Superfamille des récepteurs nucléaires :

Les récepteurs nucléaires sont des facteurs de transcription contrôlant l’expression des gènes régulés par les hormones stéroïdiennes et d’autres ligands ayant la capacité de diffuser à travers la membrane cellulaire.

La capacité de ces hormones et ligands diffusibles à travers la membrane cellulaire de contrôler l’expression génique s’effectue par liaison à ces récepteurs nucléaires.

Ces récepteurs jouent ainsi un rôle essentiel dans un grand nombre de fonctions : développement embryonnaire et organogenèse, régulations métaboliques, prolifération cellulaire et apoptose….

La grande famille des récepteurs nucléaires compte au moins une cinquantaine de membres.

Ces récepteurs nucléaires possèdent tous une organisation en domaines fonctionnels partageant certaines caractéristiques communes.

A - HISTORIQUE :

Historiquement l’identification des récepteurs nucléaires a été effectuée à partir de travaux de biochimie, puis plus récemment des avancées considérables dans la connaissance de ces récepteurs sont venues avec les progrès de la biologie moléculaire.

La première moitié du XXe siècle a été la période d’identification des hormones stéroïdiennes (principalement gonadiques et corticosurrénaliennes), des rétinoïdes et des hormones thyroïdiennes.

L’importance de ces travaux a été attestée par l’attribution d’au moins quatre prix Nobel de médecine et chimie.

Ces hormones ont été caractérisées, puis leurs récepteurs ont été d’abord purifiés puis caractérisés par les techniques biochimiques étudiant la liaison du ligand au récepteur.

Le clonage des récepteurs nucléaires a été réalisé à partir des années 1980.

Les récepteurs des hormones stéroïdiennes ont ainsi été les premiers dont les gènes ont été isolés et la séquence déterminée.

Le récepteur du cortisol a été le premier caractérisé au niveau moléculaire, servant initialement de modèle pour l’étude des récepteurs nucléaires.

Le récepteur de l’estradiol fut cloné presque à la même époque. Dans tous ces travaux moléculaires, les connaissances et les outils issus de l’étude de la biochimie des hormones stéroïdes fut très précieuse.

Les progrès de la biologie moléculaire permirent ensuite d’identifier la séquence de récepteurs très proches des précédents dans leur structure mais ne présentant pas, au moins initialement, de ligand connu.

Ces récepteurs, par leur structure et mécanismes d’action, font partie de la « superfamille » des récepteurs nucléaires et sont dénommés récepteurs « orphelins » pour l’absence de ligand identifié, tout au moins initialement.

Actuellement, le nombre de récepteurs orphelins identifiés dans cette superfamille est supérieur aux récepteurs nucléaires dont le ligand est connu. Parmi ces récepteurs, des ligands endogènes non hormonaux ont par la suite été identifiés.

Citons par exemple l’acide rétinoïque pour RXR qui donna lieu ensuite à des développements thérapeutiques dans certains hémopathies.

Plus récemment des ligands synthétiques du récepteur PPAR ont été développés avec succès pour la thérapeutique du diabète de type 2, utilisant la propriété de ces récepteurs « orphelins » à lier certains acides gras.

Les méthodes les plus récentes pour l’identification des récepteurs nucléaires recourent à l’analyse dite « in silico » des bases de données du génome.

Ces approches ont été très fructueuses dans certaines espèces, comme le vers Caenorhabditis elegans dans laquelle plus de 200 récepteurs orphelins non connus ont pu être identifiés.

Dans l’espèce humaine en revanche, lorsque le génome fut connu à peu près dans son intégralité en 2000, un nombre très limité de nouveaux récepteurs a pu être identifié.

B - STRUCTURE DES RÉCEPTEURS NUCLÉAIRES :

La structure des récepteurs nucléaires peut être décrite en domaines fonctionnels.

Les récepteurs de cette famille présentent un certain nombre de domaines fonctionnels assez proches.

Quatre domaines fonctionnels au moins sont en général présents : à l’extrémité amino-terminale le domaine A/B de transactivation, au centre le domaine de laison à l’ADN (DBD) et à l’extérmité carboxy-terminale le domaine de liaison du ligand (LBD).

L’extrémité amino-terminale est la région la plus variable en termes de longueur et séquence entre les différents récepteurs nucléaires.

Le domaine de liaison à l’ADN (DBD, pour DNA binding domain) joue un rôle essentiel pour ces protéines qui sont des facteurs de transcription contrôlant l’expression des gènes en se liant à leurs séquences régulatrices.

Le DBD comporte une structure dite en « doigt de zinc ».

Les récepteurs nucléaires comportent deux doigts de zinc.

Ils sont constitués de huit résidus cystéines chélatant le Zn2+.

La liaison à l’ADN s’effectue par le DBD au niveau d’une séquence le plus souvent consensus et propre à chaque type de récepteur dénommé HRE (hormone response element) pour les récepteurs des hormones stéroïdiennes ou thyroïdiennes.

Le DBD est la structure la plus conservée entre les différents récepteurs nucléaires.

Le domaine de liaison au ligand (LBD, pour ligand binding domain) est situé à l’extrémité carboxy-terminale.

Le LBD contient des régions essentielles pour la liaison du ligand mais aussi la dimérisation du récepteur.

Le LBD participe aussi à la liaison des cofacteurs du récepteur (coactivateurs et corépresseurs).

Les études de cristallographie ont été essentielles pour comprendre l’importance du LBD dans l’activation du récepteur par le ligand et les modifications de structure induites par la liaison du ligand.

Deux autres domaines jouent un rôle important dans la régulation de la transcription par les récepteurs nucléaires.

