Introduction
Les mitochondries, ces petits corpuscules présents en grand nombre dans presque toutes les cellules de l’organisme, jouent un rôle essentiel dans la « respiration cellulaire », agissant comme l'usine énergétique de la cellule. Un aspect particulièrement important est que cet organite contient de l’ADN mitochondrial (ADNmt), distinct de l’ADN contenu dans le noyau cellulaire (chromosomes). Cet article explore le rôle des mitochondries et de leur ADN dans les cellules germinales, leur implication dans les maladies héréditaires, et les enjeux éthiques et juridiques soulevés par les nouvelles techniques de procréation assistée qui manipulent le matériel héréditaire germinal.
Les Mitochondries : Centrales Énergétiques des Cellules
Les mitochondries sont des organelles présentes dans les cellules eucaryotes, incluant les levures, les champignons, les plantes et les animaux. Elles sont considérées comme les vestiges d’une infection endosymbiotique d’une archée bactérie par une α-protéobactérie aérobique, survenue il y a plus d’un milliard d’années. Cette origine explique certaines de leurs caractéristiques similaires à celles des bactéries, telles que leur taille, leur forme, leur ADN circulaire, leur reproduction par fission, leurs ribosomes 70S et leur chaîne de transport d’électrons.
Le Génome Mitochondrial
Les mitochondries possèdent leur propre génome, un ADN mitochondrial (ADNmt) circulaire d’environ 16 500 paires de bases. Bien que les mitochondries soient constituées d’environ 1200 protéines différentes, la grande majorité (98%) de ces protéines sont codées par des gènes nucléaires. Seules 13 des protéines présentes dans les mitochondries sont codées par l’ADN mitochondrial. Ces protéines jouent un rôle majeur dans la production de l’ATP, le carburant cellulaire.
Le génome mitochondrial compte seulement 37 gènes, dont 13 codent pour des protéines.
Fonctions des Mitochondries
Outre leur rôle vital dans la production d’énergie, les mitochondries jouent également un rôle important dans d’autres fonctions cellulaires, telles que l’apoptose (mort cellulaire programmée), l’homéostasie du calcium, la synthèse des hèmes (hémoglobine, myoglobine, cytochromes) et des hormones stéroïdes.
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Production d'ATP
L’énergie est apportée par l’adénosine triphosphate (ATP) lors de la cassure des deux liaisons entre les groupes phosphate de la molécule. La synthèse de l’ATP nécessite une série de réactions de phosphorylation oxydative. La première étape est la glycolyse, c’est-à-dire la transformation du glucose en pyruvate qui a lieu dans le cytoplasme des cellules. Cette réaction fournit 2 molécules d’ATP et 2 molécules d’agent réducteur (RH2, NADH et FADH2).
Le pyruvate entre dans la matrice de la mitochondrie et est pris en charge dans le cycle de Krebs (ou cycle de l’acide citrique) qui va générer 2 molécules d’ATP et 10 molécules d’agent réducteur (RH2). Ce sont ces agents réducteurs NADH et FADH2 qui vont alimenter la chaîne de phosphorylation oxydative en fournissant les électrons dont elle a besoin pour fonctionner, jusqu’à la production d’ATP par l’ATP synthase. NADH fournit ses électrons au complexe I et FADH2 au complexe II. Les électrons sont transportés vers le complexe III par le co-enzyme Q (Q) et vers le complexe IV (cytochrome C oxydase) par le cytochrome C. À chaque étape de ces réactions, un proton (H+) est transféré dans l’espace intermembranaire de la mitochondrie et un gradient de protons se crée. C’est ce gradient de protons qui va activer l’ATP synthase (complexe V) pour produire un total de 32 molécules d’ATP à partir de la phosphorylation de l’ADP. Les complexes I à V sont constitués de 85 protéines, dont 13 sont codées par l’ADNmt, 7 dans le complexe I, 1 dans le III, 3 dans le IV, et 2 dans le V.
