La découverte fortuite d’un déficit en adénosine désaminase (ADA) chez deux patients présentant un déficit immunitaire cellulaire en 1972 par le Dr Eloise Giblett et ses collègues (1) a inauguré une nouvelle ère dans l’étude des mécanismes moléculaires sous-jacents aux troubles de l’immunodéficience primaire. De plus, cette découverte a conduit au développement éventuel de nouvelles thérapies non seulement pour le déficit en ADA, mais aussi pour d’autres troubles de l’immunodéficience et certaines leucémies. Au début des années 1970, plusieurs maladies immunodéficientes primaires, y compris le SCID, la gamma globulinémie liée à l’X et le syndrome de Wiskott-Aldrich, étaient bien connues des immunologistes pédiatriques et présumées être causées par des anomalies génétiques uniques basées sur des modèles d’hérédité. Cependant, les défauts génétiques responsables de ces troubles dévastateurs étaient inconnus. À cette époque, le seul « remède » contre les maladies graves d’immunodéficience était une greffe de moelle osseuse (BMT) d’un donneur histocompatible. Dans le cas de l’un des deux patients décrits par Giblett et al., le typage HLA de routine des membres de la famille n’a pas permis d’identifier les donneurs appropriés. Ainsi, les médecins du patient ont envoyé des échantillons de sang au Dr Giblett de la Banque centrale de sang de King Country. On espérait qu’elle pourrait faire la lumière sur les relations entre les membres de la famille du patient en examinant les modèles d’isozyme pour l’enzyme ADA. À sa grande surprise, l’électrophorèse sur gel d’amidon a indiqué que les globules rouges du patient étaient complètement dépourvus d’activité enzymatique ADA! Les parents ont montré une activité d’ADA détectable, mais réduite, suggérant un mode d’héritage autosomique récessif. Par la suite, un deuxième patient présentant un déficit immunitaire cellulaire sévère a été étudié et s’est également révélé déficient en ADA. Il s’agissait de résultats totalement inattendus, car il n’y avait pas de priorité pour la carence en ADA chez l’homme ou pour le rôle important de l’ADA dans le développement ou la fonction du système immunitaire.
L’ADA fait partie de la voie de récupération des purines qui comprend l’enzyme hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransférase (HPRT). Des mutations du gène HPRT étaient connues pour causer le syndrome de Lesch-Nyhan et son arthrite goutteuse associée (2), mais cette voie n’était pas considérée comme importante pour le système immunitaire. Giblett et ses collègues ont proposé que les deux patients pourraient avoir des allèles mutants rares pour le gène ADA. Alternativement, il a été émis l’hypothèse qu’ils pourraient avoir une délétion chromosomique courte englobant le gène ADA et un gène de réponse immunitaire critique à proximité. Dans les deux cas, ils ont conclu: « Étant donné que l’anenzymie d’ADA et les maladies héréditaires de l’immunité cellulaire sont extrêmement rares, leur coexistence chez deux patients non apparentés semble très peu probable.”
Les mesures des métabolites des purines dans les fluides corporels de patients déficients en ADA ont montré des niveaux élevés d’adénosine (3), l’un des deux substrats de l’ADA. Les chercheurs ont rapidement montré que l’adénosine pouvait ralentir la croissance des lignées cellulaires lymphoïdes et la prolifération des lymphocytes primaires induite par les mitogènes (3). En 1975, Giblet et ses collègues ont signalé un patient présentant une immunodéficience isolée des lymphocytes T qui n’avait pas d’activité de la purine nucléoside phosphorylase (PNP) (4), une enzyme située entre l’ADA et la HPRT dans la voie de récupération des purines, fournissant des preuves convaincantes de l’importance critique du métabolisme normal des purines pour un système immunitaire fonctionnel. Bien qu’il ait été initialement rapporté que l’ATP était élevé dans les CBR des patients déficients en ADA (5), des schémas de séparation HPLC plus sensibles dans les laboratoires des Drs Mary Sue Coleman et Amos Cohen ont révélé que les niveaux de dATP étaient également élevés (6,7). Cette découverte a confirmé une spéculation antérieure du Dr Dennis Carson et coll. (8) que la désoxyadénosine, l’autre substrat de l’ADA, plutôt que l’adénosine, était le métabolite toxique de cette maladie. Des expériences ultérieures ont montré que la désoxyadénosine est d’abord convertie en humidité et finalement en dATP par les niveaux élevés de désoxynucléosides kinases dans le thymus. Un mécanisme pathogène probable est la libération du cytochrome c déclenchée par le dATP par les mitochondries qui déclenche une cascade apoptotique, entraînant l’échec du développement des lymphocytes T (9). Fait intéressant, une compréhension de cette voie a conduit au développement d’approches chimiothérapeutiques nouvelles et réussies pour le traitement de la leucémie à cellules velues (10).
