Comment les hormones gycoprotéiques hypophysaures

Nouveau concept
Comment les hormones glycoprotéiques
hypophysaires franchissent
la barrière endothéliale pour atteindre
leurs cellules cibles
N. Ghinea*
✎ La famille des hormones glycoprotéiques hypophysaires regroupe l’hormone lutéinique (LH), l’hormone folliculostimulante (FSH) et la thyréostimuline (TSH). Avec la choriogonadotropine
(CG), elles forment un ensemble de
glycoprotéines homologues. Ces hormones agissent via des récepteurs
membranaires spécifiques : LH-r (pour
la LH et la CG), FSH-r (pour la FSH) et
TSH-r (pour la TSH).
✎ Les récepteurs LH-r, FSH-r et TSH-r
constituent un sous-groupe au sein de
la grande famille des récepteurs liés
aux protéines G. Couplés à la protéine
G s α , les récepteurs des hormones glycoprotéiques hypophysaires stimulent
l’adénylate-cyclase. Les mêmes récepteurs peuvent également stimuler la
phospholipase C, mais à forte concentration d’hormone.
✎ La LH et la FSH ont un rôle majeur
dans la production et sécrétion des
hormones stéroïdes et dans la production des gamètes. Leurs organes cibles
sont les gonades. La TSH, quant à elle,
a comme cible la thyroïde. Elle contrôle
la synthèse et la libération des hormones T3 et T4 et maintient le phénotype
différencié du thyrocyte.
✎ Les hormones glycoprotéiques hypophysaires sont sécrétées, de manière
pulsatile, à des concentrations relativement faibles dans le sang. De plus,
un maximum d’activité hormonale
nécessite la disparition rapide de ces
hormones de la circulation.
✎ Pour atteindre leurs cellules cibles,
les hormones glycoprotéiques hypophysaires doivent franchir rapidement
et spécifiquement la barrière endothéliale située au niveau des microvaisseaux des organes cibles.
✎ L’endothélium microvasculaire des
organes cibles exprime des récepteurs
aux hormones glycoprotéiques hypophysaires. Ces récepteurs, identiques
à ceux des cellules cibles, sont impliqués dans le passage transendothélial
(transcytose) de l’hormone.
✎ La transcytose par l’intermédiaire
de récepteurs aux hormones glycoprotéiques hypophysaires se fait par le
biais des puits et des vésicules recouverts de clathrine, ce qui constitue un
mécanisme de transport complètement
différent de celui des protéines
sériques, présentes, elles, en grande
concentration dans le sang. Ce type de
mécanisme de transport n’est pas
observé dans des organes non cibles.
✎ Les cellules endothéliales expriment
également des récepteurs spécifiques
pour d’autres hormones peptidiques et
protéiques. La transcytose d'hormone
peut donc constituer un niveau de
régulation hormonale.
✎ Les mécanismes moléculaires (motifs
d'internalisation, signaux d'adressage
vers les pôles de l’endothélium, les
protéines associées) impliqués dans le
transport transendothélial par l’intermédiaire de récepteurs aux hormones
peptidiques/protéiques restent à définir.
’ hormone lutéinique (LH), l’hormone
Lmuline
folliculostimulante (FSH) et la thyréosti(TSH) sont des éléments clés du système endocrinien hypothalamo-hypophysaire.
Avec la choriogonadotropine (CG) placentaire, elles forment la famille des hormones
glycoprotéiques. Ces hormones sont des
hétérodimères formés de sous-unités α et β,
unies entre elles par des ponts disulfures. La
sous-unité α est identique pour toutes ces
hormones, porte la spécificité d’espèce et a
un poids moléculaire de 22 kDa. La sousunité β est, quant à elle, responsable de la
spécificité hormonale et a un poids moléculaire de 18-22 kDa.
Les hormones glycoprotéiques hypophysaires agissent via des récepteurs membranaires. Les récepteurs de la LH et CG (LH-r),
de la FSH (FSH-r) et de la TSH (TSH-r)
sont tous trois des récepteurs couplés aux
protéines G. Les fortes homologies de
séquence entre ces récepteurs définissent la
famille des récepteurs aux hormones glycoprotéiques (1-3). Ces récepteurs possèdent :
– un domaine N-terminal volumineux qui
constitue le domaine de liaison de l’hormone ;
– un domaine transmembranaire qui traverse sept fois la membrane où l’homologie
entre ces récepteurs est la plus grande (environ 70 %) ;
– un domaine C-terminal intracellulaire
riche en acides amines phosphorylables
(tyrosine, sérine et thréonine).
