Le phénotype phénylcétonurique
PAH 
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Mise à jour : 05/02/2002

Glossaire
Histoire

Téléchargements
    Une enzyme, la phénylalanine hydroxylase PAH

    Démarche proposée par Jacques Barrère, lycée Paul-Louis Courier, Tours,
    et Monique Dupuis, Lycée Jean Monnet, La Queue-les-Yvelines

Objectifs 
  1. Le phénotype dépend de protéines et peut se définir à plusieurs niveaux 
  2. L'activité des enzymes contribue à la réalisation du phénotype
  3. L'origine génétique des phénotypes phénylcétonuriques
  4. Les relations de dominance/récessivité entre les allèles d'un gène dépendent du niveau de phénotype considéré
  5. Un phénotype macroscopique donné résulte de processus biologiques gouvernés par l'expression de plusieurs gènes
  6. Influence de l'environnement sur la réalisation du phénotype clinique


Le phénotype dépend de protéines et peut se définir à plusieurs niveaux 
 
Ressources
Activités
Texte (à composer à partir des informations fournies dans la synthèse)
Décrivant les signes cliniques de la maladie et les réactions métaboliques impliquées, illustré d'une visualisation 3D des métabolites.
Relever : 
  • La liste des symptômes liés à la phénylcétonurie, 
  • Les relations de causalité entre ces différents symptômes, 
  • Le fait qui suggère l’origine génétique de la maladie.
Définir le phénotype à différents niveaux : 
  • physiologique : signes cliniques,
  • métabolique : anomalie dans la dégradation de phénylalanine,
  • moléculaire : phénylalanine hydroxylase anormale, une enzymopathie.

Conclusion

  • Chez les individus atteints de phénylcétonurie, la PAH est non fonctionnelle, et elle ne peut donc catalyser la réaction de transformation de la phénylalanine en tyrosine. Cette phénylalanine s'accumule donc dans le sang de l'individu et est transformée en composés cétoniques toxiques pour les cellules nerveuses ce qui explique les troubles cliniques observés.
  • Le phénotype moléculaire (protéine enzymatique PAH)  est donc responsable des phénotypes au niveau métabolique et clinique.
L'activité des enzymes contribue à la réalisation du phénotype
 
Ressources
Activités
Texte décrivant le rôle de la Phénylalanine 2 hydroxylase (à composer à partir des informations fournies dans la synthèse)

Modèles 3D pour Chime ou Rasmol
A télécharger : mol3DPAH.zip
 

  • Structure 3D d'une protéine

  • A télécharger : Prot3D.zip
     
  • Modèles 3D de la PAH
  • Dimère de la PAH
  • Monomère de la PAH
  • Comparaisons : complexe enzyme-substrat ; complexe enzyme inhibiteur : adrénaline, noradrénaline, dopamine, L Dopa

  •  
     
     
     
     
     

    Les particularités d'une protéine enzymatique :

    • mettre en relation le rôle de l'enzyme et sa capacité de fixation du BH4
    • mettre en relation l'inactivité de l'enzyme en présence des inhibiteurs (adrénaline, noradrénaline, dopamine, L dopa) et la localisation de la fixation de ces inhibiteurs sur la PAH
    • dégager la notion de site actif (ou de site catalytique) situé dans  un rayon de 5.0 nm autour du cofacteur BH4 (tétrahydrobioptérine). 

    Conclusion

    • la PAH est une protéine tétramérique; chaque tétramère est un polypeptide dont la configuration spatiale dépend de la séquence d'acides aminés 
    • Le BH4, cofacteur indispensable à l'activité de la PAH se fixe dans une zone particulière de l'enzyme appelée site catalytique.
    • il y a complémentarité de forme entre le BH4 et le site catalytique de la PAH
    • des substances qui ont une configuration spatiale voisine de celle du BH4 peuvent se fixer à sa place sur l'enzyme, et ainsi bloquer le site catalytique donc empêcher l'action de l'enzyme.

    • Le site catalytique (ou site actif) de la phénylalanine hydroxylase met en jeu un atome de fer, trois molécules d'eau et trois résidus : Glu330, His290 et His285.
    • C'est la séquence d'acides aminés de la protéine qui détermine sa conformation spatiale (sa structure tertiaire).
    L'origine génétique des phénotypes phénylcétonuriques
     
    Ressources
    Activités et résultats
    Séquences et structures 3D pour les logiciels Anagène, Rasmol ou Chime

    Séquences protéiques pour Anagène

    PolyPAHpro.edi

    • Comparer les séquences protéiques des PAH des individus phénylcétonuriques avec celle de la PAH normale, et repérer les différences (noter la position des différences)
    • relier le phénotype moléculaire au phénotype clinique pour les différents cas étudiés.
    Séquences nucléiques pour Anagène

    PolyPAHadn.edi

  • Rechercher le mécanisme à l'origine de la maladie : nature et localisation de la mutation (quel nucléotide? quel codon?) 
  • Mettre en relation l'altération du gène avec celle de  la protéine. 

