Pathologie des protéines G

ARTICLE

Les protéines G sont incriminées dans plusieurs pathologies endocriniennes de l'enfant, pseudohypoparathyroidie, puberté précoce, hyperthyroïdie[1,2]. Cependant, le champ de leurs implications physiopathologiques s'élargit chaque année un peu plus (tumorigenèse, HTA), il devient donc indispensable à tous, et non uniquement au groupe restreint des endocrinologues pédiatres, de connaître leur fonction afin de savoir quand et comment les étudier devant certains diagnostics.

Les protéines G sont appelées ainsi parce qu'elles lient avec une grande affinité et une forte spécificité les nucléotides guanine (GTP)[3]. Elles interagissent avec les récepteurs à 7 domaines transmembranaires. Ces récepteurs sont activés par plusieurs hormones (PTH, TSH, gonadotropines, glucagon, catécholamines) ou certains stimuli non peptidiques (photons lumineux, odeurs, ions). Lors des 20 dernières années, plusieurs maladies endocriniennes ont été attribuées à des mutations de ces protéines, permettant ainsi une meilleure compréhension de la physiopathologie et de la transmission du signal intracellulaire. Ces mutations peuvent être de deux sortes. Soit elles entraînent une diminution, voire une interruption de la transmission du signal, il s'agit de mutations "pertes de fonction ". Soit elles conduisent à une activation permanente du signal et sont alors appelées mutations " gain de fonction ".

Protéines G : structure et fonction

Les protéines G forment un complexe hétérotrimérique de trois sous-unités alpha, ß, gamma et se présentent sous deux formes principales. Un état inactif dans lequel les trois sous-unités sont associées et n'interagissent pas avec les effecteurs. Et un état actif, dans lequel la sous-unité alpha lie le GTP, et se sépare du dimère ßgamma. L'hydrolyse du GTP en GDP par l'activité GTPase intrinsèque de la sous-unité alpha permet le retour à l'état inactif (figure 1A). Lors de l'état actif, les protéines G régulent l'activité de plusieurs effecteurs : enzymes (adénylate cyclase, phospholipase C) ou canaux ioniques. Ces effecteurs modifient alors les concentrations en ions ou en seconds messagers (AMPc, GMP, phosphatidil inositol), ce qui aboutit finalement à la réponse cellulaire (figure 1B).

Chacune des trois sous-unités des protéines G appartient à une famille protéique spécifique codée par des gènes différents[4]. A ce jour, 16 sous-unités alpha, 6 sous-unités ß et 12 sous-unités gamma sont décrites. Les sous-unités alpha définissent différentes protéines G selon leur mode de transmission du signal (tableau 1). Ces protéines ont toutes une expression ubiquitaire.

Inactivation des protéines G :
le signal n'est plus transmis !

Une pathologie pédiatrique décrite par Albright en 1942[5], la pseudohypoparathyroïdie, a permis d'étudier les résistances hormonales, puis le rôle des protéines G dont l'activité biologique diminuée empêche la transmission du signal en aval de l'hormone.

la Pseudohypoparathyroïdie Ia :

La pseudohypoparathyroïdie est la première maladie décrite due à une résistance hormonale (la parathormone PTH). Il s'agit d'une maladie hétérogène à transmission autosomique dominante regroupant des signes divers dépendant ou non du déficit hormonal. L'âge moyen au moment du diagnostic est de 6 ans et 4 mois (de 3 mois à 15 ans)[6]. Le syndrome dysmorphique observé par Albright comprend une brachymétacarpie, généralement du IVème et Vème, parfois une brachymétatarsie, un faciès lunaire, une petite taille, une obésité, des calcifications hétérotopiques (sous-cutanées, intracérébrales, tendineuses), un canal lombaire étroit, inconstamment un
retard mental (figure 2). La résistance à la PTH est définie par l'association hypocalcémie, hyperphosphorémie, le taux sérique élevé de PTH et l'absence d'élévation de l'AMPc urinaire après injection de PTH exogène. D'autres résistances à des hormones utilisant le même système de couplage protéine G / adénylate cyclase / AMPc (TSH, gonadotropines, ACTH, glucagon, calcitonine [7]) sont parfois associées. L'activité biologique de la protéine G est diminuée chez ces patients [8] et l'étude du gène GNAS1 codant pour la sous-unité alpha a alors mis en évidence des mutations hétérozygotes inactivatrices chez 50 [9] à 80 % des cas index (données personnelles). Cette pathologie a la particularité de se présenter sous des phénotypes très variables. En effet, dans la famille d'un patient atteint de pseudohypoparathyroïdie, il est fréquent d'observer des sujets présentant le syndrome dysmorphique sans aucune résistance hormonale décelable, ceux-ci sont décrits sous le terme de pseudopseudohypoparathyroïdie. Par ailleurs, l'expression de la maladie diffère également d'une famille à l'autre, l'apparition des résistances hormonales se faisant progressivement et n'étant pas constante chez les individus atteints.