Les récepteurs aux hormones glycoprotéiques hypophysaires sont couplés à la protéine Gsα, donc ils stimulent l'adénylatecyclase. À forte concentration d’hormones,
ils peuvent également lier la protéine Gq/11
et stimuler la phospholipase C.
Les tissus cibles des gonadotrophines (LH, FSH)
LH et FSH jouent en association un rôle
majeur dans la sécrétion des hormones stéroïdes, d’une part, et dans la production des
gamètes, d’autre part. Leurs cibles principales sont les gonades (1, 4, 5).
*INSERM U135 “Hormones, gènes et reproduction”, hôpital de Bicêtre, Le Kremlin-Bicêtre.
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Chez la femme, classiquement, la LH se lie
au LH-r localisé sur la membrane plasmique
des cellules de la thèque. Elle contrôle la
sécrétion d’estradiol dans la première partie
du cycle. La FSH se lie au FSH-r localisé
sur la membrane des cellules de la granulosa. Elle contrôle la folliculogenèse. En
seconde partie du cycle, les cellules de la
granulosa du follicule sélectionnées se lutéinisent, le récepteur de la LH y est exprimé
et sa stimulation active la stéroïdogenèse et
la production de progestérone.
Chez l’homme, la LH agit sur son récepteur
exprimé à la surface des cellules de Leydig.
L’activation du récepteur LH-r aboutit à la
production de testostérone. La FSH agit sur
les cellules de Sertoli et joue un rôle majeur
dans la régulation de la spermatogenèse.
Les tissus cibles de la TSH
La TSH est souvent définie comme le principal agent régulateur de la thyroïde. Elle
contrôle la principale fonction thyroïdienne
(synthèse et libération des hormones T3 et
T4) et maintient le phénotype différencié du
thyrocyte (synthèse de la thyroglobuline, de
la thyréoperoxydase et de la pompe à iodure).
La présence du TSH-r ou de son ARNm a
également été mise en évidence dans des
tissus non thyroïdiens très variés. Ainsi, on
a pu détecter par PCR, l’ARNm du TSH-r
dans le tissu rétro-orbital, des lymphocytes
circulants, des cardiomyocytes, dans le rein,
les glandes surrénales et le thymus (7). La
présence de la protéine a été confirmée par
immunocytochimie.
Deux processus séparés sont impliqués dans
le mécanisme d'action des hormones glycoprotéiques hypophysaires :
◗ ces hormones doivent impérativement
émigrer de l'espace vasculaire vers le fluide
interstitiel où résident leurs cellules cibles ;
◗ successivement, elles doivent se lier à
leurs récepteurs spécifiques et initier une
cascade d'événements intracellulaires.
Si la synthèse, la sécrétion dans l’espace
vasculaire et les interactions des hormones
glycoprotéiques hypophysaires ont été
amplement étudiées (1, 4-6), les étapes
intermédiaires comme, par exemple, le passage à travers l’endothélium vasculaire, sont
mal connues. Ce dernier constitue une barrière majeure pour les échanges des macromolécules entre le sang et les organes ou les
tissus (8).
Nécessité d’un transport transendothélial spécifique pour les
hormones protéiques
Les échanges des substances (métabolites,
hormones, nutriments) entre le sang et les
tissus ont lieu au niveau des capillaires et
des veinules. La paroi de ces microvaisseaux est réduite à l’endothélium vasculaire.
Situées entre deux fluides différents – le
plasma et le fluide interstitiel –, les cellules
endothéliales sont polarisées. Leur surface
luminale est continuellement exposée aux
cellules sanguines et au plasma. La surface
opposée (surface tissulaire ou abluminale)
est arrosée par le fluide interstitiel. L’endothélium vasculaire est séparé des tissus par
une lame basale que les cellules endothéliales produisent elles-mêmes.
Les cellules endothéliales sont unies les
unes aux autres par des jonctions étanches
bien développées, de façon à former la barrière sang/tissus. Cette barrière empêche le
passage de macromolécules hydrosolubles
du sang dans les tissus.
Pour traverser cette barrière, les protéines
sériques (présentes en grande concentration
dans le plasma) utilisent un mécanisme de
transport non spécifique (9) : la diffusion en
phase fluide par l'intermédiaire des vésicules plasmalemmales (figure 1).
