Prions et maladies prioniques

• Introduction
• Chapitre 1 Le concept de prion et l'hypothèse de la protéine seule
• Chapitre 2 La protéine prion cellulaire (PrPSc) : gène, structure et fonction
• Chapitre 3 La protéine prion de la tremblante (PrPSc) : agrégation et propagation
• Chapitre 4 Les souches de prions et la barrière d'espèce
• Chapitre 5 Neuropathologie des maladies à prions
• Chapitre 6 Maladies à prions humaines : maladie de Creutzfeldt-Jakob sporadique, génétique et iatrogène.
• Chapitre 7 Kuru : une perspective historique sur les encéphalopathies spongiformes transmissibles
• Chapitre 8 Maladies à prions animales : la tremblante chez les moutons et les chèvres
• Chapitre 9 Encéphalopathie spongiforme bovine (ESB) et son potentiel zoonotique
• Chapitre 10 Maladie débilitante chronique (MDC) chez les cervidés
• Chapitre 11 Mécanismes de type prion dans d'autres troubles neurodégénératifs.
• Chapitre 12 Diagnostic clinique des maladies à prions humaines.
• Chapitre 13 Techniques d'imagerie dans le diagnostic des maladies à prions.
• Chapitre 14 Biomarqueurs dans le liquide céphalo-rachidien et le sang.
• Chapitre 15 Amplification cyclique du mauvais repliement protéique (PMCA) et essais de conversion induite par agitation en temps réel (RT-QuIC).
• Chapitre 16 Transmission et épidémiologie des maladies à prions
• Chapitre 17 Mesures de santé publique et de sécurité
• Chapitre 18 Décontamination et inactivation des prions
• Chapitre 19 Stratégies thérapeutiques et développement de médicaments
• Chapitre 20 Immunothérapie pour les maladies à prions
• Chapitre 21 Conseil génétique et évaluation des risques dans les maladies à prions familiales.
• Chapitre 22 Modèles animaux dans la recherche sur les prions.
• Chapitre 23 Le rôle du système immunitaire dans la pathogenèse des prions.
• Chapitre 24 Directions futures dans la recherche sur les prions
• Chapitre 25 Implications éthiques et sociales des maladies à prions

Dans le grand théâtre, souvent déconcertant, de la biologie, où les rôles de pathogènes sont traditionnellement tenus par les virus, les bactéries, les champignons et les parasites, un acteur nouveau et totalement inattendu fit son entrée sur la scène dans la seconde moitié du XXe siècle. Cet interprète, le prion, défiait tout script connu de l'infection et de l'hérédité. C'était un agent de maladie réduit à sa plus simple expression, une entité biologique d'une simplicité si élégante qu'elle semblait impossible. Il ne possédait ni ADN, ni ARN, ni enveloppe protectrice — aucun des attributs génétiques que nous associons à la vie et à sa propagation. Le prion était, à l'étonnement et à l'incrédulité initiale de la communauté scientifique, une simple protéine. Non pas n'importe quelle protéine, mais une version mal repliée d'une protéine déjà présente dans l'organisme, capable d'un acte véritablement insidieux : induire ses homologues normaux et bénins à adopter sa propre conformation corrompue.

Ce livre raconte l'histoire de cette protéine. C'est l'exploration d'un principe biologique si novateur qu'il a exigé une réécriture des manuels et valu un prix Nobel à son découvreur, Stanley B. Prusiner. Il forgea le terme « prion » en 1982, un mot-valise formé de « proteinaceous infectious particle » (particule infectieuse protéique), pour décrire cet agent qui était tout protéine et toute infection, un concept qui allait à l'encontre du dogme central de la biologie moléculaire. La sagesse établie était claire : l'information coule des acides nucléiques vers les protéines, jamais dans l'autre sens. Pourtant, voici une protéine qui semblait se propager elle-même, transmettre une maladie mortelle, sans aucune instruction génétique. Ce fut une idée révolutionnaire et controversée, accueillie avec un scepticisme considérable de la part d'un établissement scientifique convaincu qu'un virus caché devait être le véritable coupable.

