LE ROLE DE LA FRATAXINE DANS L'ATAXIE DE FRIEDREICH

par Pierre Rustin, chercheur à l'INSERM


La frataxine : une protéine mitochondriale


De nombreuses expériences ont permis d'établir la localisation de la frataxine dans les mitochondries, localisation qui est désormais bien admise. Par contre, l'analyse de la composition et de la structure de la frataxine n'a pas permis de tirer de conclusion quant à son rôle exact dans les mitochondries. De plus, seules des protéines intervenant dans la maturation de la frataxine interagissent avec cette dernière, ne permettant pas en identifiant des partenaires d'impliquer la frataxine dans une voie métabolique plus particulière dans les mitochondries.


La frataxine et le fer dans les mitochondries


Plusieurs hypothèses ont été avancées quant au rôle de la frataxine, cependant les études menées dans un microorganisme, la levure, qui possède une protéine équivalente à la frataxine, ont permis de conclure que la frataxine était impliquée d'une façon ou d'une autre, soit dans le transport, le stockage ou la manipulation des atomes de fer dans les mitochondries. De plus, des dépôts de fer dans les cardiomyocytes des patients atteints d'une ataxie de Friedreich ont pu être mis en évidence.

Les conclusions tirées des études de la levure ont été rapidement généralisées aux organismes supérieurs et à la pathologie humaine. Cependant, il faut garder à l'esprit que des différences notables existent dans 1'utilisation du fer entre différents organismes. Les mécanismes de régulation de l'utilisation du fer ont changé au cours de l'évolution avec l'apparition de nouveaux gènes ou de nouvelles fonctions. Ainsi, la ferritine qui stocke le fer dans le cytosol des cellules de mammifères est absente des levures. De même le système très complexe de régulation de l'importation du fer dans les cellules varie fortement d'un organisme à un autre, mais également d'un organe à un autre. Tout ceci montre que l'organisation précise, et à fortiori la régulation de l'utilisation du fer varie grandement d'une cellule à l'autre, d'un organe à l'autre et d'un organisme à l'autre. Dès lors, il est raisonnable de ne pas généraliser trop rapidement les résultats obtenus chez la levure à la situation rencontrée chez l'homme.


Le transport et l'utilisation du fer dans les mitochondries


Comme indiqué plus haut, la frataxine est selon toute vraisemblance impliquée dans le métabolisme du fer, et possiblement dans son transport dans les mitochondries. Du fait du rôle très important des mitochondries dans de nombreuses fonctions cellulaires, le transport des différentes substances dans les mitochondries est très étroitement régulé. Selon les substances importées, les mécanismes de régulation sont très différents et de plus, varient d'un organe à l'autre. Les mitochondries sont en particulier imperméables aux cations métalliques, comme le fer. Le transport des cations métalliques requiert l'énergie qui est fournie par l'activité de la chaîne respiratoire mitochondriale. L'import du fer n'a été étudié en détail que dans les Mitochondries de foie du rat et ces études suggèrent déjà qu'il existe différents transporteurs pour le fer. Très peu de choses sont connues sur ces transporteurs, et l'idée que la frataxine jouait un rôle dans la régulation du transport du fer dans les mitochondries a stimulé récemment des études sur ce point. En relation avec l'utilisation du fer dans les mitochondries, ces études ont permis de découvrir une nouvelle fonction des mitochondries dans la cellule. On savait depuis longtemps qu'il existait dans toutes les cellules, différentes protéines qui utilisent pour fonctionner du fer et du soufre, réunis dans un centre appelé fer-soufre, d'où leur nom de protéines à centre fer-soufre. Ces protéines jouent dans la cellule des rôles variés. Il en existe plusieurs dans les mitochondries et particulièrement dans la chaîne respiratoire mitochondriale. Il vient d'être montré que les centres fer-soufre sont assemblés dans les mitochondries, pour être ensuite utilisés dans les mitochondries ou dans le cytosol, à l'extérieur des mitochondries. Comme on le verra plus tard, ces protéines fer-soufre sont défectueuses dans certaines cellules des malades atteints d'une ataxie de Friereich.


