L’histoire de la recherche dans le syndrome de Rett (RTT) est marquée par un certain nombre de dates-clés, qui émaillent la progression de l’intérêt porté à cette pathologie. Parmi les dates principales, la plus ancienne est la première description du RTT en tant qu’entité distincte par le pédiatre autrichien Andreas Rett en 1966. Cette description sera complétée de manière très détaillée par le pédiatre suédois Bengt Hagberg en 1983. En 1992, Adrian Bird, dont le laboratoire en Écosse étudie les protéines régulatrices de l’expression des gènes qui se lient à l’ADN méthylé, découvre le gène MECP2 chez la souris. Cette équipe, qui cherchait à comprendre le rôle fondamental que joue MECP2 dans des cellules humaines, travaillait sans le savoir sur le gène principalement impliqué dans le RTT. Le gène humain est par la suite cloné pour la première fois par une équipe italienne (1996). Une des dates les plus marquantes pour ce syndrome est en 1999, lorsque l’équipe de Huda Zoghbi a fait pour la première fois le lien entre le gène MECP2 et la pathologie RTT.
Cette découverte essentielle a suscité un engouement très important et généré beaucoup d’espoir dans le milieu des cliniciens et des parents. Le gène majeur responsable du RTT venait d’être identifié. Enfin, il faut noter qu’une autre grande avancée eut lieu en 2001 avec l’apparition des premiers modèles de souris mutantes qui récapitulent une partie des troubles que l’on observe chez les filles Rett. Ces modèles animaux sont des « outils » indispensables pour les biologistes afin de mieux comprendre la physiopathologie de la maladie, et constituent des modèles précliniques essentiels afin d’évaluer le pouvoir curatif de certains traitements (cf. paragraphe Les approches thérapeutiques).
Le but des paragraphes suivants n’est pas de faire un catalogue de toutes les découvertes dans le domaine du RTT, ce qui serait totalement impossible au vu du nombre croissant de publications dans ce domaine, mais plutôt de mettre en avant les études les plus novatrices de ces dernières années.
Les déficits neurochimiques dans le syndrome de Rett
Le syndrome de Rett se caractérise par des signes phénotypiques distinctifs par comparaison avec d’autres pathologies neurologiques génétiques.
Ainsi, les stéréotypies manuelles et les troubles respiratoires de type hyperventilations et apnées sont relativement spécifiques de ce syndrome et depuis de nombreuses années cliniciens et scientifiques suspectaient certaines atteintes neurochimiques pouvant en partie les expliquer (Wenk et al., 1991). Tour à tour, un grand nombre de neurotransmetteurs ont été incriminés dans le RTT. Les neurotransmetteurs sont des substances chimiques fabriquées par l’organisme qui permettent aux neurones de transmettre des informations (l’influx nerveux) entre eux ou entre un neurone et un autre type cellulaire de l’organisme (muscles, glandes). Dans le RTT, la première famille de neurotransmetteurs déficitaires identifiée a été celle des bioamines. En effet, des données provenant d’échantillons plasmatiques, urinaires et postmortem indiquaient que cette famille de neurotransmetteurs, qui comprend la dopamine, la noradrénaline et la sérotonine, était particulièrement affectée chez les patientes. Cependant les résultats obtenus par les différentes équipes souffraient d’une très grande variabilité (Roux and Villard, 2010). Par la suite les études poussées chez les souris modèles ont permis de montrer que les bioamines sont progressivement touchées au fur et à mesure que la pathologie s’installe. Par ailleurs, des données plus récentes, toujours issues des résultats provenant des modèles murins, ont montré qu’une autre famille de neurotransmetteurs, composée d’acides aminés excitateurs (Glutamate) et inhibiteurs (Gaba), était sévèrement touchée (Chao et al., 2010). En parallèle de ces travaux, plusieurs équipes de recherche ont développé des approches thérapeutiques afin de corriger pharmacologiquement les déficits en neurotransmetteurs (cf. paragraphe Les approches thérapeutiques).