Les maladies causées par les prions sont aussi étranges et terrifiantes que l'agent lui-même. Collectivement connues sous le nom d'encéphalopathies spongiformes transmissibles (EST), ce sont des troubles neurodégénératifs invariablement mortels qui touchent aussi bien les humains que les animaux. Le nom lui-même dresse un tableau sombre : « spongiforme » fait référence à l'apparence caractéristique du cerveau atteint, qui se trouve criblé de trous microscopiques, ressemblant à une éponge. Cette destruction implacable du tissu cérébral entraîne un déclin progressif des fonctions, se manifestant par une démence, une perte de coordination et des changements de comportement. Une signature de ces maladies est leur période d'incubation extraordinairement longue, qui peut s'étendre sur des années, voire des décennies, pendant laquelle l'hôte ne présente aucun symptôme tandis que le processus silencieux et inexorable de conversion protéique se déroule. Mais une fois les symptômes apparus, la maladie progresse avec une rapidité terrifiante, menant souvent à la mort en l'espace de quelques mois.

Le spectre des maladies à prions est large et inquiétant. Chez l'humain, la forme la plus courante est la maladie de Creutzfeldt-Jakob (MCJ), qui apparaît généralement de façon sporadique, sa cause restant inconnue, chez environ une personne par million dans le monde chaque année. D'autres formes humaines incluent le syndrome de Gerstmann-Sträussler-Scheinker (SGSS) et l'insomnie fatale familiale (IFF), qui sont héréditaires, résultant de mutations dans le gène codant pour la protéine prion. Vient ensuite le kuru, une maladie qui a dévasté le peuple Fore de Papouasie-Nouvelle-Guinée et qui se transmettait par un cannibalisme rituel, fournissant la première preuve concrète que ces maladies cérébrales humaines pouvaient être infectieuses.

Les animaux, eux aussi, souffrent de leurs propres versions de ces maux. La tremblante (scrapie), une maladie des moutons et des chèvres reconnue depuis le XVIIIe siècle, fut la première EST identifiée ; elle tire son nom de la tendance des animaux atteints à se gratter compulsivement la laine contre les clôtures ou les poteaux. Plus récemment, deux autres maladies à prions animales ont capté l'attention et l'inquiétude du public. L'encéphalopathie spongiforme bovine (ESB), ou « maladie de la vache folle », est apparue au Royaume-Uni dans les années 1980, se propageant parmi les bovins via des aliments contaminés. Sa transmission subséquente à l'humain, causant une nouvelle maladie baptisée MCJ variante (vMCJ), a déclenché une crise majeure de santé publique, remodelé les politiques de sécurité alimentaire et révélé le potentiel effrayant des prions à franchir la barrière des espèces. En Amérique du Nord, la maladie débilitante chronique (MDC) continue de se propager insidieusement au sein des populations de cerfs, de wapitis et d'orignaux, soulevant des inquiétudes quant à son impact potentiel sur les écosystèmes et aux risques possibles pour la santé humaine.

Au cœur de toute cette saga se trouve une unique protéine, connue sous le nom de protéine prion (PrP). Sous sa forme cellulaire normale, notée PrP^C, elle est un composant inoffensif, et peut-être même utile, de nos cellules, particulièrement dans le système nerveux, bien que sa fonction précise reste quelque peu énigmatique. Le méchant de l'histoire est la PrP^Sc (nommée d'après la tremblante), l'isomère mal replié, responsable de la maladie. Ces deux versions sont chimiquement identiques, composées de la même chaîne exacte d'acides aminés. La seule différence réside dans leur forme tridimensionnelle, ou conformation. La PrP^C est riche en structures appelées hélices alpha, tandis que la PrP^Sc pathogène est dominée par des feuillets bêta.

Cette différence structurelle change tout. La PrP^Sc riche en feuillets bêta est incroyablement stable et résistante à la dégradation. Alors que les protéines normales sont constamment recyclées par la cellule, la PrP^Sc résiste à la destruction par des enzymes appelées protéases. Cela lui permet de s'accumuler, formant des agrégats et de longs fibrilles amyloïdes qui sont toxiques pour les neurones et mènent aux dommages spongiformes caractéristiques. Crucialement, la PrP^Sc agit comme un modèle. Lorsqu'elle rencontre une molécule de PrP^C normale, elle induit de quelque manière la protéine saine à abandonner sa forme normale et à se replier dans la conformation dangereuse de la PrP^Sc. Cela déclenche une réaction en chaîne, une cascade lente mais implacable de mauvais repliement qui se propage d'une protéine à l'autre, submergeant finalement le cerveau.