La frataxine et le transport du fer dans les mitochondries


L'idée que la frataxine pourrait jouer un rôle direct dans le contrôle du transport du fer dans les mitochondries vient de l'observation que les levures mutées dans le gène codant pour l'équivalent de la frataxine accumulent du fer, probablement aux dépens du fer normalement présent dans le cytosol de la cellule. Dans la levure, où il n'existe pas de système de stockage du fer dans le cytosol, ce cation métallique pourrait normalement être stocké dans les mitochondries pour être ensuite utilisé par la cellule. Dès lors, pour expliquer l'accumulation anormale de fer, il a été proposé que l'absence de frataxine conduise à un blocage de 1 'export du fer de la mitochondrie vers le cytosol. Chez l'homme, comme les mitochondries ne semblent pas être le lieu de stockage du fer, puisque ce rôle revient à la ferritine, il a été proposé que la frataxine puisse plutôt contrôler l'import du fer dans les mitochondries. Quelle que soit l'hypothèse retenue, l'absence de frataxine conduira à une accumulation anormale de fer dans les mitochondries aux dépens du fer normalement présent dans le cytosol. Chez l'homme, le manque de fer dans le cytosol entraînera en cascade toute une série de modifications dans l'état et l'activité des systèmes contrôlant l'import du fer, cette fois au niveau des cellules. Il existe en effet dans le cytosol un système particulier qui, à tout moment, surveille si la quantité de fer y est correcte. Il s'agit d'une protéine, l'aconitase du cytosol, qui peut exister sous deux formes, soit sous la forme aconitase, soit sous la forme IRP (pour Iron Responsive Protéine en anglais, soit Protéine Réactive à la quantité de fer). Lorsqu'il y a beaucoup de fer, 1 'aconitase est largement sous la forme aconitase. Lorsqu'il y a peu de fer, elle se trouve sous la forme IRP. Sous cette forme, elle se fixe sur les IRE (pour Iron Responsive Element en anglais, soit Elément Réactif au Fer) présents sur différents ARN messagers impliqués dans l'utilisation du fer dans les cellules. Selon la place des IRE sur les ARN messagers, l'IRP va soit augmenter la stabilité des ARN messagers en les protégeant des enzymes dégradant les ARN (cas des ARN codant pour les transporteurs du fer), soit réduire leur utilisation (cas des protéines stockant le fer). Ainsi, lorsque le fer manque dans le cytosol, l'aconitase est sous forme IRP, les cellules vont avoir tendance à capter de plus en plus de fer, et celui-ci en l'absence de frataxine pourra s'accumuler, en quantité encore plus forte dans les mitochondries.

L'idée que la frataxine d'une façon ou d'une autre contrôle le transport du fer dans les mitochondries vient essentiellement de l'observation de l'accumulation de fer lorsque la frataxine est absente ou en quantité diminuée. Néanmoins, des résultats plus récents pourraient conduire à remettre en cause cette idée. Premièrement, il est possible d'accumuler des quantités encore plus grandes de fer dans des levures en modifiant d'autres gènes, sans pour autant observer les mêmes conséquences sur les mitochondries. A l'inverse, certaines levures dont on a inactivé le gène de la frataxine n'accumulent pas de fer, mais présentent des mitochondries qui sont déficientes. Dans le même ordre d'idée, des souris, modèles pour l'ataxie de Friedreich, qui ne possèdent plus du tout de frataxine, meurent avant la naissance sans que l'on observe d'accumulation anormale de fer.

Ainsi, il apparaît que d'une part; le fer peut s'accumuler dans les mitochondries sans entraîner un déficit des protéines fer-soufre, ce que l'on observe lorsque la frataxine est absente, d'autre part, que l'absence de frataxine n'entraîne pas toujours une accumulation de fer. Dès lors, il semble qu'il n'existe pas une relation simple entre l'absence de frataxine et l'accumulation de fer dans les mitochondries. Ceci suggère que la frataxine puisse ne pas être impliquée de façon directe dans le transport du fer, mais que l'accumulation de fer soit un phénomène secondaire. La perte d'activité des protéines fer-soufre pourrait résulter plus de l'état dans lequel le fer se trouve dans les mitochondries que de la quantité de fer présente, et la frataxine pourrait intervenir dans le stockage et/ou l'utilisation du fer dans les mitochondries, pour permettre la synthèse des protéines fer-soufre.