Il existe probablement un lien entre la nature de la lésion génétique et la sévérité du phénotype observé. En effet, il est facile de concevoir qu'une délétion importante du gène conduisant à la production d'une protéine tronquée, amputée de ses domaines d'activités biologiques (liaison au récepteur, à l'effecteur, au GTP, activité GTPase), empêche la transmission du signal intracellulaire malgré la présence de l'hormone. Cependant, ce mécanisme n'explique pas d'une part, la coexistence au sein d'une même famille de sujets ayant des phénotypes très différents, et d'autre part, l'association d'un phénotype sévère à une mutation hétérozygote, permettant la production de 50 % de protéine active non mutée. Plusieurs arguments suggèrent un rôle important de l'empreinte parentale comme facteur de cette variabilité phénotypique (encadré 1). Premièrement, l'étude de la transmission des phénotypes de 66 sujets [10] a révélé que les 60 patients atteints de pseudohypoparathyroïdie avaient hérité le phénotype de leur mère, alors que les 6 sujets atteints de pseudopseudohypoparathyroïdie l'avaient hérité de leur père. Deuxièmement, le gène GNAS1 est localisé en 20q13, région synténique avec le gène gnas1 de la
souris situé dans une région soumise à empreinte. Troisièmement l'invalidation de ce gène chez la souris [11] a produit deux phénotypes différents (l'un sévère, l'autre beaucoup moins) selon l'origine paternelle ou maternelle du gène lésé. Plus précisément, l'étude de différents tissus chez ces souris a montré une tissu-spécificité de l'empreinte parentale. Ainsi, seul l'allèle maternel s'exprime dans le cortex rénal (site d'action de la PTH) ou dans le tissu adipeux blanc, alors que les deux allèles, paternel et maternel s'expriment dans la médullaire rénale. Cette spécificité tissulaire apporte un éclairage nouveau sur le phénotype particulier de cette maladie (obésité, os, retard mental) causée par une anomalie sévère d'une protéine ubiquitaire.

Deux mutations inactivatrices particulières de la sous-unité as

Une observation remarquable de pseudohypoparathyroïdie Ia et testotoxicose (pseudopuberté précoce liée à une hypersecrétion de testostérone testiculaire) a été décrite[12]. Ces deux syndromes mettent en jeu la protéine G sous deux angles différents, l'un (pseudohypoparathyroïdie) est lié à une inactivation, l'autre à une hyperactivation de la protéine (synthèse de testostérone malgré de faibles taux de LH). Une mutation particulière a pu être identifiée et étudiée. Celle-ci (A366S) modifie considérablement la stabilité de la protéine en fonction de la température environnementale. A 37 °C, température du corps, la demi-vie de la protéine est très brève, responsable d'une nette diminution de la transmission du signal et donc du phénotype de pseudohypoparathyroïdie.
A 32-35 °C, température du testicule, la dénaturation de la protéine est réduite et la sous-unité alpha est maintenue en conformation active, liée au GTP. Elle stimule localement l'adénylate cyclase de façon permanente et il en résulte la testotoxicose.

La pseudohypoparathyroïdie Ib est caractérisée par une résistance à la PTH limitée au rein, sans anomalie clinique et sans diminution de l'activité Gsalpha érythrocytaire. La recherche de mutation du gène du récepteur à la PTH et de la sous-unité alpha n'a rien donné. Cependant, le gène responsable de cette pathologie, également soumise à empreinte parentale, a été récemment localisé par analyse de liaison en 20q13.3 [13], région très proche du gène GNAS1 (20q13) de la sous-unité alpha. Il devient alors possible de concevoir dans cette région la présence d'un promoteur ou d'un enhancer du gène GNAS1 à expression uniquement rénale et responsable de ce phénotype particulier.

