Le gèneCFTR est situé sur le bras long du chromosome 7, en position q31, et s’étend sur environ 250 kb. Le gène est constitué de 27 exons. La protéine CFTR, de 1480 acides aminés, présente un poids moléculaire de 170 kDa (Figure 15).
Figure 15 : Structure du gène et de la protéine CFTR. Le gène codant la protéine CFTR (en haut) se situe sur le bras long du chromosome 7 et comprend 27 exons qui codent pour une protéine de 1480 acides aminés (au milieu). La protéine mature, après glycosylation et insertion dans la membrane, est représentée en bas. La protéine CFTR est un membre de la famille des transporteurs ABC (ATP- binding cassette). Elle contient deux domaines de liaison aux nucléotides (NBD, nucleotide binding domain) qui fixent et hydrolysent l’ATP, deux ensembles de double segments transmembranaires qui forment le canal, et un domaine cytoplasmique (domaine R). Le domaine R, propre à CFTR, est hautement chargé avec de nombreux sites de phosphorylation pour les protéines kinase A ou C.
D’après Gibsonet al, 2003 [209].
2. Structure et fonctions de la protéine CFTR
La protéine CFTR est exprimée à la membrane apicale des épithéliums sécrétoires de différents organes. De part sa structure moléculaire, cette protéine appartient à la superfamille des transporteurs ABC (ATP-binding cassette) et comprend cinq domaines : deux segments transmembranaires, deux domaines de fixation des nucléotides (NBD) et un large domaine accessoire hydrophile (domaine R) (Figure 15). La protéine CFTR a pour principale fonction d’être un canal chlore. L’ouverture et la fermeture du canal CFTR sont contrôlées par une balance des activités kinases et phosphatases à l’intérieur de la cellule et par les taux cellulaires d’ATP. Les NBD vont hydrolyser l’ATP pour réguler le canal. La phosphorylation du domaine R va permettre de réguler l’activité du canal. L’activation des protéines kinases dépendantes de l’AMPc (PKA) entraîne la phosphorylation de multiples résidus sérine au niveau du domaine R. Une fois le domaine R phosphorylé, l’ouverture du canal est régulée par l’hydrolyse de l’ATP au niveau des domaines NBD. Pour finir, les phosphatases vont déphosphoryler le domaine R et le canal va retrouver son état de repos.
Gène CFTR
Protéine CFTR (séquence primaire)
25 Kilobases Exon
Intron
5’ 3’
Glycosylation
Membrane cellulaire
Cytoplasme
Domaine R Segments NBD
transmembranaires Position de la
protéine CFTR à la membrane
cellulaire
a) Canal ionique
La protéine CFTR est un canal chlorure qui fait sortir les ions Cl- de la cellule. La protéine CFTR est également perméable pour d’autres anions, tels que le bicarbonate (rôle dans le maintien du pH physiologique) [210] et le glutathion [211]. La protéine CFTR peut également réguler d’autres canaux ioniques. En effet, CFTR active un autre canal chlore appelé ORCC (« Outwartly Rectifying Chloride Channel ») permettant la sécrétion d’ions chlorures. En revanche, la protéine CFTR régule négativement le canal sodium ENaC (« Epithelial sodium channel »), canal responsable de l'absorption d'ions sodium au pôle apical de la cellule épithéliale. Une absorption augmentée ou continue d’ions sodium par le canal ENaC entraîne une déshydratation de la surface des voies respiratoires aboutissant à une élimination mucociliaire défectueuse [212].
b) Récepteur pour Pseudomonas aeruginosa
La protéine CFTR a été décrite comme un récepteur cellulaire pour Pseudomonas aeruginosa [213]. La fixation du LPS de la membrane externe de Pseudomonas aeruginosa non-mucoïde à la première boucle extracellulaire de CFTR [214] initie la formation des radeaux lipidiques incorporant des protéines, telles que la calvéoline et la MVP (« major vault protein »), nécessaires pour l’internalisation de la bactérie [215, 216]. L’internalisation de Pseudomonas aeruginosa par les cellules épithéliales induit la production d’IL-1β qui, par effet autocrine, induit la synthèse de cytokines pro-inflammatoires, telles que l’IL-6, CXCL8 et CCL1 impliquées dans le recrutement des neutrophiles [217].
3. Les classes de mutations
A ce jour, plus de 1900 mutations ont été identifiées sur le gène codant la protéine CFTR (The Cystic Fibrosis Mutation Database ;www.genet.sickkids.on.ca). La plupart de ces mutations sont très rares, à l’exception de la délétion de trois paires de bases qui résulte en une perte de l’acide aminé phénylalanine à la position 508 de la protéine CFTR. Cette mutation, appelée F508del, représente environ 70 % des mutations dans la mucoviscidose [218].
