La phénylcétonurie : physiopathologie dune maladie métabolique 2011-2012 MED2 Pr N. Porchet...

La phénylcétonurie : 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

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)


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

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


II- METABOLISME DES ACIDES AMINES AROMATIQUES

1- Apport alimentaire en AA aromatiques

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

voies spécifiques

voies générales



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)

Phe, Tyr, Trp

ATP (chaîne respiratoire mitochondriale)



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

Acide phénylpyruvique

Enzyme à expression restreinte au FOIE

Appartient à la famille des hydrolases spécifiques des AA aromatiques : mono-oxygénases

catabolite majeur

catabolite mineur

voie majeure

voie mineure

voies spécifiques



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

Les hydroxylases des 3 AA aromatiques ont un même coenzyme (BH4)

Il existe un cycle permettant de régénérer la BH4


5- métabolisme hépatique pathologique de la phénylalanine dans la Phényl-cétonurie


acide phénylpyruvique acide phényllactique acide phénylacétique

phényléthylamine → phénylacétylglutamine

FOIE

SANG→ URINE : nom de phénylcétonurie donné à la maladie

= phénylcétone

voie réduite ou bloquée

voie devenue majeure

Transaminase : AA → acide cétonique

catabolite mineur ou même absent

catabolite majeur


6- conséquences métaboliques pour l’organisme du défaut de catabolisme hépatique de la phénylalanine dans la Phénylcétonurie


acide phénylpyruvique acide phényllactique acide phénylacétique

FOIE

● 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)

SANG barrière hématoencéphaliquePhe, ac phénylpyruvique

cerveauEffets toxiques

Carence en tyrosine



A/ dues à l’hyperphénylalaninémie : toxicité cérébrale

FOIESANG Barrière hémato-

encéphaliquePhe, ac phénylpyruvique, catabolites

CerveauEffets toxiquestoxicité indirecte :

compétition au niveau du transport des AA neutres

transporteur LAT1 des AA neutres

Val, Leu, Ile, Thr, His, Trp

réduction des biosynthèses de protéines intracérébrales

1 toxicité directe

1

22

anomalies de synthèse de la myéline



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



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



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



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


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’HYPERPHENYLALANINEMIEPerte 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)


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

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


2/ mutations inactivatrices affectant les gènes de biosynthèse et recyclage de la BH4 : 2% des cas de PCU

Phe hydroxylaseTyr hydroxylaseTrp hydroxylase

♦ La tétrahydrobioptérine (BH4) est le cofacteur des 3 mono-oxygénases du catabolisme des AA aromatiques :

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

Mono-oxygénase

AA aromatique Hydroxy-AA

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/lPCU atypique (sans régime) : 600-1200 μmol/lHyperphénylalaninémie modérée: <600 μmol/l


IV- La Phénylcétonurie : place de la biologie

Unité Fonctionnelle pour le diagnostic des maladies héréditaires du métabolisme : Dr G Briand, CHRU Lille

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)

Ex d’aliments interdits : viandes, poissons, lait, riz aspartame(L-aspartyl-Lphénylalanine méthylester)


IV- La Phénylcétonurie : place de la biologie

La détérioration neurologique est proportionnelle au taux de Phe et à la durée de l’exposition

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………


V- La Phénylcétonurie : prise en charge des patients atteints de PCU


Quelques unes des autres maladies héréditaires du métabolisme des AA aromatiques…….


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

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