L'extrait de venin de veuve noire et le botulisme (sujet national, juin 2019, partie 2, ex. 2)

Énoncé

À partir de l'étude des documents et des connaissances, expliquez comment l'utilisation d'extrait de venin de veuve noire peut constituer un espoir de traitement contre le botulisme.
Document de référence
Le mécanisme de libération de neuromédiateurs au niveau d'une synapse.
Document 1
Action de la toxine botulique A sur la jonction neuromusculaire
1a : Effet moléculaire de la toxine botulique A
« La toxine botulique de type A est produite par une bactérie du sol appelée Clostridium botulinum. Elle agit au niveau des jonctions neuromusculaires dans la terminaison du neurone présynaptique.
Pour observer son action moléculaire, on réalise une électrophorèse de la syntaxine et de SNAP25 présents dans la terminaison axonique de la cellule présynaptique, avec ou sans contact avec la toxine botulique A. »

Sujet national, juin 2019, partie 2, exercice 2 - illustration 2
« Remarque : L'électrophorèse est une technique permettant de séparer les molécules selon leur poids en les faisant migrer sur une membrane dans un champ électrique. Plus la molécule migre, plus elle est légère. Le chiffre indique un poids moléculaire exprimé en kilodalton (kda). »

1b : Effet de la toxine botulique A sur l'activité électrique de la cellule postsynaptique
Sujet national, juin 2019, partie 2, exercice 2 - illustration 3
« Remarque : Les enregistrements ci-dessus montrent l'activité électrique d'une cellule postsynaptique. Chaque pic vers le bas représente une réponse postsynaptique. »
D'après Hubbard et al, Journal of visualized experiments, 2015.

Document 2
Action de la toxine contenue dans le venin de l'araignée appelée « veuve noire » (Latrodectus sp.)
2a : Le venin de veuve noire
« Le venin de la veuve noire contient une molécule appelée latrotoxine agissant au niveau de la terminaison de l'axone de la jonction neuromusculaire. »
D'après Hostelge, Baer, Pines, Brady, Visual Diagnosis in Emergency and Critical Care Medicine, 2011.

2b : Effet de la latrotoxine sur la terminaison axonique du neurone présynaptique
Sujet national, juin 2019, partie 2, exercice 2 - illustration 4
D'après Tsang et al, The Journal of Neurosciences, 2000.
Document 3
Effet d'un essai de traitement expérimental du botulisme par des injections de toxine de veuve noire
3a : L'autocatalyse de la toxine botulique A dans la terminaison du neurone présynaptique
« Il a été mis en évidence qu'une des extrémités de la toxine botulique A entraîne spontanément sa propre dégradation (= autocatalyse) et son inactivation. L'importance de cette dégradation spontanée a été testée en présence de Ca2+ ou en absence de Ca2+ (témoin). »

Sujet national, juin 2019, partie 2, exercice 2 - illustration 5
D'après S. Ashraf Ahmed et al, The Protein Journal, 2004.
Sujet national, juin 2019, partie 2, exercice 2 - illustration 6
D'après Mesngon et McNutt, 2011.
3b : Effet de la latrotoxine sur les protéines impliquées dans l'exocytose.
« Des cellules intoxiquées par la toxine botulique A sont soumises (ou non) à la présence de latrotoxine pendant 13 minutes. On réalise 48 h plus tard une électrophorèse de la syntaxine et de SNAP25 de la cellule. »