Ces approches pharmacologiques ciblées sur un neurotransmetteur précis sont relativement faciles à mettre en oeuvre s’il s’agit de molécules possédant déjà des autorisations de mise sur le marché. En revanche, au vu de l’ensemble des atteintes concernant les différents neurotransmetteurs, il apparaît de plus en plus difficile de pouvoir traiter la totalité des déficits neurochimiques uniquement par la voie de la pharmacologie.
Le surdosage de MECP2 est préjudiciable au fonctionnement du SNC
Depuis maintenant plusieurs années, on sait que des mutations dans le gène MECP2 sont responsables du RTT essentiellement chez les filles, mais aussi d’encéphalopathies gravissimes chez les garçons, conduisant souvent à un décès précoce survenant avant l’âge de deux ans. Jusqu’en 2005, seules des mutations provoquant un déficit de fonctionnement de la protéine Mecp2 étaient connues. Plus récemment, la recherche de gènes causatifs chez des garçons encéphalopathes sévères, présentant à la fois une déficience intellectuelle, des troubles moteurs ainsi que des infections respiratoires récurrentes pouvant causer leur décès au cours de l’adolescence, a conduit à l’identification de duplications en tandem du gène MECP2 (Van Esch et al., 2005). Le nombre de patients présentant ces duplications du gène MECP2 est relativement important et l’on parle actuellement d’un syndrome de duplication.
Plus récemment encore, des garçons présentant trois copies du gène MECP2 ont aussi pu être identifiés. Ces informations indiquent clairement que le dosage du gène MECP2 doit être finement régulé : l’absence ou le doublement de son dosage va entraîner un dysfonctionnement global du système nerveux central. Cette plage de dosage restreinte de la protéine MECP2 est quelque chose d’assez rare en biologie. Afi n de mieux comprendre ces mécanismes, des équipes de recherche ont généré des souris exprimant un nombre de copies de MECP2 supérieur à la normale. L’étude de ces animaux a confirmé ce qui était déjà connu chez l’homme c’est-à-dire qu’il existe une corrélation entre le niveau de dosage de la protéine MECP2 et la sévérité du phénotype.
Par ailleurs, ces résultats nous alertent sur le fait que les projets de thérapie génique visant à la réintroduction du gène MECP2 chez les filles devront tenir compte de la nécessité absolue d’une régulation fine du dosage de MECP2, afin d’éviter la surexpression et ses conséquences.
MECP2 est un régulateur global de la transcription et de la structure chromatinienne
La fonction précise de la protéine MECP2 fait actuellement l’objet de controverses. Sur la base de sa structure, la fonction principale qui lui a été attribuée était celle d’un répresseur transcriptionnel strict (Nan et al., 1998).
En effet, dans tout l’organisme les gènes présents sur les chromosomes doivent être régulés finement et certaines protéines comme MECP2 sont là pour moduler leur expression. Des études récentes sont venues renverser le dogme qui indiquait que MECP2 exerçait une régulation négative sur l’expression de nombreux gènes cibles. Tour à tour, un rôle activateur dans l’expression de certains gènes mais aussi dans la régulation de l’épissage alternatif ont été proposés pour MECP2. Une étude récente réalisée par le groupe du Pr Adrian Bird et publiée en 2010 (Skene et al., 2010) a modifié la vision que nous avions de la protéine MECP2. Cette équipe a montré qu’il y avait presque autant de molécules de MECP2 que de nucléosomes et de motifs CpG-méthylés dans le noyau d’un neurone. Le nucléosome est un complexe d’ADN et de protéines (les histones) qui constituent, chez les eucaryotes, l’unité de base de la chromatine. Il représente le premier niveau de compaction de l’ADN. En contrôlant l’accessibilité de l’ADN double-brin, il est directement impliqué dans la régulation de plusieurs processus nucléaires comme la transcription, la réplication ou la réparation de l’ADN. Ainsi MECP2 serait en quantité saturante pour couvrir les chromosomes. En accord avec ce concept, des expériences ont confirmé que la protéine MECP2 se fixe sur la chromatine sans qu’il n’y ait de sites spécifiques. Ainsi MECP2 se distribue le long du génome et sa présence est corrélée avec la présence de 5-méthyl cytosines. D’après ces résultats, MECP2 ne serait plus un régulateur transcriptionnel spécifique de certains gènes mais finalement un tampon transcriptionnel plus global permettant de filtrer et réguler la transcription en jouant sur la structure globale de la chromatine.
