J. Barrère 

M. Dupuis

J-C Hervé

Informations scientifiques

La protéine

L’alpha-antitrypsine est une protéine plasmatique constituée par une chaîne de 394 acides aminés et de trois chaînes latérales glucidiques. Ces chaînes latérales se branchent sur la chaîne peptidique au niveau de résidus asparagine en positions 46, 83 et 247. C’est une glycoprotéine globulaire dont la masse molaire est de 52 kilodaltons ; au cours d’une électrophorèse du sérum, elle fait partie du pic des alpha1 globulines d’où le début de son nom. La concentration plasmatique d’alpha-antitrypsine est généralement comprise entre 150 et 350 mg.dl

Cette protéine diffuse dans le liquide interstitiel où sa concentration est toutefois plus faible, environ le dixième de ce qu’elle est dans le plasma.

Les variations de sa concentration dans le liquide interstitiel suivent celles du plasma.

La demi-vie de l’alpha-antitrypsine est de 4 à 5 jours. Cette protéine est produite et sécrétée par les cellules hépatiques. Elle est synthétisée au niveau du réticulum endoplasmique granuleux des cellules hépatiques sous forme d’un précurseur de 418 acides aminés. Le peptide signal formé par les 24 premiers résidus de ce précurseur est éliminé durant le passage dans les cavités du réticulum. Là, en même temps que la protéine prend sa configuration tridimensionnelle, les trois chaînes glucidiques y sont ajoutées. La protéine ainsi glycosylée est transférée aux saccules golgiens, complétée dans sa partie glucidique, puis ensuite sécrétée (exocytose des vésicules golgiennes). On estime à 34 mg par kilo de masse corporelle la production journalière d’alpha-antitrypsine.

L’alpha-antitrypsine est un inhibiteur des protéases à sérine, protéases dont le site actif comprend la triade d’acides aminés catalytiques : acide aspartique - histidine - sérine. La trypsine, la chymotrypsine et l’élastase des granulocytes sont des protéases de ce type. L’action inhibitrice de
l’alpha-antitrypsine sur ces protéases a été mise en évidence pour la première fois sur la trypsine, d’où son nom. In vivo, cependant, le seul substrat réel pour l’alpha-antitrypsine est l’élastase, une endopeptidase extrêmement puissante capable de cliver la plupart des protéines de la matrice
extracellulaire, l’élastine et les divers collagènes, notamment. Cette élastase est libérée par les granulocytes à leur mort. Au niveau du conjonctif des alvéole pulmonaires, cette élastase est libérée à des bas taux en permanence. L’alpha-antitrypsine protège ainsi la matrice extracellulaire des divers organes, en particulier celle des alvéoles pulmonaires.

L'alpha-antitrypsine exerce son action inhibitrice en se liant fortement et de façon quasi irréversible au site actif de l’élastase. Le site de liaison de l’alpha-antitrypsine est localisé au niveau des résidus méthionine 382 - sérine 383. La méthionine 382 peut être facilement oxydée, ce qui réduit fortement l’affinité de l’alpha-antitrypsine pour l’élastase. Il semble que la fumée de cigarette entraîne l’oxydation de la méthionine, ce qui expliquerait, au moins en partie, l’aggravation des symptômes chez le fumeur en cas de déficience en alpha-antitrypsine.

Le gène et ses allèles

Situé sur le chromosome 14, le gène comprend 12 200 paires de bases. Il est composé de 7 exons et 6 introns ; la région strictement codante pour la protéine se trouve au niveau des 4 derniers exons. On connaît 75 allèles dont plusieurs avec une fréquence supérieure à 1% ; ce gène est donc très polymorphique dans les populations humaines. La figure 1 renseigne sur la fréquence des allèles les plus répandus et sur les concentrations plasmatiques d’alpha-antitrypsine chez les personnes homozygotes pour chacun de ces allèles.

