physiopathologie d’une maladie métabolique 2011-2012 MED2 Pr N. Porchet Unité d’Enseignement « Bases Moléculaires et Cellulaires des Pathologies » Séminaire : Les interactions métabolisme/signalisation génétique, au travers d’exemples La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique OBJECTIFS Présenter les bases moléculaires d’une maladie héréditaire du métabolisme Comme suite du cours « La cellule, carrefour du métabolisme » Montrer quelles sont les « logiques » d’un métabolisme pathologique Comment la connaissance du métabolisme normal et pathologique permet de comprendre les signes cliniques et la prise en charge médicale d’une maladie génétique Connaissances médicales sur les maladies héréditaires du métabolisme (pédiatrie, neurologie)

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique I- DEFINITIONS ET GENERALITES : ● Phénylcétonurie (PCU ou dans la bibliographie PKU, phenylketonuria) = phénylcétone dans l’urine ● Maladie génétique : maladie héréditaire du métabolisme (autre terme, plus ancien : « erreur innée du métabolisme ») ● affectant le métabolisme des acides aminés aromatiques : aminoacidopathie ● caractérisée par une hyperphénylalaninémie (= ↑ de la concentration de phénylalanine dans le sang) ● l’exposition du cerveau dès la naissance à un excès de phénylalanine prolongé provoque chez l’enfant un retard mental quelquefois profond et irréversible ● le dépistage biologique néonatal de la maladie et une prise en charge rapide des enfants dépistés empêchent les lésions irréversibles du cerveau et permettent des conditions de vie quasi-normales

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique I- DEFINITIONS ET GENERALITES : ● il existe une forme classique de la maladie et des formes atypiques dont le traitement peut être différent Connaître le métabolisme des acides aminés aromatiques permet de comprendre la physiopathologie des hyperphénylalaninémies génétiques II- METABOLISME DES ACIDES AMINES AROMATIQUES ● 3 AA aromatiques qui ont certaines voies de catabolisme similaires (hydroxylation) noyau phényle hydroxy-phénylalanine noyau indole

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique II- METABOLISME DES ACIDES AMINES AROMATIQUES 1- Apport alimentaire en AA aromatiques voies générales voies spécifiques Phe et Trp : AA indispensables = obligatoirement apportés par l’alimentation, pas de biosynthèse endogène chez l’homme Tyr : AA non indispensable car biosynthèse endogène à partir de Phe

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique II- METABOLISME DES ACIDES AMINES AROMATIQUES 2- Un métabolisme comparable à celui d’autres AA dans la plupart des tissus ● Apport alimentaire, digestion des protéines → AA → transport dans le sang → tissus Synthèse de nouvelles protéines Catabolisme (énergie) ATP (chaîne respiratoire mitochondriale) Phe, Tyr, Trp

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique II- METABOLISME DES ACIDES AMINES AROMATIQUES 3- un métabolisme spécifique dans certains tissus production de protéines spécifiques, hormones (ex : glandes thyroïde et médullosurrénalienne), neurotransmetteurs 4- métabolisme hépatique de la phénylalanine Phe Tyr → transport dans le sang → tissus phénylalanine hydroxylase voies spécifiques voie majeure catabolite majeur voie mineure Enzyme à expression restreinte au FOIE Appartient à la famille des hydrolases spécifiques des AA aromatiques : mono-oxygénases Acide phénylpyruvique catabolite mineur

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique II- METABOLISME DES ACIDES AMINES AROMATIQUES 4- le métabolisme hépatique de la phénylalanine La phénylalanine hydroxylase utilise comme co-facteur la tétrahydrobioptérine (BH4) La phénylalanine hydroxylase est une mono-oxygénase : utilise l’O2 moléculaire Il existe un cycle permettant de régénérer la BH4 Les hydroxylases des 3 AA aromatiques ont un même coenzyme (BH4)

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique 5- métabolisme hépatique pathologique de la phénylalanine dans la Phényl-cétonurie Phe Tyr → transport dans le sang → tissus phénylalanine hydroxylase FOIE voie réduite ou bloquée catabolite mineur ou même absent voie devenue majeure Transaminase : AA → acide cétonique acide phénylpyruvique acide phényllactique acide phénylacétique phényléthylamine → phénylacétylglutamine catabolite majeur SANG→ URINE : nom de phénylcétonurie donné à la maladie = phénylcétone

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique 6- conséquences métaboliques pour l’organisme du défaut de catabolisme hépatique de la phénylalanine dans la Phénylcétonurie Phe Tyr → transport dans le sang → tissus phénylalanine hydroxylase Carence en tyrosine acide phénylpyruvique acide phényllactique acide phénylacétique ● augmentation de Phe, c’est l’hyperphénylalaninémie ● présence de l’acide phénylpyruvique et de ses catabolites ● diminution voire même absence de biosynthèse endogène de Tyr : Tyr devient un AA indispensable (apport par l’alimentation devenu indispensable) FOIE barrière hématoencéphalique SANG Phe, ac phénylpyruvique Effets toxiques cerveau

