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

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

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.

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).

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) Arbre généalogique de la famille 1  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.

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.

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.