Congenital night blindness

D'autres types de sous-unité alpha ont également été incriminés en pathologie humaine. Dans une famille atteinte d'une forme particulière de cécité (vision normale en pleine lumière mais cécité complète dans les environnements mal éclairés), l'étude génétique systématique des gènes candidats a permis d'identifier une mutation inactivatrice de la sous-unité alpha de la rod-transducine (protéine G couplée au récepteur rhodopsine)[14]. Cette mutation conduit à l'interruption du signal lors de la stimulation du récepteur rhodopsine, normalement stimulé par les photons lors de la vision nocturne.

La coqueluche : un exemple d'inactivation de Galpha_i

La toxine pertussique produit une ADP-ribosylation de la protéine Galpha_i empêchant ainsi toute activité biologique de la protéine. Le lien entre la symptomatologie de la coqueluche et la diminution de l'activité de Galpha_i n'a pas clairement été établi.

Mutations des autres sous-unités ß ou gamma : une possibilité à ne pas négliger

Les travaux sur l'hypertension artérielle essentielle de l'adulte ont récemment fourni plusieurs arguments impliquant les protéines G. En effet, les lymphocytes de 50 % des patients hypertendus ont une activité accrue de leurs canaux échangeurs d'ions Na⁺/H⁺, activité qui reste élevée si ces lymphocytes sont immortalisés en culture [15]. Cette augmentation d'activité a ensuite été attribuée à une activation du signal transmis par les protéines G[16]. Parallèlement, une mutation a été identifiée sur le gène codant pour la sous-unité ß₃, la protéine mutée étant retrouvée de façon significative dans les cellules des patients hypertendus[17]. Cependant, plusieurs points restent à éclaircir : la sous-unité ß₃ interagissant avec Galpha_i (inhibitrice), quel est le mécanisme conduisant à une augmentation du signal ? Même si ce polymorphisme est présent chez 53 % des sujets hypertendus, comment expliquer sa présence chez 44 % des sujets normotendus ? N'est-il pas uniquement le reflet de la population générale ?

Hyperactivation des protéines G :
le signal ne s'arrête plus !

Le signal intracellulaire est dit activé lorsqu'il est transmis malgré l'absence ou la faible quantité du ligand stimulateur (Figure 1B). L'un des mécanismes activant le signal est l'intensification de l'activité des protéines G. En effet, lorsque la sous-unité alpha est modifiée sur deux sites précis (les résidus arginine en 201 (cible de la toxine cholérique) et glutamine en 227), il en résulte un gain de fonction de la protéine G. Ces deux acides aminés permettent une hydrolyse rapide du GTP lié à la protéine. Leur modification entraîne un changement de conformation et une plus grande stabilité de la forme liée au GTP, c'est à dire de la forme active de la protéine (Figure 1A).

Activation transitoire de Gsalpha : le choléra

Le choléra représente un modèle d'activation de la sous-unité alphas[18]. La toxine cholérique modifie le résidu arginine 201 de la protéine alphas par ADP-ribosylation. L'augmentation secondaire de la concentration d'AMPc dans les cellules de la muqueuse intestinale conduit alors à des modifications de la perméabilité cellulaire et au syndrome diarrhéique. Exprimée par les cellules somatotropes de souris transgéniques, la toxine cholérique induit alors par ce mécanisme une hyperplasie pituitaire et un gigantisme[19].

Activation permanente de Gsalpha :
les mutations gain de fonction (syndrome de McCune-Albright, acromégalie)

Le syndrome de McCune-Albright (MAS) est une maladie sporadique diagnostiquée à tous les âges, regroupant différentes atteintes endocriniennes ou non : dysplasie osseuse multifocale, tâches café-au-lait, puberté précoce d'origine gonadique, acromégalie par adénome pituitaire à GH, nodules thyroïdiens, adénomes corticotropes. Les formes sévères [20] à révélation néonatale sont exceptionnelles et comportent une atteinte cardiaque (troubles du rythme, mort subite) ou hépatique (cytolyse, cholestase). Elles aboutissent généralement à un décès précoce. Cette pathologie est la conséquence d'une mutation activatrice somatique de Gsalpha [21], dans un ou plusieurs tissus (l'os, la thyroïde, la surrénale, les gonades, les hépatocytes, le myocarde). La mutation se produit à un stade postzygotique plus ou moins précoce ; plus l'événement survient tôt, plus le nombre de tissus atteints est important. Cela correspond au mosaïcisme tissulaire observé chez ces patients. Les mutations germinales activatrices des protéines G ne sont pas compatibles avec la vie.