  • Montrer que la relation génotype phénotype est complexe et qu'il existe plusieurs généotypes pour le phénotype phénylcétonurie.
    Modèles 3D

    Conclusion

    • Les conséquences des modifications de la séquence d'acides aminés d'une enzyme sont variables selon les positions des acides aminés modifiés : si ces acides aminés sont au niveau du site actif de l'enzyme ou participent à la structure tertiaire de la molécule, l'enzyme est inactive ou très peu active. Si la chaîne polypeptidique est beaucoup plus courte que la normale, la molécule ne pourra pas prendre sa conformation spatiale et sera donc inactive.
    • Le gène de la phénylalanine hydroxylase est très polymorphe. Des mutations variées sont à l'origine de ce polymorphisme. Les conséquences des mutations sur le phénotype moléculaire sont variables : 

    • - apparition précoce d'un codon stop (mutation faux sens ou conséquences d'une mutation décalante) donc chaîne polypeptidique plus courte 
      - modification importante de la séquence d'acides aminés (en cas de délétion d'un ou plusieurs nucléotides)
      - modification ponctuelle de la séquence d'acides aminés
      - aucune modification de la séquence d'acides aminés (mutation neutre)


    Les relations de dominance/récessivité entre les allèles d'un gène dépendent du niveau de phénotype considéré

    La phénylcétonurie est une maladie héréditaire qui concerne environ un enfant sur 16 000 à la naissance. Le taux d'hétérozygotie dans la population française est d'environ 1/60
     
    Ressources
    Activités et résultats
    Généalogie (à télécharger) Séquences
    • allèles possédés par les individus sains et phénylcétonuriques d'une famille (AllFam1PAH.edi)
    • allèles de référence de la PAH (RefPAH.edi)
    • Identifier les 2 allèles que possède chaque individu en les comparant aux allèles de référence
    • Discuter des relations de dominance / récessivité des allèles en fonction du niveau de phénotype considéré (en prenant en compte les données cliniques et métaboliques)
    Résultats :
    • Annie (N/phe2)
    • Didier (N/phe2)
    • Stéphane (phe2/phe2)
    • Marc (N/phe2)
    • Sylvie (N /N)

    Conclusion

    • à l'échelle moléculaire, tous les allèles sont codominants puisqu'ils s'expriment tous ;
    • à l'échelle clinique, les allèles mutés sont récessifs par rapport à l'allèle normal.
    Les relations de dominance/récessivité dépendent du niveau de phénotype auquel on se place. La phénylcétonurie est donc une maladie héréditaire récessive autosomique. 
    Un phénotype macroscopique donné résulte de processus biologiques gouvernés par l'expression de plusieurs gènes
     
    Ressources
    Activités et résultats
    Textes et schémas
    (à composer à partir des informations fournies dans la synthèse)
    • rôle de la PAH (réaction enzymatique dans laquelle elle intervient)
    • chaîne de synthèse du BH4
    Généalogies Séquences
    • allèles du gène PAH possédés par les membres de la famille 2 (AllFam2PAH.edi)
    • allèles de référence de la PAH (RefPAH.edi)
    • allèles du gène DHPR possédés par les membres de la famille 2 (AllFam2DHPR.edi)
    • allèles de référence du gène DHPR (RefDHPR.edi)
    • Identifier les allèles du gène de la PAH pour les individus de cette famille
    • Constater une incohérence entre les génotypes pour le gène de la PAH et le phénotype clinique pour certains individus
    • Prendre en compte les informations apportées par les documents sur le rôle et la synthèse du BH4 pour proposer une explication à l'incohérence constatée auparavant
    • Vérifier cette explication en identifiant les allèles que possèdent les individus malades pour le gène DHPR
    • Conclure
    • Préciser quel serait le résultat du diagnostic effectué pour chacun des individus malades de cette famille
    Résultats

    Conclusion

    Le phénotype phénylcétonurique dépend de plusieurs gènes : le gène qui code pour l'enzyme PAH, mais aussi le gène qui code pour l'enzyme DHPR, indispensable à la biosynthèse du BH4, cofacteur de la PAH.

    Influence de l'environnement sur la réalisation du phénotype clinique
     
    Ressources
    Activités et résultats
    • Texte(à composer à partir des informations fournies dans la synthèse)
    • Mettre en évidence l'influence de l'environnement sur la réalisation du phénotype clinique (identifier les allèles de PAH que possèdent  les individus 7, 8 et 10 de la famille 3, et montrer que pour un même génotype on peut obtenir un phénotype clinique différent selon l'environnement).
    • Expliquer à l'aide des informations fournies l'influence de l'alimentation sur la réalisation du phénotype clinique chez les individus possédant des allèles mutés de la PAH

    •  
    Résultats
    • Les trois individus ont le même génotype (phe3/phe3), mais un phénotype clinique différent puisque l'individu 10 n'est pas malade, contrairement aux deux autres.
    • C'est le régime alimentaire suivi par l'un des individus seulement qui permet d'expliquer les différences constatées au niveau du phénotype.

    Conclusion

    Des facteurs de l'environnement peuvent avoir une influence dans la réalisation du phénotype clinique.
    Le génotype ne détermine donc que le phénotype moléculaire.

    Le dépistage précoce de l'hyperphénylalaninémie (supérieure à 20 mg.dl-1) permet la mise en place d'un régime alimentaire pauvre en phénylalanine. Ce traitement diététique de la phénylcétonurie illustre l'influence du milieu sur l'apparition ou non des symptômes de la maladie.


    Institut national de recherche pédagogique