Pathologie moléculaire/ADN/Anomalies de l'ADN

Conséquences des lésions de l'ADN - Mutations et variations de l’ADN

L’absence de réparation des lésions de l'ADN peut entraîner une augmentation du taux de mutations délétères, une instabilité génomique et une mort cellulaire.

Les lignées cellulaires des patients porteurs d’une anomalie de l’ADN sont le siège d’une sénescence prématurée associée à un raccourcissement accru des télomères.

La cellule a plusieurs façons de gérer les lésions de l’ADN, allant de la réparation de l'ADN à l’arrêt du cycle cellulaire. La réponse de la cellule au stress génotoxique est un processus très complexe. Il commence habituellement par la détection de l’anomalie de l’ADN, suivie par une série d’évènements combinant la transduction du signal et l’activation de facteurs de transcription. Ces facteurs de transcription activée induisent l’expression de nombreux gènes impliqués dans les fonctions cellulaires comme la réparation de l’ADN, l’arrêt du cycle cellulaire et la mort cellulaire.

L’absence de réparation de l’ADN ou l’absence d’élimination du clone cellulaire porteur de la lésion de l’ADN conduit à la formation de lésions permanentes de l’ADN, transmissibles aux cellules filles et appelées « mutations ».

Les plus fréquentes sont des variations de séquences, qui sont des changements permanents dans la séquence d’ADN codant ou non codant.

Les différents types de mutations

Les mutations sont de plusieurs types et de tailles diverses, pouvant intéresser un gène entier (délétion génique), un exon (délétion exonique) ou quelques nucléotides (mutation ponctuelle).

Délétions et insertions

Les petites délétions ou les insertions intéressant la séquence codante peuvent conduire à un décalage du cadre de lecture du brin d’ADN et sont dénommées « mutations frameshift ». Si le nombre de paires de bases impliquées est de trois ou un multiple de 3, le cadre de lecture est respecté mais un ou plusieurs acides aminés manqueront dans la protéine synthétisée.

Les mutations ponctuelles

Une mutation ponctuelle est la substitution d’une base par une autre base.

Dans la séquence codante, une mutation ponctuelle peut altérer le code génétique dans un triplet de bases et conduire au remplacement d’un acide aminé par un autre dans la protéine produit du gène (substitution). Ces mutations sont donc appelées ‘mutations faux-sens’. Si cette substitution n’entraine que peu de changement dans la fonction de la protéine, la mutation faux-sens est appelée « conservatrice ». Si elle entraine une substitution avec un acide aminé très différent, elle est appelée « mutation faux-sens non conservatrice ». Cette substitution peut également entrainer une anomalie de repliement de la protéine, un changement de conformation de la protéine et entraîner une maladie dite « conformationnelle » (Voir le chapitre "Anomalies de protéines").

Dans les séquences non codantes, des mutations n’impliquant pas les exons codants peuvent également avoir des effets pathogènes. En effet, des mutations ponctuelles ou des délétions dans les séquences régulatrices situées en amont ou en aval d’un gène peuvent interférer avec la fixation de facteurs de transcription et conduire à une augmentation ou une diminution de la transcription du gène, voire même à son arrêt. De plus, dans les introns, des mutations ponctuelles introniques peuvent entraîner des anomalies d’épissage de part et d’autre de l’exon (« mutations d’épissage »). Cette anomalie empêche la formation d’un ARN mature et sa traduction en protéine.

La plupart des changements nucléotidiques dans l’ADN restent sans effet pathogène. Lorsqu’un tel changement est présent dans au moins 1% de la population, il est appelé "polymorphisme nucléotidique". Lorsque ce polymorphisme intéresse un seul nucléotide, il est appelé ‘polymorphisme uninucléotidique’ ou SNP (single nucleotide polymorphism). Ces variations servent de balises (marqueurs de polymorphismes) et ont joué un rôle clé dans les études génomiques et dans la localisation de gènes associés à des maladies humaines.

Les mutations des répétitions de triplets trinucléotidiques

Beaucoup de gènes contiennent des répétitions de trinucléotides (ou triplets). L’expansion de ces triplets a été associée à de nombreuses maladies génétiques, pour la plupart neurologiques ou neuromusculaires, appelées ‘maladies à expansion de triplets’.

