Chercher le gène défectueux et comprendre le mécanisme pathogène

Comprendre une maladie génétique c’est principalement identifier le gène défectueux et connaître les mécanismes moléculaires pathogènes sous-jacents aux manifestations cliniques de la maladie, une étape nécessaire dans la recherche de solutions thérapeutiques. C’est toujours un chemin long et difficile. Toutefois, avec l’explosion ces dernières années de nos connaissances en biologie, il est apparu que l’on peut avancer beaucoup plus vite dans l’étude des maladies humaines en utilisant des modèles cellulaires simples comme des microorganismes à croissance rapide se prêtant bien à l’analyse et aux manipulations génétiques. En effet, si la vie a pris des chemins très différents au cours de son évolution, toutes les espèces biologiques, des bactéries à l’homme, ont en commun des propriétés fondamentales. Ceci explique la présence dans les génomes des espèces d’un ‘fond génétique commun’ constitué de très nombreux gènes.

L’une de ces propriétés fondamentales de la vie, qui conduit aux maladies mitochondriales lorsqu’elle est altérée, est la transduction d’énergie, c'est à dire la capacité des organismes vivants de prélever dans leur environnement de l’énergie et de transformer celle-ci sous une forme (l’ATP) directement utilisable par la cellule. La levure est un modèle de choix pour l’étude de la transduction d’énergie dans les cellules humaines. Cela peut paraître surprenant à première vue car la levure peut assurer ses besoins énergétiques par un tout autre mécanisme, la fermentation. Toutefois, la levure est aussi capable de produire de l’ATP comme nous par la voie mitochondriale. Pourquoi cela fait-il de la levure un bon modèle? Pour une raison bien simple : lorsque les mitochondries tombent en panne d’énergie à la suite d’une mutation cela n’est pas très grave pour la levure tandis que pour nous, et pour la majorité des espèces qui possèdent des mitochondries, cela est gravissime. Ainsi, on peut maintenir correctement en vie, et donc analyser dans de bonnes conditions, des cellules de levure dans lesquelles un gène nécessaire à la production d’ATP dans les mitochondries a été inactivé par mutation. Il suffit pour cela de donner à la levure mutée du sucre qu’elle n’aura aucun mal à fermenter. En revanche, la même levure ne sera plus capable de croître si on lui donne un substrat que seule la voie mitochondriale peut métaboliser (par exemple du glycérol). C'est-à-dire transformer en énergie.

Grâce à cette dualité métabolique, on a pu établir en quelques années à peine, un catalogue de plusieurs centaines de gènes de levure à fonction mitochondriale, et le séquençage du génome humain a révélé que plusieurs dizaines de ces gènes sont conservés chez l’homme. Avec à ce catalogue, on a pu accélérer l’identification de plusieurs dizaines de mutations impliquées dans des maladies mitochondriales. De plus, avec la levure, que l’on peut cultiver rapidement et en grande quantité (des kilogrammes si nécessaire), il est aisé de caractériser dans les cellules les perturbations moléculaires induites par les mutations causales. Par exemple, en introduisant chez la levure un équivalent de la mutation responsable de la maladie de Friedriech, on a trouvé que cette maladie est due à une dérégulation du Fer dans les mitochondries, et à partir de là des solutions thérapeutiques ont pu être envisagées.

Les mutations de l’ADN mitochondrial

ADN mitochondrial de l'homme et la levure

Recherche de mécanismes correcteurs : suppresseurs génétiques et pharmacologiques.

Après l’identification des mutations pathogènes et la compréhension de leurs effets, vient l’étape de la recherche des mécanismes correcteurs. Ici aussi la levure présente bien des avantages. Disposant d’une souche mutante ‘ levure-malade’ mimant une maladie mitochondriale, on peut avec une puissance de sélection considérable rechercher des mutations correctrices, restaurant un bon fonctionnement mitochondrial. On parle de ‘suppresseurs génétiques’. Pour cela, on étale des millions de cellules de la souche ‘levure-malade’ à la surface d’un milieu gélosé contenant une source énergétique non-fermentescible (du glycérol par exemple). Généralement on voit apparaître après quelques jours d’incubation quelques rares colonies ou ‘révertants’ ayant recouvré la capacité de produire en quantité suffisante de l’ATP par la voie mitochondriale. Il peut s’agir d’une correction au niveau de la mutation initiale : le gène défectueux a été réparé à l’identique et on parle alors de révertant vrai. Il se peut aussi que la mutation initiale soit toujours présente et que la mutation correctrice soit située dans un autre gène (révertant extragénique). A plusieurs reprises, il a été observé que des mutations de l’ADN mitochondrial peuvent être corrigées fonctionnellement par des mutations de l’ADN nucléaire. Cela est fort intéressant car nous ne savons pas réparer l’ADN mitochondrial humain, et il est improbable qu’on puisse y arriver un jour, alors qu’il existe un espoir certain de pouvoir dans un futur relativement proche modifier le génome nucléaire des cellules humaines.

Une autre démarche, aisée à mettre en oeuvre avec de la levure, est de rechercher directement des médicaments. L’approche est similaire à la précédente sauf que ici ce sont des molécules qui lorsqu’elles sont incorporées dans le milieu de culture peuvent guérir la ‘levure-malade’. Avec la levure on peut cribler en quelques mois à peine des banques constituées de plusieurs dizaines de milliers de molécules. Par cette démarche, des molécules potentiellement utiles dans le traitement de certains cancers et de maladies à prions ont été trouvées récemment. Cette démarche commence à être utilisée pour les maladies mitochondriales et l’espoir existe de pouvoir ainsi trouver plus rapidement des molécules actives contre ces maladies.

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