Acides aminés et trisomie 21

J. LEJEUNE1, Marie-Odile RETHORÉ1, Marie-Christine de BLOIS1, Marie PEETERS1, Josette NAFFAH , A, MEGARBANE1, F. CATTANEO1, Clotilde MIRCHER1, D. RABIER2, P. PARVY2, J. BARDET2, P. KAMOUN2

LEJEUNE J., RETHORÉ Marie-Odile. BLOIS Marie-Christine (de), PEETERS Marie, NAFFAH Josette. MEGARBANE A., CATTANEO F., MIRCHER Clotilde, RABIER D., PARVY P., BARDET J., KAMOUN P. - Acides aminés et trisomie 21. Ann Génét, 1992, 35, n° 1, 8-13.

Résumé :

• Matériel et méthodes
• Échantillons des témoins
• Échantillon de patients divers
• Échantillon des patients atteints de trisomie 21


• Analyse des résultats
• Expression en concentration
• Expression en millième
• Expression en écart réduit normalisé
• Expression en sommes d'écarts-réduits normalisés moyens
• Conclusion


• Signification pathogénique


• Proposition heuristique


• Annexes

Dans la trisomie 21, le surdosage génique provoque un déséquilibre dynamique par accélération des réactions biochimiques concernées et le métabolisme des monocarbones, étendu aux synthèses qu'il commande (pyrimidines, purines, transméthylations, etc.) pourrait être spécialement perturbé. En effet, l'excès de superoxyde dismutase, de cystathionine-bêta-synthase et d'enzyme des synthèses puriques, joint à la sensibilité particulière au méthotrexate, à l'atropine, ou aux déficits thyroïdiens peuvent s'accorder avec un dérèglement des monocarbones [voir (Lejeune, 1991) pour références et discussion].

Un moyen indirect d'aborder cette étude est l'analyse systématique des acides aminés sanguins et urinaires. On voit en effet (fig. 1), que plusieurs acides aminés jouent un rôle très direct de donneurs ou de transporteurs de monocarbones et de radicaux nécessaires aux synthèses puriques et pyrimidiques et aux transméthyl-ations.

Fig. 1. - Métabolisme des monocarbones et des synthèses puriques, pyrimidiques, transméthylations, etc. (d'après Lejeune, 1991).Fig.1. - Monocarbone's metabolisme purines and pyrimidines synthesis, transmethylations, etc. (Lejeune, 1991).

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Matériel et méthodes

Les examens des acides aminés ont été effectués au laboratoire de Biochimie Médicale (Pr Kamoun), selon les protocoles de prélèvements et les méthodes d'analyses précédemment décrits (Lejeune et al., 1990). Les patients étudiés sont classés en trois grands groupes : témoins, patients divers et trisomie 21.

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Échantillons des témoins

Deux cent six cas étudiés en 1990 et 1991 au laboratoire de Biochimie Médicale ont été choisis, au hasard de l'alphabet, parmi tous les sujets pour lesquels les résultats restaient dans les limites de la variation dite normale. Aucun de ces sujets n'était affecté d'une malade génétique répertoriée.

L'ensemble de cet échantillon, hétérogène mais biochimiquement " normal ", est pris comme étalon sous l'étiquette Temo 206.

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Échantillon de patients divers

Trois cent vingt deux patients, atteints de débilité de l'intelligence ou de troubles du comportement, ou des deux à la fois, ont été examinés à la consultation spécialisée (Hôpital des infants Malades, service du Pr Lejeune) et les prélèvements ont été confiés au laboratoire de Biochimie Médicale (Pr Kamoun).

Les patients rassemblés dans cet échantillon souffrent de syndromes extrêmement variés, depuis des aberrations chromosomiques (4p-, X fragile, trisomies et monosomies variées) jusqu'aux maladies géniques et aux syndromes sans étiologie clairement définie. Cet échantillon est donc extrêmement disparate, mais ne contient aucun cas de trisomie 21.

Cet échantillon est dénommé par la suite, TOTALPA 2. Son analyse par catégories nosographiques est en cours.

