Les anomalies moléculaires de la pathologie pubertaire

Introduction
a pathologie du déclenchement puber-
taire fait souvent partie d’un tableau cli-
nique polymalformatif congénital dont l’ori-
gine moléculaire demeure inconnue ou très
complexe (tableau I, p. 108) . Néanmoins,
dans un nombre restreint de pubertés pré-
coces ou de retards pubertaires dus a un
défaut de la commande hypothalamo-hypo-
physaire, la relation entre l’anomalie molécu-
laire et le phénotype est clairement établie.
Récemment, des anomalies génétiques ont
été décrites dans le syndrome de Kallmann,
l’hypogonadisme hypogonadotrope idio-
pathique, le syndrome de McCune-Albright
et la testotoxicose
familiale. Parmi ces quatre
pathologies, trois gènes participent directe-
ment à la signalisation hormonale, ce qui
confirme le rôle majeur de la pathologie de la
transduction du signal en endocrinologie de
la reproduction. Les retards pubertaires sont
dus à des mutations “perte de fonction” alors
que les pubertés précoces sont dues à des
mutations “gain de fonction”. Cet article
abordera la génétique des retards
pubertaires
isolés ayant une origine hypothalamo-hypo-
physaire et celle des pubertés précoces.
Act. Méd. Int. - Métabolismes - Hormones - Nutrition, Volume V, n° 3, mai-juin 2001
107
Mise au point
* INSERM U135, laboratoire d’hormonologie et de biologie moléculaire, hôpital Bicêtre, Paris.
✎ La pathologie de la puberté est
généralement due à une anomalie de
l’âge du début de la puberté.
✎ Le retard pubertaire ou la puberté
précoce peuvent être isolés ou bien
appartenir à des syndromes endocri-
niens ou neurologiques.
✎ Récemment, des anomalies géné-
tiques ont été décrites dans le syndrome
de Kallmann, l’hypogonadisme hypo-
gonadotrope idiopathique, le syndrome
de McCune-Albright et la puberté pré-
coce familiale du garçon.
✎ Le syndrome de Kallmann est lié à
un défaut de migration des neurones à
GnRH dû à une anomalie de migration
des neurones olfactifs. Le gène KAL est
localisé sur le chromosome X. Il code
pour une protéine de la matrice extra-
cellulaire exprimée dans les cellules
mitrales du bulbe olfactif. Les anomalies
de ce gène sont essentiellement retrou-
vées dans les formes familiales.
✎ Le récepteur de la GnRH est muté
dans environ 35 % des cas familiaux
des hypogonadismes hypogonado-
tropes idiopathiques. Les corrélations
génotype-phénotype suggèrent la parti-
cipation de gènes modificateurs ou de
facteurs épigénétiques à l’expression du
phénotype.
✎ Des mutations délétères sont décrites
dans les sous-unités β de la LH et de la FSH.
✎ Le syndrome de McCune-Albright
est dû à une mutation somatique de la
protéine Gs qui survient très précoce-
ment chez l’embryon. Cette mutation
inhibe l’activité GTPasique de cette pro-
téine, ce qui entraîne une activation
continue des effecteurs.
✎ Une mutation constitutive du récep-
teur de la LH est responsable de la sur-
venue d’une puberté précoce, chez le
garçon uniquement. Ces mutations sont
germinales. Le mode de transmission
est dominant.
✎ Plus de la moitié des hypogona-
dismes hypogonadotropes familiaux,
avec ou sans anosmie, n’est pas liée à
une anomalie du gène KAL ou du
récepteur de la GnRH. Tous les gènes
candidats ont été testés. Les nouveaux
gènes seront caractérisés par clonage
positionnel dans des familles informatives.
✎ L’étude des formes familiales de
puberté précoce centrale devrait aider
à la compréhension des facteurs initia-
teurs de la puberté.
L
Les anomalies moléculaires
de la pathologie pubertaire
N. de Roux*

Mutations perte de fonction
Le syndrome
de Kallmann-de Morsier
Le syndrome de Kallmann a d’abord été
décrit par Maestre de San Juan en 1856
devant l’association d’une anosmie et d’un
hypogonadisme. Le caractère génétique de
cette affection a été proposé par Kallmann en
1944. C’est de Morsier qui a, le premier, rap-
porté une agénésie des bulbes olfactifs chez
des patients ayant un hypogonadisme. Cette
association définit le syndrome connu sous le
nom de “syndrome de Kallmann”.