Il est possible de corriger les atteintes neurologiques chez la souris adulte
Nombreuses sont les pathologies neurologiques entraînant des séquelles plus ou moins irréversibles. En ce qui concerne le RTT, de nombreux spécialistes se sont demandés si la réintroduction d’un gène MECP2 fonctionnel chez des filles atteintes de RTT âgées, pourrait permettre des améliorations des fonctions affectées. Afin de répondre à cette question l’équipe d’Adrian Bird a généré une souris spécifique. Pour contrôler l’activation de MECP2, les chercheurs ont inséré dans le gène une séquence d’ADN appelé cassette-stop qui empêche le gène MECP2 de s’exprimer en conditions normales. En revanche, l’injection d’un agent pharmacologique, le tamoxifène, permet à cette cassette d’être éliminée, ce qui entraîne alors la réexpression de MECP2. L’équipe de Bird a tout d’abord laissé un certain nombre de ces souris se développer alors que la cassette empêchait l’expression de MECP2. Au cours de leur développement, ces animaux ont commencé à présenter des signes cliniques identiques à ceux des souris totalement déficientes pour Mecp2. Un premier groupe contrôle a ensuite été injecté avec un produit inactif et ces souris ont présenté rapidement des signes de détérioration progressive jusqu’à leur décès. En parallèle, les souris injectées avec le tamoxifène ont bien réexprimé Mecp2 et de façon tout à fait spectaculaire, elles présentent une réduction voir une disparition totale des déficits comportementaux, physiologiques et cellulaires observés au préalable (Guy et al., 2007). Par ailleurs, environ 50 % de ces animaux présentent une augmentation considérable de leur durée de vie. Ce travail est le premier à montrer, dans une pathologie neurologique évolutive et sévère, qu’une grande partie du phénotype peut être corrigé. Cette étude est considérée en biologie comme l’une des plus marquantes de l’année 2007. Elle a généré beaucoup d’espoir dans le domaine, mais il est important de préciser qu’elle a été réalisée sur des souris modèles et qu’à ce jour il apparaît difficile d’imaginer une transposition parfaite et rapide de ce travail chez l’homme.
En effet, le niveau de complexité du cerveau humain et des fonctions qu’il dirige est plus important que celui des souris modèles. Quand bien même les avancées technologiques permettraient de réexprimer une protéine MECP2 fonctionnelle chez les fi les RTT (sans même rementionner l’absolue nécessité d’un dosage précis, cellule par cellule, de l’expression), il apparaît difficile de prédire le pourcentage d’amélioration que nous pourrions attendre. Néanmoins cette étude permet de justifier, si besoin est, tous les travaux visant actuellement à développer des approches de thérapie génique pour limiter la progression de la pathologie.
MECP2 est nécessaire au fonctionnement du cerveau chez l’adulte
MECP2 est une protéine dont le rôle apparaît déterminant pour le bon fonctionnement des neurones, vraisemblablement après la naissance. Les arguments permettant de ne pas considérer un rôle prénatal sont multiples. Premièrement la protéine MECP2 ne commence à être présente que tardivement au cours du développement embryonnaire, « colonisant » peu à peu les différentes parties du cerveau. Ensuite, l’inactivation du gène MECP2 chez la souris, uniquement dans le système nerveux central et après la naissance, conduit à un phénotype identique à celui de la souris déficiente dès l’origine (Chen et al., 2001). Ce dernier résultat, associé à de nombreuses données dans la littérature scientifique, indique que le rôle de MECP2 n’apparaît pas essentiel dans un cerveau très immature, mais devient critique dans la mise en place des différents réseaux neuronaux.