Comprendre la question
Dans cet exercice, il s'agit d'expliquer comment l'utilisation de l'extrait de venin de la veuve noire peut constituer un espoir de traitement contre une maladie, le botulisme. La réponse est à construire en exploitant les documents mis en relation entre eux et avec les connaissances sur la synapse neuromusculaire. Le document de référence, qui présente les mécanismes moléculaires de la libération des neuromédiateurs au niveau de cette synapse, n'est pas à analyser pour lui-même mais est à mettre en relation avec les autres documents. Le raisonnement se construit en deux parties. Il s'agit d'abord de déterminer l'effet de la toxine botulique sur le fonctionnement de la synapse neuromusculaire, puis de mettre en évidence l'action de la latrotoxine contenue dans le venin de la veuve noire en expliquant le mécanisme biologique impliqué. Même si l'énoncé ne le précise pas, il est conseillé que la réponse contienne une introduction exposant la problématique, l'argumentation, puis la conclusion. Aucun schéma n'est exigé par l'énoncé.
Procéder par étapes
1re étape : identifier le type de réponse attendue.
2e étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique. Le tableau suivant présente un exemple de démarche construite au brouillon.
3e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et des connaissances.
Parties du problème
Éléments issus des documents
Éléments issus des connaissances
Introduction : Comment l'utilisation de l'extrait de venin de la veuve noire peut constituer un espoir de traitement contre le botulisme ?
Action de la toxine botulique A sur la synapse neuromusculaire
Document 1b. La toxine botulique A inhibe fortement l'activité électrique d'une cellule postsynaptique.
Documents 1a. Dans la terminaison axonique du neurone présynaptique :
– en absence de toxine botulique A : présence de syntaxine et de SNAP25 à 25 kDa.
– en présence de toxine botulique A : présence de syntaxine et de 2 formes de SNAP25, une à 25 kDa et l'autre, de poids moléculaire inférieur à 25 kDa.
Bilan (après mise en relation avec le document de référence). La toxine botulique A est responsable de la présence d'une protéine SNAP25 de plus petite taille, incapable d'interagir avec la syntaxine et la synaptobrévine, d'où absence de libération des neuromédiateurs dans la fente synaptique.
Au niveau de la synapse neuromusculaire (jonction neuromusculaire) : le message nerveux véhiculé par la cellule présynaptique (motoneurone) déclenche l'exocytose des vésicules contenant des neuromédiateurs. Les neuromédiateurs se fixent sur des récepteurs spécifiques de la membrane plasmique de la cellule postsynaptique (cellule musculaire), déclenchant la contraction musculaire.
Action de la latrotoxine contenue dans le venin de l'araignée veuve noire
Document 2a. La latrotoxine agit au niveau de la terminaison axonique du neurone présynaptique.
Document 2b. La latrotoxine entraîne l'augmentation de la concentration en Ca2+ du neurone présynaptique.
Document 3a. Le Ca2+ stimule l'autocatalyse (dégradation) de la toxine botulique A dans la terminaison du neurone présynaptique.
Document 3b. La latrotoxine inhibe l'action de la toxine botulique sur SNAP25.
Bilan. La latrotoxine augmente la concentration en Ca2+ dans la terminaison du neurone présynaptique, ce qui inactive la toxine botulique A. La SNAP25 intacte peut interagir avec la syntaxine et la synaptobrévine, permettant l'exocytose des vésicules et donc la transmission du message nerveux du motoneurone au muscle.

Conclusion

4e étape : rédiger la réponse.