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Échantillon des patients atteints de trisomie 21

Cet échantillon de 79 sujets est homogène pour le diagnostic de trisomie 21 libre, à l'exclusion des cas de mosaïque de translocations ou de trisomies partielles.

Il persiste toutefois des différences importantes entre les patients qui peuvent être classés en deux catégories : sujets relativement " bien portants ", et sujets souffrant d'une régression gave de type Alzheimer.

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Analyse des résultats

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Expression en concentration

Comme le montre le tableau I, il est possible de comparer la concentration de chaque acide aminé sanguin ou urinaire, dans l'échantillon des trisomiques (trisomie 21) et l'échantillon des témoins (Temo-206).

Le test de Student révéla une différence hautement significative (t > 3,4 ; P < 0,001), pour la sérine (t = 5,8), la cystéine (t = 7,9), l'ornithine (t = 5,0) et la lysine (t = 6,7) dans le plasma. Dans l'urine, l'excès de cystéine, de méthionine, de tyrosine et de méthyl-histidine, et le déficit de glutamique/glutamine sont au-delà du seuil (P < 0,001).

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Expression en millième

Comme on recherche un éventuel déséquilibre et non un blocage localisé, il est plus logique d'exprimer chaque résultat en millième (MSTAU par exemple). Pour ce faire, on divise la valeur de STAU (concentration sanguine en TAUrine) par la somme des concentrations de tous les acides aminés dosés. Cette méthode, inaugurée par Parvy et coll. (1988) pour les acides aminés urinaires a déjà été appliquée aussi aux acides aminés sanguins (Lejeune et al., 1990).

Cette expression en millième affine considérablement l'analyse ; on voit, en effet, toujours sur le tableau 1, que les différences observées deviennent extrêmement significatives pour la sérine (t = 11,7), pour la cystéine (t = 6,44) et pour la lysine (t = 7,8), alors que la tyrosine (t = 3,2) vient s'abouter à l'ornithine (t = 4,4).

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Expression en écart réduit normalisé

Pour décrire les particularités de chaque patient, on peut exprimer la valeur en millième (MSTAU par exemple) sous forme d'un écart-réduit normalisé (ESTAU) en appliquant la relation : ESTAU = (MSTAU - moyenne de MSTAU chez les témoins) / (écart-type de MSTAU chez les témoins).

Cela revient à définir, pour cet acide aminé, la position qu'occuperait le patient, au sein de la distribution des sujets " normaux ", d'où l'expression : écart-réduit normalisé.

L'avantage de cet écart réduit normalisé est de permettre une représentation graphique simple pour chaque acide aminé sanguin (en trait plein) et urinaire (en clairsemé). Toute valeur supérieure à 2 se rencontrerait par hasard dans moins de 2, 5 pour cent des ces " normaux " (fig. 2).

Si la statistique de l'écart réduit normalisé porte non plus sur un seul sujet mais sur tout l'échantillon, la moyenne attendue chez les témoins est nécessairement égale à 0, avec un écart--type égal à 1.

En revanche, chez les trisomiques 21, on trouvera des valeurs moyennes différentes de zéro. Le test t de Student donne bien entendu des valeurs identiques à celles déjà calculées sur les millièmes, puisque les deux statistiques (MSTAU et ESTAU par exemple) sont dérivées l'une de l'autre par une manipulation algébrique simple.

On voit que pour la sérine sanguine, l'écart réduit normalisé moyen, ESSER, des trisomiques 21 se situe à 1,5 sigma au-dessous de la moyenne des témoins alors que pour la cystéine, ESCYS est à + 0,79 et pour la lysine, ESLYS à 1,03 sigma (tableau I).

Le " portrait sanguin " des trisomiques 21 est donc : sérine basse, cystéine et lysine élevées.

Fig. 2. - Ecart-réduit normalisé moyen des concentrations relatives d'acides amines sanguins (en noir) et urinaires (en clairsemé) chez 79 trisomiques 21. Chaque valeur est normalisée par rapport à l'échantillon témoin.Fig. 2. - Mean normalised standard deviation of relative aminoacides concentration of the plasma (dark barr) and of the urine (gray barr) among 79 trisomic 21. Each value has been normalised versus the control sample.