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique 6- conséquences métaboliques pour l’organisme du défaut de catabolisme hépatique de la phénylalanine dans la Phénylcétonurie A/ dues à l’hyperphénylalaninémie : toxicité cérébrale FOIE Barrière hémato- encéphalique SANG Phe, ac phénylpyruvique, catabolites transporteur LAT1 des AA neutres 2 2 Cerveau Effets toxiques 1 toxicité indirecte : compétition au niveau du transport des AA neutres 1 toxicité directe Val, Leu, Ile, Thr, His, Trp réduction des biosynthèses de protéines intracérébrales anomalies de synthèse de la myéline

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique 6- conséquences métaboliques pour l’organisme du défaut de catabolisme hépatique de la phénylalanine dans la Phénylcétonurie B/ dues à la carence en tyrosine La tyrosine est le précurseur de 3 types de produits spécialisés: 1/ les hormones thyroïdiennes T3 (triiodothyronine) et T4 (tétraiodothyronine ou thyroxine) 2/ les catécholamines (= molécules informatives à noyau catéchol), qui ont un rôle de : Neurotransmetteur: dopamine (SNC), noradrénaline, (système nerveux sympathique) Hormone : adrénaline (médullosurrénale) 3/ les mélanines, pigments colorés (mélanosomes surtout, locus niger) Dans la PCU non traitée, la carence en tyrosine engendre des anomalies de la peau et des phanères (cheveux blonds, yeux bleus, teint pâle, eczéma) et une altération de la synthèse des neurotransmetteurs

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique 6- conséquences métaboliques pour l’organisme du défaut de catabolisme hépatique de la phénylalanine dans la Phénylcétonurie B/ dues à la carence en tyrosine La tyrosine est le précurseur des catécholamines La tyrosine hydroxylase est une mono-oxygénase utilisant la BH4 S Adénosyl Méthionine S Adénosyl Homocystéine

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique 6- conséquences métaboliques pour l’organisme du défaut de catabolisme hépatique de la phénylalanine dans la Phénylcétonurie C/ dues à la carence en tryptophane ● La carence en tryptophane peut résulter d’une compétition au niveau du transport des AA neutres par la phénylalanine en excès transporteur LAT1 des AA neutres Val, Leu, Ile, Thr, His, Trp, Phe ● Le tryptophane est le précurseur de 3 types de produits spécialisés: 1/ les nicotinamide-adénine dinucléotides (NAD+, NADP+) 2/ la sérotonine = molécule active dans la neurotransmission et la vasoconstriction 3/ la mélanotonine = molécule qui intervient dans le rythme circadien Dans la PCU non traitée, la carence en tryptophane contribue aux lésions neurologiques par défaut de synthèse des neurotransmetteurs

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique 6- conséquences métaboliques pour l’organisme du défaut de catabolisme hépatique de la phénylalanine dans la Phénylcétonurie C/ dues à la carence en tryptophane La tryptophane hydroxylase est une mono-oxygénase utilisant la BH4 Biosynthèse de la sérotonine à partir du tryptophane

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique III- La Phénylcétonurie : bases moléculaires de la physiopathologie A/ GENERALITES ♦ maladie génétique autosomique (chromosome 12) récessive ♦ prévalence 1/4000 à 1/40 000 (France 1/17 000), 50 nouveaux cas par an (France) ♦ aminoacidopathie par 1/accumulation toxique de Phe dans le plasma et le cerveau et par 2/ carence relative en neurotransmetteurs responsables sans traitement d’un retard mental et de troubles neurologiques irréversibles ♦ maladie connue depuis 1934 et qui fait l’objet d’un dépistage néonatal systématique généralisé en France depuis 1976 B/ CAUSES MOLECULAIRES DE L’HYPERPHENYLALANINEMIE Perte de fonction de l’enzyme phénylalanine hydroxylase (PAH) 1/ mutations inactivatrices de son gène (PAH) dans 98% des cas de PCU ♦ >700 mutations connues ♦ affectent principalement soit le domaine régulateur (expression du gène) soit le domaine catalytique (liaison au substrat, liaison au cofacteur BH4)

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique 1/ mutations inactivatrices de son gène (PAH) dans 98% des cas ♦ >700 mutations connues ♦affectent principalement soit le domaine régulateur (expression du gène) soit le domaine catalytique (liaison au substrat, liaison au cofacteur BH4) % de formes classiques de PCU, selon la localisation des mutations

Mutation Domaine Activité enzymatique Forme clinique 1/ mutations inactivatrices de son gène (PAH) dans 98% des cas ♦ corrélations génotype-phénotype : exemples Mutation Domaine Activité enzymatique Forme clinique résiduelle (phénotype) R261Q catalytique 38% atypique I65T régulateur 25% classique V388M catalytique 27 % classique P281L catalytique 1% classique G272X catalytique 1% classique IVS12-16 G>A intron 0% classique