Néanmoins, ce mécanisme est trop lent
comparé à l’action rapide des hormones
protéiques qui sont, de plus, présentes en
très faible concentration dans le plasma.
D’autres mécanismes doivent donc être
impliqués dans le transport transendothélial
(transcytose) des hormones protéiques.
Figure 1. Transport transendothélial des protéines sériques : micrographie électronique illustrant le passage
de l’immunoglobuline G couplée à l'or colloïdal de 5 nm. Pour traverser la barrière endothéliale, les protéines
sériques, comme par exemple les immunoglobulines, présentes en grande concentration dans le plasma, utilisent un mécanisme de transport non spécifique, en phase fluide, par l’intermédiaire des vésicules lisses.
bl : lame basale, cp : puit recouvert de clathrine, END : endothélium capillaire, is : espace interstitiel,
L : lumière du capillaire, va : vésicule lisse abluminale, vl : vésicule lisse luminale.
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L’endothélium vasculaire
exprime des récepteurs
spécifiques aux hormones
protéiques incluant les hormones
glycoprotéiques hypophysaires
Les résultats des expériences, effectuées
dans différents laboratoires (dont le nôtre)
au cours des 20 dernières années, ont montré que l’endothélium vasculaire exprime
des récepteurs pour plusieurs hormones protéiques telles que : l’insuline, le glucagon, la
vasopressine, l’ocytocine, l’angiotensine II,
la leptine, la prolactine, la calcitonine et les
gonadotrophines (10, 11). Parmi ces hormones, certaines sont à la fois endocytosées
et transcytosées. C’est le cas de l’insuline
(12). D’autres hormones comme, par
exemple, la leptine (13) et l’hCG (14), traversent la barrière endothéliale sans dégradation apparente. Un transport unidirectionnel de la lumière des vaisseaux vers le pôle
tissulaire a été rapporté pour la grande
majorité des hormones protéiques. Un transport du pôle tissulaire vers la lumière des
vaisseaux a été décrit pour l'interleukine-8
(15).
À l’exception des gonadotrophines, dont
nous reparlerons, les organites impliqués
dans la transcytose par l’intermédiaire de
récepteurs aux hormones protéiques sont
inconnus. Les mécanismes moléculaires
impliqués dans ce transport transendothélial
(motifs d’internalisation, signaux d’adressage vers les deux pôles de l’endothélium et
les protéines associées aux récepteurs) restent, eux aussi, inconnus.
Transcytose des gonadotrophines :
organites et mécanismes impliqués
Pour atteindre leurs cellules cibles, les
gonadotrophines doivent traverser la barrière vasculaire des gonades (figure 2). Leur
concentration dans le sérum est faible et
Figure 2. Micrographie électronique illustrant la
barrière sang-testicule et les cellules cibles des
gonadotrophines.
ei : espace interstitiel end : endothélium capillaire
L : lumière du capillaire LC : cellules de Leydig
(cibles de la LH) SC : cellules de Sertoli (cibles de
la FSH)
varie de manière pulsatile (11). De plus, les
gonadotrophines contenant de la N-acétylgalactosamine-sulfatée seraient rapidement
captées par les cellules non parenchymateuses du foie (le récepteur impliqué étant
distinct des systèmes classiques) (16). Par
ailleurs, un maximum d'activité hormonale
nécessite la disparition rapide des gonadotrophines de la circulation. Donc, pour ces
hormones, un transport transendothélial
rapide et spécifique est indispensable.
Nous avons étudié par microscopie électronique ce mécanisme (14). Le transfert de
l’hormone radioactive a également été analysé. Des expériences in situ, en perfusant
des testicules de rat avec de l’or colloïdal
(visible en microscopie électronique) couplé
a l’hCG, nous ont permis de démontrer l’interaction de l’hormone avec un composant
de la surface endothéliale. Nous avons identifié ce composant par immunocytochimie
ultrastructurale et par immunochimie
comme étant le récepteur de la LH.
La transcytose de l'hCG a lieu en plusieurs
étapes :
1. liaison de l’hormone aux récepteurs spécifiques localisés sur la surface luminale des
cellules endothéliales (artérioles, capillaires,
veinules) ;
2. concentration des complexes hormonerécepteur (H-r) dans les puits recouverts de
clathrine ;
3. l’internalisation et le transfert du complexe H-r par le biais des vésicules recouvertes de clathrine au niveau des endosomes ;
4. transport du complexe H-r vers le pôle
tissulaire via les vésicules lisses bourgeonnant à partir des endosomes ; fusion de ces
vésicules avec la membrane plasmique
abluminale ;
5. dissociation du complexe H-r et relargage
de l’hormone dans l’espace interstitiel.
