Hypoxie et pseudo-hypoxie dans les tumeurs endocrines

Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIV - n° 8 - octobre 2010
262
dossier thématique
Oxygène – Physiopathologie
des organes endocrines
Hypoxie et pseudo-hypoxie
dans les tumeurs endocrines :
l’exemple du phéochromocytome
Hypoxia and pseudo-hypoxia in endocrine tumors:
the pheochromocytoma example
Judith Favier*,**
Phéochromocytomes et paragangliomes
Les paragangliomes (PGL) sont des tumeurs rares déri-
vées de la crête neurale qui émergent à partir de cellules
non chromanes des ganglions parasympathiques,
localisées notamment au niveau de la tête (glomus
tympanique, glomus jugulaire) et du cou (glomus caro-
tidien) ou à partir de cellules chromanes du système
nerveux sympathique au niveau du thorax, de l’ab-
domen ou du pelvis (organe de Zuckerkandl, vessie)
[gure 1]. Les phéochromocytomes (PHEO) sont des
PGL qui se développent spéciquement aux dépens de
la médullosurrénale. Les PHEO et les PGL fonctionnels
sécrètent des catécholamines dans la circulation, ce qui
peut être à l’origine de graves complications cardio-
vasculaires et cérébrovasculaires.
Vingt-cinq à trente pour cent des PHEO et PGL sont
héréditaires. Les mutations constitutionnelles prédis-
posant aux PHEO et aux PGL peuvent se produire dans
les tumeurs d’apparence sporadique (12 à 16 %) ou
dans le cadre d’un syndrome de cancer héréditaire
(1). Les mutations activatrices du proto-oncogène
RET conduisent à la néoplasie endocrine multiple de
type 2 (NEM2), caractérisée par le développement de
carcinomes médullaires de la thyroïde, souvent asso-
ciés à des PHEO surrénaliens. Les mutations du gène
suppresseur de tumeur NF1 sont responsables de la
neuro bromatose de type 1, aussi connue sous le nom
de maladie de von Recklinghausen, qui se caractérise
par des anomalies pigmentaires et par le développe-
ment de tumeurs dérivées des cellules de la crête neu-
rale, comme les neurobromes cutanés multiples et
très rarement les PHEO (0,1 à 5,7 % de patients atteints
de NF1). La maladie de von Hippel-Lindau (VHL) est
un syndrome néoplasique héréditaire causé par des
mutations dans le gène suppresseur de tumeur VHL,
qui sont responsables d’une prédisposition au dévelop-
pement de carcinomes du rein à cellules claires (RCC),
d’hémangioblastomes du système nerveux central ou
de la rétine, de kystes pancréatiques et de PHEO. Enn,
les gènes suppresseurs de tumeurs SDHB, SDHC, SDHD
et SDH5 (ou SDHAF2) sont impliqués dans la prédisposi-
tion héréditaire au syndrome PHEO/PGL. Les mutations
dans le gène SDHB se sont révélées être le premier
critère de malignité et de mauvais pronostic des PHEO/
PGL : les résultats combinés des analyses de cohortes
montrent que 36 % des PHEO/PGL métastatiques sont
porteurs d’une mutation du gène SDHB (2).
* Inserm, UMR970, Paris
– centre de recherche
cardio-vasculaire (PARCC)
de l’hôpital européen
Georges-Pompidou, Paris.
** Université
Paris-Descartes,
faculté de médecine,
Paris.
» L’hypoxie, les phéochromocytomes et les paragangliomes ont une
longue histoire commune.
» Les individus vivant en haute altitude (en hypoxie chronique)
présentent une incidence accrue de paragangliomes de la tête
et du cou.
» Les cellules du glomus carotidien et les cellules chromaffines de la
surrénale à partir desquelles se développent les phéochromocytomes
et les paragangliomes sont des détecteurs physiologiques des
variations d’oxygène.
» Les mutations des gènes SDH (succinate déshydrogénase) et VHL (von
Hippel-Lindau) sont à l’origine d’environ 20 % des phéochromocytomes
et conduisent à l’activation des hypoxia-inducible factors, même en
présence d’oxygène. Ce processus est appelé pseudo-hypoxie.