Transmission de l’ADN Mitochondrial
Contrairement à l’ADN nucléaire (chromosomes) qui est le résultat d’une combinaison entre l’ADN du père et l’ADN de la mère, l’ADN mitochondrial est transmis uniquement par la mère. Chez Caenorhabditis elegans, dès la fécondation de l’ovocyte, les mitochondries paternelles sont éliminées par autophagie. Bien que ce processus n’ait jamais été démontré chez l’homme, l’absence de mitochondrie d’origine paternelle dans les cellules humaines suggère que ce processus est très ancien et a été conservé au cours de l’évolution. Ainsi, une mère portant une mutation dans son ADNmt peut la transmettre à toute sa descendance, filles et garçons, et seules les filles pourront à leur tour la transmettre à leur descendance. En revanche, les descendants de ses fils ne seront pas atteints par la maladie.
Mutations de l’ADN Mitochondrial et Maladies Associées
Comme l’ADN nucléaire, l’ADNmt est sujet à de multiples agressions par des agents internes (espèces réactives de l’oxygène, erreurs de transcription, etc.) et externes (radiations ionisantes, carcinogènes, etc.). Ces agressions se traduisent par des mutations ou délétions qui affectent d’une part les ARN mitochondriaux de transfert (codés par l’ADNmt) et d’autre part les protéines mitochondriales de la chaîne de transport d’électrons impliquée dans la production d’ATP. Ces mutations sur l’ADNmt sont plus fréquentes que les mutations affectant l’ADN nucléaire car elles ne sont pas aussi efficacement réparées.
Elles peuvent se produire dans la lignée germinale primitive, dans les ovogonies (cellules souches de ovocytes) ou dans les ovocytes et transmises de façon héréditaire à la descendance. Elles peuvent également se produire dans des cellules somatiques (muscle, système nerveux central, etc.) durant le développement et s’accumuler avec l’âge (une des causes du vieillissement).
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Plus de 250 mutations ou délétions ont été identifiées comme causes de maladies mitochondriales, et on estime qu’une personne saine sur 200 porte dans son ADNmt une des 10 mutations les plus fréquemment associées à ces maladies. Les maladies mitochondriales touchent 1 naissance sur 4300 en Europe et aux USA. Elles affectent souvent plusieurs organes et en particulier les tissus dont le fonctionnement nécessite un fort apport énergétique comme le cerveau, les muscles, le cœur, le foie, etc. Elles sont généralement très hétérogènes associant surdité, cécité, faiblesse musculaire, insuffisance cardiaque, rénale, hépatique, autres.
Étant donné les fonctions importantes que jouent les mitochondries dans les cellules et les tissus, on peut comprendre que toute atteinte à leur fonctionnement par le biais de mutations sur l’ADNmt aura des conséquences sévères sur la survie des personnes porteuses de ces mutations. Par ailleurs, étant donnée la présence des mitochondries dans tous les types cellulaires de l’organisme, on peut également comprendre que plusieurs organes seront touchés simultanément.
Ces mutations peuvent être sporadiques, n’étant pas présentes chez la mère et apparaissant pendant la vie fœtale (ovogonies) ou dans l’ovocyte qui a donné naissance à l’enfant. Elles peuvent également être dues à des mutations dans des gènes nucléaires qui codent pour des protéines présentes dans la mitochondrie.
Exemples de Maladies Mitochondriales
- Syndrome de Leigh : Mort prématurée. Encéphalopathie, faiblesse musculaire, cardiomyopathie, troubles gastro-intestinaux, détresse respiratoire. Mutation dans le gène ATPase (8993 T>G).
- MELAS (Myopathie, Encéphalopathie, Acidose Lactique, Convulsions) : Mutation dans le gène ARNt-Leu (3243A>G).
- NARP (Neuropathie, Ataxie, Rétinite Pigmentaire) : Mutation dans le gène ATPase (8993 T>G).
- LHON (Neuropathie Optique Héréditaire de Leber) : Perte de vision rapide. Trois mutations possibles dans les gènes formant le Complexe I, 11778 G > A, 3460 G > A, ou 144484 T > C.
- MERRF (Myoclonie, Epilepsie, Ataxie, Fibres Musculaires Anormales) : Mutation dans le gène ARNt-Lys (8344A > G, ou m.8356 T>C).
