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Archives de pédiatrie
Volume 22, n° 12S1
pages 1218-1223 (décembre 2015)
Doi : 10.1016/S0929-693X(16)30004-5
Physiopathologie de la dystrophie musculaire de Duchenne
Duchenne muscular dystrophy pathophysiology
 

Y. Péréon , S. Mercier, A. Magot
 Centre de Référence des Maladies Neuromusculaires Nantes-Angers, Hôtel-Dieu, 44093 Nantes cedex, France 

* Auteur correspondant Auteur correspondant
Summary

Dystrophin is a large cytoskeletal protein located at the plasma membrane in both muscle and non-muscle tissues, which mediates interactions between the cytoskeleton, cell membrane, and extracellular matrix. Dystrophin is a key component of multiprotein complexes (dystrophin- associated glycoprotein complex, or DGC). It is also involved in many intracellular cascades affecting membrane proteins such as calcium channels, or various signalisation pathways. In Duchenne Muscular Dystrophy, both dystrophin and DGC proteins are missing. This induces excessive membrane fragility and permeability, dysregulation of calcium homeostasis, oxidative damage, which in turn favour muscle cell necrosis. The latter is initially followed by regeneration. With age, the regenerative capacity of the muscles appearss to be exhausted and muscle fibres are gradually replaced by connective and adipose tissue.

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Résumé

La dystrophine est une des protéines les plus grandes de l’organisme, localisée à la face interne de la fibre musculaire squelettique, où elle assure un lien structurel entre le cytosquelette et le sarcolemme, via un ensemble de protéines appelé « complexe des protéines associées à la dystrophine » (CPAD). Elle est de plus impliquée dans des cascades de signalisation cellulaire soit directement en régulant des protéines membranaires telles que les canaux calciques, soit indirectement par l’intermédiaire des voies de signalisation calciques ou de l’oxyde nitrique (NO). Au cours de la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD), non seulement la dystrophine fait défaut, mais l’expression des protéines constitutives du CPAD est également très réduite. La fragilité excessive de la membrane vis-à-vis d’un stress mécanique et l’augmentation de sa perméabilité, la dysrégulation de l’homéostasie calcique, les perturbations de la NO synthase, le stress oxydatif qui tous résultent de la perte de la dystrophine sont à l’origine de la nécrose musculaire, suivie d’une régénération initialement efficace. Avec le temps, celle-ci s’épuise, inflammation et fibrose endomysiale s’installent, avec le remplacement progressif des fibres musculaires par du tissu fibro-adipeux et la perte de la fonction musculaire.

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La dystrophine est une des protéines les plus grandes de l’organisme jusqu’ici identifiées. Il en existe cinq isoformes, la forme complète étant principalement exprimée au niveau du muscle strié squelettique et cardiaque. Elle est localisée à la face interne de la fibre musculaire squelettique, où elle assure un lien structurel entre le cytosquelette, dont en particulier les filaments d’actine, et le sarcolemme, via un ensemble de protéines appelé « complexe des protéines associées à la dystrophine » (CPAD) (Figure 1) [2].



Figure 1


Figure 1. 

Dystrophine et protéines associées.

DG dystroglycane; SGC complexe des sarcoglycanes; SS sarcospane.

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La dystrophine comprend quatre domaines structuraux une extrémité N-terminale, présentant des homologies avec les domaines de liaison de I’α-actine; un domaine central constitué de la répétition de 24 segments répétés proches de la spectrine et contenant quatre régions charnières [3]; un domaine riche en cystéine lui-même composé d’un domaine aWW, de deux domaines dits EE-hand-like et d’un domaine ZZ, et faisant le lien avec le CPAD par l’intermédiaire du β-dystroglycane; enfin, une extrémité C-terminale, en forme d’hélice, qui interagit avec les syntrophines [4, 5]. Même si les segments répétitifs du domaine central ont un caractère de redondance en terme de rôle mécanique de la dystrophine, ils contiennent un domaine de liaison à l’actine supplémentaire et interagissent avec des phospholipides membranaires, la nNO synthase et d’autres protéines du cytosquelette telles que la plectine, les filaments intermédiaires et les microtubules [6].