L'existence des prions a forcé une réévaluation complète de ce qui constitue un agent infectieux. Contrairement aux virus ou aux bactéries, les prions sont d'une résistance stupéfiante aux méthodes qui détruiraient habituellement les pathogènes. Ils peuvent résister à l'ébullition, aux désinfectants conventionnels, et même à des niveaux de radiation qui anéantiraient l'ADN ou l'ARN viral. Cette robustesse incroyable pose des défis profonds pour la santé publique, de la stérilisation des instruments chirurgicaux à la sécurité des transfusions sanguines et des greffes d'organes. La transmission iatrogène de la MCJ par des instruments neurochirurgicaux contaminés ou des préparations d'hormone de croissance humaine dérivées de personnes décédées sert de rappel brutal de ces risques.

L'une des implications les plus profondes et les plus vastes de la recherche sur les prions s'étend bien au-delà des EST rares. Les scientifiques ont reconnu que le mécanisme d'une protéine mal repliée déclenchant une cascade de mauvais repliements supplémentaires n'est pas unique aux maladies à prions. Ce mécanisme « de type prion » est désormais considéré comme jouant un rôle fondamental dans une multitude de troubles neurodégénératifs plus courants et dévastateurs. Les plaques de protéine amyloid-beta et les enchevêtrements de protéine tau qui caractérisent la maladie d'Alzheimer, ainsi que les corps de Lewy composés d'alpha-synucléine trouvés dans la maladie de Parkinson, semblent tous se propager dans le cerveau selon un mode similaire, auto-propagateur. Bien que ces maladies ne soient pas considérées comme infectieuses de la même manière que la MCJ ou le kuru, comprendre le paradigme du prion offre une lentille puissante pour examiner leur pathologie et une voie prometteuse pour développer de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Ce livre a pour but de vous guider à travers ce monde complexe et fascinant. Nous commencerons par plonger au cœur du concept de prion, en explorant l'hypothèse « protéine seule » ainsi que la structure et la fonction des protéines prion normales et pathologiques. Nous parcourrons ensuite l'ensemble du paysage des maladies à prions humaines et animales, de la curiosité historique du kuru au défi permanent de la maladie débilitante chronique. Les chapitres suivants déplaceront le focus vers les réalités pratiques de la vie dans un monde où existent les prions. Nous examinerons le diagnostic clinique de ces maladies insaisissables, en regardant les techniques d'imagerie avancées et les essais de biomarqueurs qui offrent l'espoir d'une détection plus précoce. Nous confronterons les enjeux de santé publique, incluant l'épidémiologie, la transmission et l'importance cruciale de la décontamination. Enfin, nous nous tournerons vers l'avenir, en faisant le point sur l'état actuel du développement thérapeutique, de l'immunothérapie à la découverte de médicaments, et en contemplant les dimensions éthiques et sociales de ces maladies uniques.

L'histoire des prions est le récit d'une hérésie scientifique devenue fait établi. C'est l'histoire d'un pathogène qui est à la fois une partie de nous et un envahisseur étranger implacable, un Dr Jekyll et Mr Hyde moléculaire. C'est une illustration saisissante de la façon dont un changement subtil dans la forme d'une protéine peut déclencher une cascade de destruction, un processus qui n'est pas seulement central pour un groupe de maladies rares et effrayantes, mais qui pourrait aussi détenir la clé de la compréhension de certains des fléaux neurologiques les plus courants de l'humanité.

L'histoire du prion est une leçon magistrale de révolution scientifique, un récit montrant comment une idée unique et audacieuse peut renverser des décennies de dogme biologique établi. Elle ne commence pas dans un laboratoire moderne étincelant, mais dans les champs balayés par les vents de l'Europe du XVIIIe siècle, où des bergers observent une maladie étrange et mortelle au sein de leurs troupeaux. Ils l'appellent tremblante (scrapie), un nom qui capture vivement le symptôme principal : une démangeaison atroce qui contraint les moutons à s'écorcher la toison contre tout ce qu'ils trouvent. La maladie est inexorablement progressive, menant à des tremblements, des titubements et, finalement, à la mort. Pendant des siècles, elle reste une curiosité vétérinaire, sa cause un mystère total. Au XXe siècle, les scientifiques ont établi que la tremblante était transmissible, mais la nature de l'agent infectieux restait profondément déconcertante.