- Déficience infantile en Cyt C Oxydase (COX) : Hypotonie et faiblesse musculaire sévères, détresse respiratoire. Mutation dans le gène ARNt-Glu (14674 T>C).
Hétéroplasmie et Homoplasmie
Le génome mitochondrial est présent en une multitude de copies (plusieurs milliers) par cellules. De fait, deux situations sont possibles : homoplasmie ou hétéroplasmie. L’homoplasmie se réfère à la situation dans laquelle il n’y a pas d’accumulation significative de mutations. La séquence de toutes les copies de l’ADNmt est la même quelle que soit la nature du tissu ou des cellules. C’est le cas en général.
À l’inverse, l’hétéroplasmie se manifeste par la présence dans les cellules de deux ou plusieurs copies différentes (ADNmt mutants) de l’ADNmt. Dans le cas d’une hétéroplasmie (et si l’ADNmt mutant est pathogène), il existe un niveau seuil au dessus duquel la maladie va apparaître. Ce seuil peut varier d’un malade à l’autre et d’un tissu à l’autre, d’un mutant à un autre, mais il est en général de l’ordre de 60-70% (c’est à dire que l’ADNmt mutant représente 60-70% de l’ADNmt total). La notion d’homoplasmie est cependant plus apparente que réelle. En effet, il serait naïf de penser que tous les génomes mitochondriaux d’un organisme sont identiques. En fait, l’ADNmt est sans cesse l’objet de mutations qui sont transmises par expension mitochondriale, ou éliminées par macro-autophagie des mitochondries. Le fait qu’on ne détecte pas de mutants de l’ADNmt dans un prélèvement ne signifie pas qu’ils ne soient pas présents dans d’autres tissus ou d’autres cellules mais peut-être simplement qu’on ne les a pas trouvés car en trop faible nombre.
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Techniques de Remplacement Mitochondrial
Face aux risques de transmission de maladies mitochondriales, des techniques de remplacement mitochondrial ont été développées. Ces techniques visent à remplacer les mitochondries défectueuses de l’ovocyte d’une femme par des mitochondries saines provenant d’une donneuse. Plusieurs approches sont possibles :
- Transfert de noyau (karyoplaste) : Le noyau de l’ovule de la mère porteuse de la maladie est prélevé et intégré dans l’ovule d’une donneuse dont le noyau a été retiré. L’ovule ainsi reconstitué est fécondé in vitro avec le sperme du père.
- Transfert de pronoyau : Après la fécondation, les pronoyaux (noyaux contenant le matériel génétique des parents) sont prélevés de l’embryon de la mère et transférés dans un embryon d’une donneuse dont les pronoyaux ont été enlevés.
- Transfert du globule polaire 1 : Le globule polaire 1, qui contient un génome distinct de celui de l’ovocyte secondaire, est transféré dans l’ovocyte énucléé de la donneuse.
Dans les deux cas, l’embryon est réimplanté dans l’utérus de la mère intentionnelle, qui a donc donné ses 23 chromosomes nucléaires au futur bébé.
Risques et Considérations Techniques
Il est possible qu’au cours du prélèvement du karyoplaste dans l’ovocyte de la mère ou du pronoyau dans le zygote issu de la fécondation de l’ovocyte de la mère, une (faible) partie du cytoplasme contenant les mitochondries mutées puisse être entraînée et “contaminer” le nouvel embryon en s’y développant mieux que les mitochondries de la donneuse.
Étant donné les risques de contamination mentionnés ci-dessus, une autre technique de transfert de mitochondrie est envisagée, le transfert du globule polaire 1.
Premières Naissances
Le premier essai chez l’homme a été réalisé au Mexique par l’équipe médicale Américaine du Dr John Zhang du New Hope Fertility Center, New York, durant l’été 2015. Les parents étaient un couple Jordanien dont la mère était porteuse (saine) de la mutation sur le gène ATPase conduisant au syndrome de Leigh. Un deuxième essai a été réalisé en Ukraine à Kyev par l’équipe du Dr Valery Zukin, de la Nadyia Clinic, au printemps 2016.
