Vache Folle et Prions : quand les protéines attaquent le cerveau !
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Publié le 05/05/2012
Résumé

Panique dans l’étable ! A la fin des années 1980, les cas de vaches « folles » augmentent de manière considérable passant de rarissimes à plusieurs dizaines de milliers entre 1986 et 1992 ! Cette maladie ressemble fort à la tremblante du mouton, connue depuis de nombreuses années. Les recherches ont conduit à désigner un coupable : une protéine appelé prion.

Article rédigé par Natacha Gillet (Etudiante en M2 Chimie Moléculaire à l'UPMC), édité par Nicolas Lévy (Responsable Editorial CultureSciencesChimie)


Table des matières

  1. Introduction
  2. La protéine : une structure particulière
  3. Les vaches folles et le prion
  4. Le mode d'action du prion
  5. Une éponge au lieu du cerveau

 

1. Introduction

Panique dans l’étable ! A la fin des années 1980, les cas de vaches « folles » augmentent de manière considérable passant de rarissimes à plusieurs dizaines de milliers entre 1986 et 1992 ! Cette maladie ressemble fort à la tremblante du mouton, connue depuis de nombreuses années. Les autorités surveillent de plus près les élevages, interdisent l’utilisation de farines animales dans la nourriture du bétail, mais bientôt des personnes sont touchées d’une maladie similaire (cas de maladie de Creutzfeldt–Jakob)... Celle-ci se transmettrait donc par l’alimentation ? Tout porte à le croire... mais de quelle manière? La transmission s’effectue-t-elle grâce à un virus, comme pour la grippe ou le sida, un microbe, comme dans les cas de tuberculose ou d’angine blanche ? Les recherches ont conduit à n’accuser ni l’un ni l’autre, mais à désigner un autre coupable : une protéine appelé prion.

 

2. La protéine : une structure particulière

Une protéine ? Ce truc que l’on trouve dans la viande qui donne des forces (un peu comme le fer des épinards) serait-il dangereux ? En voilà une bonne excuse pour tous les végétariens! Sauf que... les protéines ne sont pas seulement les principaux constituants d’un bon steak, mais constituent une famille «d’énormes» molécules (d’une taille à peu près 100 à 1000 fois supérieure à celle d’une molécule d’eau ! Ce qui reste néanmoins inférieur à un millième de l’épaisseur d’un cheveu) qui remplissent de nombreux rôles dans l’organisme de tous les êtres vivants, y compris chez les microbes et les humains ! Il en existe des milliers dans une seule et même cellule (le corps humain possède plus d’une centaine de milliers de milliards de cellules) qui peuvent servir à transporter des éléments essentiels à l’organisme, permettre ou empêcher l’entrée de ces éléments dans la cellule, accélérer des réactions chimiques, ou encore favoriser la création de nouvelles protéines ! Beaucoup d’entre elles demeurent encore méconnues, et leur fonction reste à déterminer. Rien de bien dangereux a priori... une protéine provenant de l’alimentation devrait d’ailleurs être détruite durant la digestion ou au pire reconnue par les globules blancs et exterminée. Qu’a de différent le prion pour être au coeur de maladies mortelles pour les animaux et pour les hommes ? Les différentes études ont montrées que c’est tout simplement la forme de cette protéine qui est à l’origine de tous ces problèmes.

En effet, si chaque protéine peut jouer un rôle particulier dans un organisme c’est avant tout grâce à sa forme. On parle en général de la structure de la protéine. Tout comme la main des hommes est faite pour attraper des choses, ou comme les ailes des avions sont profilées pour permettre à l’appareil de voler, les protéines sont agencées de manière à accomplir une certaine tâche. En conséquence, une cellule ne crée pas n’importe quelle grosse molécule avec n’importe quel atome.

Tout d’abord il faut savoir que toutes les protéines, quelque soit la cellule, peuvent être découpées en plus petites molécules appelées acides aminés. Il existe une vingtaine d’acides aminés différents qui servent à construire toutes les protéines de tous les organismes ! Ils sont un peu comme des briques lego, qui avec un nombre limité de formes permettent de construire toutes sortes d’objets. Chaque protéine est constituée de dizaines voire de centaines d’acides aminés dont l’ordre dépend des informations contenues dans les gènes. Les protéines chargées de construire leurs semblables « lisent » ces informations et assemblent un à un les acides aminés qui forment alors une chaîne qu’il est très difficile de rompre. Cette chaîne est appelée la structure primaire de la protéine. Celle-ci ressemble à un long spaghetto, ou à un boudin de pâte à modeler qui se replie par endroit pour donner des formes précises comme des spirales ou des serpentins. Ces dessins en trois dimensions sont désignées sous le terme de structure secondaire de la protéine (voir Figure 1) et peuvent se défaire relativement facilement, en chauffant la protéine par exemple.