Allèles Fréquence *
estimée
(en %)
Tauxd'alpha-antitrypsine
danslesang
(en% parrapportaunormal)
Quantité d'alpha-
antitrypsine dans le
sang
(mg/dl -1 ) **
Risques de
maladie chez
l’homozygote
M'1(Ala237) 20-23 100 150-350 non
M1 44-49 100 150-350 non
M2 14-19 100 150-350 non
M3 10-11 100 150-350 non
S 2-4 40-70 100-200 non
Z 1-2 10-15 15-50 oui
NULL1 Rare 0 0 oui et précoces
NULL2 Rare 0 0 oui et précoces
Fréquence des allèles de l'alpha-antitrypsine et concentrations plasmatiques.
* Fréquence estimée pour la population blanche des États-Unis d'Amérique
** Quantité d'alpha-antitrypsine chez l'homozygote
 

Le tableau ci-dessous indique les différences dans les séquences de ces allèles en prenant comme
référence l’allèle M’1 (Ala237). Ces séquences du brin non transcrit qui commencent par le codon
ATG et se terminent par un codon STOP incluent la région correspondant au peptide signal (24
acides aminés). D'autres publications faisant référence à l'alpha antitrypsine ne prennent en compte
que la séquence codante correspondant à la protéine mature qui n'inclut donc pas la partie codant
pour le peptide signal.

Séquence nucléique Polypeptide
Noms des
allèles
Nucléotides changés
Nature - Position
Codons changés
Nature - Position
A.A. changés
Nature -
Position
Type de
mutation
M'1 (Ala237)
(Référence) C710 GCG237 Ala237
M1 C710 ?T GCG237 ?GTG Ala237Val Substitution
M2 C710 ?T GCG237 ?GTG Ala237Val Substitution
A1200 ?C GAA400 ?GAC Glu400Asp Substitution
G374 ?A CGT125 ?CAT Arg125His Substitution
M3 C710 ?T GCG237 ?GTG Ala237Val Substitution
A1200 ?C GAA400 ?GAC Glu400Asp Substitution
S C710 ?T GCG237 ?GTG Ala237Val Substitution
A863 ?T GAA288 ?GTA Glu288Val Substitution
Z G1096 ?A GAG366 ?AAG Glu366Lys Substitution
NULL1 - C552 TAC184 ?TAG Tyr184X Délétion
NULL2 C710 ?T GCG237 ?GTG Ala237Val Substitution
A721 ?T AAG241 ?TAG Lys241X Substitution

Caractéristiques des allèles de l’alpha-antitrypsine.

Ces allèles peuvent être regroupés en 4 ensembles : les variants normaux, les variants déficients, les variants « NULL » et les variants dysfonctionnels.

Les variants normaux (M’1, M1, M2, M3)

Ces allèles codent pour des molécules d’alpha-antitrypsine différentes mais également fonctionnelles et sécrétées de façon équivalente. Les concentrations plasmatiques de la protéine sont du même ordre de grandeur chez les homozygotes pour chacun de ces allèles, comprises entre 150 et 350 mg.dl-1.

L’allèle le plus fréquent est M1 (Val237) ce qui signifie que le 237 e triplet code pour la valine. Les allèles variants normaux diffèrent les uns des autres par 1, 2 ou 3 substitutions de nucléotides, entraînant 1, 2 ou 3 substitutions d’acides aminés dans la protéine sans modification de ses propriétés (mutations neutres).

Il existe beaucoup d’autres variants normaux que ceux présentés ici, généralement rares ou très rares ; M4, toutefois, a une fréquence comprise entre 1 et 5% dans les populations européennes.

Les variants déficients

Les deux seuls ayant une fréquence supérieure à 1% sont les allèles S et Z.

L’allèle S code pour une protéine inhibant correctement l’activité de l’élastase, donc fonctionnelle, mais sécrétée en plus faible quantité que les protéines codées par les variants normaux. En conséquence, les homozygotes pour cet allèle ont une concentration plasmatique de l'alpha-antitrypsine comprise entre 100 et 200 mg.dl -1 . L'allèle S diffère de l’allèle M1 (Val237) par une seule substitution de nucléotide entraînant la présence de valine en position 288 à la place d’acide glutamique. Il semble que cette mutation entraîne une relative instabilité de la protéine, cause d’une “ destruction ” précoce à l’intérieur même des cellules hépatiques. Cela est à l’origine de la déficience de sécrétion. Une fois sécrétée, l’alpha-antitrypsine a une durée de vie normale.