Enjeux Éthiques et Juridiques
La FIV à 3 parents relève de l’article 24 de la Déclaration universelle de l’Unesco sur le génome humain et les droits de l’homme. Il y a une « triple origine parentale » des ADN constitutifs de ce nouvel être humain, des conséquences de cette origine dissociée sur les interactions entre noyau et mitochondries ne sont pas exclues, elles sont aujourd’hui méconnues.
Débats et Réglementations
Le gouvernement britannique avait d’abord édité un projet de règlement qui fut discuté au parlement et soumis au vote. Malgré un important débat très contradictoire, il a été approuvé par 382 contre 128 voix. Ce règlement décrit ce qu’est un ovule « autorisé », les règles et les protocoles de transfert. Il est précisé que l’embryon ainsi créé, une fois le transfert réalisé, ne peut plus légalement être considéré comme étant celui appartenant à la personne ayant donné l’ovule.
En accordant son autorisation à la thérapie par remplacement mitochondrial, le gouvernement britannique s’est appuyé sur le fait que cette thérapie ne modifie pas le génome nucléaire qui est le seul à définir les caractéristiques propres à l’individu (forme, traits et caractères individuels). De plus, l’autorisation a restreint la thérapie aux embryons filles. Dans un premier temps seuls des enfants males seront ainsi générés pour éviter tout risque de propagation à leur descendance si des problèmes encore inconnus devaient survenir sur le long-terme.
La FDA (USA) a d’abord contesté les vues britanniques sur le fait que la thérapie par remplacement mitochondrial est une forme de modification du génome et a rejeté l’idée qu’il s’agissait d’un traitement. Dans un deuxième temps, la FDA accepta la possibilité de délivrer une autorisation après des études et une démarche conduites avec une “extrême prudence”.
Questions d'Identité et d'Héritage
Les promoteurs de cette technique tendent à considérer que le matériel génétique transmis par la donneuse d’ovule est minoritaire par rapport à la mère biologique, et pourtant…. La transmission trans-générationnelle des prédispositions, des « dons », de l’histoire, des « instincts », des tempéraments est porteuse de nombreux mystères, qui souvent nous émerveillent ou nous questionnent.
Les ovules que portent une femme ont été créés pendant son développement fœtal ; l’ovule à l’origine d’un nouvel être vivant a donc passé « toute sa vie » dans le corps d’une femme avant d’être fécondé. Est-ce anodin dans la transmission ? Un enfant né par cette technique qui manipule le matériel héréditaire germinal n’a aucun précédent.
Modifications Génétiques de l’Embryon Humain
Les biotechnologies offrent à l’Homme d’immenses pouvoirs qui lui permettent de se modifier lui-même. L’utilisation de CRISPR-Cas9 pour “corriger” une mutation porteuse d’une maladie héréditaire chez des embryons humains, la naissance d’un bébé “à trois parents” ou la création d’embryons chimériques « cochon-humain » suscitent des interrogations. Il est essentiel que la communauté juridique puisse intervenir dans les débats et éventuellement participer à la régulation de ce que permet l’innovation notamment concernant l’embryon humain.
La Nécessité d'une Terminologie Claire
Face aux possibilités offertes par les nouvelles technologies quant à la modification de l’embryon, si l’on veut responsabiliser l’ensemble des acteurs concernés, il faut éviter toute ambiguïté relative à une terminologie souvent équivoque. Les qualificatifs d’embryons transgéniques et chimériques illustrent parfaitement cette problématique. Le législateur a interdit la création d’embryons transgéniques et chimériques. Ces expressions ont-elles la même signification pour la communauté juridique, pour les biologistes et pour les généticiens ? Comment ces appellations sont-elles comprises ?
Embryons Transgéniques
Un embryon transgénique serait un embryon dont le génome a été modifié par l’ajout d’un ou plusieurs fragments d’ADN n’appartenant pas à l’embryon modifié, qu’il soit d’origine humaine ou animale. Cependant, la définition de la transgénèse est remise en cause si elle ne repose plus sur un ajout au niveau du génome.
Embryons Chimériques
Généralement, les chimères sont vues comme des créatures hybrides, un mélange de deux espèces d’animaux par exemple.
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