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En Europe, la prévalence de la maladie se situe entre 1/256 000 et 1/67 000 dans la population adulte et, en Suède, la prévalence à la naissance est de 1/202 000.

La maladie débute le plus souvent à l'adolescence ou chez le jeune adulte, par une épilepsie myoclonique, parfois associée à une surdité neurosensorielle, une atrophie optique, une petite taille ou une neuropathie périphérique. Quelques cas ont été associés à une lipomatose, une cardiomyopathie, une rétinopathie pigmentaire, une ophtalmoparésie et/ou des signes d'atteinte pyramidale. La maladie est progressive et s'accompagne d'une aggravation de l'épilepsie et d'une apparition de nouveaux symptômes, tels qu'une ataxie, une surdité, une faiblesse musculaire et une démence. L'imagerie cérébrale par résonance magnétique peut montrer une atrophie corticale et cérébelleuse, des calcifications des ganglions de la base et une leucodystrophie. Au sein d'une même famille et entre les familles, l'expression clinique est très variable d'un patient à l'autre.

Le syndrome MERRF est dû à des mutations de l'ADN mitochondrial. La mutation 8344A>G du gène (MTTK) de l'ARN de transfert de la lysine (ARNt Lys) est responsable de plus de 80 % des cas. D'autres mutations de gènes d'ARNt ou du gène MTND5 ont été identifiées, parfois associées à un syndrome à la frontière entre MERRF et MELAS, dans lequel les patients présentent également des épisodes de « stroke-like ».

Le diagnostic du syndrome MERRF repose sur la mise en évidence d'une accumulation anormale de lactate dans le sang ou, plus souvent, dans le liquide cérébrospinal. Le diagnostic peut aussi reposer sur la spectroscopie cérébrale par résonance magnétique, ainsi que sur la biopsie musculaire qui révèle la présence de fibres musculaires déficitaires en cytochrome c oxydase et de fibres rouges déchiquetées. L'analyse biochimique du muscle montre souvent un déficit en cytochrome c oxydase ou un déficit combiné de la chaîne respiratoire. Les tests génétiques révèlent l'hétéroplasmie de la mutation, c'est-à-dire une coexistence entre la forme mutée et une population résiduelle d'ADN mitochondrial de type sauvage. Le taux de mutation peut varier considérablement d'un tissu à l'autre mais, dans le syndrome MERRF, elle est très élevée (supérieure à 90 %) dans tous les tissus, ce qui facilite la recherche de la mutation dans le sang.

Le diagnostic différentiel vise à écarter d'autres syndromes caractérisés par une épilepsie myoclonique progressive et une ataxie, tels que la maladie d'Unverricht-Lundborg, la maladie de Lafora, la céroïde-lipofuscinose neuronale et la sialidose.

La possibilité d'une distribution hétérogène de la mutation dans les tissus rend difficile le diagnostic prénatal.

Le conseil génétique est très laborieux en raison de l'hétéroplasmie. Les mutations de l'ADN mitochondrial sont transmises par la mère. Un homme porteur de la mutation ne la transmettra pas à sa descendance. Elle sera transmise uniquement par la mère, mais le taux transmis est imprévisible. Bien qu'un taux élevé de mutation dans le sang de la mère augmente le risque de naissance d'un enfant atteint d'une forme sévère, il existe de nombreux cas de ségrégation extrême de la mutation entre mère et enfant. Il est donc actuellement impossible d'évaluer de façon correcte le risque pour chaque enfant.

Il n'existe aucun traitement spécifique pour le syndrome MERRF, comme c'est le cas d'autres encéphalomyopathies mitochondriales. Les convulsions peuvent être traitées par anticonvulsifs classiques mais l'utilisation d'acide valproïque doit être évitée (notamment si l'épilepsie mitochondriale est due à une mutation du gène POLG) ou administrée avec prudence. En l'absence d'essai thérapeutique contrôlé, il est difficile d'évaluer l'effet des traitements symptomatiques proposés, à savoir le coenzyme Q10 et son analogue l'idébénone, la carnitine, etc.

Le pronostic des patients est généralement sombre du fait du caractère progressif de la maladie. Cependant, la sévérité varie considérablement suivant les patients. Ceux qui ne présentent pas de symptômes cérébraux peuvent par exemple avoir une survie prolongée sans handicap majeur.