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Expression en sommes d'écarts-réduits normalisés moyens

On peut exprimer cet aspect par une statistique très simple dans laquelle : SeCYLY = ESSER*-1 + ESCYS + ESLYS.

Comme il s'agit d'écarts-réduits normalisés, il est possible d'en faire la somme en changeant le signe du paramètre ESSER pour tenir compte du déficit en sérine.

Cette modification, qui consiste à retourner, droite sur gauche, une distribution gaussienne, conserve les deux propriétés principales de cette statistique, à savoir :

a) L'espérance mathématique de cette somme est égale à zéro puisque l'espérance mathématique de chacune des moyennes est zéro (chez des sujets normaux) ;

b) La variance de cette somme est égale à racine de " n " (si " n " écarts-réduits normalisés moyens sont additionnés), puisque, la variance de chaque moyenne est égale à 1 et que la variance d'une somme est égale à la somme des variances.

On observe effectivement que pour les 206 témoins, la statistique SeCYLY, égale à (ESSER*-1 + ESCYS + ESLYS) est bien égale à 0,01 ± 1,74, c'est-à -dire aussi proche que possible des valeurs théoriques, zéro et racine de 3.

Chez les sujets trisomiques 21, cette statistique SeCYLY est égale à 3,88 ± 1,8. La comparaison de ces deux paramètres par le test de t de Student, donne la valeur énorme de t = 16,7 pour plus de 200 degrés de liberté.

On voit que cette statistique portant sur trois acides aminés seulement permet de spécifier un " portrait trisomique 21 ", comme le montrent les graphiques correspondant aux trois échantillons : Temo 206 (rectangles vides), Totalpa 2 (rectangles clairsemés) et trisomie 21 (rectangles noirs) (fig. 3).

Incidemment, on note un léger décalage de l'échantillon des patients non-trisomiques 21, vers la zone trisomique 21. Il se pourrait que ce déséquilibre du paramètre SeCYLY se retrouve dans d'autres conditions que la trisomie 21. Il se pourrait aussi que des statistiques analogues mais portant sur des acides aminés différents, permettent l'identification d'autres syndromes nosographiques.

Fig. 3. - Statistique SeCYLY (ESSER* -1) + ESCYS + ESLYS, calculée sur 206 témoins (rectangles vides, Temo 206), sur 322 patienta non-trisomiques 21 (rectangles clairsemés, Totalpa2) et 79 trisomiques 21 (rectangles noirs, trisomie 21).Fig. 3. - Statistics SeCYLY = (ESSER* - 1) + ESCYS + ESLYS, calculated on 206 controls (empty barr, Temo 206), on 322 Non--trisomic 21 patients (gray barr, Totalpa 2) et 79 trisomic 21 Patients (dark barr, trisomie 21).

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Conclusion

Comme on pouvait s'y attendre, cette analyse ne révèle aucune amino-acidapathie franche, mais bien un équilibre dynamique différent de celui des non-trisomiques 21.

Au total : les particularités suivantes :

- un déficit relatif de sérine dans le plasma et dans l'urine,

- un excès de cystéine dans le plasma et dans l'urine,

- un excès de lysine et d'ornithine dans le plasma,

- et un excès urinaire de tyrosine, de méthionine, et de méthyl-histidine,

constituent, à notre connaissance, la première démonstration du déséquilibre recherché.

Il est à remarquer qu'un déficit probable en sérine avait été signalé en 1972 par Sinet et que Bibhas et coll. ont noté en 1991 quelques cas de tyrosinurie et de cystinurie chez des sujets trisomiques 21. En revanche, un excès de sérine plasmatique a été décrit par Waziri et colt. (1984) chez des sujets atteints de syndromes psychotiques graves (non-trisomiques 21).

Ces trois publications ne sont pas en désaccord avec nos conclusions.

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Signification pathogénique

Sans poursuivre cette analyse mathématique, encore en cours, il est déjà possible de proposer quelques hypothèses heuristiques.