L’ADA et la PNP sont exprimées dans pratiquement toutes les cellules du corps et ont été considérées comme des gènes « domestiques”. Ainsi, une question immédiate était de savoir pourquoi les effets de la carence en ADA se concentraient sur le système immunitaire. Cela a conduit à une évaluation systématique de l’expression des enzymes métabolisant les purines dans divers tissus humains et à la découverte que l’ADA se trouvait à des niveaux très élevés dans le thymus, suggérant que cet organe avait développé un mécanisme pour empêcher l’accumulation de substrats d’ADA. Cela est nécessaire car le taux élevé de mort cellulaire dans le thymus secondaire aux événements de sélection fournit une source d’ADN qui est dégradée en désoxyadénosine. Ceci, associé à des taux élevés de désoxynucléosides kinases, explique pourquoi le thymus des patients déficients en ADA accumule des taux aussi élevés de dATP (8).
En plus du traitement de soutien normal administré aux patients atteints de SCID, les patients déficients en ADA ont d’abord été traités par des transfusions de RBC emballées comme une sorte de thérapie de ”remplacement enzymatique » (5). De nombreux patients ont montré une amélioration significative de la fonction immunitaire en conséquence, en particulier ceux ayant une activité enzymatique ADA résiduelle. La percée dans le traitement de ces patients est venue avec le développement d’ADA bovin modifié au polyéthylène glycol (PEG) par la société de biotechnologie Enzon. PEG-ADA (Adagen) a été le premier médicament protéique modifié par PEG approuvé par la FDA. Son utilisation comme thérapie pour les patients déficients en ADA a été défendue par le Dr Michael Hershfield à Duke (11). De nombreux patients qui n’ont pas de donneurs de moelle osseuse appropriés ont pu mener une vie raisonnablement normale grâce au traitement par PEG-ADA. Aujourd’hui, il existe un certain nombre de médicaments à base de protéines sur le marché qui sont modifiés par pégylation pour améliorer la stabilité et diminuer l’immunogénicité. Ceux-ci comprennent Neulasta (Amgen) pour le traitement de la leucémie, l’interféron-β pour le traitement de l’hépatite C chronique et l’uricase pour le traitement de la goutte réfractaire (12).
La carence en ADA a également joué un rôle de premier plan dans le développement de la thérapie génique. C’était la maladie parfaite pour ce champ naissant. On savait déjà que les patients atteints de SCID pouvaient être guéris par une BMT provenant d’un donneur histocompatible. Il était également connu que les patients avec seulement 10 à 12% d’activité enzymatique normale de l’ADA avaient un système immunitaire normal (13). Ainsi, il était logique de prédire que la TMO autologue avec des cellules de moelle osseuse génétiquement modifiées aurait une valeur thérapeutique, même si des niveaux normaux d’expression génique ne pouvaient pas être atteints. Cependant, les premières tentatives ont été infructueuses car le petit nombre de cellules génétiquement modifiées n’a pas été maintenu après la greffe (14). Néanmoins, cette approche a été couronnée de succès chez les patients atteints de SCID lié à l’X car les cellules génétiquement modifiées avaient un avantage sélectif et ont finalement dépassé les cellules non modifiées restantes (15). Cette prise de conscience a conduit à l’hypothèse que la thérapie génique pour le déficit en ADA a échoué car les patients ont été maintenus sous PEG-ADA comme une sorte de norme de soins. Ce traitement a supprimé l’avantage sélectif dont bénéficieraient les cellules corrigées du gène ADA chez un hôte autrement déficient en ADA. En effet, lorsque les protocoles de traitement ont été modifiés pour éliminer le PEG-ADA, la thérapie génique pour ce trouble a été couronnée de succès, bien qu’il ait généralement fallu un an ou plus pour que le nombre de lymphocytes T corrigés du gène atteigne des niveaux maximaux (16).
