Quelques aspects de l`interaction des hormones stéroïdes

Quelques
aspects
de
l’interaction des
hormones stéroïdes
avec
leurs cellules cibles
E.-E. BAULIEU
Inserm U
33,
Faculté de
Médecine,
Université
Paris-Sud,
Lab.
Hormones,
94270
Bicêtre,
France.
Summary.
Some
aspects of
steroid
hormone-target
cell interaction.
Specific
steroid
hormone
binding proteins
in
target
cells are «
receptors>>.
Five
steroid
receptors
have been described for
estrogens, androgens, progesterone, glucocor-
ticosteroids and
mineralocorticosteroids,
respectively.
Their
affinity
for the
natural
ligand
corresponds
to
KD
approx.
0.1 nM. The
purified
estradiol
receptor
of the calf
uterus
appears
to be a
single-chain protein
with a MW of
approx.
70 000.
Antibodies
against
this
receptor
cross-react with other
mammalian and avian estradiol
receptors.
Steroid
hormone-receptor complexes
act in the cell nucleus. The
mechanism
changing
gene
expression
is still unknown.
In
the
chick oviduct
system,
non-estrogenic
antiestro-
genic
tamoxifen forms nuclear
complexes
with
the
receptor,
suggesting
that
receptor
translocation from the
cytoplasm
to
the nucleus is not
necessarily
an indication of
hor-
mone
agonistic
activity,
and
that
the «
acceptor » concept
may
have to be
redefined.
Steroid hormone levels
vary
in
target
cells. Both
homologous
and
heterologous
hor-
mones
may
control the
concentration of a
given
steroid
receptor,
either
positively
or
negatively. Receptor
variations
during
the estrous and menstrual
cycles appear
to be
correlated with
changes
of
steroid hormone levels in the
plasma.
Steroid
receptor
concen-
trations in
target
cells also
follow
ontogenetic patterns reflecting
genetic
variations and
pathological changes,
i.e. in cancer cells. The
receptor
must be
present
for
steroid hor-
mone
response,
and it
appears
that
its concentration is
directly implicated
in the extent
of the effect
obtained.
Thus,
the level of nuclear hormone
receptor complexes
and its
per-
sistence are
important
factors.
A
physiological
pharmacology
of natural
and
synthetic
hormones and antihormones
can be based on
binding properties,
plurality
and
changes
in
receptor
concentration. Bin-
ding parameters
per se
do not indicate whether a
binding
steroid or
analog
will be
agonist
or
antagonist.
Besides
binding
affinity,
the metabolism of a
given
hormone,
and therefore
its
availability
at the
target
cell
level,
are
important
criteria in
determining
the
response
level.
Binding
to
steroid
binding plasma proteins
must also be considered.
Besides
the
already
« classical » steroid-intracellular
receptor system
acting
at the
nuclear
level,
work in
Xenopus
leavis
oocytes
has
suggested
that steroids
may
act at
the
surface membrane
level,
reinitiating
meiosis.
The
significance
of this
finding
is
discussed
with
reference to the
possible
effects of steroid hormones on somatic cells at
the membrane
level. It remains to be established if a steroid
hormone
can
have several molecular action
mechanisms in a
single target
cell.

Ce texte résume les observations
qui
ont conduit à la découverte des
récepteurs
des
hormones stéroïdes et il
indique
à
quel
niveau
de
compréhension
on est
arrivé
(1,
11).
Nous détaillons
ensuite les
principales
notions
physiologiques
et
pharmacologiques
permettant
d’étudier la «
réceptivité »
hormonale.
Il
s’agit
en
particulier
de la
régula-
tion
de la concentration des
récepteurs
(III),
de
la
pluralité
des liaisons
hormonales
et
de la
multiplicité
cellulaire des
récepteurs (IV).
Puis nous
résumons des recherches
récentes
sur la méiose
de
l’ovocyte
de
Xenopus
laevis,
qui permettent
d’étudier l’effet
de
la
progestérone
dans un cas
qui,
contrairement au
système
des
récepteurs
intra-
cellulaires
classiques, implique
une interaction du stéroïde au niveau de la surface
de la
cellule ;
la
portée plus générale
de cette observation est discutée ensuite
(V).
