Énoncé
Exercice sur 8 points
La mucoviscidose est une maladie génétique qui touche principalement les voies respiratoires et le système digestif. En 1989, le gène CFTR responsable de la maladie a été identifié sur le chromosome 7. Le développement des techniques de séquençage a permis d'identifier près de 2 000 mutations différentes de ce gène.
Depuis 2021, un traitement associant 3 molécules et considéré comme une véritable révolution thérapeutique est proposé à certains patients.
La mucoviscidose est une maladie génétique qui touche principalement les voies respiratoires et le système digestif. En 1989, le gène CFTR responsable de la maladie a été identifié sur le chromosome 7. Le développement des techniques de séquençage a permis d'identifier près de 2 000 mutations différentes de ce gène.
Depuis 2021, un traitement associant 3 molécules et considéré comme une véritable révolution thérapeutique est proposé à certains patients.
QUESTION :
Expliquer pourquoi ce nouveau traitement n'est prescrit qu'aux patients atteints de mucoviscidose présentant la mutation.
Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données des documents et les connaissances utiles.
Document 1 : mutations du gène CFTR et conséquences sur la protéine
Document 1a : rôle de la protéine CFTR
La protéine CFTR est un canal chlore inséré dans la membrane des cellules de différentes muqueuses : respiratoire, digestive… Elle est constituée de 1 480 acides aminés. Ce canal permet la sortie d'ions chlorure (Cl−) des cellules. Dans le cas des cellules respiratoires, cet échange d'ions est indispensable pour obtenir un mucus suffisamment fluide, permettant ainsi l'élimination de bactéries et d'impuretés qui s'y déposent. Source : ABCF Mucoviscidose |
Document 1b : comparaison des séquences nucléotidiques de quatre allèles du gène CFTR et comparaison des séquences en acides aminés des protéines CFTR correspondantes
Les séquences nucléotidiques de trois allèles mutés du gène codant la protéine CFTR (delF508, G542X et G551D) sont comparées à la séquence non mutée (CFTR).Les séquences en acides aminés des protéines correspondantes (Pro-delF508, Pro-G542X, Pro-G551D) sont comparées à la séquence en acides aminés de la protéine fonctionnelle (Pro-CFTR).
| | Comparaison des séquences nucléotidiques avec la séquence CFTR non mutée | Comparaison des séquences en acides aminés avec la protéine fonctionnelle | ||
| Mutation delF508 |
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| Mutation G542X |
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| Mutation G551D |
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Source : d'après la banque de données du logiciel Anagène
Légende :
– et * : nucléotides identiques
– : délétion de nucléotides
Légende :
– et * : nucléotides identiques
– : délétion de nucléotides
Document 2 : conséquences de mutations sur l'état de maturation de la protéine CFTR
La protéine CFTR subit différentes modifications dans le réticulum endoplasmique, un organite cellulaire. D'une forme immature d'environ 140 kilodaltons (kDa, unité de mesure de masse moléculaire), elle est transformée en une forme mature de 170 kDa. Seule cette protéine CFTR mature est capable ensuite de s'insérer dans la membrane plasmique pour y exercer sa fonction de canal chlore.Le poids moléculaire des protéines CFTR dans des cellules présentant ou non une mutation peut être déterminé par électrophorèse, une technique de laboratoire qui permet de séparer des molécules chargées au travers d'un gel sous l'effet d'un champ électrique. Après révélation avec une technique adaptée, celles-ci sont alors visualisables sous forme de bandes. Une bande sombre indique la présence d'une molécule.