Les premières investigations sur la tremblante et les maladies humaines apparentées, comme le kuru et la maladie de Creutzfeldt-Jakob, s'inscrivaient dans le cadre de la virologie de l'époque. Les longues périodes d'incubation, pouvant durer des années, voire des décennies, ont conduit le scientifique islandais Björn Sigurðsson à forger le terme de « virus lent » dans les années 1950. C'était une explication plausible et confortable. Elle correspondait à la chronologie des maladies et invoquait une classe de pathogènes connue. Le seul problème, c'est que personne ne parvenait à trouver le virus. Malgré des efforts intenses, aucune particule virale n'a pu être isolée des cerveaux d'animaux ou d'humains atteints. De plus, l'agent responsable de ces encéphalopathies spongiformes transmissibles (EST) faisait preuve d'une résistance bizarre, presque surnaturelle, aux traitements qui auraient dû anéantir n'importe quel pathogène conventionnel. Il survivait à l'ébullition, au formol et à d'autres désinfectants agressifs. C'était une énigme qui laissait entrevoir quelque chose d'entièrement nouveau.

La première brèche majeure dans la théorie du « virus lent » est venue d'une série d'expériences élégantes menées dans les années 1960 par une radiobiologiste basée à Londres, Tikvah Alper. Alper et ses collègues ont prélevé des échantillons de tissu cérébral infecté par la tremblante et les ont bombardés de rayonnements ionisants et ultraviolets (UV). Ils raisonnaient que cela leur permettrait de déduire la taille et la nature de l'agent infectieux. Les résultats furent stupéfiants. L'agent de la tremblante se montra extraordinairement résistant aux rayonnements ionisants, suggérant qu'il était incroyablement petit, peut-être trop petit pour être un virus. Encore plus révélateur fut sa réaction à la lumière UV. Le rayonnement UV à une longueur d'onde de 260 nanomètres est particulièrement efficace pour endommager les acides nucléiques (ADN et ARN), le fondement génétique de toute vie connue, virus inclus. Pourtant, cette longueur d'onde spécifique avait un effet remarquablement faible sur la capacité de l'agent de la tremblante à transmettre la maladie. Il était, comme l'a formulé Alper, efficacement transparent aux UV germicides. C'était un indice profond suggérant que l'agent pourrait ne pas posséder de génome d'acide nucléique du tout.

À peu près au même moment, le chercheur vétérinaire Iain Pattison, au sein du Conseil de la recherche agricole britannique, ébranlait lui aussi la sagesse conventionnelle. Il démontra que la tremblante pouvait être transmise par des extraits cérébraux partiellement purifiés et nota l'incroyable ténacité de l'agent, survivant à des traitements qui détruiraient les virus. Dans une suggestion remarkably prémonitoire, bien que peut-être légèrement teintée d'humour, il spécula que l'agent pourrait être autre chose qu'un virus, peut-être même un polysaccharide auto-réplicateur. L'idée clé était que l'infectiosité semblait inextricablement liée à un composant protéique de l'hôte lui-même. Les preuves s'accumulaient : l'agent de la tremblante était petit, il était coriace, et il semblait défier la règle fondamentale selon laquelle la vie nécessite des gènes pour se répliquer.

C'était l'état des lieux lorsqu'un jeune neurologue américain nommé Stanley Prusiner entra dans le champ en 1972. Son intérêt fut déclenché par un patient qu'il soignait et qui mourait de la maladie de Creutzfeldt-Jakob (MCJ), une encéphalopathie spongiforme humaine. Fasciné et troublé par la nature mystérieuse de la maladie de son patient, Prusiner dédia sa carrière à l'isolement et à l'identification de l'agent infectieux. Il installa un laboratoire à l'Université de Californie à San Francisco et s'engagea dans ce qui allait devenir un effort minutieux de dix ans pour purifier l'agent de la tremblante à partir des cerveaux de milliers de hamsters infectés.

