L’hypothèse de la cascade amyloïde

Selon cette théorie, le primum movens de la MA serait l’accumulation du peptide Aβ

fibrillaire au sein des plaques séniles. Les amas fibrillaires contenus dans les dépôts amyloïdes présentent une toxicité neuronale qui se traduirait notamment par la phosphorylation anormale des protéines tau et la formation à terme des DNF, lésions corrélées au processus de mort des neurones (Figure 9). Cette hypothèse s’appuie sur de nombreuses observations accumulées au cours de ces dernières années (Hardy et al., 2002; Hardy, 2006; Hardy et al., 1992). L’argument le plus fort en faveur du rôle causal du peptide amyloïde Aβ est la découverte des mutations dans les gènes APP, préséniline 1 (PS1) et préséniline 2 (PS2) qui sont responsables des formes familiales de la MA à transmission autosomique dominante.

4.1.1. Les mutations du gène de l’APP

Le fait que les individus atteints de trisomie 21 présentaient des similitudes neuropathologiques importantes avec les patients atteints de la MA a conduit à la recherche de gènes défectueux sur ce chromosome. Dès 1987, l’étude de familles dans lesquelles la MA ségrégeait de façon autosomique dominante a permis de mettre en évidence une liaison génétique entre les loci 21q21 et 21q22-1 avec la pathologie (George-Hyslop et al., 1987). En 1991, une région de 21 cM a pu être clairement associée à la maladie. Or, cette région contenant le gène de l’APP, celui-ci a été préférentiellement séquencé, permettant de mettre en évidence la première mutation impliquée dans une forme autosomique dominante de la MA (Goate et al., 1991).

4.1.1.1. Effets biologiques des mutations ponctuelles sur le métabolisme de l’APP

A ce jour, 25 mutations différentes sur le gène de l’APP ont été décrites comme

pathogènes et associées à des formes familiales de la MA

(http://www.molgen.ua.ac.be/ADMutations/). L’âge d’apparition de la maladie dans ces familles est compris entre 30 et 65 ans (Rogaeva et al., 2006). Les mutations dans le gène de l’APP

correspondent soit à des mutations ponctuelles, soit à une duplication du gène de l’APP. La plupart de ces mutations influent sur le métabolisme de l’APP.

La plupart des mutations dans le gène de l’APP sont des mutations faux-sens localisées dans les exons 16 et 17 au niveau des sites de coupure des sécrétases (α, β, γ), conditionnant le clivage de l’APP et donc la production d’Aβ (Figure 10) (Métabolisme de l’APP que nous développerons plus tard). La mutation Ala692Gly altérerait le site de coupure par l’α-sécrétase, entraînant une augmentation de la production à la fois d’Aβ₄₀ et d’Aβ₄₂ (De Jonghe et al., 2001; Haass et al., 1994; Nilsberth et al., 2001). Cette mutation est liée à une hémorragie cérébrale associée à une AAC sévère (Levy et al., 1990; Van Broeckhoven et al., 1990). D’autres mutations sont localisées au niveau des sites de coupure de la β ou de la γ sécrétase, favorisant ainsi la production du peptide Aβ₄₂ aux dépens du peptide Aβ₄₀ (Figure 10). Il faut cependant noter qu’à ces mutations pathogènes s’ajoutent d’autres mutations qui ne sont pas associées à la pathologie, ou qui présentent des ambiguïtés quant au mode de transmission, suggérant peut-être une pénétrance incomplète (http://www.molgen.ua.ac.be/ADMutations).

Néanmoins, les mutations ponctuelles dans le gène de l’APP affectent toutes de façon directe ou indirecte le métabolisme de l’APP. L’expression de l’APP mutée in vitro ou in vivo conduit toujours à une modulation de la production de peptides Aβ. Le fait que ces protéines mutées, responsables des formes agressives de la MA, ont pour conséquence d’altérer la production de peptide Aβ est un argument fort en faveur de l’hypothèse de la cascade amyloïde.