Très récemment, des chercheurs ont voulu répondre à une question fondamentale : MECP2 est-il important dans un cerveau adulte lorsque tous les réseaux neuronaux se sont déjà connectés ? Afin de répondre à cette question, les équipes d’Adrian Bird et Huda Zoghbi ont généré de nouvelles souris normales, mais dans lesquelles il est possible d’inactiver la production de la protéine MECP2 à n’importe quel moment du développement. Le résultat de ces deux études concurrentes montre de manière surprenante que l’inactivation très tardive de MECP2 chez une souris qui s’est développée tout à fait normalement, conduit à des troubles neuronaux très sévères (Cheval et al., 2012 ; McGraw et al., 2011). Le résultat le plus inattendu est celui qui montre que l’inactivation brutale de la protéine MECP2 dans le cerveau de souris âgées, qui avaient jusque-là un développement normal, entraîne rapidement leur décès. À la suite de ces travaux, la communauté scientifique a décidé de parler dorénavant de MECP2 en tant que protéine jouant un rôle clé de « neuromaintenance ».
MECP2 joue un rôle majeur dans les cellules gliales du système nerveux central
La communauté scientifique sait que la protéine MECP2 est présente dans toutes les cellules de l’organisme, on dit qu’elle est ubiquitaire. Les recherches sur le RTT ont toujours pris en compte la question de savoir dans quelles cellules de l’organisme l’absence de MECP2 était le plus préjudiciable. Malgré tout, l’ensemble des données cliniques laissait penser que nous avions affaire à une pathologie essentiellement neuronale. L’équipe de Rudolf Jaenisch a donc généré une souris qui exprime Mecp2 dans tout l’organisme sauf dans les neurones (Chen et al., 2001). En comparant cette souris avec une souris n’exprimant plus Mecp2 dans l’ensemble des cellules de l’organisme, les chercheurs n’ont pas pu identifier de différence importante entre ces deux modèles. Ils en ont donc conclu que, bien que Mecp2 soit ubiquitaire, son absence ne semble délétère pour l’organisme lorsqu’elle intervient dans les neurones. Ce dernier résultat était renforcé par le fait que dans les neurones, les quantités relatives de protéine Mecp2 sont beaucoup plus importantes que dans toutes les autres cellules de l’organisme. Récemment l’équipe de Gail Mandel de l’Université de l’Orgon a mis en évidence le rôle que pourrait jouer Mecp2 dans des cellules non neuronales, les astrocytes. En effet, outre les neurones, le système nerveux contient d’autres types cellulaires regroupés sous le terme de cellules gliales, avec notamment les astrocytes qui étaient principalement connus pour leur rôle de soutien trophique et de structuration du système nerveux central.
On se rend compte depuis quelques années que ces cellules ont également un rôle fonctionnel très important, car elles participent notamment à la gliose, phénomène de cicatrisation des lésions du système nerveux et elles interviennent au niveau des synapses pour capturer les neurotransmetteurs en excès. Enfi n, au niveau des capillaires, elles participent à l’étanchéité de la barrière hématoencéphalique qui sert à séparer système sanguin et système nerveux central. Depuis de nombreuses années, nous savons qu’en culture, les neurones ne peuvent se développer harmonieusement que s’ils sont entourés de cellules gliales. L’équipe de Gail Mandel a eu l’idée de faire des cultures de neurones normaux entourés de cellules gliales ne possédant plus Mecp2. La présence de cellules gliales déficientes pour Mecp2, rend les neurones « malades » (Ballas et al., 2009). Ce travail indique que probablement l’absence de Mecp2 modifie la sécrétion par la glie de facteurs nécessaires au bon développement des neurones. Sur la base des travaux ayant mis en évidence une dysfonction des cellules astrocytaires dans les modèles murins de Rett, cette même équipe de recherche (Lioy et al., 2011) a créé un modèle de souris, qui a l’image de celui d’Adrian Bird est déficient pour Mecp2, mais chez qui on peut induire la réexpression de Mecp2 uniquement dans les astrocytes lorsque les symptômes apparaissent. Le résultat de cette étude est sans appel, car une amélioration de plusieurs symptômes (moteurs, anxiété, respiration, survie) et une restauration de l’intégrité morphologique des neurones ont été observées. Ces résultats renforcent le rôle majeur que joue MECP2 dans la glie et l’implication probable de ces cellules dans la physiopathologie du RTT.
