Les déficiences en créatine

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1 Yverdon, 24 mars 2011 Olivier Braissant Laboratoire de Chimie Clinique, Centre Hospitalier Universitaire Vaudois, Lausanne Les déficiences en créatine

2 Introduction sur la créatine, Déficiences en créatine, Cé Créatine cérébrale ééb chez l adulte lt et au cours du développement, Erreurs innées du métabolisme et déficiences en créatine, Conclusions.

3 Créatine (acide -N-méthyl- N guanidino-acétique) 1832 : Michel-Eugène Chevreul isole et nomme la créatine à partir de viande (du grec «kreas» = viande) : Justus von Liebig : créatine dans le muscle des mammifères, 10x plus chez renards sauvages que captifs : Otto Meyerhof : isole la phosphocréatine de muscle travaillant en anoxie : Linford Christie (100m) et Sally Gunnel (400m haies) vantent les mérites de la prise de créatine dans leurs performances.

4 Fonctions principales de la créatine Système créatine (Cr) / phosphocréatine (P-Cr) / créatine kinase (CK) Schlattner et al., 2005, BBA - «Tampon» énergétique pour la régénération d ATP, - Transfert des phosphates à haute énergie (sous P-Cr) des mitochondries aux localisations cellulaires nécessitant de l ATP.

5 Synthèse et transport de la créatine ½ des besoins en créatine : Diète. Autre ½ : Synthèse endogène. AGAT : Arginine : Glycine Amidinotransférase, mitochondrie, extérieur de la membrane interne. GAMT : Guanidinoacétate Méthyltransférase, cytosol. SLC6A8 : Transporteur de créatine, Na + -dépendant, famille des transporteurs aux (= CT1, CRT, CRTR) neurotransmetteurs (sous-famille «GABA»).

6 Synthèse et transport de la créatine SLC6A8 : cerveau, cœur et rein AGAT GAMT SLC6A8 Arginine : Glycine Amidinotransférase Guanidinoacétate Méthyltransférase Transporteur de créatine AGAT: rein, pancréas AGAT et GAMT : GAMT: foie, pancréas => aussi exprimées dans d autres tissus, y.c. SNC. SLC6A8: différents tissus, y.c. SNC.

7 Métabolisme de la créatine Adulte de 70 kg: environ 120 g de créatine. Conversion quotidienne en créatinine : environ 25g 2.5 g, (créatine: g /k kg de viande de boeuf) à renouveler par la diète (1/2) et la synthèse endogène (1/2).

8 Principaux tissus utilisant la créatine Muscle Créatine et sport : - efforts courts et intenses - augmente la masse musculaire par rétention d eau!... USA, clubs de sport: 5 milliards de francs annuellement!!!...

9 Principaux tissus utilisant la créatine muscle > cerveau >> tous les autres tissus

10 Fonctions de la créatine dans le cerveau N Neurone migration des cônes de croissance, activité Na + -K + - ATPase, neurotransmission, maintien des potentiels de membrane, homéostase du Ca ++. Arg CATs Arg GAA AGAT GAMT Cône de croissance axonal Cr CrT1 ATP Cr ATP CKmi CKbb ATPase ADP P-Cr ADP

11 Fonctions de la créatine dans le cerveau Neuromodulateur (neurotransmetteur)? (Almeida et al., 2006, Synapse, 60: ) Régulation de l appétit et du poids? (hypothalamus) (Galbraith et al., 2006, Brain Res, 1101:85-91) Créatine : l un des osmolytes les plus importants du SNC

12 Syndromes de déficience en créatine (CDS), ou déficiences primaires en créatine SLC6A8 X Déficience en GAMT. Stöckler et al., 1994, Pediatr Res Déficience en AGAT. Bianchi et al., 2000, Ann Neurol X X Déficience en SLC6A8. Salomons et al., 2001, Am J Hum Genet Absence de créatine dans le SNC. (mesurée par SRM) Cr Ctrl CDS

13 Déficiences en créatine (CDS) X SLC6A8 X X Cerveau : tissu le plus affecté dans les CDS. Symptomes neurologiques précoces (nouveau-né, jeune enfant) : => altération du développement cérébral, => retard mental sévère, => retard dans l acquisition de la parole, => troubles du comportement (autisme, auto-mutilation), => épilepsie (réfractaire; GAMT, parfois SLC6A8). Prévalence : 2.7% de tous les retards mentaux (4.4% chez les garçons). Lion-François et al., 2006, Neurology Prévalence : 1:14000 à 1:40000.