Récemment, d’autres variations génétiques dans le gène de l’APP ont été décrites à partir d’études de familles atteintes de formes monogéniques de la MA. Ces dernières sont impliquées dans la régulation du niveau d’expression du gène de l’APP.

4.1.1.2. Duplication du gène de l’APP

Une duplication du matériel génétique, au niveau du locus APP, a été décrite chez des personnes atteintes de formes précoces de la maladie à transmission autosomique dominante (Rovelet-Lecrux et al., 2006; Rovelet-Lecrux et al., 2007; Sleegers et al., 2006). Selon les familles, la taille de la duplication varie de 0,6 à 6,4 Mb et inclut de 5 à 12 gènes. Sur le plan phénotypique, ces patients, outre une démence à début précoce, ont présenté pour certains d’entre eux des hémorragies cérébrales. L’examen neuropathologique de 5 cerveaux a montré une AAC anormalement sévère.

Ces observations montrent que la duplication d’une petite région du chromosome 21 centrée sur le gène APP est suffisante pour provoquer une MA. Ainsi, une altération du dosage

génique provoquerait une accumulation de protéines APP et par conséquent une production accrue de peptide amyloïde favorisant le développement de la MA, conformément à l’hypothèse de la cascade amyloïde. Dans ce contexte, on peut supposer que tous les mécanismes aboutissant à une augmentation de l’expression de l’APP pourraient constituer des facteurs de risque de développer la MA.

4.1.1.3. Variants génétiques dans le promoteur du gène de l’APP

Plusieurs études ont montré que des variants localisés dans le promoteur du gène de l’APP augmentaient son niveau d’expression in vitro et que certains d’entre eux étaient associés à la MA (Theuns et al., 2006). Ainsi, trois polymorphismes (-369C/G, -479C/T et -534 G/A) influenceraient le niveau de transcription de l’APP et ont pu être associés à la MA dans une étude cas-témoins belge et hollandaise. Cependant, ces associations n’ont pas été retrouvées dans une population française (Guyant-Marechal et al., 2007). Le polymorphisme -3102G/C a, lui, pu être associé à la MA dans cette population française, mais son caractère fonctionnel reste à démontrer. Par ailleurs, deux autres polymorphismes –1023T/C et –3829C/T auraient aussi un effet sur le niveau d’expression du gène de l’APP (Lahiri et al., 2005), mais n’ont pas pu être associés au risque de développer la MA (Guyant-Marechal et al., 2007).

Ainsi, les variants localisés dans le promoteur de l’APP et pouvant induire une surexpression de l’APP favoriseraient le développement de la pathologie. Cependant, la faible fréquence de ces polymorphismes ainsi que des impacts plus modestes que les mutations faux-sens de l’APP peuvent expliquer la difficulté d’associer ces polymorphismes à la MA. Seule, une étude systématique de l’ensemble des polymorphismes localisés au niveau du promoteur de l’APP dans de grandes populations cas-témoins permettra de caractériser les polymorphismes réellement impliqués dans le processus pathologique.

Au final, les variants génétiques du gène de l’APP, identifiés comme favorisant le développement de la MA, ont pour conséquences de modifier (i) directement ou indirectement le métabolisme de l’APP ou (ii) le niveau d’expression de l’APP. Dans tous les cas, il en résulte une modification de la production du peptide Aβ. Cependant, en 1988, une étude portant sur des formes familiales précoces et tardives de la MA ne montrait pas de liaison génétique avec le chromosome 21. En fait, une minorité des formes familiales sont liées au chromosome 21 (George-Hyslop et al., 1990). Cette observation suggérait l’existence d'autres loci impliqués dans la pathologie (Schellenberg et al., 1988).

4.1.2. Les gènes des présénilines 1 et 2

4.1.2.1. Mutations du gène PS1

En 1992, une étude rapportait que l'utilisation de marqueurs sur le chromosome 14 donnait une liaison génétique très significative avec certaines familles atteintes de formes précoces de la MA, plus particulièrement au locus 14q24.3 (Schellenberg et al., 1992). C'est en 1995 qu'a été décrite pour la première fois l’existence de mutations pathogènes sur un gène jusqu’alors inconnu et dénommé préséniline 1 (PS1) (Sherrington et al., 1995).