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique 2/ mutations inactivatrices affectant les gènes de biosynthèse et recyclage de la BH4 : 2% des cas de PCU ♦ La tétrahydrobioptérine (BH4) est le cofacteur des 3 mono-oxygénases du catabolisme des AA aromatiques : Phe hydroxylase Tyr hydroxylase Trp hydroxylase

2/ mutations inactivatrices affectant les gènes de biosynthèse et recyclage de la BH4 : 2% des cas ♦ Elle a également une activité « chaperone-like » et ↑ stabilité de l’enzyme sous forme active (dimère, tétramère) ♦ Des déficits de la dihydroptérine réductase ou de la carbinolamine réductase provoquent une carence métabolique globale des 3 AA aromatiques ♦ Le traitement de ces formes très graves de déficit en neurotransmetteurs nécessitent un traitement spécifique avec apport exogène en dopamine, 5 OH-tryptophane et BH4 AA aromatique Hydroxy-AA Mono-oxygénase

IV- La Phénylcétonurie : place de la biologie La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique IV- La Phénylcétonurie : place de la biologie 1/ Dépistage biologique néonatal ♦ Sang prélevé à J3, déposé sur « carton Guthrie » et acheminé au laboratoire ♦ Analyse à J5 des AA du sang par chromatographie (et bientôt spectrométrie de masse) pour une prise en charge médicale des sujets positifs à J10 2/ Confirmation diagnostique ♦ Dosage de la phénylalanimémie Valeurs de référence : 45-65 μmol/l Classification : PCU typique (sans régime) : > 1200 μmol/l PCU atypique (sans régime) : 600-1200 μmol/l Hyperphénylalaninémie modérée: <600 μmol/l Unité Fonctionnelle pour le diagnostic des maladies héréditaires du métabolisme : Dr G Briand, CHRU Lille

IV- La Phénylcétonurie : place de la biologie La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique IV- La Phénylcétonurie : place de la biologie 3/ Bilan biologique du suivi thérapeutique biochimie ♦ suivi de la phénylalaninémie ♦ dosage des bioptérines urinaires ♦ activité DHPR (dihydroptérine réductase) ♦ test de charge en phénylalanine pour classification ♦ test de sensibilité à la BH4 exogène (saproptérine) génétique ♦ recherche de la mutation familiale Ces tests permettent au pédiatre d’ajuster un régime pauvre en phénylalanine avec apport diététique (AA indispensables, micronutriments, vitamines) et BH4 (si les sujets sont « répondeurs ») et avec apport exogène en dopamine, 5 OH-tryptophane et BH4 (si la mutation concerne le métabolisme de la tétrahydroptéridine) La détérioration neurologique est proportionnelle au taux de Phe et à la durée de l’exposition Ex d’aliments interdits : viandes, poissons, lait, riz aspartame (L-aspartyl-Lphénylalanine méthylester)

V- La Phénylcétonurie : prise en charge des patients atteints de PCU La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique V- La Phénylcétonurie : prise en charge des patients atteints de PCU 1/ Prise en charge ♦ dans des Centres de Référence et des Centres de Compétence des Maladies héréditaires du métabolisme, et pour le suivi biologique dans les laboratoires spécialisés rattachés aux Centres de Référence 2/ Perspectives de recherche thérapeutique enzymothérapie recombinante ♦ Pouvoir proposer une enzyme recombinante (produite par génie génétique) thérapie génique ♦ Etude chez la souris de la faisabilité et de l’efficacité de greffer un gène exogène fonctionnel et correcteur 4/ Pour aller plus loin ♦ Il existe beaucoup d’autres maladies héréditaires du métabolisme qui affectent le métabolisme des AA aromatiques………

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique Quelques unes des autres maladies héréditaires du métabolisme des AA aromatiques…….

La phénylcétonurie : physiopathologie d’une maladie métabolique REFERENCES Les illustrations citées en références proviennent des livres de biochimie suivants, dont la lecture est recommandée : Chimie, biochimie et biologie moléculaire OMNISCIENCES Collège national des enseignants des facultés de médecine sous la direction de Bernard Sablonnière Biochimie illustrée MALOINE P N Campbell, A D Smith ● Biochimie Humaine MEDECINE-SCIENCES, FLAMMARION F Horn, G Lindenmeier, C Grillhösl, I Moc, S Gerghold, N Schneider, B Münster Autres sources : Encyclopédie ORPHANET, La Presse Médicale Référence, http://www.orpha.net/data/patho/FR/fr-PCU.pdf Guide Médecin Haute Autorité de Santé : phénylcétonurie http://www.has-sante.fr Base de données internationale des mutations PAH http://www.pahdb.mcgill.ca The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease McGRAW-HILL CR Scriver, AL Beaudet, WS Sly, D Valle