Le rôle premier de la dystrophine est de contribuer au maintien de l’intégrité structurale de la fibre musculaire, par ses interactions avec le cytosquelette et le CPAD. Elle permet au sarcolemme et aux tissus environnants via la matrice extracellulaire de faire face au stress mécanique que représente la contraction des myofibrilles. Selon une vision simpliste, elle joue le rôle d’un ressort tendu entre membrane et myofibrilles.

Le CPAD, auquel elle est étroitement associée, comprend des protéines intracytoplasmiques (α1 – et β1 syntrophines, α-dystrobrévine, NO synthase neuronale), transmembranaires (β-dystroglycane, α-, β-, γ- et δ-sarcoglycanes, sarcospane) et extracellulaires (α-dystroglycane, laminine 2]. Le CPAD joue un rôle fondamental lors de la contraction par ses liens avec la matrice extra-cellulaire [7]. Avec la dystrophine, il fait partie du costamère et permet de garder l’alignement du sarcolemme et des structures contractiles en le protégeant de lésions induites par la contraction. Enfin, il transmet une partie des forces de contraction latéralement vers la matrice extracellulaire.

La deuxième fonction de la dystrophine au niveau du muscle squelettique est de participer à la régulation de plusieurs fonctions métaboliques. Ceci inclut le couplage excitation-contraction, l’homéostasie calcique, des fonctions mitochondriales, des interactions avec les protéines motrices, l’expression de certains gènes. La dystrophine est ainsi impliquée dans des cascades de signalisation cellulaire soit directement en régulant des protéines membranaires tels que les canaux calciques, soit indirectement par l’intermédiaire des voies de signalisation calciques ou du NO.

À titre d’exemple, le fonctionnement correct du récepteur à acétylcholine de la plaque motrice, celui des canaux sodiques musculaires Nav1.4 et Nav1.5, respectivement squelettique et cardiaque, des canaux calciques de type L, de l’aquaporine, ou encore de canaux ioniques activés par l’étirement (strech activated channels ) dépendent étroitement de leur association avec le CPAD et, de fait, avec la dystrophine.

Physiopathologie

Alors que l’origine génétique des dystrophinopathies est parfaitement identifiée, les mécanismes précis qui conduisent aux processus de nécrose, d’inflammation et de fibrose musculaires observés tout au long de la maladie restent partiellement inexpliqués. Au cours de la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD), non seulement la dystrophine fait défaut, mais l’expression des protéines constitutives du CPAD est également très réduite, alors que celle de certaines autres protéines qui lui sont associées est au contraire augmentée. Il est intéressant de rappeler que l’absence de quelque autre protéine du CPAD est responsable de l’apparition d’une dystrophie musculaire, d’expression phénotypique variable que ce soit par la sélectivité de l’atteinte musculaire, l’âge de survenue ou la présence d’une cardiomyopathie.

Du fait de l’absence de dystrophine, la membrane devient à la fois fragile et perméable: l’augmentation des concentrations de calcium intracellulaire, un des premiers biomarqueurs identifiés expérimentalement, déclenche un processus typique de nécrose et fibrose dans les différents types de muscles. La dysrégulation de l’homéostasie calcique est un événement précoce dans la physiopathologie et relativement commune au sein des dystrophies musculaires. Plusieurs mécanismes principaux sont avancés pour expliquer la dégénérescence musculaire au cours de la DMD, à la fois chez les humains et dans les modèles animaux ( Figure 2) [8].



Figure 2


Figure 2. 

Principaux mécanismes physiopathologiques

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Fragilité de la membrane vis-à-vis du stress mécanique

L’action mécanique de contraction des fibres musculaires génère des microlésions du sarcolemme, en l’absence du lien entre membrane de la fibre musculaire et myofibrilles que représentent la dystrophine et le CPAD [9, 10]. La fibre musculaire squelettique est grandement fragilisée par l’absence de ces protéines, le costamère n’assurant plus son rôle. Un biomarqueur fondamental de la maladie, présent dès la naissance bien avant l’apparition des premiers symptômes, est l’élévation importante de la créatine kinase (CK). Elle suggère fortement qu’il existe une perméabilité accrue de la membrane musculaire permettant aux enzymes solubles de passer librement hors de la cellule. Les premières études de muscle squelettique en microscopie électronique au cours de la DMD ont montré des ruptures focales de la surface membranaire, associées à des contractures des myofibrilles avoisinantes. Ceci a conduit a formuler l’hypothèse que le dommage membranaire était une caractéristique précoce de l’affection et que l’entrée de calcium dans la cellule se faisait par ces points de rupture. Expérimentalement, cette perméabilité accrue de la membrane a été confirmée de façon répétée par l’utilisation de marqueurs tels que l’albumine ou le Bleu Evans [11].

