Pendant des années, les chercheurs n’ont pas pu trouver la cause génétique la plus courante de la SLA, mais aujourd’hui, son traitement gagne du terrain.
Par Elie Dolgin
La famille de Mark Price a une longue tradition de maladies neurologiques. Sa sœur et son oncle sont morts d’une sclérose latérale amyotrophique (SLA) et sa mère et sa tante ont souffert de démence. Cependant, ce n’est que lorsqu’il a lui-même commencé à parler de façon négligée en 2010, peu avant le mariage de sa fille Sharon, qu’il s’est rendu compte qu’il pouvait y avoir une cause génétique sous-jacente à l’histoire médicale tragique de la famille.
Au cours de l’année, on a diagnostiqué la SLA chez Price et Sharon s’est demandée si elle – ou ses futurs enfants – serait la prochaine à en souffrir. J’ai abandonné mes projets pendant un certain temps et je me suis dit : « Je ne peux pas commencer à avoir des enfants tant que ce n’est pas complètement éclairci » », se souvient Sharon, qui avait 26 ans à l’époque. Dans un premier temps, les médecins de Sharon Price n’ont pu identifier aucune déficience dans les gènes associés à la SLA connus à l’époque. Puis, en septembre 2011, on a appris que deux équipes de scientifiques avaient trouvé un nouveau gène lié à la SLA, un gène qui pourrait expliquer jusqu’à 40 % des cas familiaux et 10 % des cas « sporadiques ». Plus encore, ce gène était la cause d’environ 30 % des cas héréditaires d’une maladie connue sous le nom de dégénérescence frontotemporale (DFT). Cela expliquait enfin pourquoi cette maladie neurodégénérative affecte souvent les membres de familles qui souffrent également de la maladie du motoneurone (SLA), comme la famille de Price.
Mark Price sur une photo de famille avec ses filles en 1988. En 2011, on lui a diagnostiqué une SLA et on a trouvé chez lui un gène C9ORF72 défectueux.
Le coupable génétique est appelé C9ORF72 – d’après son emplacement sur le chromosome 9 dans une région connue sous le nom de cadre de lecture ouvert / « open reading frame » (ORF) 72, qui présente un modèle de séquence nucléotidique inhabituel. Chez certaines personnes atteintes de SLA ou de DFT, un court morceau d’ADN dans une partie non codante de C9ORF72 est répété des centaines, voire des milliers de fois ; chez les personnes en bonne santé, la même séquence – GGGGCC – est répétée moins de deux douzaines de fois.
Au début de l’année 2012, Price a été soumis à un test de dépistage de l’expansion répétitive C9ORF72. Le test s’est révélé positif et il est décédé un an plus tard. Et tandis que Sharon et ses deux sœurs pleuraient leur père, elles ont également dû faire face au fait qu’elles avaient chacune 50 % de chances d’être porteuses de l’anomalie génétique. Elles devaient maintenant décider de se faire tester ou non.
Chasse au logement
L’histoire de C9ORF72 commence avec le psychiatre allemand Anton von Braumühl, qui a fait le premier le lien entre la SLA et la DFT en 1932. Cependant, il a fallu attendre le milieu des années 2000, lorsque les gènes de plusieurs générations de grandes familles touchées par les deux maladies ont été étudiés, pour que les chercheurs commencent à se concentrer sur le bras court du chromosome 9 en tant qu’hôte du gène en question. En 2010, ils avaient réduit la zone d’étude à un brin de 232 000 nucléotides – minuscule selon les normes génomiques. Cependant, aucun des quatre gènes de cette région ne contenait de mutations modifiant les protéines qui pourraient expliquer le lien entre les maladies.
« C’est comme si nous savions dans quelle rue regarder mais que nous ne connaissions pas la maison exacte », explique Ammar Al-Chalabi, neurologue et généticien clinicien au King’s College de Londres.
La chasse au gène responsable était lancée. Au moins cinq équipes de recherche européennes et nord-américaines se sont lancées à sa recherche. Beaucoup pensaient qu’il serait tiré d’affaire, mais le C9ORF72 s’est révélé « très retors », explique Ekaterina Rogaeva, généticienne moléculaire à l’université de Toronto, au Canada. « Ce n’est pas exactement un domaine facile à utiliser ».