La protéine Gsalpha activée est appelée oncogène gsp (G stimulatory protein) ; elle a été retrouvée dans plusieurs types de proliférations cellulaires : 40 % des tumeurs pituitaires sécrétant de la GH[22], 0 à 73 % des cancers thyroïdiens selon les séries[23], dans une faible proportion des adénomes toxiques thyroidiens[24], dans 66 % d'une série de 6 tumeurs à cellules de Leydig ovariennes ou testiculaires[25]. Elle semble également être impliquée dans la tumorigenèse de certains cancers prostatiques[26]. Le potentiel oncogénique de la protéine gsp a été confirmé lors de l'observation de l'apparition de tumeurs thyroïdiennes chez la souris transgénique[27].

Un autre mécanisme d'hyperactivation de la sous-unité alphas a été évoqué pour certaines tumeurs de la granulosa ovarienne et de la cortico-surrénale. En effet, dans ces tissus néoplasiques a été identifiée une mutation de la sous-unité Galpha_i2, sous-unité inhibitrice (oncogène gip2)[28]. Elle supprimerait les mécanismes d'inhibition de transmission du signal. Mais ceci n'a pas été confirmé[29,30] et semble rarement impliqué dans l'apparition de ces tumeurs.

Perspectives et avenir...

Compréhension de la physiopathologie

L'identification des mutations des sous-unités alpha des protéines G a permis de comprendre le rôle et la structure des différents composants du signal intracellulaire et d'appréhender des mécanismes de régulation importants, tels que l'empreinte parentale. Il devient alors possible d'identifier d'autres pathologies liées aux protéines G, soit par analogie avec les mécanismes existants, soit par des souris transgéniques, excellents modèles physiopathologiques (tableau 2). D'autre part, la progression dans la connaissance de ces protéines permet d'imaginer des systèmes responsables de pathologies plus subtils que la simple relation mutation-maladie : par exemple, une modification prétranscriptionnelle (activation d'un enhancer à expression rénale évoquée pour la pseudohypoparathyroïdie Ib), post-traductionnelle (transport, phosphorylation de la protéine) ou la présence de polymorphismes entraînant une prédisposition pour certaines pathologies (HTA).

Il faut cependant se rappeler qu'un defect ou une activation du signal intracellulaire ne sont pas forcément dus à une anomalie des protéines G. De nombreux autres acteurs sont impliqués et méritent d'être explorés : récepteurs couplés aux protéines G, sous-unités ß ou gamma, régulateurs du signal des protéines G (RGS)[31].

Implications pour le diagnostic et le traitement

L'identification d'une lésion génétique peut, pour la pseudohypoparathyroïdie Ia, donner lieu à un conseil génétique : risque de transmission de 50 %, prédiction d'une atteinte sévère si la mère est atteinte ou d'une pseudopseudohypoparathyrïdie si le père est atteint. Les mutations activatrices, survenant sporadiquement, n'induisent pas de conseil génétique, excepté pour rassurer quant au très faible risque de récidive lors d'une grossesse ultérieure.

Les conséquences thérapeutiques actuelles du diagnostic moléculaire des pathologies des protéines G sont limitées : remplacement de l'hormone manquante dans les mutations entraînant une perte de fonction, traitement médical ou surtout chirurgical des hypersécrétions hormonales. Cependant, chez les patients acromégales, la présence de l'oncogène gsp semble prédire une meilleure réponse au traitement médical par la somatostatine (la somatostatine agit par l'intermédiaire d'un récepteur couplé à une protéine G alpha inhibitrice)[32,33]. Il est pourtant possible d'imaginer plusieurs possibilités thérapeutiques : pour les maladies à mutations gain de fonction, identification d'un agoniste inhibiteur ou activation d'un gène inhibiteur par thérapie génique ; pour les maladies à mutation perte de fonction, remplacement du gène atteint. Plusieurs obstacles restent encore à franchir : identification des tissus mutés, ubiquité de la protéine, stabilité de la transfection...