» Les gènes cibles des hypoxia-inducible factors sont impliqués dans la
prolifération, l’apoptose, l’angiogenèse, le métabolisme énergétique,
l’invasivité et les métastases.
» Les données physiologiques, génétiques, cellulaires et moléculaires
recueillies au cours des années indiquent toutes un rôle central de
la voie hypoxique ou pseudo-hypoxique dans la tumorigenèse des
phéochromocytomes et des paragangliomes.
Mots-clés : Phéochromocytome – Hypoxie – Tumeur endocrine.
Keywords: Pheochromocytoma – Hypoxia – Endocrine Tumor.
Points forts

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Hypoxie et pseudo-hypoxie dans les tumeurs endocrines : l’exemple du phéochromocytome
Réponse hypoxique dans les cellules
glomiques et chromaffines
L’hypoxie, les PHEO et les PGL ont une longue histoire
commune. La première preuve d’un tel lien repose sur
la spécicité cellulaire de l’émergence des PHEO/PGL. La
capacité à capter les variations de pression partielle en
oxygène (pO
2
) et à s’adapter à des conditions de faible
pO
2
(hypoxie) est essentielle à la survie des organismes
vivants. Des cellules réceptrices spécialisées, ou détec-
teurs de pO2, jouent un rôle de protection en veillant
à ce que des quantités susantes d’oxygène soient à
la disposition des cellules de l’organisme et des tissus.
Chez les mammifères, ces tissus spécialisés compren-
nent les cellules du glomus carotidien, les corps neuro-
épithéliaux des poumons, les cellules chromanes de
la médullosurrénale fœtale et les cellules musculaires
lisses vasculaires. Au début des années 1930, les travaux
d’Heymans et al. ont conduit à montrer que le glomus
carotidien est un chémorécepteur qui mesure la ten-
sion d’oxygène du sang artériel systémique. Toutefois,
les chémorécepteurs du glomus carotidien sont rela-
tivement peu sensibles à l’hypoxie durant la période
néonatale et n’acquièrent cette sensibilité qu’à partir
de 2 à 3 semaines chez le rat. En revanche, les cellules
chromanes de la surrénale sont plus sensibles à l’hy-
poxie durant la période périnatale, et cette sensibilité
est peu à peu perdue, et disparaît 2 à 3 semaines après
la naissance chez le rat. Ces 2 types de cellules (glomus
carotidien et cellules chromanes) sont capables de
synthétiser et de libérer les catécholamines au cours
du stress hypoxique.
Des modications anatomiques du glomus carotidien
chez des sujets exposés à l’hypoxie chronique ont
d’abord été décrites par Arias-Stella qui a constaté, dans
la population péruvienne, que les corps carotidiens des
individus résidant en haute altitude étaient sensiblement
plus larges que ceux des sujets vivant au niveau de la
mer. En 1973, Saldana et al. ont rapporté une incidence
plus élevée de PGL du glomus carotidien chez les adultes
péruviens nés et ayant vécu en haute altitude dans les
Andes. Ainsi, parmi les 25 patients atteints de PGL, 92 %
étaient nés et avaient vécu à une altitude entre 2 105 et
4 350 mètres. On estime que le PGL est 10 fois plus fré-
quent au Pérou en altitude élevée qu’au niveau de la mer.
Hypoxie et pseudo-hypoxie :
mécanismes moléculaires
Premières pistes
Au début des années 2000, la compréhension des bases
moléculaires des PHEO et PGL héréditaires a révélé
un lien direct entre la voie de la réponse hypoxique
et l’histoire naturelle de ces tumeurs. Le lien entre
l’inactivation du gène VHL et la voie hypoxique avait
en eet été supposé peu de temps après l’identica-
tion du gène VHL, avec la description d’une régulation
négative de l’expression de gènes induits en conditions
d’hypoxie tels que le VEGF ou GLUT 1 par la protéine
pVHL. Il a été ensuite montré que pVHL faisait partie
d’un complexe multiprotéique (contenant CUL2 et les
élongines B et C) présentant d’importantes homologies
avec les complexes ubiquitine-ligase chez la levure, et
dirigeant la protéolyse dépendant de l’oxygène des
Hypoxia-Inducible Factors (HIF) [3]. Les gènes SDHB,
C et D codent pour 3 des 4 sous-unités de la succinate
Figure 1. Sites d’émergence des phéochromocytomes et des paragangliomes. Représentation
schématique du système paraganglionnaire illustrant la distribution anatomique de la médullo-
surrénale, des organes de Zuckerkandl et des paraganglions extrasurrénaliens, connectés aux
systèmes sympathique et parasympathique.
