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Avec tous nos remerciements à Bernard
POULAIN
Equipe de Physiologie Moléculaire de la Transmission Synaptique.
Laboratoire de Neurobiologie Cellulaire, UPR CNRS 9009, Centre de
Neurochimie, 5, rue Blaise Pascal, 67084 Strasbourg Cedex, France.
Tel. (33) 88 45 66 77 Fax (33) 88 60 16 64
Introduction
Partant du constat que l'action paralysante des toxines botuliques
s'exerce de façon sélective et durable sur la transmission entre les
nerfs moteurs et les muscles squelettiques sans avoir d'action sur
le système nerveux central, Alan Scott a introduit en 1980 l'utilisation
de la toxine botulique de type A en clinique comme alternative à l'intervention
chirurgicale conventionnelle du strabisme. Par la suite, cette toxine
a été utilisée avec succès dans une grande variété de désordres neurologiques
associés à des contractions spasmodiques involontaires des muscles
(torticolis spasmodique, blépharospasme, spasme hémifacial, dystonie
laryngée).
Le but de cette synthèse est de décrire succinctement le mécanisme
par lequel les neurotoxines botuliques bloquent la transmission neuromusculaire.
Auparavant, nous évoquerons brièvement les bases de la transmission
entre les nerfs moteurs et les muscles.
La transmission synaptique entre
le nerf moteur et le muscle.
Le transfert d'informations entre deux neurones ou le passage
d'un ordre entre un neurone et une cellule cible (comme entre le motoneurone
et la fibre musculaire qui doit se contracter) se fait au niveau de
contacts appelés synapses ( Figure1). Le principal
mode de communication synaptique implique l'émission (dite libération)
d'un messager chimique ou neurotransmetteur par les terminaisons nerveuses
du neurone émetteur (dit neurone présynaptique) qui est détecté par
la cellule réceptrice (dite postsynaptique). L'acétylcholine est le
neurotransmetteur libéré à la jonction entre les nerfs moteurs et
les muscles striés squelettiques.
Dans les terminaisons nerveuses, le messager chimique est stocké dans
des "vésicules" synaptiques (Figure1).
Celles-ci consistent en des petites organelles sphériques de 50 nm
de diamètre et délimitées par une membrane lipidique ( Figure2
). Elles sont au nombre de 100.000 à 500.000 dans les terminaisons
des motoneurones (I juin de diamètre sur environ 100 gm de longueur
développée). Chacune des vésicules synaptiques du motoneurone contient
environ 10.000 molécules du neurotransmetteur acétylcholine
Lors de la commande d'un mouvement volontaire ou lors du maintien
de la posture, l'ordre de contraction donné au muscle est codé sous
la forme de trains de plusieurs "impulsions bioélectriques"
ou potentiels d'action. Chaque potentiel d'action se propage jusqu'aux
terminaisons nerveuses des motoneurones et les dépolarise. Il en résulte
l'activation de protéines membranaires qui sont perméables aux seuls
ions calcium. Ces protéines sont des "canaux ioniques".
Comme les ions calcium sont plus concentrés dans le milieu extérieur
que dans l'intérieur du neurone, des ions calcium entrent dans la
terminaison nerveuse; ils déclenchent alors la fusion de dizaines
de vésicules synaptiques avec la membrane de la terminaison neuronale.
Par ce moyen, le contenu en neurotransmetteur des vésicules synaptiques
est libéré dans l'espace synaptique qui existe entre le neurone émetteur
et la fibre musculaire cible. Cette libération est aussi appelée exocytose
[pour mise hors (exo) de la cellule (cyte)].
L'acétylcholine libérée par exocytose, diffuse dans l'espace ou fente
synaptique (de 0,05 à 01 micron-gramme d'épaisseur) puis est détectée
par sa liaison à des récepteurs à l'acétylcholine localisés sur la
fibre musculaire. La détection du messager chimique provoque une réponse
(dite postsynaptique) qui consiste en une dépolarisation généralement
suffisante pour initier un potentiel d'action musculaire. Celui-ci
se propage le long de la fibre musculaire et déclenche la contraction
de la fibre. La contraction de plusieurs centaines de fibres musculaires
donne lieu à la contraction du muscle.
Toxines et neurotoxines botuliques
Les neurotoxines botuliques sont des protéines d'environ 1300
acides aminés produites par divers types de Clostridium botulinum
(des bactéries strictement anaérobies) ainsi que par d'autres Clostridia.
