Toxine botulique

La toxine est un polypeptide à deux chaînes, une lourde (H : Heavy) et une légère (L : Light). La chaîne lourde de 100 kDa est liée à une chaîne légère 50 kDa par un pont disulfure. La chaîne lourde lie la molécule de toxine sur le récepteur neuronal et permet alors la translocation de la chaîne légère, qui porte l'activité enzymatique de la molécule de toxine. Cette chaîne légère est une protéase, enzyme qui attaque le complexe SNARE aux jonctions neuromusculaires, empêchant des vésicules de fusionner à la membrane pour libérer l’acétylcholine[7].

La toxine est synthétisée sous forme d’un monomère d'un poids moléculaire de 150,000 Daltons, elle est inactive sous cette forme. Ce monomère est composé de trois domaines. Un domaine avec une activité protéase (endopeptidase à zinc), un domaine de translocation et un domaine de liaison. Le domaine de translocation est responsable de la translocation de la chaîne légère qui possède l’activité protéase dans le cytoplasme de la synapse du neurone cible. Le domaine de liaison est composé de deux sous-domaines de taille équivalente. Le sous-domaine HC-N a une structure similaire aux protéines qui lient les sucres. Le sous-domaine HC-C est replié de façon similaire aux protéines connues pour être impliquées dans des fonctions de liaison protéine/protéine. Ce motif contient plus précisément une structure en β-trefoil qui est présente dans plusieurs protéines impliquées dans la reconnaissance et la liaison de protéines comme IL-1, des facteurs de croissance ou d’inhibiteur de trypsine… Une telle structure va permettre la liaison avec la membrane pré-synaptique par l’intermédiaire d’une double interaction entre deux molécules différentes[8].

La chaîne inactive de 150 kD de la neurotoxine est activée par une protéolyse spécifique de la boucle exposée qui contient le pont disulfure reliant la chaîne légère et la chaîne lourde. Plusieurs protéinases endogènes (de la bactérie) ou exogènes (des tissus) peuvent aussi bien activer cette toxine. La chaîne lourde et la chaîne légère restent associées par des liaisons non covalentes de type protéine/protéine et par le pont disulfure au niveau de la boucle de clivage. Mais pour que le site actif situé sur la chaîne légère soit opérationnel, il faudra rompre le pont disulfure. Cela est réalisé au moment de la translocation[8].

La suite de l'article s'intéresse plus particulièrement à la toxine botulique B (BoNT/B).

Des études ont démontré la fixation de la BoNT/B sur la synaptotagmine. Notamment des études de cristallographie montrant la liaison de la BoNT/B sur la partie extracellulaire de la synaptotagmine par l’intermédiaire d’un ganglioside. C’est la chaine lourde qui possède le domaine de liaison à la synaptotagmine[9] - [10].

Des études d’immunofluorescence ont montré que la toxine et la synaptotagmine sont co-internalisées par endocytose lorsque cette première est recyclée par la cellule[11].

La BoNT/B va donc se retrouver dans une vésicule de la cellule. Ces vésicules vont former un endosome qui va s’acidifier grâce à des pompes à protons. Cette acidification va provoquer un changement de conformation du domaine de translocation (N-Terminal) de la chaîne lourde de la toxine, ce qui facilite la libération de la chaîne légère dans le cytoplasme. Plus précisément, la baisse du pH permet aux chaînes lourdes de former un tétramère qui s’insère dans la membrane de la vésicule pour former des pores. Ce sont sept hélices du domaine de translocation qui permettent la formation de ces pores qui permettront à la chaîne légère de traverser la bicouche lipidique. En effet, l’acidification de la vésicule provoque également la dénaturation de la chaîne légère qui passe d'une forme hydrophile globulaire à une forme globulaire fondue dont les segments hydrophobes sont exposés en surface ce qui permet son insertion. La chaîne légère se détache de la chaîne lourde par réduction du pont disulfure. Ce fondue globulaire a un diamètre inférieur au diamètre du pore formé par la chaîne lourde (15 Å). Après exposition au pH neutre du cytosol, la chaîne légère se renature dans le cytosol et retrouve son activité endopeptidase. Ces observations sur la translocation de la BoNT/A peuvent être appliquées aux autres sérotypes de la toxine botulique[12] - [13] - [14] - [15] - [7].

Protéines cibles des toxines botulique (BoNT) et de la toxine tétanique au niveau du complexe SNARE.

La toxine botulique, une fois entrée dans le cytoplasme de la synapse, va se fixer à sa cible : le complexe SNARE. Les différentes toxines (A à H) agissent sur des protéines différentes ou sur des parties différentes des protéines du complexe SNARE.

