidat chez les patients dont le dysfonctionnement
porte sur le territoire d’expression de ce gène.
La méthode de gènes
candidats a permis de rapporter des mutations du gène SCO2 dans
plusieurs familles avec déficit en complexe IV.
J - ÉTUDE DE LIAISON GÉNÉTIQUE :
Dans des familles comprenant plusieurs enfants atteints, et qui plus
est, dans le cas de familles consanguines, des études de liaison
génétique peuvent être entreprises pour identifier le gène
responsable de la maladie.
Ces études restent cependant difficiles à
mettre en oeuvre dans le contexte des maladies mitochondriales.
En
effet, la variabilité clinique des malades laisse augurer une très
grande hétérogénéité génétique de ces déficits de la chaîne
respiratoire.
Il est alors impossible de regrouper plusieurs familles
pour ce type d’étude.
Ainsi, seules les grandes familles consanguines
peuvent être étudiées.
Dans ce cas, l’étude de la ségrégation de
marqueurs microsatellites répartis sur l’ensemble du génome permet
d’identifier des loci et éventuellement des gènes candidats par leur
fonction dans les régions sélectionnées.
Cette approche demande
d’avoir à notre disposition les prélèvements de tous les membres
atteints et sains de la famille.
Elle a permis d’identifier les gènes
COX10 et SCO1 dans des déficits en complexe IV.
K - COMPLÉMENTATION FONCTIONNELLE :
En tirant parti de l’expression des déficits enzymatiques dans les
cellules en culture des patients et de la possibilité de les
complémenter fonctionnellement, nous devrions pouvoir localiser
puis identifier les gènes responsables par transfert de chromosomes.
Des cellules hybrides homme/rongeur ne comportant qu’un seul
chromosome humain sont disponibles dans le commerce. Les microcells, minicellules ne contenant que le chromosome humain,
obtenues à partir des hybrides homme/rongeur sont fusionnées
avec les cellules de patients.
Après le transfert des microcells
dans les cellules de patients, le phénotype biochimique de celles-ci
est estimé par l’étude enzymologique de la chaîne respiratoire et
comparé au phénotype avant le transfert.
La restauration d’un
phénotype normal indique que le chromosome humain exogène
porte le gène muté chez le patient.
L’étude des gènes portés par ce
chromosome devrait alors permettre d’avancer dans l’identification
du gène responsable du déficit.
La démonstration en a été faite par
l’identification du gène SURF1 dans certains déficits en complexe IV.
Traitement
:
Jusqu’à présent, il n’y a aucun traitement spécifique des déficits de
la chaîne respiratoire à l’exception de l’ataxie de Friedreich et du
déficit en quinone.
Dans l’ataxie de Friedreich, l’administration
d’idébénone (analogue des quinones) apparaît agir efficacement sur
l’atteinte myocardique.
Son action est liée essentiellement au
caractère antioxydant des quinones.
Dans le déficit en quinone,
l’administration orale de quinones constitue un traitement substitutif
du déficit.
Ainsi, la détermination du mécanisme d’une maladie peut
permettre de définir une stratégie thérapeutique jusqu’alors
inconnue et doit conduire le clinicien à conduire jusqu’au bout les
investigations métaboliques.
En dehors de ces deux cas, les traitements sont symptomatiques et
ne modifient que très peu l’évolution de la maladie.
Des
améliorations ont cependant été notées par l’administration de ménadione (vitamine K3, 40-160 mg/j) dans des déficits en CIII,
coenzyme Q10 (80-300 mg/j) dans divers déficits et mutations de
l’ADNmt, et riboflavine (vitamine B2, 100 mg/j) dans des déficits en
CII.
L’administration de carnitine est à proposer chez les patients
qui présentent un déficit secondaire en carnitine.
Les
recommandations diététiques comprennent un régime pauvre en carbohydrates et riche en lipides dans les cas de déficits en CI et les
grandes hyperlactacidémies.
Un traitement par dichloroacétate ou
2-chloropropionate peut maintenir en activité maximale la pyruvate
déshydrogénase et réduire l’hyperlactacidémie.
De même, dans
les déficits en CI, l’administration de succinate a été parfois
préconisé, ce substrat étant oxydé par le CII.