 

Fig. 1 : Des acides aminés (a) à la structure primaire (b) puis la structure secondaire (c) d'une protéineFig. 1 : Des acides aminés (a) à la structure primaire (b) puis la structure secondaire (c) d'une protéine

 

Maintenant que l’on possède ces différents éléments tridimensionnels, il faut encore les disposer de manière adéquate afin d’obtenir une protéine capable de fonctionner (dans sa structure tertiaire) ! Prenons notre
boudin de pâte à modeler modifié à plusieurs endroits (entortillé, aminci, grossi...), et modelons-le encore un peu afin que les différentes formes créées précédemment soient assemblées de manière à obtenir une jolie sculpture. Mais attention, il est courant de se tromper et d’obtenir une sorte de patate informe plutôt que ce que l’on souhaitait représenter ! De même, l’organisme produit parfois des protéines ne possédant pas la bonne structure, mais il est aussi capable, en général, de les reconnaître, puis de les détruire ou de les « sculpter » à nouveau. Trois niveaux de structures, de plus en plus complexes, caractérisent donc les protéines...

Trois ? Il n’y en aurait pas un quatrième par hasard ? Et si... mais quelle peut bien être cette structure quaternaire (voir figure 2) ? Désormais la protéine est prête à remplir son rôle, si tout s’est bien déroulé ! Disons que l’union fait la force, et que certains travaux nécessitent d’être à plusieurs, demandent une certaine coordination entre différents éléments : les protéines s’associent par deux, trois, ou quelques dizaines pour former de véritables usines microscopiques ! Une erreur dans une de ces micromachines et tout l’organisme se trouve mis à mal.

 

Fig. 2 : une protéine en forme d'éléphant : de la structure tertiaire (a) à la structure quaternaire (b)Fig. 2 : une protéine en forme d'éléphant : de la structure tertiaire (a) à la structure quaternaire (b)

 

Nous avons dit précédemment que les protéines malformées étaient éliminées ou modifiées. C’est le cas le plus souvent. Mais parfois, l’organisme ne perçoit pas le problème : un changement minime dans la structure primaire, par exemple le remplacement d’un acide aminé par un autre, ne peut poser problème qu’au niveau de la structure quaternaire! Les mécanismes de contrôle d’un bon repliement ne peuvent percevoir de telles malformations. Les conséquences d’une mauvaise structure primaire peuvent être très graves : c’est le cas des maladies génétiques...

 

3. Les vaches folles et le prion

Mais revenons à nos moutons, ou à nos vaches, ou plus exactement au prion. Et à sa structure. Tout d’abord il faut savoir que les moutons, les vaches, les humains et beaucoup d’autres mammifères produisent dans leur cerveau une protéine appelée prion, ou plus exactement PrPc, totalement inoffensif. Malheureusement, cette protéine existe sous une autre forme, nommée PrPSc, accusée d’engendrer une destruction des cellules du cerveau. La différence entre ces deux « prions » ne réside pas uniquement dans leur nom mais avant tout dans leur structure secondaire. Revenons en détail sur celle-ci.

Les différents atomes des acides aminés interagissent entre eux afin de permettre le repliement de la chaîne. Une interaction est au coeur de la structure secondaire de toute protéine : la liaison dite hydrogène. C’est-à-dire ? Une interaction qui met en jeu un atome d’hydrogène ! Soit, on s’en serait douté. L’hydrogène est un petit atome pauvre en électrons, ces petites particules que s’échangent les atomes pour former des liaisons. A dire vrai, il n’en possède qu’un seul, qu’un voisin comme l’azote essaye de lui « voler », du moins en partie. L’hydrogène, alors fort démuni, ce trouve alors attiré par un autre voisin, bien plus riche, et prêt à lui prêter un peu de sa fortune, l’atome d’oxygène d’un autre acide aminé. La liaison hydrogène-azote demeure la plus forte, même si elle se trouve un peu affaiblie... parfois, l’attrait de la richesse est capable de rompre les couples les plus soudés ! Or chaque acide aminé contient un hydrogène lié à un azote et un oxygène tout à fait d’accord pour partager ses électrons. La liaison hydrogène ne peut se former sur un même acide aminé du fait de la disposition des atomes (voir figure). Mais comme la chaîne d’acides aminés est relativement souple, elle peut se replier de manière à rapprocher un hydrogène et un oxygène de deux acides aminés différents. Comment?