L’allèle Z code pour une protéine ayant une activité inhibitrice de l’élastase réduite ; de plus, elle est sécrétée en faible quantité de sorte que les concentrations plasmatiques chez les homozygotes Z sont comprises entre 15 et 50 mg.dl -1 . Cet allèle Z diffère de l’allèle normal M’1 (Ala237) par une seule substitution de nucléotide entraînant la présence de lysine à la place d’acide glutamique en position 366. Chez les homozygotes Z, les niveaux d'ARNm sont normaux ainsi que la traduction. Cependant, après la mise en forme des chaînes glucidiques dans le réticulum, les molécules d’alpha-antitrypsine Z s'agrègent limitant ainsi le transfert vers l'appareil de Golgi et donc la sécrétion. La structure tridimensionnelle de la protéine est affectée par la substitution.

Les variants « NULL »

Un homozygote pour un allèle « NULL » a une concentration plasmatique nulle d’alpha-antitrypsine. Ces allèles sont toujours rares avec une fréquence inférieure à 0,1%. Ils diffèrent des variants normaux soit par une substitution non sens (allèle Bellingham appelé NULL2 dans la banque) soit par une délétion entraînant un décalage du cadre de lecture et l’apparition prématurée d’un triplet STOP (allèle granite falls appelé NULL1 dans la banque). Les protéines codées par ces allèles sont raccourcies, très instables et rapidement détruites.

Le variant dysfonctionnel

Un seul allèle de ce type est connu et il a été trouvé chez un seul individu... Il diffère des allèles normaux par une substitution qui entraîne le remplacement de la méthionine du site actif de l’alpha-antitrypsine par l’arginine. Il en résulte que ce type d’alpha-antitrypsine a une activité inhibitrice de l’élastase faible, mais les concentrations plasmatiques sont normales.

Les relations de dominance entre les allèles

Les deux allèles présents chez un individu s’expriment indépendamment l’un de l’autre. On trouve donc dans le sang, en cas d’hétérozygotie, les deux types d’alpha-antitrypsine. Les spécialistes de ce gène disent qu’il y a codominance. Cela est vrai au niveau biochimique mais ne l’est plus au niveau macroscopique comme le montrent les phénotypes cliniques associés aux divers génotypes.

Les phénotypes cliniques associés aux divers génotypes

Les études épidémiologiques montrent que les concentrations plasmatiques d’alpha-antitrypsine inférieures à 80 mg.dl -1 sont associées à un risque d’emphysème pulmonaire. À ces concentrations, l’alpha-antitrypsine inhibe insuffisamment l’élastase et celle-ci détruit peu à peu le tissu conjonctif, en particulier au niveau des alvéoles pulmonaires, ce qui perturbe les échanges gazeux et entraîne l’emphysème.

Les personnes possédant deux allèles « NULL » présentent les symptômes d’emphysème avant l’âge de 30 ans et ne vivent que rarement au-delà de 40 ans. Les individus de génotype ZZ (concentration plasmatique comprise entre 15 et 50 mg.dl -1 ) souffrent aussi d’emphysème mais plus tardivement et la maladie est généralement fatale vers 60 ans. Par suite des modalités d’expression des allèles, la possession d’un seul allèle normal suffit pour avoir une concentration plasmatique d’alpha-antitrypsine protectrice vis-à-vis de l’élastase et cela même si le second allèle est un allèle « NULL ».

Les individus S/Z ont une concentration plasmatique à la limite de risque d’emphysème. Ce risque peut être fortement augmenté par des facteurs d’environnement comme la fumée de tabac.

Évolution du gène qui code pour l'alpha-antitrypsine

Bien que l'allèle M1 (Val237) soit le plus répandu dans les populations, les spécialistes s'accordent pour dire que l'allèle le plus ancien et seul présent dans les premières populations humaines est M'1 (Ala237). Ils s'appuient pour cela sur la séquence codante du gène connue chez le Chimpanzé qui est identique à celle de M'1 sauf à un site (ce qui entraîne une différence entre les protéines en position 409 : méthionine chez l'Homme, valine chez le Chimpanzé). En particulier, le codon 237 est identique dans l'allèle M'1 et chez le Chimpanzé.

Si M'1 est bien l'allèle initial, tous les autres en dérivent par mutations. En appliquant le principe de parcimonie, on peut dire que deux allèles sont d'autant plus apparentés que le nombre de différences entre eux est réduit. La figure 6 montre les filiations entre allèles reconnues par les spécialistes.

