Variabilité génétique de Plasmodium falciparum :
un obstacle pour éradiquer la malaria ?


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Les infections persistantes et récurrentes par un des parasites responsables du paludisme, Plasmodium falciparum, résultent de la capacité du parasite à développer une importante variation antigénique et échapper à la réponse immunitaire de l'hôte. Des chercheurs appartenant à deux laboratoires1 du CNRS associés à l'Institut Pasteur viennent d'identifier2 un mécanisme par lequel des séquences du gène var, responsable de cette variabilité, sont soumises à des recombinaisons à des fréquences beaucoup plus élevées que celles normalement attendues. Ces recombinaisons se produisent entre régions terminales de chromosomes non apparentés. D'après les chercheurs, la diversité ainsi engendrée serait une des causes de la forte virulence de P. falciparum. D'autres protozoaires pathogènes humains pourraient suivre le même processus.

Des quatre types de malaria humaine, celle causée par P. falciparum est la seule mortelle. Cela est dû, au moins en partie, à la capacité des globules rouges parasités par ce protozoaire à s'agglutiner dans les capillaires d'organes vitaux tels que le cerveau, les poumons et le placenta. L'adhésion des parasites aux cellules endothéliales3 de l'hôte et à d'autres cellules sanguines, qui peut conduire au blocage de la circulation microvasculaire, est considérée comme un important facteur de virulence de cette espèce.

La quasi-totalité de l'adhésion du parasite aux cellules de l'hôte est réalisée par l'intermédiaire d'une molécule, l'Erythrocyte Membrane Protein 1 (EMP1), exprimée par le parasite et transportée à la surface des globules rouges infectés. Ces protéines de surface sont exposées au système immunitaire de l'hôte. En réponse à ces attaques, le parasite produit sans cesse de nouveaux variants d'EMP1 qui viennent remplacer le précédent variant à la surface des cellules. Ce processus permet à P. falciparum d'entretenir une infection constante. Les protéines EMP1 sont aussi impliquées dans les stratégies qui permettent à P. falciparum d'échapper au système immunitaire de l'hôte. Il a, en effet, été montré récemment que les globules rouges parasités peuvent adhérer, in vitro, aux cellules dendritiques et également dérégler l'aptitude de l'hôte à mettre sur pied une réponse immunitaire. Au total, les molécules EMP1 apparaissent avoir trois rôles biologiques distincts : dans l'agglutination, la variation antigénique et l'immunorégulation.


La malaria

La malaria est responsable, chaque année, de 300 à 500 millions de nouvelles infections et de plus de deux millions de morts. Cette maladie est causée par des protozoaires parasites du genre Plasmodium qui, au cours de leur vie, passent par un cycle complexe impliquant des hôtes invertébrés (moustiques) et vertébrés (figure 2). Les symptômes cliniques sont dus à la forme asexuée du parasite, qui vit dans les globules rouges de l'hôte. Après un stade initial dans le foie, le cycle érythrocytaire se poursuit par des infections répétées des globules rouges. Au sein des cellules sanguines les parasites passent par trois stades de développement : anneau, trophozoïtes et schizontes. Une fois matures, ces derniers font éclater les globules rouges et des mérozoïtes sont libérés dans le flux sanguin, commençant un nouveau cycle d'infection. Chez l'homme, le cycle érythrocytaire se déroule en environ 48 heures et les pics de fièvre caractéristiques de la maladie coïncident avec les ruptures des globules rouges parasités.

 
Figure 1 : Architecture télomérique des chromosomes de Plasmodium falciparum.



La variation antigénique chez P. falciparum

Un aspect important de la stratégie de survie de P. falciparum est sa capacité à générer de hauts niveaux de variabilité au sein de familles géniques spécifiant des facteurs de virulence de cytoadhérence (adhérence de globules rouges infectés par P. falciparum sur des cellules endothéliales) et de variation antigénique. Dans le travail publié par Nature, les chercheurs du CNRS et de l'Institut Pasteur ont identifié un mécanisme par lequel des séquences de gènes var (les gènes qui codent pour les protéines de surface EMP1) recombinent à des fréquences beaucoup plus élevées que celles qui seraient générées exclusivement par des "cross-over" homologues.