Revenant au schéma métabolique de la figure 1, on voit que le déficit en sérine pourrait correspondre à l'accélération de la synthèse de cystathionine, aboutissant à un excès de cystéine. Cela serait en accord avec l'activité 1,5 de la cystathionine-bêta-synthase. Par ailleurs, la sérine est le principal donneur de 5-10 méthylène (qui sert à méthyler l'uracile monophosphate (dUMP) en thymidine). De ce fait, un déficit léger mais chronique en serine (par la fuite vers la cystéine) pourrait expliquer la sensibilité particulière au méthotrexate, tandis qu'un ralentissement de la synthèse de la choline entraînerait une déficience légère en acétylcholine, d'où la sensibilité à l'atropine.

D'autre part, un déficit de 10 formyl THF dû à une inhibition partielle de la formyl-synthase et à une activation de la formyl-deshydrogénase (résultant d'un déficit thyroïdien) pourrait expliquer une difficulté du métabolisme purique, en dépit des trois gènes de synthèse situes sur le 21 qui provoquent une légère surproduction d'acide urique [pour références et discussion, voir (Lejeune, 1991)].

L'excès de lysine, dans le sang, mais non dans l'urine, est plus difficile à relier au surdosage des quelques gènes connus sur le 21. Toutefois, comme l'hydroxylation de la lysine (indispensable à la stabilité du collagène) nécessite des ions superoxyde (Myllyla et al., 1979), l'excès de superoxyde dismutase pourrait, entre autres, modifier à la fois la qualité du collagène et le taux de lysine libre.

Enfin, l'excès urinaire de tyrosine pourrait correspondre à un trouble du métabolisme de la bioptérine (Cattell et al., 1989), tandis que l'excès urinaire de méthylhistidine indiquerait une anomalie du métabolisme de l'histidine.

Une raison de considérer que ces hypothèses sur la pathogénie possèdent peut-être une part de vérité est que les sujets trisomiques 21 présentant une régression grave de type Alzheimer ont un " portrait amino-acide ", plus caricatural encore, que celui des autres trisomiques 21.

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Proposition heuristique

Compte tenu du rôle considérable de la sérine dans le métabolisme des monocarbones, et vu le déficit que nous venons de mettre en évidence, il paraîtrait légitime d'étudier les effets d'une administration per os de cet acide aminé, fort peu toxique par lui-même.

S'il se trouvait que l'on pût ainsi modifier les taux relatifs des acides aminés sanguins chez les patients trisomiques 21, il serait important d'établir, si une telle supplémentation pourrait avoir des effets bénéfiques. Un travail systématique est envisagé.

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Références

1: BIBHAS K., PRABHAKARA K., MURPHY S.K. - Screening of aminoacidopathies in mentally related children. Am J Hum Genet, 1991, 4 (suppl. 49), 100.

2. CATTELL R.J., HAMON C.G.B., CORBETT J.A., LEJEUNE J., BLAIR J.A. - Neopterin : biopterin ratios in Down's syndrome. J Neurol Neurosurg Psychiatry, 1989, .52, 1015-1O16.

3. LEJEUNE J. - Pathogénie de la débilité de l'intelligence dans la trisomie 21. Ann Génét, 1991, 34, 55-64.

4. LEJEUNE J:, RETHORE M.O., PEETERS M., BLOIS M.C. (de), RABIER D., PARVY P., BARDET J., KAMOUN P. Maladie du cri du chat : acides aminés plasmatiques et urinaires. Ann Génét, 1990, 33, 16-20.

5. MYLLYLA R., SCHUBOTZ L.M., WESER U., KIVIRIKKO K.I. - Involvement of superoxide in the propil and lysyl hydroxylase reactions. Biochem Biophys Res Commun, 1979, 89, 98-102.

6. PARVY P.R., BARDET J.L., RABIER D.M., KAMOUN P.P. Age related reference values for free amonoacids in first morning urine specimens. Clin Chem, 1988, 34, 2092-2095.

7. SINET P.M. - Contribution à l'analyse statistique des résultats de dosages d'acides aminés sanguins. Thèse de médecine, Paris, 1972.

8. WAZIRI R., WILCOX J., SHERMAN A.P., MQTT J. - Serine metabolism and psychoses. Psychiatr Res, 1984,12, 121-123.