 Sources : d'après « Ataluren Stimulates Ribosomal Selection of Near-Cognate tRNAs to Promote Nonsense Suppression », B. Roy et al., 2016, et « G551D Mutation Impairs PKA-Dependent Activation of CFTR Channel That Can Be Restored by Novel GOF Mutations », W. Wang et al., 2020 |
Document 3 : localisation des protéines CFTR fonctionnelles et CFTR delF508
Une étude de 1993 montre par microscopie électronique où se situent les protéines CFTR fonctionnelles (notées CFTR wt) et CFTR delF508 dans des cellules. La protéine CFTR est visualisée en noir.| Cellule d’un individu non atteint | Cellule d’un individu atteint | ||
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nu : noyau, er : réticulum endoplasmique, mt : mitochondrie, Gc : appareil de Golgi, pm : membrane plasmique
Sources : d'après Yang et al., 1993, et Dormer et al., 2001Document 4 : un traitement novateur adapté à certains patients atteints de mucoviscidose
Un nouveau traitement associant trois molécules (VX-445 + VX-661 + VX-770) est disponible depuis 2021 en France pour les patients présentant la mutation delF508, âgés de plus de 12 ans.Document 4a : effet du nouveau traitement sur la protéine CFTR
Le document présente le résultat d'une électrophorèse permettant de mettre en évidence l'état de maturation de la protéine CFTR dans les cellules de deux sujets porteurs de la mutation delF508. Le principe de l'électrophorèse est le même que dans le document 2. Les pointillés indiquent les limites des bandes sombres visibles. Source : d'après « Rescue of Multiple Class II CFTR Mutation by Elexacaftor+Tezacaftor+Ivacaftor », O. Laselva et al., European Respiratory Journal, 2021 |
Document 4b : évolution du VEMS lors d'une étude clinique chez des patients atteints de mucoviscidose et porteurs de la mutation delF508
Le principal critère d'évaluation de l'efficacité du traitement est le VEMS, qui correspond au volume maximum d'air qu'une personne peut expirer en une seconde, comparé aux valeurs d'une personne présentant des caractéristiques similaires (telles que le poids, la taille et le sexe).L'étude a été menée sur 403 sujets porteurs de la mutation delF508, dont 200 ont reçu le traitement et 203 le placebo (un produit sans principe actif qui n'a donc aucun effet). Ni le patient ni l'expérimentateur ne savent qui reçoit le médicament ou le placebo.
Au début de l'étude, les patients présentaient des valeurs moyennes de VEMS de seulement 60 à 68 % de celles observées chez une personne moyenne en bonne santé.
 Source : « Elexacaftor-Tezacaftor-Ivacaftor for Cystic Fibrosis with a Single Phe508del Allele », P. G. Middelton et al., The New England Journal of Medicine, 2019 |
J15 = jour 15
Sem = semaine
Sem = semaine
Corrigé
En France, la mucoviscidose est la maladie génétique la plus fréquente, touchant plus de 200 nouveau-nés par an. Les symptômes de cette maladie sont très invalidants, affectant principalement la respiration et la digestion, et réduisant l'espérance de vie des patients. Les mutations du gène CFTR sont responsables de la mucoviscidose, et il existe un grand nombre de mutations de ce gène. Récemment, de nouveaux traitements ont été mis au point. En particulier, le traitement associant 3 molécules, Elexacaftor, Tezacaftor et Ivacaftor, utilisé depuis 2021, constitue une véritable révolution thérapeutique. Pourquoi ce nouveau traitement n'est-il prescrit qu'aux patients atteints de mucoviscidose présentant la mutation delF508 du gène CFTR et n'est-il pas prescrit pour les mutations G542X et G551D de ce même gène ? À l'aide de l'étude des séquences des allèles mutés du gène CFTR et des protéines correspondantes, nous caractériserons l'effet des 3 mutations du gène CFTR, puis nous préciserons l'état de maturation des différentes protéines CFTR résultantes, ainsi que leur localisation cellulaire. Puis nous expliquerons l'efficacité ou l'inefficacité du traitement étudié en fonction des différentes mutations du gène CFTR.
1. Étude de 3 mutations du gène CFTR à l'origine de la mucoviscidose
En 1989, le gène responsable de la mucoviscidose a été identifié : il s'agit du gène CFTR situé sur le chromosome 7. Le gène CFTR code la protéine CFTR, qui est une protéine canal, présente dans la membrane plasmique des cellules de différentes muqueuses (document 1a). Cette protéine, longue normalement de 1 480 acides aminés, permet la sortie des ions chlorure vers l'extérieur des cellules des muqueuses. La présence des ions chlorure est indispensable pour que le mucus soit suffisamment fluide, notamment au niveau des muqueuses respiratoires. En effet, un mucus fluide permet l'élimination des bactéries et des impuretés au contact des cils de la muqueuse. Ainsi, les patients atteints de mucoviscidose présentent un mucus trop épais, ce qui génère un encombrement des muqueuses handicapant pour les fonctions respiratoires.