Nous avons récemment mis en évidence une
voie similaire de transcytose pour la FSH
(N. Ghinea, manuscrit soumis pour publication).
L’hormone et son récepteur
suivent le même trafic
transendothélial
Pour suivre sur les mêmes coupes les voies
de transcytose de l'hormone et de son récepteur, nous avons effectué des expériences de
double marquage. Des anticorps monoclonaux dirigés contre le récepteur de la LH et
couplés à l’or colloïdal de 5 nm ont été utilisés comme marqueurs directs du récepteur
LH-r. Ils se fixent sur le domaine extracellulaire du récepteur et n’interfèrent pas avec
la liaison de l’hormone et l’activation de
l’adénylate-cyclase. Par contre, le devenir
de l’hormone a été suivi en couplant l’hCG
à l’or colloïdal de 15 nm. En perfusant un
mélange de hCG-Au15 nm et LH-r729-Au 5 nm
nous avons observé une colocalisation des
deux traceurs dans les puits recouverts de
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clathrine (figure 3A), les vésicules recouvertes de clathrine (figure 3B), les endosomes (figure 3C) et les vésicules lisses
voisines du pôle tissulaire (figure 3D). Les
deux marqueurs ont été libérés dans l’espace interstitiel (figure 3E).
La spécificité de la transcytose
de l’hCG par l’intermédiaire de
récepteurs de la LH
Ce mécanisme de transcytose est spécifique :
le transport transendothélial des traceurs
(hCG-or colloïdal, 125I-hCG) est saturable
car il est inhibé par des concentrations
croissantes d'hormones non marquées. Il est
également dépendant d’énergie. Ce type de
transport est tissu-spécifique : il n’a pas été
observé dans des organes non cibles (graisse
épididymaire, cœur, poumon, diaphragme).
Conclusion
Les hormones glycoprotéiques hypophysaires sont sécrétées de manière pulsée en
faibles concentrations dans le sang. Leur
disparition rapide de la circulation sanguine
est nécessaire pour atteindre un maximum
d’activité hormonale. En conséquence, un
transport transendothélial rapide et spécifique est indispensable.
Les études immunocytochimiques et immunochimiques montrent qu’au niveau des
organes cibles (et pas dans les organes non
cibles), les cellules endothéliales des microvaisseaux expriment des récepteurs aux hormones glycoprotéiques hypophysaires. Ces
récepteurs, identiques à ceux des cellules
cibles, lient, concentrent et aident les hormones à traverser rapidement la barrière
endothéliale.
La littérature suggère que ce type de transport transendothélial (transcytose), par l’intermédiaire de récepteurs, pourrait avoir une
portée relativement générale pour les hormones peptidiques et protéiques. La trans-
Figure 3 (A, B, C, D et E). Comparaison des voies de transcytose de l’hCG et du récepteur de la LH dans l’endothélium capillaire de testicule du rat. Expérience de double marquage avec hCG-Au15 nm et LHR729-Au5 nm.
Les deux traceurs marquent les mêmes organites cellulaires suggérant des voies communes de transcytose pour
l'hormone et le récepteur (flèches).
Cp : puit recouvert de clathrine, cv : vésicule recouverte de clathrine, ei : espace interstitiel, etv : endosomes
tubulo-vésiculaires, L : lumière du capillaire, mp : membrane plasmique, V : vésicule lisse.
cytose d’hormone peut donc constituer un
niveau de régulation hormonale.
L’analyse de ce mécanisme de transcytose
au niveau moléculaire (motifs d’internalisation, signaux d’adressage vers le front tissulaire, protéines associées) est une priorité.
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Les mécanismes du trafic cellulaire des hormones protéiques, une fois établis, devraient
nous permettre d’envisager des applications
dans les domaines du ciblage des médicaments et de la thérapie génique. En effet, ce
type d’expériences nécessite l’utilisation de
vecteurs capables de délivrer l’agent thérapeutique d’une manière efficace et sélective
au niveau des organes malades. Ce pourrait
être le cas avec les hormones peptidiques et
les anticorps monoclonaux dirigés contre
leurs récepteurs.
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