Utilisations pédagogiques

Analyse du tableau de fréquence des allèles

Après une présentation du rôle joué par l'alpha-antitrypsine dans l'organisme ainsi que celle du phénotype morbide associé à sa déficience, on peut proposer l'analyse du tableau des fréquences des allèles du gène qui code pour l'alpha-antitrypsine. Les élèves doivent discuter :

• du polymorphisme du gène ;
• des rapports entre différences au niveau du génotype et différences au niveau du phénotype ;

cette discussion peut déboucher sur une classification des allèles semblable à celle indiquée dans les informations scientifiques (variants normaux, variants déficients, variants « NULL »).

Recherche des différences entre les allèles

Les élèves doivent comparer les séquences et noter les différences constatées dans un tableau. Une fois rempli, ce tableau doit conduire à un premier bilan des différences entre les divers allèles et l'allèle de référence : substitution d'un ou plusieurs nucléotides, délétion d'un nucléotide (NULL1).

Remarque : il est indiqué de choisir comme allèle de référence non pas M1 qui est le plus fréquent,
mais M'1 que les généticiens estiment l'allèle initialement présent dans les premières populations
humaines.

Recherche des conséquences des différences entre les allèles sur le polypeptide Les élèves peuvent soit se référer au code génétique, soit utiliser la fonction de conversion de séquences, et les comparer au polypeptide de référence. Les informations obtenues sont intégrées dans un tableau qui doit permettre de discuter des conséquences variables des substitutions de nucléotides sur le phénotype (distinction phénotype moléculaire, phénotype cellulaire, phénotype macroscopique ou clinique) ainsi que de dégager l'importance du décalage du cadre de lecture en cas de délétion.

Analyse des relations génotype-phénotype chez les hétérozygotes

Depuis la classe de seconde, les élèves connaissent la localisation chromosomique des gènes et savent que pour les gènes autosomaux, un individu possède deux allèles du même gène. Le problème de la relation entre le phénotype et le génotype chez un organisme hétérozygote peut donc être posé. Pour le résoudre, on peut utiliser la banque de séquences des allèles du gène de l'alpha-antitrypsine que possèdent les individus de l'arbre ci-après.
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Allèles des
individus
Nucléotides
changés
Nature - Position
Allèles du gène
F1-i1all1.at Référence M'1
F1-i1all2.at -C552 NULL1
F1-i2all1.at C710 ?T M1
F1-i2all2.at -C552 NULL1
F1-ii1all1.at G1096 A Z
F1-ii1all2.at G1096 A Z
F1-ii2all1.at Référence M'1
F1-ii2all2.at -C552 NULL1
F1-ii3all1.at -C552 NULL1
F1-ii3all2.at Référence M'1
F1-ii4all1.at Référence M'1
F1-ii4all2.at C710 T M1
F1-ii5all1.at -C552 NULL1
F1-ii5all2.at -C552 NULL1
F1-ii6all1.at C710 T M1
F1-ii6all2.at C710 T M1
F1-iii1all1.at G1096 A Z
F1-iii1all2.at Référence M'1
F1-iii2all1.at C710 T M1
F1-iii2all2.at -C552 NULL1
F1-iii3all1.at -C552 NULL1
F1-iii3all2.at C710 T M1
Allèles portés par les individus de la famille avec troubles de l'alpha-antitrypsine.?SUGGESTIONS PÉDAGOGIQUES
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Établissement des filiations entre les allèles du gène

La discussion sur l'origine des différents allèles du gène d'alpha-antitrypsine conduit à la notion de
mutation. En admettant que l'allèle M'1 était seul présent dans les premières populations humaines,
on peut demander aux élèves de travailler sur les informations réunies dans le tableau 3 pour
imaginer l'histoire évolutive du gène qui code pour l'alpha-antitrypsine depuis les premiers hommes
jusqu'à aujourd'hui.

Leur analyse doit les conduire à proposer un schéma de filiation entre les différents allèles. Plusieurs
représentations sont possibles, celle de la figure 6 présente l'intérêt de situer cette filiation dans le
temps. Bien sûr, une indétermination totale règne sur le moment d'apparition des différents allèles.
Filiations entre les allèles de l'alpha-antitrypsine. Les pointillés indiquent seulement que le moment et l'ordre
d'apparition des allèles par mutation au cours de l'histoire de l'humanité sont inconnus.

À travers ce travail, les élèves sont amenés à réfléchir sur :

• le fait qu'un nouvel allèle apparaît par mutation d'un allèle préexistant chez un individu et se
répand plus ou moins dans les populations ;
• le degré d'apparentement des divers allèles.