Le traitement
symptomatique consiste surtout à éviter certains médicaments
connus pour avoir un effet délétère : valproate de sodium et
barbituriques qui inhibent la chaîne respiratoire et ont entraîné une
insuffisance hépatocellulaire dans certains déficits, les
tétracyclines et le chloramphénicol qui inhibent la synthèse
protéique mitochondriale.
Les autres traitements symptomatiques
comprennent l’administration de bicarbonate de sodium au cours
des accès d’acidose lactique et au long cours si le taux plasmatique
de bicarbonate est inférieur à 18 mmol/L, l’administration d’extraits
pancréatiques dans le cas d’insuffisance pancréatique externe, et des
transfusions répétées dans les cas d’anémie sévère et de
thrombopénie.
Conseil génétique et diagnostic
anténatal :
La transmission de la maladie peut être maternelle dans les cas de
mutations de l’ADNmt, ou autosomique récessive le plus souvent,
mais aussi dominante et liée à l’X dans les cas (les plus fréquents)
où le génome nucléaire est impliqué.
La possibilité d’un diagnostic
prénatal se présente uniquement pour des familles dans lesquelles
le diagnostic de cytopathie mitochondriale a été formellement établi
chez le cas index, soit par mise en évidence d’un déficit
enzymatique, soit par identification de la mutation en cause.
Il reste
cependant difficile, tant sur le plan biochimique que sur le plan
moléculaire.
La mesure des activités de la chaîne respiratoire se fait
sur villosités choriales entre 9 et 11 semaines d’aménorrhée (SA) et
sur amniocytes en culture à 16 SA.
Cependant, ces analyses ne sont
faisables que dans la mesure où les fibroblastes du proposant
expriment le déficit, ce qui est loin d’être toujours le cas. Un résultat
positif révèle une récidive de la maladie.
En revanche, un résultat
normal n’exclut en aucun cas la possibilité d’une expression
ultérieure du déficit au cours de la grossesse ou même en période
postnatale.
En effet, l’expression des gènes de la chaîne respiratoire
et la demande énergétique au cours du développement foetal sont
encore inconnues.
Un résultat normal ne peut être complètement
rassurant et demande impérativement un contrôle ultérieur sur amniocytes.
Enfin, le diagnostic anténatal (DAN) enzymologique ne
peut être proposé dans le cas de déficits du complexe I de la chaîne
respiratoire, car la mesure du complexe I est difficile à effectuer sur
des cellules entières, en particulier les fibroblastes ou les amniocytes.
Le diagnostic anténatal moléculaire concernait jusque-là les
mutations de l’ADNmt puisque les gènes nucléaires n’étaient pas
connus.
Les remaniements de grande taille de l’ADNmt, délétions
ou duplications partielles, sont le plus souvent sporadiques.
Le
conseil génétique peut donc être a priori rassurant, surtout si la mère
n’a pas de remaniement de l’ADNmt.
Il est cependant possible, dans
le but essentiellement de rassurer la famille, de rechercher ces
remaniements dans les villosités choriales du prochain foetus. Les
cas de transmission maternelle ou autosomique dominante de
délétions de l’ADNmt sont extrêmement rares et n’ont jamais fait
jusqu’à présent l’objet de demande de DAN.
Les mutations
ponctuelles de l’ADNmt, transmises selon un mode maternel et dans la grande majorité des cas retrouvées chez les mères, sont presque
toujours à l’état hétéroplasmique (coexistence de molécules normales
et de molécules mutées).
Il est ainsi toujours très difficile de se
prononcer dans ce type de DAN.
En effet, la proportion de
molécules d’ADNmt mutées dans les villosités choriales ne permet
pas d’estimer sa proportion dans d’autres tissus foetaux, ni son
évolution au cours du développement embryonnaire.
La présence
de moins de 20 % ou plus de 80 % de molécules mutées chez le
foetus est respectivement de bon et de mauvais pronostic.
En
revanche, des résultats intermédiaires sont extrêmement difficiles à
interpréter.
Ce n’est que dans les cas où une mutation d’un gène nucléaire a été
identifiée qu’il est possible de proposer un DAN moléculaire fiable,
qui ne repose pas uniquement sur l’investigation enzymologique
mal connue chez le foetus, et qui n’est pas soumis à l’incertitude de
l’hétéroplasmie comme c’est le cas pour les mutations de l’ADNmt.
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