Les expansions instables de triplets nucléotidiques sont à l’origine d’une trentaine de maladies humaines. Elles ont un rôle pathologique par une variété de mécanismes comme les interférences avec la structure de l’ADN, la transcription, les interactions ADN-protéine ou protéine-protéine et les anomalies de conformation protéique.

La plupart de ces maladies ont une transmission paternelle, ce qui résulte probablement de mutations spécifiques de cellules germinales. Une étude de cellules germinales dans la maladie de Huntington montre que l’expansion des triplets survient dans la cellule diploïde avant la fin de la méiose. Ainsi, les expansions ne sont pas limitées aux spermatides haploïdes tardives, dans lesquels le génome est dormant.

Les mutations de triplets trinucléotidiques appartiennent à une catégorie spéciale car ces mutations sont caractérisées par une amplification de la répétition de triplets constitués de trois nucléotides, contenant toujours un guanine (G) ou une cytosine (C) : CAG ou ...

Les maladies à répétition polyglutamine (répétitions CAG)

L’expansion de la répétition du trinucléotide CAG codant la glutamine dans différentes protéines entraîne un ensemble de maladies appelé ‘maladies polyglutamine’. Dans ce groupe figurent au moins 9 maladies neurodégénératives progressives de survenue tardive, dont la maladie de Huntington et de nombreuses ataxies spinocérébelleuses (SCA). Ce groupe de maladies a certaines particularités comme la survenue tardive, la progressivité et le lien entre l’âge de survenue et la taille de la répétition.

L’expansion polyglutamine polyCAG provoque un gain de fonction dominant de la protéine qui détermine la neurotoxicité. Néanmoins, le contexte protéique module la toxicité polyglutamine comme en témoigne la variabilité d’expression de cette anomalie. Cette toxicité découle de l’agrégation protéique qu'entraîne cette anomalie.

Les maladies à répétition polyglutamine (répétitions CAG)

• Dystrophie myotonique de Steinert
• Maladie de Huntington
• Maladie de Kennedy
• Syndrome de l'X fragile
• Ataxie spinocérebelleuse (SCA)
• Atrophie musculaire spinobulbaire (SBMA)
• Atrophie dentatorubrapallidoluysienne (DRPLA)
• Ataxie de Friedreich

Les maladies à répétition polyalanine (répétitions CTG)

Les répétitions polyalanine sont assez fréquentes dans le génome et surviennent principalement dans des facteurs de transcription ou des protéines nucléaires. Le rôle des segments polyalanine, mais leur conservation au cours de l’évolution suggère d’importantes contraintes fonctionnelles et structurales. En dehors de PABPN1, qui code une protéine liant les poly(A), tous ces gènes codent des facteurs de transcription qui jouent un rôle important pendant le développement.

L’expansion polyalanine au-delà d’un certain seuil entraîne des anomalies du repliement protéique, une agrégation et une dégradation de la protéine. Les expansions de répétitions trinucléotidiques codant des segments polyalanine sont à l’origine d’une dizaine de maladies humaines.

Les effets des mutations

Les mutations inactivatrices peuvent entrainer une inactivation de la protéine ou une perte de fonction. Pour certaines protéines, l’inactivation des deux allèles du gène est nécessaire pour qu’une pathologie apparaisse (maladie mendélienne récessive). Pour d’autres, l’inactivation d’un seul gène suffit à produire un effet biologique (haploinsuffisance) et entrainer une maladie, de Transmission autosomique dominante.

Les mutations peuvent à l'inverse activer le gène muté (mutations activatrices), c'est-à-dire renforcer l’activité de son produit protéique ou entraîner l’apparition d’une nouvelle fonction ou propriété (gain de fonction).

Les mutations germinales touchent les cellules germinales et sont transmises à la descendance. Elles entraînent des maladies génétiques transmissibles à la descendance.

Les mutations somatiques surviennent dans les cellules somatiques et sont transmises au sous-clone cellulaire issu de cette cellule. Les mutations somatiques peuvent entrainer des anomalies développementales et des cancers.