Dérégulation de l’homéostasie calcique

Le calcium cytosolique est augmenté au cours de la DMD, y compris au repos [12]. Cette élévation des concentrations intracellulaires calciques provoque l’activation critique de plusieurs voies de signalisation, incluant la calpaïne, protéinase dépendant du calcium, qui dégrade les protéines et contribue à la mort cellulaire médiée par les mitochondries [13].

L’augmentation du calcium intracellulaire relève de plusieurs mécanismes qui s’associent [14] les quatre principales voies d’entrée de calcium sont :

les canaux de fuite naturellement présents a la surface du sarcolemme et dont l’ouverture est majorée au cours de la DMD;
les ruptures focales du sarcolemme (cf. supra );
les canaux mécanosensibles (stretch activated cation channels ) du sarcolemme. Ces canaux mécanosensibles appartiennent à la vaste famille TRP (transient receptor potential ) [15, 16]. Les canaux TRPC1 et TRPC4 sont exprimés sur le sarcolemme des fibres musculaires squelettiques et participent normalement à la régulation du calcium et du magnésium. Ils sont associés aux CPAD via l’αsyntrophine 1, dont l’expression est diminuée au cours de la DMD. Leur activité est augmentée au cours de la DMD, peut-être du fait d’étirements excessifs de la membrane plasmique qui n’est plus correctement rattachée aux myofibrilles par le costamère. D’autres canaux, tels que le TRPC3 ou le TRPV2 sont peut-être également impliqués.
les canaux SOCE (store operated calcium entry ) du système tubulaire transverse, qui gèrent le niveau de stockage du calcium dans le réticulum sarcoplasmique. Ce mécanisme, d’individualisation relativement récente, joue un rôle important dans l’homéostasie du calcium lors du couplage excitation-contraction, en particulier lors du développement ou du remodelage musculaire. Le système SOCE permet le réapprovisionnement du réticulum sarcoplasmique (RS) en calcium lors de contractions répétées, il repose sur le couplage de deux structures : Orai1, canal hautement sélectif pour le calcium, localisé dans le système tubulaire transverse, et STIM1, protéine transmembranaire du réticulum sarcoplasmique. Tous deux sont également des membres de cette famille de canaux TRP. STIM1 fait office de détecteur de calcium et contrôle l’ouverture d’Orai1. Leur expression est très élevée (multipliée par trois) chez la souris mdx, avec une plus forte activité SOCE pouvant contribuer à l’élévation du calcium intracellulaire [17].

D’autres protéines, dont l’expression est réduite dans la DMD, sont impliquées dans la dérégulation calcique la calséquestrine qui suggère des capacités restreintes de séquestration du calcium dans le RS, la sarcaluménine qui régule la recapture du calcium vers le RS via la pompe ATPase calcique SERCA ou encore la calpastatine, inhibiteur endogène spécifique de la calpaïne [8].

Perturbations de la NO synthase

Trois isoformes de la NO synthase sont normalement présentes dans le muscle squelettique l’isoforme neuronale (nNOS), la plus abondante, l’isoforme endothéliale (eNOS), et l’isoforme inductible (iNOS), en très petite quantité. L’absence de dystrophine provoque une diminution de l’activité de l’isoforme neuronale de la NO synthase, liée à la syntrophine. Le manque de synthèse de NO déclenche la dérégulation de plusieurs voies qui lui sont dépendantes, incluant la régulation de la contraction, le métabolisme mitochondrial, l’homéostasie du glucose, ainsi que des réponses métaboliques, immunitaires ou vasculaires. En particulier, la diffusion du NO en dehors des fibres musculaires squelettiques est nécessaire à la vasodilatation survenant lors de la contraction et dont l’objectif est de favoriser l’oxygénation du muscle. La production réduite de NO par la nNOS pourrait provoquer une vasoconstriction du fait d’une réduction de la production de GMP cyclique dans les cellules musculaires lisses des artérioles du muscle squelettique. Elle favoriserait ainsi l’ischémie à l’exercice et altèrerait les performances lors de celui-ci [18].

