Pathophysiology and treatment of acute intermittent porphyria

La porphyrie aiguë intermittente (PAI) est la plus fréquente des porphyries hépatiques aiguës. Elle est décrite comme une maladie autosomique dominante dont le trait génétique est estimé à 1/1675 en France avec une pénétrance faible et variable allant de 10% à 50% dans les familles connues de PAI. La PAI est due à des mutations réduisant le niveau d’activité de l’hydroxyméthylbilane-synthase (HMBS). Son déficit entraîne l’accumulation de précurseurs neurotoxiques responsables de la symptomatologie clinique. Dans le foie, la synthèse d’hème est contrôlée par l’enzyme ALA-Synthétase 1 (ALAS1) dont l’activité est régulée par un rétrocontrôle négatif par le produit final : l’hème. Le traitement consiste à freiner l’induction d’ALAS1 induit par la carence en hème, par l’administration d’hème exogène. Ce traitement de la crise aiguë est très efficace mais génère rapidement une dépendance physique avec apparition de crises récurrentes nécessitant l’administration chronique d’hème exogène. L’objectif principal de ce projet a été d’étudier les mécanismes physiopathologiques et génétiques liés à cette pathologie afin de traiter et conseiller au mieux les patients. Une partie du projet a consisté à explorer les facteurs génétiques modulateurs de la pénétrance de la maladie. Tout d’abord, une prévalence minimale du trait génétique dans la population générale a été estimée à 1/1299 permettant d’en déduire une pénétrance de l’ordre de 1% alors que celle dans les familles PAI suivies par le CFP est estimée à 22,9 %. Ensuite, concernant les facteurs pouvant expliquer cette différence, la présence d’une mutation type non-sens est plus fréquemment associée aux formes sévères et à une pénétrance plus élevée. De plus, les études de corrélation et d’héritabilité suggèrent plutôt une transmission de type oligogénique associée à des facteurs épigénétiques modulateurs de la pénétrance dont le facteur environnemental. Une autre partie a consisté à explorer les effets de l’administration d’hème exogène sur les patients et un modèle murin de PAI créé génétiquement. Chez l’homme, le traitement est associé à une augmentation des formes chroniques (1,7 % avant vs 7,5 % après l’introduction du celui-ci). Dans le modèle murin de PAI, les injections intrapéritonéales répétées induisent une augmentation paradoxale d’ALAS1 (3 fois), une augmentation de l’hème oxygénase 1 qui catabolise l’hème (HMOX1, 9 fois) ainsi que des voies de l’inflammation (analyse transcriptomique et protéomique hépatique) et une surcharge en fer. De plus, cette administration induit une altération des complexes de la chaine respiratoire mitochondriale responsable d’anomalies du métabolisme énergétique au niveau hépatique, cérébral et musculaire pouvant expliquer la symptomatologie neuroviscérale. En conclusion, ce travail a permis d’explorer les caractéristiques génétiques de la maladie (prévalence, pénétrance) en remettant en cause le mode de transmission autosomique dominant jusqu’ici admis, et d’explorer les mécanismes physiopathologiques associées à l’administration d’hème exogène faisant de cette thérapeutique un pharmakonThe biosynthesis of porphyrins is one of the most conserved pathways known. By associating different metals, porphyrins give rise to the "pigments of life". The formation of haem is accomplished by a sequence of eight dedicated enzymes encoded by different genes, some being active in ubiquitous as well as in erythroid isoforms. In humans, the genes for each of the haem synthetic enzymes may become the target of mutations that give rise to an impaired cellular enzyme activity called porphyrias. The acute porphyrias are characterized by attacks of neuropsychiatric symptoms, which may be due to a toxic surplus of the porphyrin precursor 5-aminolevulinic acid, or a consequence of a deficit of vital hemoproteins. Mutations of the gene encoding the third enzyme: hydroxymethylbilane synthase, are associated with the most frequent type of acute hepatic porphyria, acute intermittent porphyria. AIP is thought to display autosomal dominant inheritance with incomplete penetrance. In the classical form of AIP, HMBS activity is about 50% lower than normal in all tissues. These levels of activity in basal conditions are not sufficiently low to cause symptoms. However, factors increasing hepatic heme demand, resulting in an upregulation of hepatic aminolevulinate synthase (ALAS1, the first enzyme of the heme biosynthesis pathway), precipitate acute attacks. The treatment of the attack of AIP consists to repress ALAS1 and restores metabolic equilibrium. But this treatment leads side effects and dependency. The pathophysiological mechanism of the disease is partially known and difficult to explore because there is not an AIP model or prediction model of porphyrogenicity. We aimed to obtain further insight into the pathophysiological mechanism of AIP and into the genetic (prevalence and penetrance) of AIP, and the contribution of genetic factors to the variable clinical expression of HMBS mutations.We first calculated the penetrance of HMBS mutations in AIP patients seen at the French reference center for porphyria: 22.9%. We then used the Exome Variant Server (EVS) to estimate the prevalence of deleterious HMBS mutations in the general population: 1/1299; and the penetrance of the AIP genetic trait in France: 1%. Finally, we investigated further the genetic factors underlying the penetrance of AIP by analyzing genotype/phenotype correlations, and the pattern of familial correlations for the symptoms of the acute crises of AIP. Intrafamily correlation studies showed correlations to be strong overall and modulated by kinship and the era in which the person was living, demonstrating strong influences of genetic and environmental modifiers on inheritance suggesting that AIP inheritance does not follow the classical autosomal dominant model. Null alleles were associated with a more severe phenotype and a higher penetrance than for other mutant alleles.On the other hand, we explored the effect of heme administration. In human, the introduction of hemin into the pharmacopeia has coincided with a 4.4-fold increase in the prevalence of chronic patients. We show that repeated hemin infusions in mice trigger a high level heme oxygenase 1 response, induce a pro-oxidative iron accumulation, a complex pattern of liver inflammation with macrophage infiltration and an alteration of oxidative phosphorylatio