Un groupe dirigé par Rosa Rademakers, neurogénéticienne à la Mayo Clinic de Jacksonville, en Floride, a étudié trois générations d’une même famille dont les 10 membres étaient atteints de SLA, de DFT ou des deux. Ils ne savaient pas exactement ce qu’il fallait rechercher dans les génomes de ces patients, « alors nous avons cherché tout ce qui semblait suspect », a déclaré Rademakers. Nous avons donc cherché tout ce qui semblait suspect », explique Rademakers. Cela comprenait le morceau de C9ORF72 riche en GGGGCC.
Elle et ses collègues ont utilisé des réactions en chaîne par polymérase (PKR) pour étendre cette région, et ils ont identifié un schéma héréditaire inhabituel : pour chaque membre de la famille atteint d’une maladie neurodégénérative, le test PKR a indiqué deux copies identiques de C9ORF72 alors qu’ils auraient dû avoir des variantes différentes.
C’était un mystère pour Rademakers, jusqu’à ce qu’elle se rende compte que la déficience génétique était plus importante que la limite supérieure que la PKR pouvait lire. Elle et ses collaborateurs se sont donc tournés vers une technique plus sensible appelée PKR d’amorce de répétition et ont observé une grande expansion de répétition – mais seulement chez les membres de la famille affectés. Aucun des membres sains de la famille, ni un millier de cas témoins sains n’ont montré cette expansion de répétition.
Les chercheurs ont testé 696 autres personnes atteintes de SLA ou de DFT pour s’assurer que cette récurrence n’était pas propre à la famille qu’ils avaient étudiée. Ils ont trouvé la mutation C9ORF72 chez 59 personnes qui n’étaient pas apparentées, y compris 22 personnes qui n’avaient pas d’antécédents familiaux connus de maladies neurodégénératives. D’autres expériences ont révélé que le brin GGGGCC se répétait au moins 700 fois.
Rademakers se souvient de son excitation face à cette découverte, qui ne pouvait pas être sans conséquences. À peu près au même moment, un consortium international dirigé par Bryan Traynor, neurologue et généticien à l’Institut national américain sur le vieillissement à Bethesda, dans le Maryland, a fait la même découverte. Traynor a eu vent de l’expansion des répétitions en raison des lacunes techniques d’une autre méthode d’analyse de l’ADN – le séquençage de nouvelle génération. « C’était passionnant de s’asseoir devant l’ordinateur et de savoir ce qui se passait vraiment », dit-il.
Les deux équipes ont publié simultanément leurs résultats en septembre 2011 dans Neuron, devançant les autres groupes. « Ils ont effectivement été plus rapides que nous », déclare Al-Chalabi, « mais nous étions en fait heureux de cela ».
Grâce à la fécondation in vitro, Sharon Stone (à gauche) et Jodie Price, les filles de Price, ont pu éviter de transmettre le gène défectueux à leurs enfants. Photo : Sarah Keayes/The Photo Pitch
Des temps passionnants
Cette découverte a eu un impact immédiat. La fréquence du trouble C9ORF72 chez les patients « a fait comprendre à tous ceux qui s’intéressent sérieusement à la SLA qu’il fallait travailler sur ce sujet », explique Pamela Shaw, neurologue à l’université de Sheffield, au Royaume-Uni.
Brian Dickie, directeur de la recherche et du développement à la Motor Neurone Disease Association à Northampton, au Royaume-Uni, se souvient d’avoir pris l’avion depuis Londres pour se rendre à une réunion aux États-Unis en septembre. C’était cinq jours après la publication des traités de Rademakers et de Traynor. Plusieurs chercheurs et cliniciens spécialisés dans la SLA se trouvaient à bord et l’un d’entre eux avait avec lui des copies des manuscrits. « Pendant le vol, on les a fait circuler », raconte Dickie. « C’était très excitant ».