La fréquence du syndrome de Kallmann est
proche de 1/10 000 chez le garçon et de
1/50 000 chez la fille. Il associe un hypo-
gonadisme hypogonadotrope avec une anosmie
ou une hyposmie. Des signes neurologiques
sont parfois présents ainsi qu’une agénésie
rénale unilatérale. Les formes sporadiques
sont les plus fréquentes. Dans les formes
familiales, des transmissions autosomiques
récessives, dominantes ou liées au chromo-
some X sont décrites. L’expressivité du phéno-
type peut être variable dans une même famille.
Seul un gène localisé sur le chromosome X
est connu. Ce gène a été caractérisé par clo-
nage positionnel grâce à des patients ayant
un syndrome de gènes contigus (1) . Ces
patients sont généralement fortement infor-
matifs pour les maladies génétiques mono-
géniques. En effet, les syndromes de gènes
contigus résultent d’une délétion très impor-
tante d’une région du génome comprenant
plusieurs gènes. Le tableau clinique est
composé de symptômes généralement évo-
cateurs de plusieurs maladies sans lien phy-
siopathologique évident. Ces patients sont
comparés à ceux présentant les symptômes
d’une seule de ces pathologies, ce qui per-
met de définir par des études génétiques une
région candidate sur le génome. Pour le
syndrome de Kallmann, une région candida-
te a été définie en étudiant des patients ayant
un syndrome de Kallmann associé à une
ichthyose et une forme clinique de chondro-
dysplasie. Le gène de l’ichthyose était
connu, ce qui a permis de définir une région
candidate en Xp22.3. Le clonage du gène a
suivi cette description. Le gène a été appelé
KAL et la protéine anosmine.
L’anosmine contient des répétitions de type
fibronectine, souvent retrouvées dans la
famille des protéines d’adhésion impli-
quées dans la migration neuronale. Elle
possède également une homologie avec la
famille des inhibiteurs des sérine-protéases
par son domaine riche en cystéines, situé
dans la région N-terminale.
Le gène KAL comprend 14 exons. Il est
situé dans la région pseudo-autosomale du
X, il échappe donc à l’inactivation du X.
Un pseudogène comprenant 11 exons est
décrit sur le chromosome Y. Le gène KAL
a été cloné chez le poulet et la caille par
hybridation croisée avec le cDNA humain.
L’homologie globale de ces deux cDNA
avec le cDNA humain est de 75 %. Malgré
de nombreuses tentatives, cette approche
par hybridation croisée n’a jamais permis
le clonage du gène KAL chez la souris, ce
qui est évocateur d’une faible homologie
avec le cDNA humain.
Depuis le clonage du gène KAL, des études
par immunohistochimie chez le poulet et
l’embryon humain ont permis de mieux
comprendre le rôle de l’anosmine dans la
pathogénie du syndrome de Kallmann. Le
syndrome de Kallmann est un défaut de la
synthèse de la GnRH dû à une absence de
neurones secrétant la GnRH dans l’hypo-
thalamus. Une observation réalisée chez un
fœtus de 19 semaines ayant une délétion
majeure du gène KAL a montré que les
neurones secrétant la GnRH étaient anor-
Act. Méd. Int. - Métabolismes - Hormones - Nutrition, Volume V, n° 3, mai-juin 2001
108
Mise au point
Phénotypes Gènes
Retards Syndrome de Kallmann KAL
pubertaires Hypogonadisme hypogonadotrope idiopathique Récepteur de la GnRH
hypogonadotropes Déficit isolé en LH Sous-unité βde la LH
Déficit isolé en FSH Sous-unité βde la FSH
Hypoplasie congénitale des surrénales Dax-1
Obésité et hypogonadisme hypogonadotrope Leptine, récepteur de la leptine
Insuffisance antéhypophysaire Prop1, LHX-3
Syndrome de Charge ?
Syndrome de Laurence-Moon-Bardet-Biedl ?
Syndrome de Prader-Willi Délétion du chromosome 15
Dysplasie septo-optique ?
Retards Déficit de la synthèse des androgènes 3β-hydroxystéroïde
pubertaires déhydrogénase,
hypergonadotropes 17α-hydroxylase
Mutations du récepteur aux androgènes Récepteur aux androgènes
Syndrome de Klinefelter ?
Déficit en 5α-réductase 5α-réductase
Syndrome de Turner ?