La frataxine, le stockage et l'utilisation du fer dans les mitochondries


Le fer, soit libre, soit fixé sur de petites molécules (chélateurs du fer), est extrêmement toxique. En effet, il réagit directement avec l'oxygène pour produire des radicaux libres, eux-mêmes très toxiques pour la cellule. Dès lors, une diminution de la quantité d'une protéine impliquée dans le stockage du fer peut avoir des conséquences nocives pour la cellule, identiques à celles observées dans l'ataxie de Friedreich. D'où l'idée que la frataxine pourrait jouer un tel rôle. Pourtant les observations initiales que la frataxine ne comporte pas de site pour fixer le fer, ni ne réagisse à la présence de fer, ont d'abord conduit à rejeter cette hypothèse. Néanmoins, très récemment, il vient d'être montré que la frataxine pourrait au contraire réagir à la présence de fer en formant des complexes sphériques (jusqu'à 60 frataxines se réunissent ensemble) dans lesquels le fer vient s'accumuler. Si cette observation se confirme, alors ces complexes de frataxine pourraient agir comme lieu de stockage du fer, avec pour conséquence de rendre le fer présent moins toxique. L'absence de frataxine pourrait alors entraîner une perte d'activité des protéines fer-soufre, sans pour autant que l'on observe une véritable accumulation de fer.


En résumé, les rôles possibles de lafrataxine


La perte des protéines fer-soufre est très spécifique et caractéristique de l'atteinte biochimique observée dans l'ataxie de Friedreich. Elle est particulièrement observée dans les cardiomyocytes, aux premiers stades de la maladie. Plusieurs hypothèses peuvent rendre compte de cette atteinte spécifique des protéines fer-soufre:

- Premièrement, en modulant le transport du fer dans les mitochondries et ainsi sa quantité, la frataxine pourrait contrôler les réactions toxiques qui dépendent de la présence du fer, en particulier la production de radicaux libres. Les centres fer-soufre des protéines étant très facilement déstabilisés par les radicaux libres, on observera une perte d'activité spécifique des protéines fer-soufre. Néanmoins, comme il n'existe pas de relation simple entre la quantité de fer présente et les conséquences de la diminution de frataxine, cette première hypothèse peut difficilement être retenue.

- Deuxièmement, si la frataxine joue un rôle pour le stockage du fer, la diminution de frataxine pourrait empêcher la production de radicaux libres et ainsi, empêcher la destruction des protéines fer-soufre.

- Troisièmement, la frataxine pourrait jouer un rôle direct dans la synthèse des protéines fer-soufre, en permettant une utilisation correcte du fer dans les mitochondries.

Cette dernière hypothèse est assez séduisante car elle explique la plus grande partie des résultats actuellement connus. Ainsi, le fer importé dans les mitochondries ne serait en réalité pas stocké, mais utilisé pour les synthèses des protéines qui nécessitent du fer pour leur fonctionnement comme les protéines à centre fer-soufre.


Les conséquences d'un manque de frataxine pour les cellules


La frataxine se retrouve dans de nombreux organismes, depuis des bactéries jusqu'aux mammifères sans grande différence dans sa structure. Ceci a suggéré qu'elle jouait un rôle identique. Pourtant, l'inactivation du gène de la frataxine ne conduit pas toujours aux mêmes conséquences. Ainsi, dans la bactérie Escherichia coli, l'absence de la protéine équivalente à la frataxine n'entraîne ni accumulation de fer, ni sensibilité spécifique aux radicaux libres. Dans les levures mutées, on observe par contre une accumulation de fer, une perte d'activité des enzymes mitochondriales, en particulier des protéines fer-soufre, et une plus grande sensibilité aux radicaux libres. Enfin, chez l'homme, la diminution de la frataxine entraîne initialement une perte très spécifique de l'activité des protéines fer-soufre. Par la suite, au cours de la maladie, des perturbations supplémentaires pourraient intervenir avec d'autres atteintes, secondaires à l'accumulation du fer dans les mitochondries.

Curieusement, la perte spécifique d'activité des protéines fer-soufre observée dans les cardiomyocytes et le système nerveux, n'est pas retrouvée, ni dans le muscle, ni dans les cellules du sang ou de la peau des malades, sans que 1'on sache très bien ce qui explique cette différence. Quoi qu'il en soit, comme ce sont ces dernières cellules qui avaient été précédemment étudiées, cette observation d'une atteinte biochimique restreinte au coeur (et au système nerveux) explique pourquoi l'origine de la maladie est restée si longtemps ignorée.