Les études sur la synthèse et les fonctions de la protéine CFTR ont permis d’identifier six mécanismes différents concernant les mutations (Figure 16).
La classe I comprend les mutations qui altèrent la production de la protéine CFTR.
Ces mutations introduisent des codons stop prématurés au sein du gène CFTR. Cette classe inclut les mutations non-sens, les insertions-délétions, et les anomalies d'épissage. Dans certains cas, l'ARNm muté est instable et donc la protéine n’est pas produite. Dans d’autres
cas, il y a production de protéines tronquées ou aberrantes qui sont souvent instables et donc rapidement dégradées [218, 219].
Figure 16 : Les différentes classes de mutations affectant le gène codant pour la protéine CFTR.
Les classes de mutations au niveau du gène CFTR incluent l’absence de synthèse (classe I) ; la maturation défectueuse de la protéine et sa dégradation prématurée (classe II) ; la régulation désordonnée, telle que la diminution de la fixation de l’ATP et l’hydrolyse (classe III) ; la conductance défectueuse du canal (classe IV) ; le nombre réduit de transcriptCFTR dû à des défauts au niveau du promoteur ou de l’épissage (classe V) ; et l’accélération du cycle de synthèse/dégradation (turnover) des protéines (classe VI). Adapté de Roweet al, 2005 [220].
Les mutations de classe II, comprenant notamment la mutation F508del, perturbent le processus de maturation et le transport intracellulaire de la protéine. La protéine CFTR
« normale » est synthétisée dans le réticulum endoplasmique (RE) avant d’être transportée dans l’appareil de Golgi puis libérée au niveau de la membrane apicale. A l’inverse, F508del, reconnue comme un mutant dû à sa mauvaise conformation, est retenue dans le RE puis dégradée dans le protéasome. Ainsi, la protéine est soit absente, soit en quantité réduite à la membrane apicale [218, 219].
Les mutations de la classe III sont responsables d’un défaut de régulation de la protéine CFTR. Ces mutations se situent principalement au niveau des domaines de fixation de l’ATP (domaines NBD) (Figure 16). L’ATP ne pouvant plus se fixer, ces mutations entraînent donc un défaut de régulation de l’ouverture du canal chlore [218, 219].
La classe IV regroupe les mutations qui diminuent le temps d’ouverture du canal chlore ou qui modifient sa sélectivité aux ions (conductance altérée). Ces mutations sont
CFTR CFTR
Classe III
Classe IV Classe VI
Classe II
Classe I
Classe V Cl-
Appareil de Golgi
Protéasome
Réticulum endoplasmique
Noyau
« Turnover » accéléré
localisées au niveau des domaines transmembranaires de la protéine CFTR, impliqués dans la formation du pore du canal [218, 219].
La classe V comprend des mutations au niveau du promoteur qui réduisent la transcription du gène cftr et des mutations entrainant un épissage anormal ou alternatif du transcriptCFTR[218, 219].
Les mutations de la classe VI affectent la stabilité de la protéine CFTR à la membrane plasmique. Ces mutations, situées au niveau de la région C-terminale de la protéine, n’affectent pas la fonction et la localisation de la protéine CFTR, mais induisent une internalisation et une dégradation rapide de la protéine [221].
4. Les relations génotype/phénotype
Bien que la mucoviscidose soit une maladie monogénique, il existe une grande diversité de tableaux cliniques, même parmi les patients porteurs des mêmes mutations. La littérature indique que la relation entre génotype et phénotype est complexe : d’une part, la diversité des mutations ne répond qu’en partie à celle des phénotypes et, d’autre part, le mécanisme de perte de fonction de CFTR de nombreuses mutations n’est pas connu, ce qui ne permet pas de les classer. De plus, certaines mutations peuvent avoir plusieurs conséquences fonctionnelles et donc appartenir à plusieurs classes. Certaines études ont mis en évidence une relation génotype/phénotype sur la fonction pancréatique. En effet, les formes avec insuffisance pancréatique sont le plus souvent associées avec des mutations de classes I, II, III et VI. Les classes IV et V conduisent en général à des phénotypes plus modérés de mucoviscidose et une fonction pancréatique normale [222, 223]. La relation génotype/phénotype au niveau de la fonction pulmonaire n’est pas totalement déterminée.
L’expression clinique de la maladie serait influencée par d’autres facteurs, tels que l’environnement ou les gènes modificateurs. Parmi les gènes pouvant moduler la sévérité de l’atteinte pulmonaire, nous retrouvons les gènes codant pour le TGF-β1, la « mannose binding lectin 2 », CXCL8, l’IL-10 et les glutathion-S-transferase (GST) [224].
B. Présentation clinique et approches thérapeutiques