Diverses anomalies chromosomiques ?
Puberté précoce :
- centrale Idiopathique et familiale
Anomalies du système nerveux central
- périphérique
Testotoxicose familiale
Syndrome de McCune-Albright
Hyperplasie des surrénales
Tableau I. Les pathologies génétiques de la puberté.

Act. Méd. Int. - Métabolismes - Hormones - Nutrition, Volume V, n° 3, mai-juin 2001
109
malement localisés chez ce fœtus à l’exté-
rieur du système nerveux central. Ce résul-
tat suggérait une étroite relation entre l’ab-
sence de bulbe olfactif et le défaut de
migration des neurones à GnRH. Ces neu-
rones prennent origine dans l’épithélium
olfactif, puis pénètrent dans le cerveau par
la lame criblée de l’ethmoïde et passent à
travers le bulbe olfactif avant de rejoindre
l’hypothalamus. Cette migration survient
le long des neurones olfactifs, qui vont éta-
blir des connexions avec les cellules
mitrales du bulbe olfactif dont les axones
formeront le tractus olfactif. Cette jonction
neuronale est indispensable au développe-
ment normal du bulbe olfactif.
L’anosmine est retrouvée par immuno-
histochimie dans les cellules mitrales du
bulbe olfactif chez l’embryon humain de
5semaines. Elle n’est jamais retrouvée
dans les épithélia olfactifs ou dans les neu-
rones secrétant la GnRH. L’absence de
migration des neurones à GnRH observée
dans le syndrome de Kallmann est donc
secondaire à un défaut de la migration des
neurones olfactifs de l’épithélium olfactif
vers le système nerveux central.
Des délétions, des mutations faux sens et
non sens ont été décrites chez plusieurs
patients atteints de syndrome de Kallmann.
Ces mutations surviennent principalement
dans les régions répétées de type fibronectine.
L’expression de l’anosmine dans les cel-
lules de Purkinje du cervelet, dans les
noyaux oculomoteurs et dans le méso- et le
métanéphros pourrait expliquer les signes
cliniques souvent associés à l’hypogona-
disme. Des cas d’agénésie unilatérale du
rein isolée ont été décrits dans les familles
de patients atteints de syndrome de
Kallmann. Une variabilité intrafamiliale de
l’expression du phénotype a été rapportée.
Deux frères ont reçu la même délétion par-
tielle du gène KAL de leur mère
(2) . Le
propositus avait une anosmie associée à un
hypogonadisme hypogonadotrope, alors
que son frère, bien qu’ayant une hyposmie,
a développé une puberté normale. La fré-
quence des mutations est faible dans les cas
sporadiques de syndrome de Kallmann.
Dans les formes probablement liées au
chromosome X, elle est proche de 50 %.
Les mutations inactivatrices
du récepteur de la GnRH
L’hypogonadisme hypogonadotrope idio-
pathique se différencie du syndrome de
Kallmann par l’absence d’anosmie chez le
propositus (figure 1). L’absence d’agénésie
du bulbe olfactif suggérait une anomalie de
la synthèse de la GnRH par les neurones
hypothalamiques. Par analogie avec la sou-
ris hpg, plusieurs groupes ont recherché
des mutations du gène de la GnRH sans
succès. Le récepteur de la GnRH était le
deuxième gène candidat connu. Ce récep-
teur appartient à la super famille des récep-
teurs couplés aux protéines G. Il est com-
posé d’un petit domaine extracellulaire,
sept domaines transmembranaires reliés
par des boucles intra- et extracellulaires
mais ne possède pas de domaine intracellu-
laire C-terminal. Il est couplé à la phospho-
lipase C par l’intermédiaire des protéines
Gq/G11. Il est exprimé dans les cellules
gonadotropes de l’hypophyse mais égale-
ment dans le sein et les gonades. Le gène
de ce récepteur est localisé sur le bras long
du chromosome 4. Il contient trois exons.
Les premières mutations inactivatrices de ce
récepteur ont été décrites dans un cas fami-
lial d’hypogonadisme hypogonadotrope par-
tiel (3). Le propositus était un homme de
20 ans dont le phénotype correspondait à la
description clinique des “eunuques fertiles”.
Les gonadotrophines plasmatiques de ce
patient étaient dans les limites de la normale
alors que la testostérone plasmatique était
franchement abaissée. L’amplitude des pics
pulsatiles de sécrétion de la LH était dimi-
nuée, alors que la fréquence de la pulsatilité
était normale.