1.
-
Les «
récepteurs »
sont des
protéines
liant
spécifiquement
les hormones
stéroïdes dans leurs cellules cibles.
C’est le
récepteur
de l’oestradiol
qui
a
inauguré
le domaine des
récepteurs
des hor-
mones
stéroïdes,
et de fait
il
a
été le
premier
de tous les
récepteurs
à être
caractérisé,
bien avant ceux
des
autres hormones
(en particulier polypeptidiques)
et des
neuro-
médiateurs. Le mot et le
concept
du
récepteur
avaient été initialement définis
et utilisés
par
les
pharmacologistes,
et malgré la
préscience
de
Langley
il
y
a 100 ans
et l’orien-
tation
chimique
d’Ehrlich au début du
siècle,
ils en
étaient restés à des
études
purement
phénoménologiques.
En
fait,
ce
sont des
endocrinologistes-biochimistes qui
ont
pour
la
première
fois
mis en évidence des
interactions
physico-chimiques signifiantes,
et très
précisément
en utilisant l’oestradiol tritié de haute activité
spécifique.
L’œstrogène
naturel, l’aestradiol,
est
spécifiquement
concentré et retenu
dans ses
organes
cibles
(1).
Cette observation fondamentale a
pu
être
expliquée
en termes
bio-
chimiques
par
les
propriétés
intrinsèques
d’une
protéine
intracellulaire solubilisée faci-
lement à
partir
des cellules cibles.
En
effet,
les études
de
liaison
in
vitro démontrèrent
une
spécificité
stricte de
signification
biologique
évidente
(2,
3).
Deux
techniques
furent
utilisées :
1) L’ultracentrifugation
en
gradient
de saccharose
(ou
de
glycérol)
qui
permit,
après
incubation in vitro avec
l’hormone
radioactive,
d’isoler
des
complexes
radioactifs« 8
S » en milieu
de faible force
ionique
(4) ;
2)
L’utilisation
des
adsorbants
et avant tout le charbon actif
(mélange
charbon-dextran) qui,
en rationalisant
les
résultats selon
le
principe
de la dissociation
différentielle
(5), permirent
des
études
quantitatives (2).
Les
récepteurs
des hormones stéroïdes
ont
une affinité très élevée
pour
les
composés biologiquement
actifs,
les valeurs de
K De q
étant de l’ordre
de
0,1 nM,
ce
qui
est
parfaitement
adapté
aux
concentrations circulantes des hormones
correspondantes.
Les vitesses de
dissociation très lentes
des
complexes
hormone-
récepteurs (6, 7)
sont
compatibles
avec la rétention
prolongée
du stéroïde hormonal
observée
par
les
expériences
in vivo
(1).
Sur la base de cette
propriété,
et bien
que
seuls des résultats
indirects
indiquent
actuellement
que
ces
protéines
liantes intracellulaires
sont véritablement
impliquées
dans la médiation de
l’activité hormonale
(8),
elles furent
appelées« récepteurs ».
En
tout cas ces
protéines
sont
certainement
différentes
d’autres
protéines
liant les stéroïdes
que
l’on trouve dans le
plasma,
dans les
testicules,
dans le
foie,
dans la
prostate,
etc...,
dont
les
propriétés
de
liaison
ne
rendent
pas
compte
de
l’activité
biologique
des
ligands
(8).
Par
exemple,
la
protéine
plasmatique (Sex
Steroid
Binding
Plasma
Protein)

(SBP) (9)
qui
lie l’cestradiol avec une affinité
élevée,
lie
également
la
testostérone,
et
même
plus
étroitement,
ce
qui
contraste avec le
récepteur
de l’cestradiol dont l’affinité
pour
les
androgènes
est très faible.
Réciproquement,
le
diéthylstilboestrol (DES),
un
aestrogène
de
synthèse
actif mais non
stéroïde,
se lie au
récepteur
de l’oestradiol et à
peine
à la SBP ou à
l’«-foetoprotéine
chez le rat
(«-FP) (10,
10
bis).