A ce jour, 161 mutations différentes affectant 355 familles ont été décrites pour ce gène (http://www.molgen.ua.ac.be/ADMutations). Le gène PS1 est considéré comme le gène majoritairement impliqué dans les formes autosomiques dominantes de la MA, puisqu’une mutation de ce gène a pu être détectée chez environ 70% des patients atteints de forme familiale de MA à début précoce. Presque toutes les mutations du gène PS1 actuellement documentées sont des mutations faux-sens. Les mutations sont très largement distribuées tout au long du cadre de lecture de PS1 avec une prédominance pour le 2^ème domaine transmembranaire et la grande boucle hydrophile (Figure 11).

L’âge de début de la MA chez les patients porteurs d’une mutation de la PS1 est compris entre 16 et 65 ans (Cruts et al., 1998; Sherrington et al., 1995). Cet âge de début de la maladie est variable entre les familles, ce qui pourrait suggérer que l’effet biologique des mutations soit plus ou moins sévère. La mutation au codon 235 est responsable d’un début extrêmement précoce de la MA. Dans la famille présentant cette mutation , les 5 sujets porteurs de la mutation avaient développé la MA à l’âge de 29 ans, 31, 34 et 35 ans (Campion et al., 1996). A de très rares exceptions près, toutes les mutations du gène PS1 ont une pénétrance complète à 60 ans.

4.1.2.2. Mutations du gène PS2

Parallèlement à la découverte du gène PS1, une étude de liaison génétique sur 7 familles d’origine germanique, atteintes de formes monogéniques familiales de la MA, excluait l’implication des chromosomes 21 et 14. Pour ces familles, une liaison significative a été obtenue sur le chromosome 1, dans la région 1q31-42 (Levy-Lahad et al., 1995). La mise en évidence d’une très forte homologie de séquence entre un ADN complémentaire de ce locus et le gène PS1 a alors conduit à la découverte d’un troisième gène pathogène, appelé préséniline 2 (PS2).

A ce jour, seulement 11 mutations faux-sens de ce gène ont été décrites chez 19 familles (http://www.molgen.ua.ac.be/ADMutations) (Figure 12). Les mutations de PS2, contrairement à celles de PS1, conduisent à un âge d’apparition de la MA plus tardif, compris entre 40 et 85 ans, et ont une pénétrance très hétérogène (Rogaev et al., 1995; Sherrington et al., 1996).

4.1.2.3. Effets biologiques des mutations des présénilines 1 et 2

Les présénilines mutées agissent spécifiquement en augmentant l’activité γ-sécrétase (De Strooper et al., 1998). Plus précisément, les mutations des présénilines ont pu être associées, in

vitro et in vivo, à une augmentation du ratio Aβ₄₂/Aβ₄₀ (Borchelt et al., 1996; Murayama et al., 1999; Selkoe et al., 2002). Toutes les mutations retrouvées dans les présénilines affectent la structure ou la fonction de la γ-secrétase, favorisant ainsi la production du peptide Aβ₄₂, neurotoxique, par rapport à Aβ₄₀ (Bentahir et al., 2006). De plus, des mutations de la PS1 entraîneraient une perturbation de l’interaction de la PS1 avec les autres composants du complexe de la γ-sécrétase qui en régule l’activité (Cruts et al., 1998). Il faut cependant noter que 4 mutations de PS2 ont même été suggérées comme non pathogènes (Walker et al., 2005). En effet, la présence de ces mutations n’a pu être associée ni à une modification du métabolisme de l’APP in vitro, ni à une ségrégation avec la MA.

Ainsi, la plupart des mutations dans les gènes de l’APP et de PS1/PS2 conduisent à une modulation de la production du peptide Aβ. La forte association de ces mutations avec la MA a conduit à proposer l’hypothèse de la cascade amyloïde, qui met cette production de peptide Aβ

au cœur du processus pathologique.