ENCADRÉ 1

L'empreinte parentale, une explication [34]

Sur les autosomes, chaque gène est présent en double : l'un sur le chromosome d'origine paternelle, l'autre sur celui d'origine maternelle. Les gènes paternels ou maternels ne s'expriment pas forcément de façon équivalente. Ainsi, le gène paternel peut être inactivé, il est soumis à l'empreinte parentale, alors que seul le gène maternel s'exprime.

L'exemple le plus célèbre de pathologies liées à l'empreinte parentale est celui des syndomes de Prader-Willi et Angelman.

REFERENCES

1. Spiegel A.M. 1997. The molecular basis of disorders caused by defects in G protein. Horm Res 47 : 89-96.

2. Farfel Z., Bourne H.R., Iiri T. 1999. The expanding spectrum of G protein diseases. N Engl J Med 340 : 1012-1020.

3. Bourne H.R., Sanders D.A., Mc Cormick F. 1991. The GTPase family : conserved Structure and Molecular Mechanism. Nature 349 : 117-127.

4. Neer E.J. 1995. Heterotrimeric G proteins : organizers of transmembrane signals. Cell 80 : 249-257.

5. Albright F., Burnett C.H., Smith P.H., Parson W. 1942. Pseudohypoparathyroidism ­ an exemple of Seabright-Bantam syndrome. Endocrinology 30 : 922-932.

6. Marguet C., Mallet E., Basuyau J.P., Martin D., Leroy M., Brunelle Ph. 1997. Clinical and biological heterogeneity in pseudohypoparathyroidism syndrome. Horm Res 48 : 120-130.

7. Calcitonine abstract Lille

8. Levine M. A., Downs R.W., Singer M., Marx S.J., Aurbach G.D., Spiegel A.M. 1980. Deficient activity of guanine nucleotide Regulatory protein in erythrocytes from patients with pseudohypoparathyroidism. Biochem Biophys Res Com 94 : 1319-1324.

9. Ahmed S.F., Dixon P.H., Bonthron D.T., Stirling H.F., Barr D.G.D., Kelnar J.H., Thakker R.V. 1998. GNAS1 mutational analysis in pseudohypoparathyroidism. Clin Endocrinol 49 : 525-531.

10. Davies S.J., Hughes H.E. 1993. Imprinting in Albright's hereditary osteodystrophy. J Med Genet 30 : 101-103.

11. Yu S., Yu D., Lee E., Eckhaus M., Lee R., Corria Z., Accili D., Westphal H., Weinstein L.S. 1998. Variable and tissue-specific hormone resistance in heterotrimeric Gs protein alpha-subunit (Gsalpha) knockout mice is due to tissue-specific imprinting of the Gsalpha gene. Proc Natl Acad Sci USA 95 : 8715-8720.

12. Liri T., Herzmark P., Nakamoto J.M., Van Dop C., Bourne H.R. 1994. Rapid GDP release from Gsalpha in patients with gain and loss of endocrine function. Nature 371 : 164-167.

13. Juppner H., Shipani E., Bastepe M. 1998. The gene responsible for pseudohypoparathyroidism Ib is paternally imprinted and
maps in four unrelated kindreds to chromosome 20q13.3. Proc Natl Acad Sci USA 95 : 11798-11803.

14. Dryja T., Hahn L.B., Reboul T., Arnaud B. 1996. Missense mutation in the gene encoding the alpha subunit of Rod transducine in the Nougaret form of congenital stationary blindness. Nat Genet 13 : 358-360.

15. Siffert W., Rosskopf D., Moritz A., Wieland T., Jakobs K.H. et al. 1995. Enhanced G protein activation in immortalized lymphoblasts from patients with essential hypertension. J Clin Invest 96 : 759-766.

16. Pietruck F. et al. 1996. Selectively enhanced cellular signaling by Gi proteins in essential hypertension. Galpha_i2, Galpha_i3, Gß₁ and Gß₂ are not mutated. Circ Res 79 : 974-983.

17. Siffert W., Rosskopf D., Siffert G., Bush S., Horsthemke B. et al. 1998. Association of a human G-protein ß₃ subunit variant with hypertension. Nat Genet 18 : 45-48.