Comme pour de nombreuses maladies humaines, les immunologistes ont développé des modèles murins afin de disposer d’un système expérimental permettant d’étudier les conséquences du déficit en ADA et d’évaluer de nouvelles stratégies de traitement. À la grande surprise des chercheurs qui ont fabriqué des souris déficientes en ADA, ces souris sont mortes dans la période périnatale immédiate – non pas d’immunodéficience, mais d’insuffisance hépatique (17,18). Au moment du décès, l’effet de la carence en ADA sur le développement du thymus était relativement modeste. Pour contourner ce problème, une souche de souris a été développée qui était globalement déficiente en ADA, à l’exception de celle contrôlée par un promoteur spécifique au placenta (19). Ainsi, ils ont eu de l’ADA pendant le développement fœtal et ne sont devenus déficients en ADA qu’après la naissance. Étonnamment, ils avaient une fonction hépatique normale, montrant que l’ADA était nécessaire dans le foie pendant le développement du fœtus, mais pas par la suite. Tout aussi surprenant, ces souris sont mortes à environ 3 semaines d’insuffisance respiratoire (20). Cependant, ils pourraient être maintenus indéfiniment sur PEG-ADA. Lorsqu’il était sous-optimal, ils ont développé une immunodéficience comme prévu initialement (21). Ces souris se sont révélées utiles pour examiner les mécanismes du SCID déficient en ADA (9). De plus, en raison de l’accumulation d’adénosine, ces animaux ont servi de écran biologique pour les troubles associés à la signalisation aberrante des récepteurs de l’adénosine (22). Au cours des vingt dernières années, il est devenu de plus en plus évident que l’adénosine régule de nombreux aspects importants de la physiologie en se liant à quatre récepteurs d’adénosine couplés à la protéine G à sept transmembranaires distincts (23). Bien que l’adénosine soit généralement immunosuppressive et anti-inflammatoire, des travaux sur des souris déficientes en ADA ont permis de découvrir de nouveaux rôles pour l’adénosine dans la promotion de la progression de maladies chroniques, notamment l’asthme, la maladie pulmonaire obstructive chronique et la fibrose pulmonaire (22). De plus, ces souris ont aidé à définir un nouveau rôle pour la signalisation de l’adénosine dans certaines manifestations de la drépanocytose (24).
En conclusion, la découverte du déficit en ADA comme cause du SCID a été révolutionnaire pour plusieurs raisons. Tout d’abord, il s’agissait de la première maladie d’immunodéficience pour laquelle le défaut moléculaire a été identifié, permettant de poser un diagnostic moléculaire à la fois pré et postnatal. Deuxièmement, il a souligné l’importance du métabolisme normal des purines pour le développement du système immunitaire. La compréhension des mécanismes du SCID déficient en ADA a conduit au développement d’inhibiteurs de l’ADA et d’analogues de la désoxyadénosine pour le traitement de la leucémie à cellules velues (10). PEG-ADA est devenue la première protéine modifiée par PEG à être utilisée comme thérapeutique et a ouvert la porte au développement de protéines modifiées par PEG supplémentaires qui sont aujourd’hui largement utilisées en clinique. Le déficit en ADA a été la première maladie héréditaire à être traitée par thérapie génique. Enfin, les souris déficientes en ADA sont devenues un outil inestimable pour l’étude de la signalisation des récepteurs de l’adénosine dans les maladies pulmonaires chroniques et la drépanocytose. Ainsi, l’histoire des recherches sur le déficit en ADA initiées par l’absence surprenante de bandes d’ADA sur le gel d’amidon d’Eloise Giblett, illustre l’impact potentiel de découvertes fortuites en science et en médecine et les récompenses imprévues qui peuvent découler de l’étude de patients atteints de maladies rares.