La tâche était monumentale. Prusiner et son équipe durent développer un bioessai plus efficace pour mesurer l'infectivité — essentiellement, chronométrer le temps qu'il fallait aux hamsters pour développer des symptômes après avoir été inoculés avec des fractions cérébrales de plus en plus purifiées. Ce bioessai, bien que lent et laborieux, fut la boussole cruciale qui guida leur quête biochimique. Ils soumirent le matériel infectieux à une batterie de traitements, suivant méticuleusement quelles procédures réduisaient sa capacité à causer la maladie.

À maintes reprises, les résultats pointèrent dans une seule direction. Les procédures connues pour dégrader ou détruire les protéines, telles que le traitement par des enzymes appelées protéases ou certains détergents, réduisaient systématiquement l'infectiosité des échantillons. À l'inverse, les traitements conçus pour détruire les acides nucléiques, incluant diverses nucléases et l'exposition à des ions zinc, n'avaient aucun effet. La conclusion, bien que radicale, devenait inéluctable. L'agent infectieux n'était ni un virus, ni une bactérie, ni aucune autre forme de vie conventionnelle. Son infectiosité dépendait de la protéine.

Dans un article fondateur publié en 1982 dans la revue Science, Prusiner proposa un nom pour ce nouveau pathogène et une hypothèse pour expliquer son existence. Il forge le terme « prion », un mot-valise de « proteinaceous infectious particle » (particule infectieuse protéique), pour le distinguer des virus et des viroïdes (qui sont des molécules d'ARN infectieuses). Le nom était accrocheur, controversé, et destiné à rester. Il le prononça délibérément « pri-on » pour le différencier du nom d'un oiseau de mer. Plus important encore, il articula formellement l'« hypothèse protéine seule ». Cette hypothèse proposait que le prion était une forme aberrante d'une protéine normale capable de s'autorépliquer en l'absence de tout acide nucléique.

L'hypothèse protéine seule était une hérésie scientifique. Elle volait en éclats le dogme central de la biologie moléculaire, qui stipule que l'information génétique fluide des acides nucléiques vers les protéines, et jamais dans l'autre sens. L'idée qu'une protéine puisse agir comme un agent infectieux, portant une information et forçant d'autres protéines à copier sa forme, fut perçue par beaucoup comme absurde. La communauté scientifique réagit avec un scepticisme intense, et dans de nombreux cas, une hostilité franche. Prusiner fut critiqué pour avoir inventé un nouveau terme pour un agent qu'il n'avait pas encore totalement purifié. De nombreux chercheurs établis dans le domaine restaient convaincus qu'un « virus lent » caché était toujours le vrai coupable et que la protéine de Prusiner n'était qu'un sous-produit pathologique de l'infection, non sa cause.

Malgré le tollé, l'hypothèse protéine seule formulait une prédiction claire et testable. Si le prion était bien une version mal repliée d'une protéine normale de l'hôte, alors un gène pour cette protéine devait exister dans le propre génome de l'hôte. Une recherche fut lancée par le groupe de Prusiner et par d'autres laboratoires, notamment celui du biologiste moléculaire Charles Weissmann. En 1985, ils frappèrent le jackpot. Ils parvinrent à identifier et à cloner le gène codant pour la protéine prion (désormais connu sous le nom de PRNP chez l'humain). La découverte décisive fut que ce gène était présent non seulement chez les animaux atteints de tremblante, mais aussi chez des animaux et des humains sains, non infectés.

Ce fut un moment charnière. L'agent infectieux n'était pas un envahisseur étranger doté de ses propres gènes uniques. Au contraire, le problème résidait dans l'une des propres protéines du corps. Cette découverte permit aux scientifiques de finalement distinguer les deux versions de la protéine. La forme normale et saine, présente à la surface des cellules (particulièrement des neurones), fut désignée PrP^C (pour Cellular Prion Protein). L'isoforme infectieuse, responsable de la maladie, fut nommée PrP^Sc (pour Scrapie Prion Protein).