La toxine botulique est une endopeptidase à zinc. Une comparaison de séquence a montré une séquence hautement conservée de 20 acides aminés localisés dans le milieu de la chaîne légère. Cette séquence contient le motif d’une endopeptidase à zinc : His–Glu–Xaa–Xaa–His. Ce motif lie un atome de zinc. Des mesures physicochimiques ont montré que ces neurotoxines contiennent une seule molécule de zinc par toxine (sauf le BoNT/C qui en contient deux) qui lie la chaîne légère. Des modifications chimiques et des expériences de mutagénèse dirigée avec ces neurotoxines ont montré que deux résidus d’histidine et un résidu de glutamate sont des ligands de l’atome de zinc. Ce zinc est coordonné par l’His 229, l’His 233 et le Glu 267 chez BoNT/B. Un quatrième ligand : une molécule d’eau permet l’hydrolyse de la liaison peptidique du substrat. Des molécules de calcium ont également un rôle dans l’activité de ces toxines.

Plus précisément, le domaine catalytique est un globule compact composé d’un mélange d’hélices α et de feuillets β. L’atome de zinc est situé à l’intérieur d’une grande cavité ouverte qui possède un potentiel électrostatique négatif élevé. Ce site catalytique est protégé par deux régions ceintures de part et d’autre de la cavité. Ce site catalytique est également protégé par le domaine de translocation lorsque celui-ci est relié à la chaîne légère[8] - [16] - [7].

Cette activité endoprotéique dénature la protéine SNAP-25 (de la famille des SNARE) à laquelle la toxine botulique s'est liée. Ainsi modifiée, la protéine SNAP-25 bloque la fusion de la vésicule synaptique contenant l'acétylcholine avec la membrane plasmique du bouton terminal de l'axone : le neurotransmetteur n'étant plus libéré dans la fente synaptique, l'activité synaptique diminue au point de devenir nulle, provoquant ainsi les symptômes d'atonie musculaire propres au botulisme.

Depuis la fin des années 1970 la toxine botulique est parfois utilisée en cas de strabisme, de nystagmus, de blépharospasme, voire de torticolis récalcitrant[18].

La toxine botulique est également utilisée dans le traitement d'une maladie rare ou orpheline appelée dystonie. Cette maladie d'origine neurologique frappe certains points du corps comme le cou – on parle alors de torticolis spasmodique –, les paupières (blépharospasme), dysphonie spasmodique… Cette maladie est méconnue de la plupart des médecins. En cas de doute, il faut consulter un neurologue.

Elle a une action sur les troubles de la motricité notamment sur la spasticité. Depuis quelques années, elle est utilisée sous forme d'injection dans le point moteur du muscle entraînant une paralysie du muscle permettant de réduire les contractions excessives liés à la spasticité.

On utilise aujourd'hui également la toxine botulique pour traiter les problèmes de transpiration excessive (hyperhidrose)[18] - [19] et de bavage (hypersialorrhée)[20] grâce à l'action de la toxine sur les récepteurs du réseau parasympathique.

Les injections de toxines botuliques A peuvent également être utilisées en médecine du sport afin de traiter les syndromes des loges[21]. Les toxines entraînent en effet à faible concentration une faiblesse musculaire, suivie par la suite d'une fonte musculaire permettant de recréer un espace au sein de la loge pathologique. Ces injections ont donc l'intérêt d'éviter ou de repousser des aponévrotomies douloureuses pour les personnes atteintes de cette pathologie.

Certaines études suggèrent que des injections de toxine botulique dans certains muscles de la tête et du cou sont efficaces pour traiter les douleurs de la migraine mais ces résultats ont été infirmés[22] en prouvant par un essai clinique en double aveugle que c’est l’effet placebo qui explique certains résultats positifs. Selon Maja Relja, les patients « considèrent inconsciemment qu’une injection a forcément plus d’effets analgésiques qu’un comprimé[22]. »

Chez les bruxomanes, son utilisation[23] permet le déconditionnement de la praxie et par la baisse de force musculaire induite par le traitement des douleurs associées : céphalée de tension (pas migraine), douleur de l'articulation temporo-mandibulaire, et ses complications, fractures des couronnes, atteinte parodontale…

La toxine botulique a été utilisée avec succès[24] sur des nouveau-nés pour traiter un excès de production de salive induit par une maladie génétique rare, le syndrome CHARGE.

La toxine botulique peut être utilisée pour remédier à une dysphagie, une achalasie, une sténose hypertrophique du pylore, une sténose du sphincter d'Oddi, la maladie de Hirschsprung, une fissure anale, des hémorroïdes, en proctologie[18].