Généralement, soit en formant une spirale, appelée hélice α, soit en formant des segments parallèles, ce qu’on nomme feuillet β (voir figure 3). On constate évidemment que, bien que la cause de l’existence de ces deux motifs 3D soit la même, ils n’ont dans leur architecture rien guère de points communs !

 

Fig. 3 : Hélice alpha et feuillet bêtaFig. 3 : Hélice alpha et feuillet bêta

 

Or, le prion naturel contient plusieurs hélices α et le prion dangereux des feuillets β, alors qu’ils possèdent la même structure primaire ! Si la fonction d’une protéine est fortement reliée à sa forme, il devient évident que le PrPSc ne peut agir correctement dans l’organisme. Toutefois, nos cellules tolèrent la présence de quelques "chômeurs" ; ils finiront, a priori, comme toutes les autres protéines, par être détruits. Seulement, une protéine PrPSc, non contente d’atteindre les cellules du cerveau et de ne servir à rien, corrompt les PrPC naturellement présents qui se transforment alors en PrPSc. Comme certaines parties de ces protéines détestent le milieu dans lequel elles se trouvent, mais s’apprécient énormément, elles s’associent entre elles pour former de plus gros amas de protéines. La transformation des PrPC en PrPSc résulte d’un phénomène compliqué et plutôt rare. De même, pour qu’un amas commence à se former, il faut que les protéines se rencontrent, ce qui n’est pas évident dans l’espace immense et bondé que représente une cellule, à l’échelle de la protéine évidemment.

 

4. Le mode d'action du prion

Essayez de retrouver un ami dans un centre commercial au moment des soldes, sans téléphone portable ni de point de rendez-vous ! Pas facile... Ce qui peut expliquer les quelques années qui séparent l’arrivée du PrPSc et le déclenchement de la maladie. Par contre, une fois que plusieurs prions se sont retrouvés, il leur est plus facile d’attirer leur congénères et l’amas grossi de plus en plus vite jusqu’à former une sorte de tube capable de tuer la cellule dans laquelle ils se trouvent, puis les voisines etc... C’est ainsi que des parties plus ou moins importantes du cerveau sont détruites.

 

Fig. 4 : Le mode d'action du prionFig. 4 : Le mode d'action du prion

 

Cette explication est la plus communément admise mais d’autres hypothèses ont été envisagées ou sont envisageables. Toutefois d’autres maladies, comme celles d’Alzheimer ou de Parkinson, seraient causées par des associations de protéines malformées. Comprendre les différents processus conduisant à ces dangereuses structures permet d’imaginer des traitements efficaces et adaptés pour soigner les patients atteints de ces maladies. Pour ce faire, les chercheurs disposent de nombreux outils et machines capables d’étudier les protéines, leur forme et leur(s) fonction(s). Ces études se révèlent parfois très longues.

 

5. Une éponge au lieu du cerveau ?

Il faut avouer que le vivant est un monde complexe, et sa compréhension requiert l’attention de biologistes (évidemment) mais également des chimistes et des physiciens ! En effet, les méthodes actuelles permettent d’observer des choses bien plus petites que ne le peuvent les microscopes de la salle de SVT d’un collège. La chimie et la physique se révèlent alors nécessaires pour comprendre les phénomènes biologiques à l’échelle de l’atome et de la molécule. Et on a pu constater au combien des modifications à cette échelle pouvaient avoir des conséquences désastreuses pour l’organisme !

Les maladies causées par le prion telles que la tremblante du mouton, la maladie de la vache folle, le kuru (maladie qui touchait certaines tribus de Nouvelle-Guinée qui avait pour tradition, lors d’un rite funéraire, de manger le cerveau du mort), ou la maladie de Creutzfeldt–Jakob sont identifiées sous le nom d’encéphalopathies spongiformes transmissibles. Derrière ces termes incompréhensibles se cache le fait que la présence d’amas de prions cause la destruction de cellules du cerveau (autrement dit l’encéphale) et la formation de « trou ». dans ce dernier qui lui donne l’aspect d’une éponge !

 

Fig. 5 : Coupe d'un cerveau atteint de la maladie de Creutzfeldt-JakobFig. 5 : Coupe d'un cerveau atteint de la maladie de Creutzfeldt-Jakob

 

Sur cette coupe vue au microscope d’un cerveau atteint de la maladie de Creutzfeldt–Jakob (figure 5), les trous blancs (flèches) constituent les dégâts provoqués par la maladie. On observerait une image similaire en regardant une fine tranche d’éponge à la loupe !

Cependant, ne pas nourrir les vaches avec leurs congénères réduits en poudre, alors qu’elles sont végétariennes, demeure un moyen d’éviter qu’elles deviennent folles, et nous aussi, par la même occasion !

 

 
 
 
 
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