Plusieurs fabricants de médicaments se sont intéressés à cette découverte. « Il était difficile d’ignorer la découverte de C9ORF72« , explique Brian Zambrowicz, responsable de la génomique fonctionnelle chez Regeneron Pharmaceuticals, une entreprise basée à Tarrytown, New York, fondée pour s’attaquer aux maladies neurodégénératives, mais qui a élargi sa stratégie il y a 20 ans après l’échec de son premier candidat-médicament destiné à aider les personnes atteintes de SLA. Selon Zambrowicz, la découverte de C9ORF72 a incité l’entreprise à se recentrer sur les thérapies de la SLA, en commençant par la création d’un modèle de souris C9orf72.
Ionis Pharmaceuticals, spécialisée dans les thérapies antisens, basées sur l’ARN et capables d’éliminer les gènes responsables de maladies, a également réagi très rapidement. « Le jour où les traités sont parus, nous avons immédiatement élaboré un plan », se souvient Frank Bennett. Il est vice-président senior de la recherche chez Ionis, dont le siège se trouve à Carlsbad, en Californie. En l’espace de deux ans, Frank Bennett et ses collaborateurs universitaires ont démontré qu’un médicament antisens pouvait réduire les niveaux aberrants d’ARNm de C9ORF72 dans les cultures cellulaires. Un peu plus de deux ans plus tard, ils disposaient de données de preuve de concept pour les modèles de souris. Un médicament candidat clé de Ionis fait maintenant l’objet d’études toxicologiques précliniques, et les tests sur les humains pourraient normalement commencer au début de l’année prochaine.
Selon Lucie Bruijn, responsable scientifique de l’ALS Association à Washington DC, la rapidité de ces développements s’explique en partie par l’afflux de chercheurs désireux de traquer les mécanismes par lesquels l’interférence C9ORF72 conduit à la maladie. L’expansion répétée rappelait celles que l’on trouve dans d’autres troubles neurodégénératifs, notamment la maladie de Huntington, la dystrophie myotonique et l’ataxie spinocérébelleuse. De plus, il y avait un chevauchement génétique avec la DFT. Historiquement, les chercheurs qui étudient ces maladies du cerveau travaillaient de manière isolée, mais après la découverte de C9ORF72, ils ont uni leurs forces pour poursuivre un objectif commun.
« Soudain, un grand nombre de cliniciens et de scientifiques se sont intéressés à la SLA », déclare Bruijn. « Cela a donné un énorme coup de pouce à ce domaine ». L’idée de la raison pour laquelle les mutations GGGGCC pourraient causer la SLA ou la DFT n’avait pas grand-chose à voir avec l’expansion de la répétition, mais plutôt avec la protéine normale C9ORF72. Rademakers a découvert que les niveaux de la protéine normale étaient réduits chez les personnes atteintes du trouble génétique. Bien qu’on en sache encore peu sur le rôle de cette protéine, on pense qu’elle intervient dans le transport des molécules dans les cellules. L’observation de Rademakers a permis de suggérer que des niveaux inférieurs de C9ORF72 normale pourraient être à l’origine de réponses cérébrales pathologiques.
Les premières études ont semblé réfuter cette hypothèse. Les souris dont les neurones exprimaient peu ou pas du tout la protéine C9orf72 ne présentaient aucun comportement susceptible d’indiquer une maladie neurodégénérative, et leur cerveau ne présentait aucune caractéristique moléculaire typique de la SLA ou de la DFT. Plus récemment, cependant, plusieurs équipes ont identifié des déficiences immunitaires chez des souris dépourvues de C9orf72 dans tous les tissus. Pris dans leur ensemble, ces résultats indiquent que des niveaux plus faibles de C9orf72 actif en tant que tel ne provoquent pas la dégénérescence des neurones, bien que des réponses immunitaires altérées puissent exacerber la gravité ou la progression de la maladie. « Cela pourrait être un facteur contributif », déclare le neuroscientifique Jeroen Pasterkamp du Centre médical universitaire d’Utrecht aux Pays-Bas, « mais en combinaison avec d’autres mécanismes ».