Les progrès du séquençage, associés à l'essor de la bio-informatique, ont permis d'identifier les nombreuses mutations du gène CFTR à l'origine de la mucoviscidose. Le document 1b présente les caractéristiques de 3 mutations différentes du gène CFTR : les mutations delF508, G542X et G551D, ainsi que leurs conséquences sur la séquence peptidique de la protéine CFTR correspondante. L'étude des séquences des allèles mutés, comparées à la séquence de référence de l'allèle non muté du gène CFTR, permet de caractériser chaque mutation. En effet, chaque mutation peut être décrite par sa position et sa nature, ainsi que par ses conséquences sur la séquence peptidique de la protéine CFTR. De plus, le document 2 présente les résultats de l'étude par électrophorèse des protéines CFTR correspondantes. Cette étude permet de caractériser la présence et l'état de maturation des protéines CFTR étudiées. Les résultats de cette étude montrent la présence d'une protéine CFTR d'un poids moléculaire de 170 kDa dans la cellule non mutée (et dans la cellule présentant la mutation G551D). Cette forme de 170 kDa correspond à la forme mature de la protéine, après le passage dans le réticulum endoplasmique. Les cellules présentant la mutation delF508 présentent une protéine CFTR de 140 kDa, qui correspond à une forme protéique immature, c'est-à-dire n'ayant pas subi de modification dans le réticulum endoplasmique. Enfin, chez les cellules exprimant la mutation G542X, aucune protéine CFTR n'est détectée par électrophorèse entre 140 kDa et 170 kDa. Le tableau suivant résume l'ensemble des informations obtenues concernant les mutations du gène CFTR et leurs conséquences sur la protéine CFTR, obtenues à partir de l'étude des documents 1 et 2.
Mutations du gène CFTR responsable de la mucoviscidose et conséquences sur la protéine CFTR
À partir de l'ensemble de ces données, nous allons maintenant expliquer pourquoi le traitement associant les trois molécules n'est prescrit qu'aux patients atteints de mucoviscidose présentant la mutation delF508 et non aux patients porteurs des mutations G542X ou G551D.
Les progrès du séquençage, associés à l'essor de la bio-informatique, ont permis d'identifier les nombreuses mutations du gène CFTR à l'origine de la mucoviscidose. Le document 1b présente les caractéristiques de 3 mutations différentes du gène CFTR : les mutations delF508, G542X et G551D, ainsi que leurs conséquences sur la séquence peptidique de la protéine CFTR correspondante. L'étude des séquences des allèles mutés, comparées à la séquence de référence de l'allèle non muté du gène CFTR, permet de caractériser chaque mutation. En effet, chaque mutation peut être décrite par sa position et sa nature, ainsi que par ses conséquences sur la séquence peptidique de la protéine CFTR. De plus, le document 2 présente les résultats de l'étude par électrophorèse des protéines CFTR correspondantes. Cette étude permet de caractériser la présence et l'état de maturation des protéines CFTR étudiées. Les résultats de cette étude montrent la présence d'une protéine CFTR d'un poids moléculaire de 170 kDa dans la cellule non mutée (et dans la cellule présentant la mutation G551D). Cette forme de 170 kDa correspond à la forme mature de la protéine, après le passage dans le réticulum endoplasmique. Les cellules présentant la mutation delF508 présentent une protéine CFTR de 140 kDa, qui correspond à une forme protéique immature, c'est-à-dire n'ayant pas subi de modification dans le réticulum endoplasmique. Enfin, chez les cellules exprimant la mutation G542X, aucune protéine CFTR n'est détectée par électrophorèse entre 140 kDa et 170 kDa. Le tableau suivant résume l'ensemble des informations obtenues concernant les mutations du gène CFTR et leurs conséquences sur la protéine CFTR, obtenues à partir de l'étude des documents 1 et 2.
Mutations du gène CFTR responsable de la mucoviscidose et conséquences sur la protéine CFTR
| Allèle du gène CFTR | Séquence d'ADN (comparée à la séquence de l'allèle non muté) | Protéine CFTR : séquence peptidique (comparée à la protéine CFTR fonctionnelle) et état de maturation |
| Allèle non muté | Séquence de référence | Protéine mature de 170 kDa |
| Allèle présentant la mutation delF508 | Délétion de TTT en position 1 522, 1 523 et 1 524 | Absence de Phe (phénylalanine) en position 508 Protéine non mature de 140 kDa |
| Allèle présentant la mutation G542X | Substitution d'un G en T en position 1 624 (apparition sur l'ARNm d'un codon-stop UGA en position 1 624, 1 625 et 1 626) | Protéine raccourcie, longue de 542 acides aminés à l'issue de la traduction Protéine non détectée en électrophorèse entre 140 et 170 kDa |
| Allèle présentant la mutation G551D | Substitution d'un G en A en position 1 652 | Modification de l'acide aminé 551 : présence d'Asp (asparagine) au lieu d'une Gly (glycine) Présence d'une protéine mature de 170 kDa |
À partir de l'ensemble de ces données, nous allons maintenant expliquer pourquoi le traitement associant les trois molécules n'est prescrit qu'aux patients atteints de mucoviscidose présentant la mutation delF508 et non aux patients porteurs des mutations G542X ou G551D.