Corrigé

La bactérie Clostridium botulinum est une bactérie du sol. Lorsqu'elle infecte un être humain, cette bactérie entraîne une maladie grave voire mortelle : le botulisme. La bactérie produit la toxine botulique de type A qui agit au niveau de la synapse neuromusculaire et qui est responsable des symptômes de cette maladie. Or l'araignée Latrodectus sp, appelée veuve noire, secrète un venin, qui contient une autre toxine, la latrotoxine. La latrotoxoxine agit aussi au niveau de la synapse neuromusculaire. Comment expliquer que l'utilisation de l'extrait de venin de la veuve noire contenant la latrotoxine peut constituer un espoir de traitement contre le botulisme ? Pour répondre à cette problématique, nous allons dans un premier temps mettre en évidence l'effet de la toxine botulique A sur le fonctionnement de la synapse neuromusculaire. Puis dans un second temps, nous expliquerons comment la latrotoxine peut contrer l'action de la toxine botulique A au niveau de cette synapse.
La toxine botulique A agit au niveau de la synapse neuromusculaire. La synapse neuromusculaire est la zone de contact entre le motoneurone, constituant l'élément présynaptique, et la cellule musculaire, constituant l'élément postsynaptique. Le message nerveux véhiculé par le motoneurone est transmis au niveau de la synapse à la cellule musculaire. Le document 1b étudie l'effet de la toxine botulique A sur l'activité électrique de la cellule postsynaptique. En absence de toxine botulique A, l'enregistrement de l'activité électrique de la cellule postsynaptique montre de très nombreux pics vers le bas (environ une quinzaine sur 2,5 s). Étant donné que chaque pic représente une réponse postsynaptique, la cellule musculaire présente une forte activité électrique, traduisant une réponse postsynaptique en absence de toxine botulique A. En présence de toxine botulique A, l'activité électrique de la cellule postsynaptique ne présente que 2 réponses postsynaptiques sur 125 s. Ainsi, en présence de toxine botulique A, la réponse postsynaptique de la cellule musculaire est quasi nulle. La cellule musculaire n'est donc pas capable d'avoir une activité électrique et ne se contracte donc pas. Comment expliquer l'action de la toxine botulique A sur la cellule postsynaptique ?
Le document 1a présente les résultats d'électrophorèse de 2 protéines présentes au niveau de la terminaison axonique de la cellule présynaptique : la syntaxine et la protéine SNAP25, en présence de toxine botulique A ou non. En absence de toxine botulique A, l'électrophorèse permet de séparer selon leurs poids moléculaires les 2 protéines : la syntaxine à 37 kDa et la protéine SNAP25 à 25 kDa. D'après le document de référence, ces 2 protéines se situent en effet au niveau de la terminaison axonique de la cellule présynaptique. En présence de toxine botulique A, l'électrophorèse révèle au niveau de l'extrémité axonique de cette cellule la présence de syntaxine (37 kDa) et de 2 formes différentes de SNAP25. On observe une forme peu abondante de SNAP25 de poids moléculaire 25 kDa et une seconde forme de SNAP25, plus abondante et de poids moléculaire légèrement inférieur à 25 kDa. Ainsi, la toxine botulique A entraîne la présence supplémentaire d'une forme majoritaire de SNAP25 plus légère, c'est-à-dire de plus petite taille. Or d'après le document de référence, la syntaxine et SNAP25 situées au niveau de la terminaison axonique de la cellule présynaptique, interagissent au niveau de la membrane plasmique de cette cellule. Suite à l'arrivée d'un potentiel d'action dans la cellule présynaptique, les vésicules contenant les neuromédiateurs se rapprochent de la membrane plasmique. Les interactions entre la syntaxine, la SNAP25 et la synaptobrévine, protéine localisée à la surface de la vésicule, déclenchent l'exocytose de la vésicule. Les neuromédiateurs sont ainsi libérés dans la fente synaptique. Ces neuromédiateurs se fixent sur les récepteurs spécifiques de la membrane plasmique de la cellule musculaire, déclenchant un potentiel d'action musculaire, à l'origine de la contraction du muscle. Une protéine SNAP25 de plus petite taille ne serait plus capable d'interagir avec la syntaxine et la synaptobrévine, empêchant l'exocytose des vésicules. Les neurotransmetteurs ne sont donc plus libérés dans la fente synaptique. Le message nerveux n'est plus transmis du motoneurone à la cellule musculaire, d'où l'absence de réponse postsynaptique et donc de contraction de la cellule musculaire. Ainsi, la toxine botulique A, en entraînant la présence d'une protéine SNAP25 de plus petite taille, inhibe la transmission du message nerveux au niveau de la synapse neuromusculaire, d'où l'absence de contraction du muscle. Dans le cas du botulisme, quel traitement peut-on envisager pour contrer l'action de la toxine botulique A ?