Travail à faire
Le mécanisme alternatif le plus évident est la toxicité de l’ARN. D’autres maladies causées par des expansions de répétitions non codantes s’expliquent par des agrégats d’ARN aberrants dans le noyau qui se lient à des « protéines maison », normalement responsables du bon fonctionnement de la cellule, mais qui sont désormais grippées. Partant de cette hypothèse, le neuroscientifique moléculaire Adrian Isaacs et ses collègues de l’University College London ont créé des mouches des fruits transgéniques pour vérifier si ces agrégats étaient pathogènes. Et cela a donné lieu à une surprise.
Les mouches présentant plus de 100 répétitions GGGGCC ont montré des signes de neurodégénérescence médiée par C9ORF72– mais seulement si l’ARN contenant les répétitions pouvait être traduit en une protéine, et pas si l’ARN était enchevêtré avec des signaux d’arrêt de la traduction. En d’autres termes, les agrégats d’ARN en tant que tels ne suffisaient pas à induire la maladie. Les protéines malformées semblaient être les véritables coupables. « J’étais convaincu qu’il s’agirait d’une toxicité de l’ARN », a déclaré Isaacs, « mais les données sur les mouches racontaient une autre histoire ».
Les protéines résultant de l’expansion GGGGCC sont produites par un processus inhabituel qui ne nécessite pas de signal de départ et qui peut se produire même pour des séquences répétées situées dans des régions génétiques non codantes. Laura Ranum, neurogénéticienne à l’University of Florida College of Medicine à Gainesville, a été la première à décrire ce phénomène en 2010, en utilisant des tissus de personnes atteintes d’ataxie spinocérébelleuse et de dystrophie myotonique, ainsi que des modèles murins de ces maladies.
Selon Ranum, la communauté des chercheurs a largement ignoré ses conclusions. Beaucoup doutaient de la réalité du mécanisme. Cependant, est ensuite venu le Symposium sur les protéines liant l’ARN dans les maladies neurologiques en novembre 2011 à Arlington, en Virginie, où Rademakers et Traynor ont parlé de C9ORF72 et Ranum a parlé de la forme inhabituelle de la traduction des protéines. Le lien a été rapidement établi.
Dieter Edbauer était assis dans le public et a écouté Ranum. Il se souvient d’avoir sorti son ordinateur portable pour voir quel type de protéines l’expansion de C9ORF72 pouvait créer. Comme la répétition est longue de six nucléotides – et que la synthèse des protéines dépend d’un code triplet – Edbauer a réalisé que C9ORF72 pouvait produire une poignée de protéines différentes, chacune contenant deux acides aminés qui se répètent à l’infini. Il a tapé chacune de ces protéines répétitives dipeptidiques potentielles. « J’ai regardé à gauche et à droite pour voir si quelqu’un voyait ce que je faisais », se souvient Edbauer, qui est neuroscientifique moléculaire au Centre allemand pour les maladies neurodégénératives à Munich. « Je pensais que tout le monde avait la même idée, mais il s’est avéré que ce n’était pas le cas ».
Quinze mois plus tard, en février 2013, Edbauer et ses collègues ont rapporté que ces protéines s’accumulaient dans tout le cerveau des personnes atteintes de C9ORF72. Quelques jours plus tard, Rademakers et ses collègues de la Mayo Clinic, dirigés par le neuroscientifique moléculaire Leonard Petrucelli, ont publié des résultats similaires. Ranum a fait de même avant la fin de l’année.
Depuis lors, de plus en plus de preuves sont venues étayer l’idée qu’au moins certaines des protéines répétitives sont « sans équivoque toxiques et malignes », déclare Paul Taylor, généticien moléculaire au St Jude Children’s Research Hospital de Memphis, dans le Tennessee. Il semble que ces protéines provoquent la neurodégénérescence en arrêtant le trafic des cargaisons moléculaires entre le noyau et le cytoplasme dans les cellules cérébrales. « Le trouble essentiel de C9ORF72 est lié à ce transport nucléaire », explique Jeffrey Rothstein, neurologue à l’école de médecine de l’université Johns Hopkins à Baltimore, dans le Maryland.