La toxine botulique peut être utilisée en cas de vessie hyperactive, de dysynergie vésico-sphinctérienne[18].

Dans les années 1930, l'Unité 731 (unité japonaise de guerre biologique) cultive le Clostridium botulinum pour en étudier l'effet sur des prisonniers durant l'occupation de la Mandchourie[6].

Durant la Seconde Guerre mondiale, selon une hypothèse évoquée par certains historiens[26], Reinhard Heydrich, un dignitaire nazi qui fut l'adjoint direct de Heinrich Himmler, pourrait avoir été victime d'une arme biologique antipersonnel fondée sur l'utilisation de la toxine botulique. L'Obergruppenführer, atteint par des fragments d'une grenade lancée contre lui par des résistants tchèques (opération Anthropoid), est mort alors que le pronostic vital n'était pas engagé, peut-être du botulisme[27], provoqué par la toxine botulique mêlée à la couche de colle enduisant la grenade.

Durant le même conflit, les États-Unis produisent eux-mêmes de la toxine botulique, des milliers de bombes à anthrax et à toxine botulique seront produites (dénommées respectivement « agent N » et « agent X »). Le but est d’anéantir l’Allemagne en larguant des centaines de milliers de ces bombes[28] sur 6 villes sélectionnées, Aix-la-Chapelle, Wilhelmshaven, Stuttgart, Francfort, Hambourg et Berlin. Ce projet génocide sera annulé après le succès du débarquement en Normandie. Plus d'un million de doses d'antitoxines ont été mises à disposition des troupes.

En 1969-1970, le président Richard Nixon met fin au programme américain des armes offensives biologiques.

En 1972, une convention internationale interdit la recherche, la production et la détention d'armes biologiques offensives, la Biological and Toxin Weapons Convention, mais des pays signataires ne respectent pas leur engagement, comme l'Irak ou l'Union soviétique. La toxine botulique est ainsi testée sur le site soviétique dit Aralsk-7 sur l'île de Vozrojdénia dans la mer d'Aral.

En 1991, après la guerre du Golfe, un rapport du Département de la Défense américaine soutient que l'Irak aurait reconnu devant les experts de l'ONU, avoir produit 19 000 litres de toxine botulique concentrée, dont près de 10 000 étaient militarisés (armes chargées)[6] - [29]. En 1990, l'Irak aurait déployé 13 missiles de 600 km de portée et 100 bombes de 180 kg, chargés de toxine botulique[6].

Entre 1990 et 1995, plusieurs tentatives d'attaques par aérosol de toxine botulique ont eu lieu au Japon, menées par la secte Aum Shinrikyô. Les auteurs auraient obtenu leur C. botulinum à partir de sols prélevés dans le nord du Japon, mais ils auraient échoué à obtenir un aérosol efficace.

En 2001, le gouvernement américain liste quatre pays comme développant, ou soupçonnés de développer, la toxine botulique comme arme biologique : Iran, Irak, Corée du Nord et Syrie[6].

Des experts mettent en doute l'efficacité militaire d'éventuels aérosols de toxine botulique, à cause des contraintes liées à la concentration et à la stabilisation de la toxine (contradictoire avec la dissémination). D'autres estiment qu'un aérosol à partir d'un point source, pourrait contaminer 10 % des personnes dans un rayon de 0,5 km sous le vent[6]. D'autres moyens sont envisagés, afin d'y faire face, comme la contamination délibérée d'aliments ou d'un réseau d'eau potable.

En situation naturelle, on ne connaît aucun cas de botulisme humain lié à l'eau. En principe, la chloration de l'eau inactive la toxine. Cependant en cas d'alerte, des kits de détection pour eau d'alimentation sont prévus. La toxine est détruite par ébullition pendant dix minutes[30].

Selon le plan Biotox, les données inhabituelles, pouvant évoquer une malveillance ou un acte bioterroriste, lors de cas de botulisme, ont été définies : très nombreux cas localisés dans le temps et l'espace (aéroport, lieu de travail, lieu d'habitation, même réseau d'eau...), foyers simultanés sans source commune, une toxine de type inhabituel pour la région ou les circonstances[31].

• Guerre biologique

• (en) Carruthers A, Carruthers JDA, « The Treatment of Glabellar Furrows with Botulinum-A Exotoxin » Movement Disorders. 1990; 16:83.

• BotDB : base de données américaines sur les neurotoxines des Clostridiums
• Page spécifique sur Le Vidal.fr
• Compendium suisse des médicaments : spécialités contenant Toxine botulique