Les neurotoxines botuliques sont définies comme des neurotoxines du
fait de leur action restreinte au seul système nerveux alors que les
autres toxines (botulinolysine, toxine C2, exoenzyme C3 ... ) produites
par Clostridium botulinum peuvent affecter des types cellulaires divers.
Sept toxinotypes différents de neurotoxine botulique (types A à G)
ont été découverts. Ils sont sécrétés avec des protéines non toxiques
(dont des hémagglutinines) qui ne semblent pas contribuer à l'action
paralysante des toxines. Ces protéines non toxiques se lient à la
neurotoxine et le complexe multimoléculaire ainsi formé est appelé
toxine botulique. Lors du botulisme, la toxine est ingérée avec des
aliments contaminés. Une des fonctions des protéines non toxiques
est de protéger la neurotoxine contre les sucs digestifs de l'estomac.
Seule la neurotoxine est capturée par l'épithélium intestinal et dissémine
dans l'organisme. Toxine et neurotoxine botuliques sont utilisées
avec un égal succès en clinique.
Sélectivité d'action des neurotoxines
botuliques
Dans les conditions physiopathologiques, les neurotoxines botuliques
ne semblent pas franchir la barrière hématoencéphalique qui isole
le système nerveux central; de ce fait, leur action reste confinée
au système nerveux périphérique ( Figure1).
Quoique elles agissent préférentiellement sur les terminaisons nerveuses
entre les motoneurones et les fibres musculaires, les neurotoxines
botuliques peuvent aussi bloquer la transmission nerveuse au niveau
d'autres synapses périphériques, cholinergiques ou non. Ceci est illustré
par les symptômes rencontrés lors du botulisme : en effet, on observe
des troubles de fonctionnement du système nerveux autonome en même
temps que des symptômes moteurs [par exemple : des troubles digestifs
(constipation), des troubles de la vision (diplopie ... ), une faiblesse
musculaire]. Lors du botulisme, quand la concentration circulante
de neurotoxine botulique augmente, la maladie prend une forme sévère
du fait de l'installation d'une paralysie neuromusculaire flasque.
C'est cette action paralysante qui est exploitée en clinique (traitement
des dystonies focales). Notez que dans les conditions de l'utilisation
thérapeutique, la neurotoxine ou la toxine botulique sont appliquées
localement par injection. De ce fait, comme elles ne diffusent pas
ou très peu hors du site d'injection, leur action paralysante reste
confinée aux jonctions nerfs-muscles qui sont voisines du site d'injection.
Organisation fonctionnelle et
mode d'action des neurotoxines botuliques
Le mode d'action des neurotoxines botuliques peut être décomposé
en quatre grandes étapes
1) liaison à des récepteurs localisés sur les régions amyéliniques
des terminaisons des motoneurones (Figure 1),
2) capture de la neurotoxine par le motoneurone (Figure 1, flèche).
Celle ci consiste en l'endocytose (internalisation) du complexe neurotoxine/récepteur,
3) translocation de la chaîne légère de la toxine du compartiment
de capture (vésicule d'endocytose) vers le milieu intracellulaire
(cytosol ) de la terminaison du motoneurone (Figure 1, flèche) et
4) action sur une cible intracellulaire (Figure 2).
Les diverses neurotoxines botuliques sont toutes composées de deux
grands modules fonctionnels appelés chaîne légère et chaîne lourde
(Figure 3). Chacune des chaînes contient plusieurs domaines fonctionnels
auxquels on peut attribuer un rôle précis dans le processus d'intoxination.
L'étape 1 impliquerait deux sous domaines localisés dans la seconde
moitié de la chaîne lourde des neurotoxines. L'étape 3 (translocation)
impliquerait la première moitié de la chaîne lourde. L'étape 4 (blocage
de la libération des neurotransmetteurs) est dû uniquement à un domaine
catalytique localisé au milieu de la chaîne légère.
Figure 1
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Les neurotoxines botuliques agissent uniquement sur les synapses périphériques.
Elles se lient à des récepteurs localisés sur les régions amyéliniques
et entrent dans les terminaisons nerveuses. Les vésicules synaptiques
qui contiennent le neurotransmetteur sont symbolysées par des ronds
gris. L'acronyme BoNT indique la toxine (pour Botulinum NeuroToxin).
La flèche noire symbolise l'endocytose de la toxine et la translocation
de sa chaîne légère. La région encadrée est agrandie dans la figure
2.
Figure 2
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Cibles protéiques des diverses
neurotoxines botuliques (BoNT) L'acronyme VAMP désigne
la VAMP/synaptobrévine. Le trait gris symbolise les autres protéines.