Il
s’agit
bien de
protéines
distinctes,
et les observations récentes avec
des
anticorps
anti-récepteur
de
l’oestradiol
(11), anti-«-foetoprotéine (12)
et
anti-SBP
(13)
confirment la
singularité
du
récepteur
de l’aestradiol. Elles montrent de
plus
que
le
récepteur
de l’aestradiol des
différents
organes
de différents mammifères ont des déterminants
antigéniques
com-
muns
avec
le
récepteur
de l’utérus
de veau
(14). Très récemment (15)
nous avons même
observé l’interaction
d’anticorps anti-récepteur
de l’aestradiol de l’utérus de veau avec
le
récepteur
nucléaire de l’cestradiol de l’oviducte de
poule :
comme
si
le
récepteur
de
l’oestradiol était
remarquablement
préservé
au cours
de
l’évolution,
comme
par
exemple
une
enzyme importante,
la
RNA-polymérase
B.
Un
récepteur
a été décrit
pour
chacune
des
5 hormones stéroïdes
physiologique
ment bien définie.
En
plus
du
récepteur
de
l’aestradiol,
ce sont
le
récepteur
des
andro-
gènes,
d’abord décrit dans la
prostate
ventrale
de rat
(16-18) ;
le
récepteur
de la
proges-
térone,
d’abord observé dans l’utérus de
cobaye (19)
et
dans
l’oviducte aviaire
(20) ;
le
récepteur
des
glucocorticostéroïdes,
découvert dans les cellules
de
thymus (21)
et le
récepteur
des
minéralocorticostéroïdes,
détecté dans la vessie de
crapaud (22)
et
étudié
dans le rein de rat
(23).
Dans
l’ensemble les
affinités
correspondent
dans
chaque
cas
aux activités
biologiques
de la
plupart
des
agonistes.
La concentration des
récepteurs
dans les cellules-cibles est
de
l’ordre
de
10000
par
cellule,
avec
des
valeurs variant
entre 10 3
et
10 5. Certaines
propriétés,
en
particulier
de
liaison,
indiquent
une
grande
similitude
entre les
récepteurs
des différents
organes
et des diverses
espèces
animales,
encore
que,
contrairement au cas des
récepteurs
de
l’oestradiol,
les
récepteurs
de la
progestérone
semblent différer chez les mammifères et les aviaires.
Avec
chaque
hormone
naturelle,
les
expériences
de
liaison
ont
essentiellement
indiqué
une seule
catégorie
de
site
d’affinité élevée
(KDe q -
0,1
nM) ―
et aucun élé-
ment n’a démontré un effet
coopératif
au niveau
de
la liaison. De
plus, jusqu’à présent,
les travaux
de
purification,
les recherches
immunologiques
ou les études de liaison
n’ont
pas indiqué que
les
récepteurs
soient
hétérogènes.
En
fait,
les
fréquentes
réfé-
rences à l’«
hétérogénéité »
des
récepteurs
semblent
correspondre
surtout à des
diffé-
rences de taille ou d’extractibilité attribuables
à
des circonstances
expérimentales
particulières (agrégation, protéolyse).
La
signification
du
récepteur
nucléaire
«inso-
luble »
(24),
et la raison
pour laquelle
une fraction des sites de la
progestérone
n’est
apparemment pas
transférée dans le
noyau
(25)
restent assez
obscures. Il est
cependant
possible que
les
récepteurs
eux-mêmes
pourraient
interagir
avec
plusieurs
structures
différentes dans
la
même cellule. De
plus
dans des cellules de différenciation
distincte,
le
récepteur
se lierait sélectivement avec des
« accepteurs »
et/ou
des
« effecteurs »
différents,
ce
qui
serait une base
logique pour comprendre
que
la
même hormone
puisse
donner lieu à différents
effets,
bien
qu’interagissant
avec le même
récepteur
dans tous les cas.
La structure
des
récepteurs
des hormones
stéroïdes n’est
pas
connue,
en
dépit
des
progrès importants
des
techniques
de
chromatographie
d’affinité
(26-29).