14 Déficience en GAMT Stöckler et al., 1994, Pediatr Res SLC6A8 X Autosomale récessive (chromosome 19), > 100 patients, Accumulation de guanidinoacétate ( GAA ) : plasma, urine et LCR. Almeida et al., 2004, Mol Gen Metab

15 Déficience en GAMT (2) Absence de créatine dans le SNC (SRM), Traitement par créatine per os, ( g/kg/jr ; x dose journalière), Compensation très lente (> 1 year) et partielle de la créatine cérébrale, Schulze & Battini, 2007, Subcell Biochem Stöckler et al., 1994, Pediatr Res Amélioration du status développemental et neurologique, malgré la persistance de retards cognitifs et de langage. Toxicité de l accumulation de GAA : effet épileptogène. Neurotransmission GABA-ergique, inhibition des Na + K + -ATPases. Inverser l activité AGAT par traitement à l Orn et restriction d Arg.

16 Déficience en AGAT Bianchi et al., 2000, Ann Neurol SLC6A8 Autosomale récessive (chromosome 15), X 10 patients connus: Plasma : créatine normale, Urine : baisse importante du guanidinoacétate.

17 Déficience en AGAT (2) Absence de créatine dans le SNC (SRM), Traitement par créatine per os, ( g/kg/jr ; x dose journalière), Compensation très lente (> 1 year) et partielle de la créatine cérébrale, Battini et al., 2002, Mol Gen Metab Amélioration du status développemental et neurologique, malgré la persistance de retards cognitifs et de langage. Schulze & Battini, 2007, Subcell Biochem

18 Déficience en SLC6A8 Salomons et al., 2001, Am J Hum Genet X SLC6A8 Chromosome X, > 200 patients, Prévalence: 2.1% des retards mentaux liés à l X Rosenberg et al., 2004, 0815%d % de tous les retards mentaux masculins Clarke et al., 2006, Plasma : créatine normale, Urine : augmentation du rapport créatine / créatinine. Almeida et al., 2004, Mol Gen Metab

19 Déficience en SLC6A8 (2) Absence ou forte diminution de la créatine cérébrale (SRM). Cr Ctrl Bizzi et al., 2002, Ann Neurol SLC6A8 def. Exception: femmes hétérozygotes, inactivation différentielle du X. Ctrl Cecil et al., 2003, J Comput Assist Tomogr, van de Kamp, 2010, Clin Genet Cr SLC6A8 het.fem. Cr Déficience partielle en SLC6A8 : => diminution moins importante de la créatine cérébrale.

20 Déficience en SLC6A8 (3) Déficience i complète en SLC6A8 : => Pas de SLC6A8 fonctionnel sur la BHE, => Pas de passage de créatine de la péripherie au SNC par la BHE, => Pas d amélioration clinique par traitement avec créatine per os. Traitement avec précurseurs de créatine (arginine + glycine) : => Sans effet! (Fons et al., 2008, J Inherit Metab) Traitement t avec dérivés é de créatine (créatine ethyl ester) : => Sans effet! (Fons et al., 2010, Mol Genet Metab)

21 Pourquoi le cerveau est-il le seul tissu véritablement affecté par les déficiences en créatine?

22 CDS : Malgré une baisse très importante de la créatine cérébrale, maintien de niveaux détectables de créatine dans le LCR et le parenchyme, cérébral des patients CDS, SLC6A8 en particulier SLC6A8. Expression de -AGAT - GAMT - SLC6A8 dans le cerveau? Braissant & Henry, 2008, J Inherit Metab Dis

23 AGAT et GAMT dans le cerveau adulte AGAT GAMT SLC6A8 Astrocytes Purkinje cells Neurones Oligodendrocytes AGAT (GFAP) GAMT (MAP2) Astrocytes Endothélium des microcapillaires AGAT et GAMT exprimées dans tous les types de cellules nerveuses, Cellules nerveuses synthétisent leur propre créatine. Braissant et al, 2001, Mol Brain Res Braissant al., 2002, J Neurosci Tachikawa et., 2004, Eur J Neurosci Schmidt et al., 2004, Hum Mol Genet Nakashima et al., 2005, Glia Braissant et al., 2008, Eur J Neurosci