2. Origines de l'efficacité ou de l'inefficacité du traitement étudié
Le document 3 compare la localisation en microscopie électronique de la protéine CFTR fonctionnelle avec celle de la protéine CFTR delF508, codée par l'allèle présentant la mutation delF508. La protéine CFTR fonctionnelle, notée protéine CFTR wt, visualisée en noir sur la micrographie, est localisée au niveau de la membrane plasmique de la cellule d'un individu non atteint de mucoviscidose. Dans la cellule d'un individu atteint de mucoviscidose, la protéine CFTR delF508 est localisée uniquement au niveau du réticulum endoplasmique et est donc absente de la membrane plasmique. Or, cette protéine CFTR delF508, de poids moléculaire de 140 kDa, n'est pas mature. Ainsi, on peut supposer que la mutation delF508 ne permet pas la maturation de la protéine CFTR dans le réticulum endoplasmique. La protéine CFTR delF508 non mature reste dans le réticulum endoplasmique et ne parvient pas jusqu'à la membrane plasmique. L'absence de la protéine CFTR dans la membrane plasmique, c'est-à-dire l'absence de canaux chlore, est alors responsable du phénotype malade de l'individu.
Le document 4a présente les résultats de l'électrophorèse suivie d'une révélation des protéines CFTR chez des sujets malades, présentant la mutation delF508, en présence et en absence du traitement étudié. En absence de traitement, la protéine CFTR détectée est la forme non mature de 140 kDa. En présence de traitement, la protéine CFTR observée présente un poids moléculaire de 170 kDa, caractéristique de la forme mature. Ainsi, le traitement étudié permet d'obtenir une protéine CFTR mature de 170 kDa chez un sujet malade (mutation delF508). On peut en déduire que chez l'individu malade (mutation delF508), le traitement permet que la protéine delF508 subisse une maturation normale dans le réticulum endoplasmique.
Enfin, le document 4b présente une étude clinique permettant d'évaluer l'efficacité du traitement étudié sur la fonction respiratoire de patients porteurs de la mutation delF508, responsable de la mucoviscidose. L'étude, menée en double aveugle sur 403 sujets malades porteurs de cette mutation, compare le volume maximum d'air expiré (VEMS) en une seconde chez des patients en présence soit du traitement, soit d'un placebo. Avant tout traitement, le VEMS des patients est compris entre 60 et 68 % du VEMS d'un individu non malade. En présence du placebo, chez un individu malade, le VEMS demeure au cours du temps proche de sa valeur initiale. À l'inverse, chez les patients traités, une augmentation de 13 % du VEMS initial est observée dès 15 jours de traitement. Cette valeur du VEMS se maintient sur les 22 semaines suivantes de traitement. Ainsi, le traitement étudié permet d'augmenter le VEMS des patients par rapport à un placebo, entraînant une nette amélioration de la capacité respiratoire des patients.
L'amélioration des capacités respiratoires des patients traités présentant la mutation delF508 s'expliquerait par la présence d'une protéine CFTR delF508 mature (170 kDa) et insérée au niveau de la membrane plasmique des cellules des muqueuses. Ainsi, le traitement permettrait la maturation correcte de la protéine CFTR delF508, qui serait suivie de son adressage à la membrane plasmique de la cellule et de son insertion au sein de celle-ci. Insérée dans la membrane plasmique de la cellule, la protéine CFTR delF508 serait fonctionnelle et permettrait la sortie des ions chlorure, assurant une fluidité suffisante du mucus respiratoire, à l'origine de l'amélioration de la fonction respiratoire. Cependant, ce traitement n'est pas efficace pour la mutation G542X. En effet, la protéine G542X, très raccourcie, n'est pas détectée par électrophorèse entre 140 et 170 kDa. On peut penser qu'elle est absente ou trop courte pour être fonctionnelle. De plus, le traitement n'est pas non plus efficace pour la mutation G551D, car la protéine G551D se présente déjà sous une forme mature de 170 kDa. Le traitement étudié permet la maturation dans le réticulum endoplasmique de la protéine CFTR et n'a donc pas d'effet sur la protéine G551D déjà mature.