Nous
savons
qu’il s’agit
de
protéines,
de
poids
moléculaire - 70000
dans
le
cas
du
récepteur
de

l’oestradiol d’utérus de
veau,
si
l’on considère une unité de liaison. Une
protéolyse par-
tielle
peut
dans tous les cas
découper
une
portion
de la
protéine
sans
pour
autant chan-
ger
les
caractéristiques
de
liaison hormonale
(30-32).
Les
anticorps produits
à
partirdu
récepteur
extrait du
cytosol (11)
ou des
noyaux
(14)
sont très semblables. La
purifica-
tion à
grande
échelle
(des mg)
des
récepteurs
est une des
exigences
de la recherche
dans ce domaine.
Il.
-
Les
complexes récepteur-hormone
stéroïde
agissent
dans le
noyau
des cellules cibles.
Les
complexes
des
hormones stéroïdes
et
de leurs
récepteurs
s’accumulent dans le
noyau
des
cellules
cibles
où,
en
toute
probabilité,
ils déclenchent
les
principales
réponses
en
affectant la
transcription
des
gènes.
On sait
depuis longtemps que
la
plupart
des
réponses
aux hormones stéroïdes
impliquent
des
changements
de
la
synthèse
des
protéines
et des acides
ribonucléiques
(33).
Récemment,
l’accumulation
de
m-RNA(s) spécifique(s)
a été démontrée dans les cas où
la
synthèse
de
la
(ou des)
protéine(s) correspondante(s)
était
augmentée (34, 35).
L’implication
des
récepteurs
dans ces effets découle de
plusieurs
séries d’observations.
En
premier
lieu,
dans de nombreux
systèmes,
le
récepteur
est
principalement
cytoplasmique
en l’absence
d’hormone et
il
transfère
dans le
noyau
avec le stéroïde
(36,
37).
Ce
changement
de la distribution
subcellulaire
des
récepteurs
semble refléter ce
que
l’on a
appelé
l’« activation »
du
récepteur, qui peut
être définie
expérimentalement
comme un
accroissement,
après
liaison
du
stéroïde,
de l’affinité du
récepteur pour
des
polyanions
dont
le DNA
(38, 39)
*. Les études
autoradiographiques
ont montré
que
les
stéroïdes se
localisent
préférentiellement
au niveau des
noyaux
dans
les cellules
cibles
(40),
et
très
récemment,
on a observé une association sélective du
récepteur (de
l’oestradiol)
avec
des éléments chromatiniens solubilisés
de
l’oviducte
de
poule
(41, 42).
Cependant
on
verra
plus
loin
que
le transfert
nucléaire
du
récepteur après
liaison d’un
ligand
ne
mène
pas
nécessairement à
la
réponse
hormonale.
Ainsi insistons-nous
sur
le fait
qu’il
faut
distinguer
entre
les sites
accepteurs
et
effecteurs
du
récepteur
comme il
est
indiqué
sur
la
figure
1. De
plus
le
transfert du
récepteur
n’est
probable-
ment
pas toujours
nécessaire
pour
la
réponse
hormonale,
en
particulier quand
le
récepteur
est
déjà
localisé dans
le
noyau
en
l’absence
d’hormones
(43, 44)
ou
quand
il a
été
transloqué
préalablement par
une
anti-hormone
(voir chap. IV).
Nous
pensons
donc
que
la
présence
dans le
noyau
de
complexes
hormone-récepteur
actifs
déclenche
des
réponses
hormonales au niveau de sites
e ffecteurs.
Aussi insistons-nous sur la struc-
ture du
ligand
favorisant la conformation active du
récepteur, plus
que
sur la localisa-
tion initiale du
récepteur (libre)
dans le
cytoplasme
ou dans le
noyau.
Cette
proposition
a
pour conséquence
de diminuer
l’importance
de la redistribution du
récepteur,
bien
que
dans de nombreux
systèmes
celle-ci
soit
une
conséquence
(utile)
de la formation
des
complexes hormone-récepteur
actifs.
*
Le destin
ultérieur
des
complexes hormone-récepteur
dans
les
cellules
après
l’étape
nucléaire
et le
déclenchement
de la
réponse,
n’est
pas
connue.