Stress oxydatif

La production excessive de radicaux libres ou ROS (reactive oxygen species ) est également observée au cours de la DMD et dans les modèles animaux [19], à la fois dans le muscle squelettique et cardiaque. Elle s’accroit de plus lors de l’exercice. Elle est secondaire à une majoration de l’activité de la NADPH oxydase membranaire NOX2, mais aussi aux conséquences mitochondriales de l’élévation du calcium intracellulaire. Ces radicaux libres excessifs vont contribuer à l’activation de mécanismes d’inflammation via successivement le facteur nucléaire kβ (NF-kβ) et le TNFa. Ils vont aussi contribuer à l’activation de la calpaïne, favorisant la nécrose cellulaire. Ils vont enfin, dans un authentique cercle vicieux, augmenter les concentrations calciques intracellulaires en sensibilisant les récepteurs à la ryanodine du réticulum sarcoplasmique, (avec pour conséquence une augmentation du relargage intracytoplasmique de calcium) et en activant les canaux mécanosensibles TRP de la membrane.

Processus inflammatoire

Le muscle squelettique est particulier dans l’organisme du fait de sa relativement faible capacité à générer des réponses immunitaires locales il possède en effet peu de cellules dendritiques, de mastocytes et d’autres cellules pro-inflammatoires. Dans la DMD survient peu de temps après la naissance une activation de toute une partie du système immunitaire, y compris avant l’apparition des premiers signes fonctionnels, incluant l’altération de la signalisation via les toll like receptors TLR4 et TLR7 et le NF-kβ, et l’expression de de molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de classe I [20]. Les fuites vers le milieu extracellulaire par les brèches du sarcolemme liées à l’absence de dystrophine représentent un facteur déclenchant les réponses immunitaires innées, incluant la fixation de molécules telles que heat shock proteins ou acides nucléiques aux TLR, avec initiation d’un processus inflammatoire [21]. Les cytokines pro-inflammatoires induisent l’expression du CMH de classe I et II dans les fibres musculaires, le recrutement de lymphocytes T et B, la génération d’une réponse immune adaptative dans le muscle. Ce microenvironnement pro-inflammatoire se superpose à l’infiltration en neutrophiles et macrophages provoquée par les cycles successifs de dégénérescence-régénérescence musculaire [22].

Tous ces mécanismes sont bien entendu interdépendants et de leur action résulte le phénotype cellulaire de la DMD. D’autres processus physiopathologiques sont également mis en jeu [23]. À titre d’exemple, on peut citer les métalloprotéases de la matrice extracellulaire qui voient leur expression augmenter au cours des dystrophinopathies, ce qui contribue très probablement aux phénomènes d’inflammation, de nécrose et de fibrose des fibres musculaires [24]. L’atteinte cardiaque et celle du système nerveux central sont abordées dans d’autres articles de ce numéro.

Conclusions: conséquences dans le temps

Le muscle squelettique est un tissu dynamique qui subit régulièrement des stress mécaniques lors de chaque contraction ou effort. Il peut subir des dommages répétés résultant en une perte en fibres musculaires suivie d’un processus de récupération initié par les cellules satellites. Au cours de la DMD, ce processus est très tôt mis en jeu et permet de compenser, au début, les lésions de nécrose liées à l’absence de dystrophine. Mais le processus pathologique étant permanent, la capacité du muscle à se régénérer s’épuise. Ce déséquilibre entre dégénérescence et régénérescence du muscle provoque inflammation et fibrose endomysiale, avec le remplacement progressif des fibres musculaires par du tissu fibro-adipeux et la perte de la fonction musculaire. Ceci explique l’apparition retardée des premiers symptômes de la maladie, ainsi que leur majoration en cas d’exercice excessif.

Liens d’intérêts

Au cours des 5 dernières années, Armelle Magot a été investigateur d’études cliniques promues par les laboratoires PTC Therapeutics, Lilly et GSK; Sandra Mercier a été co-investigateur d’études cliniques portées par les laboratoires PTC Therapeutics, Lilly, GSK et Généthon; Yann Péréon a perçu des honoraires pour participation à un groupe d’experts de la part de PTC Therapeutics et a été investigateur d’études cliniques portées par les laboratoires PTC Therapeutics, Lilly et GSK.

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