Ainsi, chez les individus atteints par la mutation delF508, caractérisée par l'absence de maturation de la protéine CFTR delF508, le traitement récemment mis au point, associant trois molécules, Elexacaftor, Tezacaftor et Ivacaftor, rétablit la maturation dans le réticulum endoplasmique des protéines CFTR, permettant leur insertion au sein de la membrane plasmique des cellules des muqueuses. Ces protéines CFTR correctement insérées dans la membrane plasmique sont alors fonctionnelles et permettent une récupération d'au moins une partie de la fonction respiratoire des patients. Mais ce traitement n'est malheureusement pas efficace pour les deux autres mutations G542X et G551D. Comment les patients atteints de ces deux mutations pourraient-ils être soignés ? La piste de la thérapie génique est-elle envisageable pour ces individus malades ?
Le document 4a présente les résultats de l'électrophorèse suivie d'une révélation des protéines CFTR chez des sujets malades, présentant la mutation delF508, en présence et en absence du traitement étudié. En absence de traitement, la protéine CFTR détectée est la forme non mature de 140 kDa. En présence de traitement, la protéine CFTR observée présente un poids moléculaire de 170 kDa, caractéristique de la forme mature. Ainsi, le traitement étudié permet d'obtenir une protéine CFTR mature de 170 kDa chez un sujet malade (mutation delF508). On peut en déduire que chez l'individu malade (mutation delF508), le traitement permet que la protéine delF508 subisse une maturation normale dans le réticulum endoplasmique.
Enfin, le document 4b présente une étude clinique permettant d'évaluer l'efficacité du traitement étudié sur la fonction respiratoire de patients porteurs de la mutation delF508, responsable de la mucoviscidose. L'étude, menée en double aveugle sur 403 sujets malades porteurs de cette mutation, compare le volume maximum d'air expiré (VEMS) en une seconde chez des patients en présence soit du traitement, soit d'un placebo. Avant tout traitement, le VEMS des patients est compris entre 60 et 68 % du VEMS d'un individu non malade. En présence du placebo, chez un individu malade, le VEMS demeure au cours du temps proche de sa valeur initiale. À l'inverse, chez les patients traités, une augmentation de 13 % du VEMS initial est observée dès 15 jours de traitement. Cette valeur du VEMS se maintient sur les 22 semaines suivantes de traitement. Ainsi, le traitement étudié permet d'augmenter le VEMS des patients par rapport à un placebo, entraînant une nette amélioration de la capacité respiratoire des patients.
L'amélioration des capacités respiratoires des patients traités présentant la mutation delF508 s'expliquerait par la présence d'une protéine CFTR delF508 mature (170 kDa) et insérée au niveau de la membrane plasmique des cellules des muqueuses. Ainsi, le traitement permettrait la maturation correcte de la protéine CFTR delF508, qui serait suivie de son adressage à la membrane plasmique de la cellule et de son insertion au sein de celle-ci. Insérée dans la membrane plasmique de la cellule, la protéine CFTR delF508 serait fonctionnelle et permettrait la sortie des ions chlorure, assurant une fluidité suffisante du mucus respiratoire, à l'origine de l'amélioration de la fonction respiratoire. Cependant, ce traitement n'est pas efficace pour la mutation G542X. En effet, la protéine G542X, très raccourcie, n'est pas détectée par électrophorèse entre 140 et 170 kDa. On peut penser qu'elle est absente ou trop courte pour être fonctionnelle. De plus, le traitement n'est pas non plus efficace pour la mutation G551D, car la protéine G551D se présente déjà sous une forme mature de 170 kDa. Le traitement étudié permet la maturation dans le réticulum endoplasmique de la protéine CFTR et n'a donc pas d'effet sur la protéine G551D déjà mature.
Ainsi, chez les individus atteints par la mutation delF508, caractérisée par l'absence de maturation de la protéine CFTR delF508, le traitement récemment mis au point, associant trois molécules, Elexacaftor, Tezacaftor et Ivacaftor, rétablit la maturation dans le réticulum endoplasmique des protéines CFTR, permettant leur insertion au sein de la membrane plasmique des cellules des muqueuses. Ces protéines CFTR correctement insérées dans la membrane plasmique sont alors fonctionnelles et permettent une récupération d'au moins une partie de la fonction respiratoire des patients. Mais ce traitement n'est malheureusement pas efficace pour les deux autres mutations G542X et G551D. Comment les patients atteints de ces deux mutations pourraient-ils être soignés ? La piste de la thérapie génique est-elle envisageable pour ces individus malades ?