Pointer du doigt la responsabilité
Certains chercheurs sont maintenant prêts à désigner ces protéines problématiques comme les seules coupables lorsqu’il s’agit de maladies médiées par C9ORF72. « Pour parler franchement, les polydipeptides toxiques ne contribuent pas à la maladie, ils la sous-tendent », déclare Steven McKnight, biochimiste au Southwestern Medical Center de l’Université du Texas à Dallas. McKnight estime que les agrégats d’ARN et la réduction des niveaux normaux de protéine C9ORF72 sont « plutôt insignifiants ».
Cependant, la plupart des chercheurs restent dubitatifs. « Pour ces systèmes modèles simples, la preuve que la protéine est toxique est écrasante », déclare Aaron Gitler, neuroscientifique moléculaire à la faculté de médecine de l’université de Stanford en Californie, mais, ajoute-t-il, « dans le contexte des maladies humaines, il pourrait toujours s’agir d’une combinaison de facteurs et je dois garder mes options ouvertes. »
Le débat sur les mécanismes de la maladie n’est pas purement théorique : il est à l’origine de la mise au point de médicaments. Certaines entreprises, dont Neurimmune à Zurich, en Suisse, et Voyager Therapeutics à Cambridge, dans le Massachusetts, se concentrent uniquement sur le blocage des protéines répétitives ou tentent d’empêcher leur fabrication, tandis que d’autres, comme Karyopharm Therapeutics à Newton, dans le Massachusetts, espèrent inhiber les déficiences en matière de transport nucléaire sans cibler directement les produits du gène C9ORF72.
Cependant, certaines stratégies thérapeutiques, comme l’antisens, ne dépendent pas de la nature exacte du mécanisme. Comme les médicaments antisens peuvent arrêter la production d’ARN et de protéines, peu importe lequel des deux est le facteur causal dans les cellules cérébrales, explique Paul Bolno, PDG de Wave Life Sciences à Cambridge, Massachusetts, qui se prépare à tester une thérapie antisens ciblant C9ORF72 sur des patients l’année prochaine. Et comme les niveaux des protéines répétées peuvent être détectés dans le liquide céphalo-rachidien, il est facile d’évaluer si le médicament fonctionne ou non. « Tu as un biomarqueur mesurable », dit Bolno.
Étant donné la vitesse à laquelle la recherche des fabricants de médicaments progresse, il est parfaitement possible qu’une thérapie efficace pour les maladies médiées par C9ORF72 soit disponible au moment où les proches de Mark Price commenceront à présenter des symptômes de neurodégénérescence. Sa fille cadette Haley trouve cette perspective encourageante. « Chapeau à la communauté scientifique », dit-elle. D’un autre côté, elle s’inquiète que les décideurs politiques ne fassent pas assez pour soutenir les mesures de santé préventives disponibles aujourd’hui pour éviter les maladies liées à C9ORF72.
Soucieuses d’agrandir la famille, Haley et ses sœurs se sont également fait tester pour le C9ORF72 peu de temps après que leur père ait été déclaré positif. « Malheureusement », dit Jodie, la sœur aînée, « il y avait de mauvaises nouvelles pour tout le monde ». Depuis, chaque sœur a eu recours plusieurs fois à la fécondation in vitro. Au cours du processus, elles ont également fait vérifier que les embryons ne présentaient pas le trouble C9ORF72 avant de les implanter. Émotionnellement, physiquement et financièrement, cela a été dur pour elles toutes. Le coût à lui seul, selon leurs estimations, s’élevait à environ 100 000 euros. Mais au bout du compte, c’était « la confirmation que la science fait des merveilles et que nous pouvions nous débarrasser de cette malédiction familiale », dit Haley.
Jack, le fils de Sharon, a récemment fêté son troisième anniversaire, Jodie donnera naissance à une fille à la mi-novembre et Haley a deux embryons congelés prêts à être utilisés après son mariage le 9 décembre.
Traduction : Bart De Becker
Source : Nature Outlook