Avec le gène en main, les chercheurs purent commencer à caractériser les différences entre les deux protéines. Chimiquement, elles étaient identiques, composées de la même séquence exacte d'acides aminés. La différence était entièrement conformationnelle — une divergence dans leur forme tridimensionnelle repliée. La PrP^C est predominantly composée de structures souples et en boucles appelées hélices alpha. La PrP^Sc pathogène, en contraste saisissant, est largement constituée de structures rigides et aplaties connues sous le nom de feuillets bêta. Ce changement structurel modifie radicalement les propriétés de la protéine. Alors que la PrP^C est soluble dans les détergents et facilement dégradée par les protéases, la PrP^Sc est insoluble et résiste obstinément à la digestion par les protéases. Cette résistance aux protéases allait devenir un marqueur biochimique critique pour détecter la présence de l'isoforme responsable de la maladie dans les échantillons tissulaires.

La preuve finale et définitive de l'hypothèse protéine seule vint du domaine naissant du génie génétique. Le laboratoire de Charles Weissmann mena l'expérience marquante. Ils créèrent des souris transgéniques chez lesquelles le gène PRNP avait été complètement supprimé, ou « invalidé » (knocked out). Ces souris invalidées pour la PrP étaient anatomiquement normales et en bonne santé, suggérant que la protéine prion n'était pas essentielle à la survie de base, du moins en conditions de laboratoire. Le test crucial survint lorsque ces souris invalidées furent injectées avec une dose puissante de PrP^Sc infectieuse. Le résultat fut sans équivoque : les souris ne tombèrent pas malades. Elles étaient complètement résistantes à la tremblante et ne propageaient aucun prion dans leur cerveau. Cela prouvait, au-delà de tout doute raisonnable, que la PrP^C propre à l'hôte était absolument nécessaire au développement de la maladie. La PrP^Sc infectieuse avait besoin d'un approvisionnement en PrP^C normale à convertir.

D'autres expériences cimentèrent cette conclusion. Lorsque du tissu cérébral normal contenant de la PrP^C fut greffé dans le cerveau de souris invalidées, seul le tissu greffé put être infecté et détruit par les prions ; le tissu cérébral environnant, déficient en PrP, resta indemne. Cela démontrait que l'expression de la PrP^C était requise pour les effets toxiques des prions sur les neurones. Les preuves étaient désormais accablantes : l'information génétique du prion était encodée dans un gène de l'hôte, et la propagation de la maladie dépendait de la présence de la protéine de l'hôte.

Pourtant, un dernier défi restait à relever pour l'hypothèse protéine seule, un exploit souvent qualifié de « saint graal » de la recherche sur les prions : créer des prions infectieux dans un tube à essai en utilisant uniquement des composants protéiques purs et synthétiques. Cela éliminerait toute possibilité qu'un acide nucléique viral contaminant et caché soit responsable de l'infectiosité. Les premières tentatives échouèrent, mais au début des années 2000, plusieurs groupes, dont celui de Prusiner, finirent par réussir. Ils parvinrent à prendre de la protéine prion recombinante, fabriquée dans des bactéries, et à la soumettre à des conditions qui la faisaient se replier mal dans l'état PrP^Sc agrégé et riche en feuillets bêta. Lorsque ce matériel purement synthétique fut injecté chez des animaux, il produisit une maladie neurodégénérative fatale et transmissible.

Ces études de propagation in vitro, notamment celles utilisant des techniques comme l'amplification cyclique du mauvais repliement protéique (PMCA), satisfirent formellement une version moderne des postulats de Koch pour un agent à base de protéine. Il devint possible de générer l'agent infectieux à partir de composants minimaux et définis, prouvant que la conformation d'une protéine seule pouvait être pathogène et infectieuse. Le débat qui durait depuis des décennies était effectivement clos.

En 1997, Stanley Prusiner se vit décerner le prix Nobel de physiologie ou médecine pour sa découverte des « prions — un nouveau principe biologique d'infection ». Ce fut une vindication pour une théorie qui avait été rejetée comme hérétique et pour un scientifique qui avait enduré des années de scepticisme et de controverse. Le voyage, depuis une étrange maladie du mouton jusqu'à la validation d'un concept révolutionnaire, avait remodelé notre compréhension de l'infection, de l'hérédité et de la nature fondamentale de la maladie elle-même.