Glomus carotidien
Médullosurrénale
Organes de Zuckerkandl

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Oxygène – Physiopathologie
des organes endocrines
déshydrogénase (SDH), une enzyme mitochondriale qui
catalyse l’oxydation du succinate en fumarate dans le
cycle de Krebs couplée à la réduction de l’ubiquinone
(Q) en ubiquinol (QH2) dans la chaîne respiratoire. En
2000, la première identication d’une mutation du
gène SDHD comme responsable d’une forme de para-
gangliome héréditaire a conduit à l’hypothèse que la
SDH pourrait être un élément essentiel du système de
détection de l’oxygène des tissus paraganglionnaires,
et que sa perte pourrait conduire à la stimulation chro-
nique de la réponse hypoxique et de la prolifération
cellulaire. Cette hypothèse a ensuite été renforcée par
notre observation d’une surexpression de HIF-2α et
de VEGF chez 2 patients présentant des PHEO ou PGL
causés par des mutations de SDHD et de SDHB, par
rapport aux tumeurs sporadiques (4).
Mécanisme physiologique de régulation
des hypoxia-inducible factors
La mise en évidence du mécanisme moléculaire de
régulation des HIF en conditions hypoxiques a par la
suite permis la compréhension de ces phénomènes
(gure 2) [5].
Les HIF sont des facteurs de transcription qui appar-
tiennent à la grande famille des protéines à domaines
basique-hélice-boucle-hélice PAS (bHLH-PAS). Ils sont
actifs sous la forme d’un hétérodimère formé d’une
sous-unité stable HIF-1β exprimée de façon constitu-
tive, et de 1 des 3 sous-unités régulées par l’oxygène
HIF-α (HIF-1α, HIF-2α ou HIF-3α). HIF-1α est exprimée
de façon ubiquitaire, tandis que l’expression d’HIF-2α
est préférentiellement retrouvée dans l’endothélium,
le rein, le cœur, le poumon, l’épithélium digestif et le
système nerveux sympathique.
En conditions normoxiques, les HIF-α sont hydroxylées
par des prolyl-hydroxylases (PHD1, 2 ou 3) sur 2 résidus
proline conservés, localisés dans le domaine de dégra-
dation dépendant de l’oxygène. Ils sont ensuite recon-
nus par pVHL, ce qui conduit à leur poly-ubiquitination
et leur dégradation subséquente dans le protéasome.
Ainsi, dans les cellules correctement oxygénées, HIF-1α
a une demi-vie inférieure à 5 minutes. Les PHD appar-
tiennent à la superfamille des dioxygénases dépendant
du fer et du 2-oxoglutarate (2-OG) et sont les senseurs
d’oxygène responsables de la régulation des HIF en
fonction de la pO2. Une autre hydroxylase est par ailleurs
impliquée dans la modulation de l’activité des HIF en
conditions normoxiques. Cette asparagyl-hydroxy-
lase, identiée comme le facteur inhibant HIF (FIH),
hydroxyle un résidu asparagine situé sur le domaine
de transactivation carboxy-terminale des HIF. Cette
modication empêche le recrutement des protéines
coactivatrices p300 et CBP, atténuant ainsi la transcrip-
tion HIF-dépendante.
L’hydroxylation des HIF par les PHD et FIH requiert la
coopération de plusieurs facteurs, dont le Fe
2+
, l’ascor-
bate et l’oxygène ainsi que le 2-OG, comme cosubstrats.