Ces événements recombinatoires surviennent entre les régions terminales de chromosomes (les télomères, figure 1) hétérologues qui s'associent en "cluster" (amas de 4 à 6 télomères) près de la périphérie nucléaire du parasite. Il a été montré que le positionnement côte à côte de gènes var portés par des chromosomes hétérologues facilite la conversion génique, favorisant ainsi la diversité des antigènes et des phénotypes d'adhérence.

Cinquante gènes environ codent des protéines de surface EMP1. Le parasite dispose donc de mécanismes permettant l'expression séquentielle des différents membres de la famille. Contrairement à ce qui est observé chez d'autres micro-organismes faisant appel à la variation antigénique, la commutation d'expression des gènes var ne s'accompagne pas de réarrangement programmé de l'ADN, faisant parler de commutation in situ. En revanche, leur expression est étroitement régulée par l'intermédiaire d'un mécanisme d'extinction (silencing) de tous les gènes de la famille sauf un, chez les trophozoïtes mûrs (voir figure 2). Le contrôle transcriptionnel au stade trophozoïte est donc mutuellement exclusif : une population parasitaire de phénotype de cytoadhérence défini n'exprime qu'un seul des gènes var présents dans son génome. Un ou des mécanismes épigénétiques sont donc impliqués dans la régulation de l'expression des gènes var.

La variation antigénique imposée par la pression immunitaire pourrait parfois s'accompagner d'une variation de tropisme parasitaire, car la répartition des différents récepteurs endothéliaux n'est pas homogène d'un organe à l'autre. Cette variation de tropisme pourrait être liée à la variété clinique des formes graves du paludisme. La connaissance de ces mécanismes devrait aider à contrer cette stratégie d'échappement.

Référence :

  • L. H. Freitas-Junior, E. Bottius, L. A. Pirrit, K. W. Deitsch, C. Scheidig, F. Guinet, U. Nehrbass, T. E. Wellems and A. Scherf. Frequent ectopic recombination of virulence factor genes in telomeric chromosome clusters of P. falciparum. Nature. vol. 407, october 2000, pp. 1018-1022.

    D.R.
    Figure 2 : Cycle parasitaire :
    Le parasite est transmis à l'homme par l'anophèle femelle lors du repas sanguin ; le stade infectieux ou parasite, appelé sporozoïte, est introduit dans la circulation sanguine humaine. Très vite, les sporozoïtes disparaissent de la circulation et sont trouvés dans les hépatocytes. Dans les hépatocytes, les sporozoïtes se multiplient pour former des schizontes pré-érythrocytaires, qui contiennent chacun des milliers de mérozoïtes. Les mérozoïtes libérés envahissent les érythrocytes amorçant le stade asexué du cycle. Les signes cliniques ne sont observés qu'à partir du moment où le cycle intra-érythrocytaire est en place. Le parasite à l'intérieur des hématies récemment envahies est nommé stade anneau. Les anneaux deviennent ensuite des trophozoïtes qui, par divisions asexuées, vont donner des schizontes contenant 8 à 24 mérozoïtes. Les mérozoïtes sont ensuite libérés et envahissent de nouvelles hématies. Les gamétocytes, la forme sexuée différenciée du parasite, se développent à partir de certains mérozoïtes. Le moustique est infecté par les gamétocytes, qui sont de phénotype soit mâle soit femelle, au moment d'un repas sanguin sur un hôte infecté. Dans l'intestin moyen du moustique, les microgamètes fertilisent les macrogamètes (stades extra-érythrocytaires sexués) résultant en un ookinète zygotique. Les ookinètes traversent la paroi de l'intestin et forment des oocystes qui vont se transformer en de nombreux sporozoïtes. Les sporozoïtes migrent jusqu'aux glandes salivaires du moustique, prêts à démarrer un nouveau cycle au prochain repas sanguin.

    1 Unités "Bases génétiques et moléculaires des interactions de la cellule eucaryote" et "Transduction du signal et contrôle de la transcription", CNRS-Institut Pasteur.

    2 En collaboration avec une équipe américaine du National Institute of Health, Maryland.

    3 Les cellules endothéliales tapissent les vaisseaux sanguins.

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