24 SLC6A8 exprimé par : Cortex - neurones et oligodendrocytes, - endothélium des microcapillaires, -mais PAS par les astrocytes. SLC6A8 (MAP2) SLC6A8 protein SLC6A8 Barrière hémato-encéphalique (BHE) * SLC6A8 SLC6A8 (GFAP) SLC6A8 protein Braissant et al., 2001, Mol Brain Res Ohtsuki et al., 2002, J Cereb Blood Fl Metab Tachikawa et al., 2004, Eur J Neurosci Braissant et al., 2007, Subcell Biochem Mak et al., 2009, Neuroscience

25 Tous les types de cellules nerveuses sont capables de leur propre synthèse de créatine, Neurones et oligodendrocytes expriment SLC6A8 en situation physiologique, et peuvent importer de la créatine. les astrocytes n expriment pas SLC6A8 en situation physiologique, y.c. autour de la BHE (95-98% de la BHE couverte par les pieds astrocytaires). Braissant et al., 2001, Mol Brain Res Ohtsuki et al., 2002, J Cereb Blood Fl Metab Perasso et al., 2003, Brain Res Braissant al., 2007; Subcell,Biochem Braissant & Henry, 2008, J Inherit Metab Dis

26 La créatine peut traverser la BHE, mais avec difficultés Rat : Ohtsuki et al., 2002, J Cereb Blood Fl Metab Perasso et al., 2003, Brain Res

27 Traitement des déficiences en AGAT et GAMT par créatine orale Humain : Schulze & Battini, 2007, Subcell Biochem - Traitement par créatine per os. ( g/kg/jr ; x dose journalière), Très lente (> 1 année) compensation de la créatine cérébrale, partielle. Chez l humain aussi, BHE peu perméable à la creatine.

28 La créatine peut traverser la BHE, mais peu efficacement, Le cerveau doit assurer sa propre synthèse de créatine. Braissant et al., 2001, Mol Brain Res Ohtsuki et al., 2002, J Cereb Blood Fl Metab Perasso et al., 2003, Brain Res Braissant al., 2007; Subcell,Biochem Braissant & Henry, 2008, J Inherit Metab Dis

29 Si 1) SNC dépend d une synthèse endogène de créatine et 2) AGAT et GAMT sont exprimées normalement dans le SNC des patients SLC6A8-déficients Pourquoi ne détecte-t-on t t pas la créatine dans le cerveau des patients SLC6A8-déficients? Cr contrôle SLC6A8 déficient Bizzi et al., 2002, Ann Neurol SLC6A8? 1) Dissociation géographique entre AGAT et GAMT cérébrales éb? 2) Transport de GAA de cellules AGAT aux cellules GAMT, par SLC6A8? Braissant et al., 2007, Subcell Biochem?

30 Dans la plupart des structures cérébrales : Co-expression AGAT+GAMT : <20%!!! cortex: 12 % caudate putamen: 1 % inferior colliculus: 15 % cereb. molec. layer: 17 % pons: 8 % Braissant & Henry, 2008, J Inherit Metab Dis, Braissant et al., 2010, Neurobiol Dis

31 Cultures 3D de cellules nerveuses en agrégats, exprimant AGAT, GAMT et SLC6A8 comme le SNC in vivo Mesure des GAA et créatine intracellulaire, Spectrométrie de masse en tandem (electrospray; isotopes stables), Transport de GAA et activité GAMT. A: Uptake du GAA B: Conversion du GAA C: compétition de par les cellules pris par les celules l uptake GAA nerveuse. nerveuses en créatine. par la créatine : Probable transport du GAA par SLC6A8 aussi. Braissant et al., 2010, Neurobiol Dis

32 1) Dissociation des expression AGAT et GAMT dans le cerveau. 2) Transport de GAA par SLC6A8, de cellules AGAT vers des cellules GAMT, pour permettre la synthèse endogène de créatine cérébrale. SLC6A8 Braissant et al., 2007, Subcell Biochem

33 AGAT, GAMT et SLC6A8 dans le SNC embryonnaire (ARNm) SLC6A8 E15.5 Cortex (SVZ) Rat Plexus choroïde E18.5 Cortex (SVZ) Humain (12 wpc) Cortex Braissant et al., 2005, BMC Dev Biol 5:9; et résultats non-publiés