En conditions hypoxiques, l’absence d’oxygène inhibe
l’activité de ces enzymes ; les HIF ne sont plus hydroxy-
lés et donc plus reconnus par pVHL. Ils sont stabilisés,
transloqués au noyau où, après avoir formé un hété-
rodimère avec HIF-1β, ils agissent sur la transcription
Figure 2. Mécanismes moléculaires de régulation des HIF. En normoxie, les HIF sont hydroxylés
par les PHD, ce qui permet leur reconnaissance par l’ubiquitine ligase pVHL, et leur dégradation
dans le protéasome. En conditions hypoxiques ou à la suite des mutations des gènes SDH ou
VHL (pseudo-hypoxie), les HIF sont stabilisés et transloqués au noyau, où ils activent une grande
variété de gènes cibles, impliqués dans diérents aspects de la tumorigenèse.
Mitochondrie
Normoxie Noyau
Noyau(Pseudo-)hypoxie
Succinate
Succinate
+ CO2
Succinate
+ CO2
2-OG + O2
2-OG + O2
Succinate
Succinate
Prolifération
Apoptose
Angiogenèse
Métabolisme
Métastases
Mutations SDH
Fumarate
Fumarate
Mitochondrie
Hypoxie
Mutations VHL

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Hypoxie et pseudo-hypoxie dans les tumeurs endocrines : l’exemple du phéochromocytome
d’une grande variété de gènes cibles impliqués dans
l’adaptation cellulaire et tissulaire à l’hypoxie.
Pseudo-hypoxie SDH-dépendante
L’élucidation de ce mécanisme a ainsi révélé une expli-
cation crédible pour comprendre l’association entre les
mutations SDH et l’activation de la réponse hypoxique
(6). Cette explication est fondée sur l’accumulation de
succinate (gure 2). Il a en eet été montré que, lors de
la réaction d’hydroxylation des HIF, le 2-OG subit une
décarboxylation oxydative qui conduit à la génération
de succinate. Dans les cellules où la SDH est inactivée,
l’accumulation de succinate agit comme un inhibiteur
compétitif, en bloquant le site de liaison du 2-OG sur les
PHD, conduisant ainsi à la stabilisation et à l’activation
de HIF-1α (7).
De façon intéressante, des mutations de gènes codant
pour d’autres enzymes du cycle de Krebs ont ensuite
été identiées dans d’autres types de syndromes fami-
liaux néoplasiques et ont été montrées comme étant
également associées à une réponse pseudo-hypoxique.
Ainsi, les mutations germinales du gène codant pour
la fumarate hydratase (FH), qui catalyse la conversion
du fumarate en malate dans le cycle de Krebs, prédis-
posent au syndrome HLRCC associant des léiomyomes
cutanés et utérins à des cancers du rein. Des mutations
somatiques hétérozygotes du gène IDH1, qui code pour
l’1 des 3 isocitrate déshydrogénases qui catalysent la
décarboxylation oxydative de l’isocitrate en 2-OG, ont
été identiées dans près de 80 % de certains types de
glioblastomes multiformes, mais rarement dans les
PHEO et les PGL. Ces défauts génétiques conduisent
respectivement à l’accumulation de fumarate et à l’épui-
sement du 2-OG cytosolique, ce qui inhibe l’hydroxy-
lation des HIF médiée par les PHD.
Signature pseudo-hypoxique
des PHEO et PGL liés à SDH et à VHL
La réalité du processus pseudo-hypoxique dans les
PHEO et les PGL a été validée par des études d’expres-
sion génique. Diérentes études d’immunohistochimie
ont montré une surexpression de HIF-1α et surtout de
HIF-2α dans les tumeurs pseudo-hypoxiques (mutations
de SDHD, SDHB, FH et VHL). La prédominance de HIF-2α
a été discutée mais elle est conrmée par des obser-
vations antérieures eectuées dans des paraganglions
fœtaux et dans les neuroblastomes, ainsi que par les
données de transcriptome.
En eet, les analyses de prols d’expression pangéno-
mique réalisées sur de grandes cohortes de PHEO et
PGL héréditaires ont non seulement validé mais aussi
complété ces observations. La comparaison des prols
transcriptomiques de 39 PHEO par Eisenhofer et al. a mis
en évidence la surexpression, dans les tumeurs VHL par
rapport aux NEM2, de gènes impliqués dans la réponse
hypoxique, tels que PHD3, HIF-2α, le VEGF, son récepteur
VEGFR-2 et son corécepteur la neuropiline 1, le facteur
de croissance placentaire (PIGF), l’angiopoïétine 2, le
transporteur du glucose GLUT-1 et l’hexokinase 2 (8).