Figure 1. Génétique de l’hypogonadisme hypogonadotrope isolé.

Act. Méd. Int. - Métabolismes - Hormones - Nutrition, Volume V, n° 3, mai-juin 2001
110
Mise au point
Depuis cette première publication, plusieurs
nouveaux cas ont été relatés. Le tableau cli-
nique s’étend en continuum entre les formes
complètes et les formes partielles (4). L’étude
du phénotype des patients ayant les deux
mutations (Gln 106 Arg, Arg 262 Gln) les
plus fréquemment rencontrées (figure 2) dans
les populations étudiées montre que le déficit
fonctionnel du récepteur de la GnRH est le
principal facteur déterminant la sévérité de
l’hypogonadisme.
En effet, plusieurs patientes hétérozygotes
composites pour ces deux mutations
Gln 106 Arg, Arg 262 Gln ont été rappor-
tées dans la littérature, notamment, le cas
d’une femme ayant des antécédents d’amé-
norrhée primaire chez qui une ovulation a
été obtenue grâce à une stimulation pulsa-
tile de GnRH (250hg/kg). Ce cas est com-
parable à celui d’une autre patiente ayant
un phénotype et un génotype identiques
chez qui deux grossesses ont été obtenues
lors d’une stimulation par Clomid®. Une
troisième patiente ayant le même génotype
avait également un phénotype partiel. Les
mutations homozygotes qui inhibent com-
plètement la fonction du récepteur de la
GnRH entraînent systématiquement un
hypogonadisme complet.
Néanmoins, les formes partielles peuvent
être aggravées par des gènes modifica-
teurs ou des facteurs épigénétiques. En
effet, il a été décrit une variabilité intrafa-
miliale de la sévérité de l’hypogonadisme
chez des patients hétérozygotes compo-
sites, dont au moins un allèle était partiel-
lement fonctionnel. Dans ces déficits par-
tiels, le test à la GnRH n’est pas discrimi-
nant. En revanche, une fréquence normale
associée à une baisse de l’amplitude des
pics de sécrétion de LH est fortement évo-
catrice d’un déficit hypophysaire. La fré-
quence des mutations inactivatrices du
récepteur de la GnRH est faible dans les
cas sporadiques d’hypogonadisme hypo-
gonadotrope idiopatique. Elle est proche
de 35 % dans les formes familiales avec
une transmission récessive.
Les mutations
des gonadotrophines LH et FSH
Les glycoprotéines hypophysaires FSH et
LH sont composées d’une sous-unité
commune αet d’une sous-unité βspéci-
fique (1) . Chaque sous-unité est codée par
un seul gène. Une mutation naturelle de la
sous-unité βde la LH a été caractérisée
chez un homme de 17 ans qui présentait
un retard pubertaire. La LH plasmatique
était augmentée, la FSH était normale et la
testostérone plasmatique basse. Les testi-
cules étaient de petite taille. Un traitement
par hCG a permis d’obtenir une augmen-
tation de la taille des testicules, une virili-
sation normale et une spermatogenèse. Le
propositus était homozygote pour une
mutation qui substitue la glutamine 54 en
une arginine. Cette mutation inhibe la liai-
son de la LH sur un récepteur recombinant
exprimé dans des cellules CHO.
Quatre cas de mutations inactivatrices de
la sous-unité βde la FSH ont été rappor-
tés. Une délétion homozygote de 2 bp au
codon 61 entraînant un décalage du cadre
de lecture a été caractérisée chez une
patiente ayant une aménorrhée primaire et
une absence complète de caractères
sexuels secondaires. Cette délétion entraîne
la synthèse d’une protéine tronquée de
86 acides aminés. La même délétion de
2pb associée à une mutation faux sens s
ur
l’autre allèle a été décrite chez une autre
patiente ayant un phénotype similaire.
Deux cas de déficit de la FSH ont été
décrits chez l’homme. Les deux patients
avaient une azoospermie. En revanche, un
retard pubertaire a été rapporté chez un
patient homozygote pour la même délé-
tion du codon 61 décrite auparavant. Ce
résultat semble suggérer que dans cer-
Figure 2. Localisation et fréquence des mutations inactivatrices du récepteur de la GnRH. En exposant est
indiqué le nombre de familles décrites pour chaque mutation.