34 Expression de SLC6A8 dans le plexus choroïde et la BHE au cours du développement et chez l adulte - Apport de créatine au SNC embryonnaire depuis la périphérie, à travers le plexus choroïde. - Apport limité de créatine au SNC adulte à travers la barrière hémato-encéphalique. - Synthèse endogène de créatine dans le SNC adulte. Braissant et al., 2007, Subcell. Biochem., 46:67-81

35 Différences entre BHE péri- / néonatale et mature : BHE péri- / néonatale pas encore complètement différenciée/fermée, Pattern développemental d expression de AGAT, GAMT et SLC6A8 dans le SNC péri- / néonatal, suggèrent une meilleure perméabilité à la créatine de la BHE péri- / néonatale que mature (périphérie éi héi => SNC). Braissant et al., 2005, BMC Dev Biol Braissant et al., 2007, Subcell Biochem Ireland et al., 2009, BMC Dev Biol Traitement précoce, pré-symptomatique des déficiences en AGAT et GAMT SLC6A8 Prévention de l expression phénotypique des déficiences en AGAT et GAMT. Battini et al., 2006, J Pediatr Schulze et al., 2006, Neurology Schulze & Battini, 2007, Subcell Biochem X X

36 Maladies génétiques monogéniques : Prévalence 1:100 Erreurs innées du métabolisme (EIMs) affectant le système nerveux : Pé Prévalence 1 : dans les pays occidentaux. Les plus fréquentes : - Maladies du cycle de l urée (6 gènes): 1 : Déficience en MCAD : 1 : Phénylcétonurie : 1 : Déficience en créatine 1 : => 1 : (?) - Galactosémie : 1 : Lausanne CHUV : EIMs Suisse romande et italienne (ZH Suisse alémanique) Laboratoire de chimie clinique (LCC) : Analyse diagnostique. (acides aminés et organiques, créatine/gaa, purines-pyrimidines pyrimidines, etc ) => Créatine/GAA: demandes /an (tandem MS) Pédiatrie moléculaire (PMO) : Patients, clinique et génétique.

37 Transport et synthèse de créatine dans le SNC : Faible perméabilité de la BHE pour la créatine, Synthèse endogène cérébrale de créatine. Dans la plupart des structures du SNC : - Voie de synthèse complète de Cr (i.e. co-expression AGAT + GAMT) dans < 20% des cellules. Synthèse endogène SNC de Cr : Transport nécessaire de GAA par SLC6A8 des cellules exprimant AGAT à celles exprimant GAMT. Braissant et al., 2011, Amino Acids

38 Déficience en AGAT : effets sur le cerveau Pas de synthèse endogène cérébrale de créatine Dépendance complète de la créatine périphérique, Créatine cérébrale très basse due à la faible perméabilité de la BHE pour la créatine. SLC6A8 sur la BHE: => Traitable par créatine orale. Béard & Braissant, 2010, J Neurochem

39 Déficience en GAMT : effets sur le cerveau Pas de synthèse endogène cérébrale de créatine Dépendance complète de la créatine périphérique, Créatine cérébrale très basse due à la faible perméabilité de la BHE pour la créatine. Accumulation toxique de GAA par l activité AGAT cérébrale, et par GAA périphérique par la BHE SLC6A8 sur la BHE: => Traitable par créatine orale. Béard & Braissant, 2010, J Neurochem

40 Déficience en SLC6A8 : effets sur le cerveau Cr cérébrale basse car proportion faible de co-expression AGAT+GAMT co-expressing cells, Pas de passage de créatine depuis la périphérie, Accumulation potentielle de GAA par l activité AGAT cérébrale, et le manque de SLC6A8 sur les cellules exprimant GAMT Pas de SLC6A8 sur la BHE : => Non-traitable par créatine orale. Béard & Braissant, 2010, J Neurochem

41 Créatine

42 Laboratoire de chimie clinique, CHUV Olivier Braissant Elidie Béard Joséphine Uldry Marc Loup Hugues Henry Olivier Boulat Clothilde Roux Céline Torrent Division de pédiatrie moléculaire, CHUV Luisa Bonafé Diana Ballhausen Andrea Superti-Furga