«
Désactivation » ou « altération
par
protéo-
lyse
» sont
parmi
les
possibilités qui
ont
été
proposées.

D’autre
part,
l’incorporation
accrue de
précurseurs
radioactifs dans
l’ARN
a été
observée
après exposition
des
noyaux
de cellules cibles à des extraits
cytoplasmiques
contenant
des
complexes hormone-récepteur (45).
Cette
constatation a
permis
de
sug-
gérer
la
participation
directe du
récepteur
à
l’effet,
puisque
l’hormone à
elle
seule
n’est
pas
active sur le
noyau
ne contenant
pas
de
récepteur.
Ces
observations,
comme les
connaissances actuelles sur les
processus
de
transcription
sur les cellules
eucaryotes,
restent très
primitives.
Jusqu’à
présent
il
n’y
a
pas
de démonstration décisive
que
l’addi-
tion d’un
complexe hormone-récepteur
à une
préparation
chromatinienne en modifie
la
transcription,
en
particulier
en ce
qui
concerne la
synthèse
d’un ARN
messager spé-
cifique (46).
En fait toutes les
réponses
provoquées par
les hormones stéroïdes sont mal
Un
mécanisme de
transduction ou de
couplage
prend
place
entre r
et le
(s)
site
(s)
a
et/ou
e.
La
réponse prend place
au niveau d’une structure effectrice
E
de la machine cellulaire. Le
récepteur
a
un site
e
(pour
«
effecteur
»,
« exécutif
»)
qui
interagit
avec
E,
soit
qu’il s’agisse
de
catalyser
l’ac-
tion
chimique (R
est alors un
enzyme allostérique),
ou
simplement
de liaison à E
(et
dans ce cas
les
sites e et a
peuvent
être
confondus).
De
toute
façon,
il existe
une
spécificité
necessaire
pour
expliquer que
les effets
différents
puissent
être
déclenchés
par
différents
récepteurs
d’hormones
stéroïdes
dans
la même cellule. A est une
autre
partie
de la machine cellulaire
appelée Accepteur
avec
lequel
le site a du
récepteur peut interagir.
A
correspond opérationnellement
à l’endroit
auquel
se lie
le
complexe
hormone-récepteur,
avec une affinité
inconnue
et des sites
qui
sont
peut-être
en
nombre très élevé et ne sont
pas
nécessairement tous
identiques (114).
Il
est
possible
mais
pas
démontré,
qu’un petit
nombre de
sites de
haute
affinité soit
caché
par
un
nombre
plus
grand
de sites
d’affinité
plus
faible
(50).
On sait
que
les stéroïdes
peuvent provoquer
la
synthèse
accrue
de
nombreuses
protéines (comme
dans
le
cas
de la
croissance cellulaire
provoquée par
les
hormones
sexuelles)
ou
seulement
de
quelques-unes
(comme
dans le cas de
l’aldostérone
agis-
sant sur le
transport
du
sodium) :
aucune différence
n’a
été observée au
niveau du
système
des
récepteurs.
En d’autres
termes,
on
ne sait
pas
encore
quelle
est la
relation reliant
l’état
du
récep-
teur
dans le
noyau
et
le
type
de la
réponse
hormonale.
A et E
peuvent
ou non
être une même
structure,
partiellement
ou
totalement, et
la
même
chose est
possible pour
a ou e.
L’effet
provoqué par
la liaison
d’une anti-hormone
au site r
peut provoquer
des
changements
de
confor-
mation ou
stabiliser
une
autre conformation
du
récepteur,
modifiant
par conséquent
le
fonction-
nement des sites a
et/ou
e,
et abolissant ainsi l’effet hormonal.
Nous n’avons
pas
indiqué
sur cette
figure
la
possibilité qu’il
existe un autre site
sur
le
récepteur
pour
des
ligands antagonistes (116, 95),
ni des sites
qui pourraient
être
impliqués
dans l’inactivation
des
récepteurs
(comme
on
l’a démontré avec
la
progestérone
(5).
Les
faits obtenus
par
les
chercheurs
de divers
laboratoires
(31,
34,
57, 117-120)
sont
compatibles
dans
l’ensemble avec le schéma
présenté.