La classication hiérarchique non supervisée d’une
cohorte de 76 PHEO par Dahia et al. a par la suite mis
en évidence 2 groupes d’expression dominante (9). Le
premier comportait toutes les tumeurs VHL et SDH ; le
second, tous les phéochromocytomes NEM2 et NF1.
Les tumeurs du premier groupe étaient caractérisées
par une signature riche en marqueurs de l’angio genèse,
d’hypoxie, d’éléments de la matrice extracellulaire, asso-
ciée à la suppression d’oxydoréductases, des processus
tous directement ou indirectement régulés par l’acti-
vation de HIF-1α et/ou de HIF-2α.
Rôle de l’hypoxie et de la pseudo-hypoxie
dans la tumorigenèse
Les conséquences fonctionnelles de l’activation de la
voie hypoxique dans les PHEO et les PGL sont nom-
breuses et sont susceptibles de participer à plusieurs
aspects de la tumorigenèse (10). Les HIF peuvent en
eet induire une grande variété de gènes cibles, dont
les produits sont impliqués dans la régulation de l’an-
giogenèse, la prolifération, le métabolisme énergétique,
la survie et la migration (gure 2, tableau) [11].
Apoptose et prolifération
Deux des principales caractéristiques du développe-
ment tumoral sont une augmentation de la prolifération
cellulaire et un échappement aux régulations proa-
poptotiques. Le rôle de l’hypoxie dans la modulation
de ces processus essentiels est complexe. En eet, les
HIF ont été associés à des eets pro- ou antiprolifératifs
Tableau. Régulation génique diérentielle par HIF-1 et HIF-2.
HIF-2 α > HIF-1 α VEGF, VEGFR-2, Tie-2
LOX, LOXL2
Cycline D1
COX4-I2
HIF-1 α > HIF-2 α BNIP3
HK-2, GPI, PFK, ALDO A, ALDO C, TPI, GAPDH, PGK-1, PGM-1, ENO-1,
LDHA
PDK-1

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des organes endocrines
et pro- ou antiapoptotiques. Les résultats discordants
concernant le lien entre l’hypoxie et ces processus sug-
gèrent l’existence de régulations particulièrement nes,
dépendant des niveaux d’oxygène ou des spécicités
liées aux types cellulaires. Il existe également des diver-
gences en fonction du sous-type de la sous-unité HIF-α
impliquée. HIF-1α, par exemple, régule positivement
l’expression de BNIP3, un membre de la famille des pro-
téines de régulation de l’apoptose BCL-2 et module de
stabilisation de p53, les 2 conduisant à l’apoptose. En
revanche, BNIP3 est réprimé par HIF-2α dans les cellules
de RCC. De même, HIF-2α favorise la surexpression de
la cycline D1, l’une des principales cyclines associées à
la transition G1-S dans le cycle cellulaire. En revanche,
HIF-1α ne régule pas la cycline D1, mais induit l’expres-
sion de la cycline G2, qui a des activités antiproliféra-
tives. Dans les PHEO et les PGL, il a été observé que les
niveaux de BNIP3 étaient inférieurs dans les tumeurs
HIF-2α-positives des patients porteurs d’une mutation
de SDHB, ce qui suggère un rôle possible de cette voie
dans l’agressivité accrue de ce sous-type de tumeurs.
Angiogenèse
L’une des premières fonctions identiées des HIF, sus-
ceptible de participer au développement tumoral, est
l’induction de l’angiogenèse (12). Il est en eet bien
établi qu’une tumeur ne peut dépasser un volume seuil
de 1 à 3 mm3 si elle n’est pas vascularisée. Les HIF sont
connus pour moduler l’expression de plusieurs facteurs
angiogéniques qui favorisent la croissance des néovais-
seaux à partir du système vasculaire préexistant. Parmi
ces cibles, le VEGF et ses récepteurs jouent un rôle cru-
cial dans l’initiation du processus de néovascularisation.