La microglie joue aussi un rôle dans la mise en place du syndrome de Rett
À la suite de ces travaux montrant le rôle clé joué par la glie dans le RTT, une autre équipe américaine, celle de Jonathan Kipnis, a montré qu’un autre groupe de cellules gliales, la microglie, jouait également un rôle important dans le RTT (Derecki et al., 2012). La microglie représente une population de cellules constituée de macrophages présents dans le cerveau et la moelle épinière et forment ainsi une des principales défenses immunitaires actives du système nerveux central. Ainsi, ces cellules jouent un rôle primordial dans le développement des réactions inflammatoires cérébrales. Classiquement, la microglie est considérée comme « au repos » dans le cerveau sain alors qu’une lésion, l’apparition d’un agent pathogène ou le développement de certaines maladies neurodégénératives permet d’activer ces cellules. L’équipe de Jonathan Kipnis a montré que des greffes de microglie provenant de souris sauvages, injectée dans des souris déficientes pour Mecp2, entraînaient une amélioration très importante de leur durée de vie, associée à une normalisation de nombreux paramètres préalablement affectés. Ce travail non seulement renforce le rôle que joue la glie dans la mise en place du RTT mais cette étude identifie également le rôle thérapeutique potentiel de la microglie, car ces résultats indiquent que le cerveau des souris modèles présente probablement des zones inflammatoires et/ou contenant des cellules en souffrance. Ce dernier point est plutôt étonnant, car depuis de nombreuses années les chercheurs ont essayé, sans succès, de mettre en évidence des signes de souffrance neuronale chez les patientes présentant un RTT. Ce dernier point illustre peut être une particularité du modèle murin. Actuellement une autre équipe américaine tente de reproduire ce travail.
MECP2 s’associe très fortement à la 5-hydroxyméthylcytosine
L’ADN est composé de quatre bases : adénine, thymine, guanine et cytosine. La méthylation de l’ADN est un processus épigénétique dans lequel certaines bases peuvent être modifiées chimiquement. Par définition, l’épigénétique est le domaine qui étudie comment « l’environnement » influe sur l’expression des gènes. Elle est fondamentale, car elle permet une lecture différente d’un même code génétique. Elle explique par exemple les différences existant chez de vrais jumeaux. Ces différences sont dues à une expression distincte des gènes présents sur l’ADN. L’un des mécanismes de la régulation épigénétique est la méthylation des cytosines. Les cytosines méthylées deviennent des 5-méthylcytosines. MECP2 joue un rôle clé dans ce processus en se liant à ces cytosines méthylées, modifiant la conformation (compaction) de l’ADN, ce qui entraîne une modification de la régulation de l’expression des gènes qui se trouvent à proximité. La relation méthylation/expression peut être complexe, mais en général une faible méthylation favorise la transcription alors qu’une forte méthylation l’inhibe. La 5-hydroxyméthylcytosine est la forme hydroxylée de la 5-méthylcytosine. Cette forme modifiée est connue depuis de nombreuses années dans des organismes primaires appelées bactériophages. Ce n’est que très récemment que l’on a étudié son rôle dans la mise en place du cerveau de mammifères ainsi que dans les cellules embryonnaires où la 5-hydroxyméthylcytosine est très abondante. La fonction exacte de cette base modifiée est toujours à l’étude, mais l’on pense qu’elle serait impliquée dans une régulation différente de l’expression des gènes par comparaison avec la forme 5-méthylcytosine. Il y a peu de temps, l’équipe américaine de Nathaniel Heinz a démontré que la protéine MECP2 se lie très fortement à la 5-hydroxyméthylcytosine sur tout le génome et plus particulièrement à proximité des gènes « activés » dans le cerveau (Mellén et al., 2012). D’après ces derniers résultats, MECP2 préférerait même la forme hydroxylée à la forme méthylée classique. Ce résultat montre pour la première fois un lien direct entre MECP2, la 5-hydroxyméthylcytosine, et la régulation épigénétique de l’expression des gènes. Ce résultat très fondamental fait apparaître un nouveau modèle de régulation de l’expression des gènes par MECP2 entraînant de fait une couche supplémentaire de complexité dans la compréhension de la physiopathologie du RTT.