La veuve noire est une araignée produisant une molécule, la latrotoxine, qui agit au niveau de la terminaison de l'axone de la synapse neuromusculaire (document 2a). Le document 2b présente l'effet de l'injection de la latrotoxine sur la concentration intracellulaire en calcium du neurone présynaptique, c'est-à-dire du motoneurone. Avant l'injection de latrotoxine, la concentration en Ca2+ du neurone présynaptique est nulle. Après l'injection dans le motoneurone de latrotoxine (0,5 nM) 8 min après le début de l'expérience, la concentration en Ca2+ reste nulle pendant 10 minutes environ, puis elle augmente régulièrement pendant les 40 minutes suivantes, passant de 0 UA à 18 min à presque 50 UA à 50 minutes. Ainsi, la latrotoxine entraîne une augmentation importante de la concentration en Ca2+ du neurone présynaptique.
Le document 3a présente les résultats de l'étude de l'autocatalyse de la toxine botulique A dans la terminaison du neurone présynaptique en présence ou non de Ca2+. En effet, une des extrémités de la toxine botulique A entraîne spontanément sa propre dégradation, qualifiée d'autolyse. Cette autolyse entraîne l'inactivation de la toxine botulique A. En absence de Ca2+, l'autocatalyse de la toxine botulique A est de 1 UA alors qu'en présence de Ca2+, l'autocatalyse de la toxine botulique A augmente en étant de l'ordre de 2,5 UA. Ainsi, la présence de Ca2+ dans la terminaison du neurone présynaptique augmente l'autocatalyse de la toxine botulique A. La mise en relation des résultats présentés par les documents 2b et 3a montre que la latrotoxine en augmentant la concentration de Ca2+ dans le neurone présynaptique, accroît l'autolyse de la toxine botulique A.
Le document 3b présente les résultats de l'électrophorèse des molécules de syntaxine et de SNAP25 dans des cellules intoxiquées par la toxine botulique A en présence de latrotoxine (pendant 13 min) ou en son absence. L'électrophorèse est réalisée 48 h après l'injection de latrotoxine. En absence de latrotoxine, l'électrophorèse des cellules intoxiquées avec la toxine botulique A présente le même résultat que celui du document 1a. On observe la présence de syntaxine (37 kDa) et de deux formes de SNAP25 de poids moléculaire 25 kDa pour l'une et de poids moléculaire inférieur à 25 kDa pour l'autre, correspondant à la SNAP25 de plus petite taille. En présence de latrotoxine, seules sont présentes la syntaxine (37 kDa) et la molécule de SNAP25 à 25 kDa : la SNAP25 de plus petite taille est absente. Ainsi, la latrotoxine empêche l'apparition de la SNAP25 de plus petite taille, formée sous l'action de la toxine botulique A. En présence de latrotoxine dans des cellules intoxiquées par la toxine botulique A, seule la forme normale de SNAP25, de 25 kDa est présente et peut interagir avec la syntaxine et la synaptobrévine, permettant ainsi l'exocytose des vésicules. Les neurotransmetteurs libérés dans la fente synaptique entraînent alors la contraction musculaire.
Ainsi, lors de l'arrivée du message nerveux au niveau de la synapse neuromusculaire, la toxine botulique A est responsable de la formation d'une protéine SNAP25 de plus petite taille, qui ne permet pas l'exocytose des vésicules. Les neurotransmetteurs ne sont plus libérés dans la fente synaptique et le muscle ne se contracte pas. Au niveau de la cellule présynaptique, la latrotoxine contenue dans le venin de la veuve noire entraîne une augmentation de la concentration en Ca2+, activant l'autocatalyse de la toxine botulique A présente. Cette toxine dégradée ne peut plus agir sur la protéine SNAP25, qui reste intacte et fonctionne normalement. En présence de latrotoxine, l'arrivée d'un message nerveux dans le motoneurone est suivie de la contraction du muscle. Ainsi, l'utilisation de la latrotoxine contenue dans le venin de la veuve noire empêche l'action de la toxine botulique A et peut donc représenter un espoir de traitement du botulisme.