Maintenant que l'origine mitochondriale est connue, et que les mécanismes impliqués sont plus ou moins compris, il est possible de chercher des stratégies pour tenter d'enrayer la progression de la maladie.


Combattre l'ataxie de Friedreich


Quel que soit le mécanisme précis qui conduit à la toxicité du fer dans la maladie, il est désormais établi que le fer joue un rôle majeur dans le développement de la maladie. Dès lors,1a stratégie la plus simple pourrait être celle qui consiste à diminuer le fer dans l'organisme. Ceci peut se faire en utilisant des chélateurs du fer, tels que la desferrioxamine ou desferal. Néanmoins, une telle stratégie pose plusieurs problèmes. Premièrement, si le fer s'accumule dans les mitochondries, il semble qu'il en manque dans le cytosol. Nul ne connaît actuellement les conséquences de ce manque de fer. L'usage d'un chélateur pourrait encore accentuer ce problème, alors qu'il n'est pas sûr que ces chélateurs soient capables de réduire le fer présent dans les mitochondries. D'autre part, in vitro, i1 a été montré que les chélateurs, s'ils peuvent protéger les membranes de la toxicité du fer, conduisent à accentuer la destruction des protéines solubles par le fer. L'aconitase, déjà déficitaire dans les cellules malades, fait en particulier partie de ces protéines solubles. Aussi, l'idée d'utiliser des chélateurs, traitement 1ourd aux effets secondaires non négligeables, a plutôt été abandonnée.

Du fait de l'augmentation supposée des radicaux libres, liée à l'accumulation de fer, une autre stratégie basée sur l'usage des antioxydants a été considérée en France. Ici, le traitement ne vise pas directement le fer, mais plutôt vise à protéger les cellules des effets toxiques du fer. Il est intéressant de noter ici qu'un déficit en vitamine E (autre nom de 1'a-tocophérol), une substance antioxydante naturellement présente dans les mitochondries chez l'homme, produit une maladie similaire à l'ataxie de Friedreich. Cette similitude suggère que, dans les deux cas, une surproduction de radicaux libres intervienne.

Il existe de nombreuses substances agissant comme des antioxydants. Des essais in vitro ont montré que certaines d'entre elles pouvaient être plutôt dangereuses. Le fer en effet, n'est toxique que s'il est réduit, car alors il peut réagir avec l'oxygène et produire des radicaux libres. A 1 'état oxydé, ce type de réaction n'intervient pas. Or, une partie des substances antioxydantes est capable de réduire le fer et augmenter sa toxicité. Il convient donc de choisir des substances antioxydantes qui ne réduisent pas le fer. ,

Parmi ces dernières, l'idébénone, une substance voisine du coenzyme Q10, naturellement présente chez l'homme, mais diffusant mieux dans l'organisme, a été sélectionnée pour des essais cliniques après de nombreux tests in vitro. Des résultats initiaux, obtenus sur trois jeunes patients, se sont révélés prometteurs puisqu'après quelques semaines de traitement, une régression majeure de l'atteinte cardiaque a pu être observée, sans que d'effets adverses soient notés. Ces observations semblent être confirmées sur un plus grand nombre de malades, puisque sur 52 patients traités, l'hypertrophie myocardique a significativement décru, ceci s'accompagnant, pour un certain nombre de malades, d'une amélioration de la voix et des mouvements fins. Il faut bien évidemment plus de recul pour conclure de façon définitive quant à l'intérêt d'utiliser ce médicament, mais dès maintenant, l'espoir existe de pouvoir interférer avec le développement de la maladie. L'utilisation de molécules voisines de l'idébénone pourrait se révéler plus efficace pour un plus grand nombre de patients dans l'avenir. D'autres stratégies pourraient également découler d'une meilleure connaissance de la fonction de la frataxine. Dans un avenir plus lointain, le développement de la thérapie génique pourrait aussi permettre de s'attaquer à la base même de la maladie, soit au gène défectueux.


Article paru dans le journal "Espoir" du mois de septembre 2000