Des études, in vitro, ont montré que ces gènes sont
essentiellement régulés par HIF-2α plutôt que HIF-1α.
Ainsi, dans un contexte tumoral hypoxique, la sécrétion
de VEGF par les cellules tumorales induit l’activation du
VEGFR-2, qui promeut la migration des cellules endo-
théliales, leur prolifération et leur survie. Les PHEO et
les PGL sont classiquement décrits comme des tumeurs
richement vascularisées. Nous avons observé que les
tumeurs causées par des mutations des gènes SDH ou
VHL avaient une densité vasculaire plus forte que les
tumeurs RET ou NF1 (13). La forte expression de VEGF et
de ses récepteurs a été décrite tant dans le sérum que
dans les tumeurs de patients atteints de PHEO ou de
PGL. De plus, une surexpression signicative du VEGF
a été rapportée à la fois dans les PHEO et PGL métas-
tatiques et dans les PHEO et PGL liés à SDH et VHL. Fait
intéressant, les études réalisées sur les tumeurs malignes
ont été eectuées avant la démonstration de l’associa-
tion prédominante des mutations du gène SDHB avec
la malignité dans les PHEO et les PGL. Par conséquent, il
est envisageable que la surexpression du VEGF dans les
PHEO et PGL métastatiques reète la pseudo-hypoxie
médiée par l’accumulation du succinate plutôt que
l’invasivité de ce sous-ensemble de tumeurs.
Métabolisme énergétique
Une autre caractéristique de l’adaptation à l’hypoxie
est le switch entre les 2 formes de respiration utilisées
par les cellules animales, aérobique et anaérobique,
un phénomène constaté par Louis Pasteur à la n du
xix
e siècle. En l’absence d’oxygène, la production d’ATP
passe de la phosphorylation oxydative dans les mito-
chondries à la glycolyse dans le cytoplasme. La glycolyse
est moins ecace que la phosphorylation oxydative
pour la production d’ATP (4 ATP versus 36 par glucose).
Toutefois, en présence de susamment de glucose,
la glycolyse peut promouvoir une production d’ATP
susante en raison de l’augmentation de l’activité des
enzymes glycolytiques. En conditions d’hypoxie, HIF-1
induit l’expression de gènes codant pour les transpor-
teurs du glucose GLUT-1 et GLUT-3, qui augmentent
l’absorption de glucose intracellulaire, des enzymes
de la glycolyse, qui transforment le glucose en pyru-
vate et de la lactate déshydrogénase A, qui convertit
le pyruvate en lactate. Notons que, si HIF-2 est capable
de promouvoir l’expression du transporteur GLUT-1, il
n’est apparemment pas impliqué dans la régulation de
l’autre partie de la glycolyse.
Au début des années 1930, Otto Warburg a observé
que les cellules tumorales présentaient un métabolisme
particulier, caractérisé par un switch comparable vers un
métabolisme glycolytique, mais ce, même en présence
d’oxygène. L’hypothèse de Warburg était que le cancer
était causé par des défauts dans la phosphorylation
oxydative mitochondriale, ce qui obligerait la cellule à
passer à un procédé de production d’énergie anaérobie,
en dépit des conditions aérobies. L’augmentation de la
captation du glucose observée lors de “l’eet Warburg”
a conduit à l’utilisation en clinique de la tomographie à
émission de positons utilisant du uorodésoxyglucose
(18F) [FDG-PET] pour la détection des métastases. Le
mécanisme responsable de l’eet Warburg est resté mys-
térieux pendant des décennies. Des données récentes
suggèrent que les HIF participent à ce processus (14). En
plus du rôle de HIF-1α dans la glycolyse, il a en eet été
rapporté que les HIF pourraient également participer
à l’inactivation de la respiration aérobie dans la mito-
chondrie. Tout d’abord, la pyruvate déshydrogénase
kinase 1 (PDK1), qui phosphoryle et inactive le domaine
catalytique de la pyruvate déshydrogénase (PDH), est
activée par HIF-1α. Le pyruvate est alors activement