La membrane des vésicules synaptiques et la membrane neuronale sont
symbolysées comme des bicouches lipidiques. Lors du processus d'exocytose,
les protéines VAMP, SNAP 25 et syntaxine s'associent en un complexe
qui force la membrane vésiculaire à fusionner avec la membrane neuronale.
Figure 3
Figure 3.
Structure modulaire des neurotoxines
botuliques. Elle est représentée avec
une indication du rôle des domaines protéiques dans l'action des neurotoxines.
Le mécanisme de blocage de la
transmission synaptique par les neurotoxines botuliques.
De nombreuses études ont montré que les diverses neurotoxines
botuliques n'affectent pas les canaux ioniques présynaptiques impliqués
dans les potentiels d'actions. L'entrée des ions calcium dans la terminaison
nerveuse n'est pas significativement diminuée et les récepteurs postsynaptiques
ne sont pas bloqués. En fait, le blocage de la transmission synaptique
par les diverses neurotoxines botuliques est uniquement dû à l'inhibition
de la libération des neurotransmetteurs par exocytose (c'est à dire
par fusion des vésicules avec la membrane des terminaisons nerveuses).
Les neurotoxines botuliques comme la toxine tétanique sont des endopeptidases
à zinc, c'est à dire des enzymes capables de couper des protéines.
Les cibles intraneuronales de ces "ciseaux moléculaires"
sont trois protéines impliquées dans l'exocytose du contenu des vésicules
synaptiques en réponse à une entrée de calcium dans le neurone. Ces
protéines sont la VAMP/synaptobrévine, la SNAP25 et la syntaxine (Figure
2). Les travaux récents ont montré que toutes les trois sont impliquées
dans la fusion des vésicules de sécrétion ou des vésicules synaptiques
avec la membrane des cellules sécrétrices ou des neurones.
Une caractéristique importante des neurotoxines botuliques est leur
très haute spécificité d'action intracellulaire puisque qu'elles n'attaquent
que ces trois protéines parmi les quelques milliers présentes dans
les cellules. Ainsi, la SNAP 25 est coupée par les neurotoxines de
type A (celle utilisée en clinique), E et C. La VAMP/synaptobrévine
est la cible des neurotoxines B, D, F et G. La neurotoxine de type
C attaque aussi la syntaxine.
Récupération de la contraction
musculaire après l'action des neurotoxines botuliques
L'inhibition de la transmission entre le nerf moteur et le muscle
par les neurotoxines botuliques est irréversible à court terme. Elle
dure de quelques semaines à quelques mois selon le type de neurotoxine
administré. C'est là une limitation importante à l'utilisation de
ces toxines en clinique puisque le blocage de la transmission entre
le nerf moteur et le muscle n'est que temporaire. Les mécanismes de
la récupération fonctionnelle des synapses empoisonnées ne sont pas
encore tous compris. D'une part, de nouveaux contacts synaptiques
fonctionnels sont très rapidement mis en place par bourgeonnement
et poussée de nouvelles terminaisons nerveuses à partir des prolongements
des motoneurones empoisonnés. Ils permettent de retrouver une commande
motrice efficace alors même que l'ancienne synapse est encore bloquée.
D'autre part, les protéines synaptiques coupées par les neurotoxines
botuliques sont remplacées progressivement dans les terminaisons des
motoneurones ce qui permet au processus d'exocytose de refonctionner
dans la synapse empoisonnées.
Conclusion
Pour résumer, en coupant l'une ou l'autre des trois protéines
synaptiques VAMP/synaptobrévine, SNAP 25 et syntaxine, la chaîne légère
des neurotoxines botuliques empêchent la fusion des vésicules qui
contiennent le neurotransmetteur avec la membrane neuronale. Les neurotoxines
botuliques bloquent ainsi la libération des neurotransmetteurs messagers
qui servent à commander la contraction musculaire. Quoique les protéines
cibles des neurotoxines botuliques existent dans tous les neurones
et même dans des cellules non neuronales (cellules chromaffines, cellules
b du pancréas qui libèrent l'insuline) l'action des neurotoxines botuliques
est restreinte aux Jonctions neuromusculaires motoneurones parce que
leur chaîne lourde reconnait des récepteurs spécifiques des motoneurones.
Remerciements.
Le travail de l'auteur sur les neurotoxines clostridiales et les
mécanismes de libération des neurotransmetteurs bénéficie d'une aide
de l'Association Française contre les Myopathies et de la DGA.
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