taines conditions, la FSH participe à la
régulation de la synthèse de la testostéro-
ne par les cellules de Leydig.
Mutations gain de fonction
Puberté précoce
par mutation activatrice
de la sous-unité α
de la protéine Gs
Les protéines G ont des fonctions physio-
logiques très diverses ayant toutes en com-
mun la capacité de lier le guanosine tri-
phosphate (GTP). Des protéines G mono-
mériques et hétérotrimériques sont
décrites. Ces dernières forment des relais
obligatoires entre les récepteurs à sept
domaines transmembranaires et les “effec-
teurs” enzymatiques ou les canaux
ioniques (5) . Les protéines G hétérotrimé-
riques sont composées d’une sous-unité α et
de deux sous-unités βet γformant un dimère.
La sous-unité αlie le GTP et possède une
activité GTPasique qui permet l’hydrolyse
du GTP en GDP. Les sous-unités βet γne
possèdent pas d’activité enzymatique. Les
sous-unités α sont codées par 16 gènes dif-
férents, mais au moins 20 isoformes sont
décrites suite à la survenue d’épissage
alternatif pour certains gènes. Les sous-
unités βet γsont codées respectivement
par 5 et 11 gènes. Il existe une spécificité
cellulaire de l’expression de certaines sous-
unités responsable de la formation de tri-
mères spécifiques à certaines cellules. La
spécificité fonctionnelle des protéines G
hétérotrimériques dépend de la sous-
unité α. Chaque sous-unité αactive spéci-
fiquement un effecteur qui peut être un
enzyme ou un canal ionique.
L’activité des protéines G est régulée par la
liaison et l’hydrolyse du GTP. À l’état inac-
tif, une molécule de GDP est liée à la sous-
unité αqui interagit étroitement avec le
dimère β-γ. L’activation d’un récepteur à
sept domaines transmembranaires par son
ligand entraîne l’échange du GDP par un
GTP (figure 3). Cet échange provoque une
dissociation de la sous-unité αdu com-
plexe β-γ. Le complexe sous-unité α-GTP
et le dimère β-γvont alors pouvoir interagir
avec leurs effecteurs. L’inactivation du
signal survient grâce à l’hydrolyse par la
sous-unité αdu GTP en GDP, permettant la
reformation du complexe trimérique inactif
α-GDP-β-γ. Il a été récemment montré que
l’activité GTPasique de certaines sous-uni-
tés αpeut être activée par une protéine
RGS (Regulating Gprotein Signaling).
Plusieurs pathologies sont directement
liées à des anomalies moléculaires de
l’ac
tivation ou de l’inactivation des pro-
téines G hétérotrimériques. Les mutations
entraînant une diminution de l’activité
GTPasique de la sous-unité α sont respon-
sables de l’activation continue de la protéi-
ne G. Une mutation “gain de fonction” est
notamment l’anomalie moléculaire du
syndrome de McCune-Albright. Ce syn-
drome est défini par l’association d’une
dysplasie osseuse, des taches cutanées café
au lait et d’une puberté précoce indépen-
dante des gonadotrophines. D’autres
signes d’hyperactivité endocrinienne sont
parfois présents (hyperthyroïdie, acromé-
galie, syndrome de Cushing). Tous ces
systèmes endocriniens ont en commun
d’être régulés par la protéine Gs qui active
l’adénylate cyclase. Le syndrome de
McCune-Albright est dû à une mutation
somatique de cette protéine Gs survenue
très précocement au cours de l’embryo-
genèse. Les patients sont donc porteurs
d’une mosaïque avec des cellules ayant la
mutation et d’autres, un génotype normal.
Cette mutation modifie l’arginine 201
située dans le site actif de la guanylate
cyclase, ce qui entraîne une diminution de
l’activité GTPasique de la sous-unité αs.
La puberté précoce du syndrome de
McCune-Albright est observée préféren-
tiellement chez la fille. Il s’agit habituelle-
ment de cas sporadiques. Le caractère
somatique de la mutation pourrait expliquer
la variabilité de l’expression phénotypique.
La date de la survenue de la mutation au
cours de l’embryogenèse pourrait être un
facteur déterminant cette variabilité.
Act. Méd. Int. - Métabolismes - Hormones - Nutrition, Volume V, n° 3, mai-juin 2001
111
Figure 3.
La voie de transduction du signal par un récepteur couplé à la protéine Gs.