18. Sharp G.W., Hynie S. 1971. Stimulation of intestinal adenyl cyclase by cholera toxin. Nature 229 : 266-269.

19. Burton F.H., Hassel K.W., Bloom F.E., Sutcliffe J.G. 1991. Pituitary hyperplasia and gigantism caused by a cholera toxin transgene. Nature 350 : 74-77.

20. Shenker A., Weinstein L.S., Moran A., Pescovitz O.H., Charest N.J., Boney C. M., Van Wyk J.J., Merino M.J., Feuillan P.P., Spiegel A.M. 1993. Severe endocrine and non endocrine manifestations of the McCune-Albright syndrome associated with activating mutations of stimulatory G proteins Gs. J Pediatr 123 : 509-518.

21. Weinstein L.S., Shenker A., Gejman P. V., Merino M.J., Friedman E., Spiegel A.M. 1991. Activating mutations of the stimulatory G protein in the McCune-Albright syndrome. N Engl J Med 325 : 1688-1695.

22. Landis C.A., Masters S.B., Spada A ., Pace A.M., Bourne H.R., Vallar L. 1989. GTPase inhibiting mutations activate the alpha chain of Gs and stimulates adenylyl cyclase in human pituitary tumours. Nature 340 : 692-696.

23. Esapa C., Foster S., Johnson S., Jameson L., Kendall-Taylor P., Harris P.E. 1997. G protein and thyrotropin mutations in thyroid neoplasia. J Clin Endocrinol Metab 82 : 493-496.

24. Van Sande J., Parma J., Tonacchera M., Swillens S., Dumont J., Vassart G. 1995. Somatic and Germline Mutations of the TSH Receptor Gene in Thyroid Diseases. J Clin Endocrinol Metab 80 : 2577-2585.

25. Candida M.B., Fragoso V., Villares S.M.F. et al. 1998. Activating mutations of the stimulatory G protein (gsp) as a putative cause of ovarian and testicular human stromal Leydig cell tumors. J Clin Endocrinol Metab 83 : 2074-2078.

26. Chien J., Wong E., Nikes E., Noble M.J., Pantazis C.G., Shah G.V.1999. Constitutive activation of stimulatory guanine nucleotide binding protein (G(S)alphaQL)-mediated signaling increases invasiveness and tumoreginicity of PC-3M prostate cancer cells. Oncogene 18 : 3376-3382.

27. Michiels F.M., Caillou B., Talbot M., et al. 1994. Oncogenic potential of guanine nucleotide stimulatory factor alpha subunit in thyroid glands of transgenic mice. Proc Natl Acad Sci USA 91 : 10488-10492.

28. Lyons J., Landis C.A., Harsch G., et al. 1990. Two G protein oncogenes in human endocrine tumors. Science 249 : 655-659.

29. Shen Y., Mamers P., Jobling T., Burger H.G., Fuller P.J. 1996. Absence of the previously reported G protein oncogene (gip2) in ovarian granulosa cell tumors. J Clin Endocrinol Metab 81 : 4159-4161.

30. Ligtenberg M.J., Siers M., Themmen A.P., Hanselaar T.G., Willemsen W., Brunner H.G. 1999. Analysis of mutations in genes of the follicle-stimulating hormone receptor signaling pathway in ovarian granulosa cell tumors. J Clin Endocrinol Metab 84 : 2233-2234.

31. Berman D.M., Gilman A.G. 1998. Mammalian RGS proteins : barbarians at the gate. J Biol Chem 273 : 1269-1272.

32.Adams E.F., Lei T., Buchfelder M., Petersen B., Fahlbusch R. 1995. Biochemical characteristics of human pituitary somatotropinomas with and without gsp mutations : in vitro cell culture studies. J Clin Endocrinol Metab 80 : 2077-2081.

33.Feullan P.P., Jones J., Ross J.L. 1995. Growth hormone hypersecretion in a girl with McCune-Albright syndrome : Comparison with controls and response to a dose of long-acting somatostatin analog. J Clin Endocrinol Metab 80 : 1357-1360.

34.Hall J.G. 1997. Genomic imprinting : nature and clinical relevance. Ann Rev Med 48 : 35-44.