Le domaine AF-1, localisé en N-terminal, est un domaine constitutif de transactivation.

Il permet la liaison de nombreux corégulateurs (voir plus loin) mais aussi des protéines du complexe de base de la machinerie transcriptionnelle comme l’acide ribonucléique (ARN) polymérase II, la TATA-binding protein ou les TBP-associated proteins.

Le domaine AF-2, situé dans le LBD, a une activité dépendante du ligand.

Corégulateurs des récepteurs nucléaires :

Les corégulateurs des récepteurs ont été identifiés depuis une douzaine d’années.

Initialement l’existence de facteurs nucléaires « non-ADN » avait été spéculée dès les années 1970.

Ces corégulateurs sont des protéines nucléaires interagissant avec le récepteur nucléaire souvent après liaison du ligand.

Les corégulateurs peuvent être divisés entre les activateurs et les répresseurs.

Un même corégulateur peut interagir avec de nombreux facteurs de transcription pouvant être aussi bien des récepteurs nucléaires que d’autres types de protéines nucléaires.

L’expression d’un grand nombre de corégulateurs est considérée comme très large si ce n’est ubiquitaire. Les coactivateurs des récepteurs nucléaires activent la transcription.

Ils possèdent en commun une structure comportant un motif hélice alpha LXXLL ou une « boîte récepteur nucléaire » unique ou multiple participant à la liaison ligand dépendante du récepteur impliquant le domaine AF-2 de ce dernier.

De nombreux coactivateurs possèdent une activité acétyltransférase permettant de cibler les histones et de configurer ainsi l’environnement du promoteur du gène cible dans une conformation permettant la transcription de ce dernier.

Les corépresseurs exercent la fonction inverse des coactivateurs et sont en général liés aux récepteurs nucléaires en l’absence de ligand.

Ils peuvent aussi être recrutés sur un récepteur nucléaire par un antagoniste du récepteur (par exemple RU486 ou tamoxifène).

Les séquences peptidiques permettant le recrutement des récepteurs nucléaires sont des hélices amphipatiques appelées « boîtes corépresseurs des récepteurs nucléaires ».

L’activité histone déacétylase fait partie des activités biochimiques d’un grand nombre de corépresseurs.

Cette activité de déacétylation antagonise les propriétés acétyltransférase des coactivateurs.

Il existe ainsi un équilibre complexe entre les coactivateurs et les corépresseurs dont la résultante régule la stimulation de l’expression des gènes par les récepteurs nucléaires.

Mécanismes d’action de récepteurs nucléaires :

L’activation d’un récepteur nucléaire va induire une série d’événements conduisant à la modulation de l’expression des gènes.

Les récepteurs nucléaires se lient à l’ADN dans les séquences régulatrices des gènes qu’ils contrôlent au niveau de séquences propres à chaque type de récepteur et dénommées « hormone response element » (HRE).

Citons comme exemple de régulation le récepteur ER alpha des estrogènes.

En l’absence de ligand, ER alpha est localisé dans le noyau au sein d’un large complexe inhibiteur contenant des protéines de choc thermique (HSP : heat shock protein).

Après liaison de l’estradiol, ER alpha subi des modifications conformationnelles induisant la dissociation des HSP.

Cela facilite alors l’interaction d’un dimère de récepteur ER alpha sur les séquences régulatrices des gènes cibles.

Cette interaction entre l’ERa et les gènes cibles peut être due à la liaison directe du récepteur à l’ADN via un élément de réponse (HRE) aux estrogènes ou indirectement par liaison à d’autres facteurs de transcription comme AP1 ou NF-kB.

Le domaine AF-2 joue un rôle important après liaison du ligand pour le recrutement des coactivateurs sur ER alpha.

Après liaison de l’estradiol, quatre des douze hélices a du LBD (domaine de liaison du ligand) de ERa subissent des modifications importantes.

Cela induit la formation de sites de liaison des coactivateurs importants pour l’activité du domaine AF-2.

Les coactivateurs SRC-1, TIF2, RAC3, ACTR sont parmi ceux les plus étudiés interagissant avec AF-2.

Leur affinité pour ER alpha est assez similaire et leur quantité dans chaque cellule détermine donc la formation de complexe entre ces coactivateurs et ER alpha.

La formation de ces complexes sur les promoteurs des gènes cibles de l’estradiol génère une activité histone acétyltransférase.

Cette activité entraîne des modifications covalentes des histones conduisant à la relaxation de la chromatine. Cela permet alors l’expression des gènes cibles.

D’autres coactivateurs comme p160, CBP, SRA interagissent avec l’extrémité NH2-terminal de ER alpha et modulent l’activité du domaine AF-1.

ER alpha est aussi l’objet de régulations négatives, par exemple par ER bêta.

Le récepteur de la progestérone PR-A module aussi l’activité des estrogènes en bloquant l’action de ER alpha.

Un grand nombre de corépresseurs peuvent aussi inhiber l’action de ER alpha : NcoR, SMRT, RIP140, DAX-1…

Les coactivateurs peuvent aussi moduler l’activité des récepteurs en modulant le trafic nucléocytoplasmique des récepteurs nucléaires.

Ces derniers peuvent alors augmenter le taux de transit du récepteur vers le noyau ou retenir ce dernier dans le noyau.

Le récepteur des glucocorticoïdes réside, en l’absence de ligand, dans le cytoplasme, faisant partie d’un large complexe multiprotéique incluant deux molécules hsp90.

Après liaison du ligand, il s’en dissocie et transite alors vers le noyau.

Cette translocation nucléaire est médiée par deux signaux de localisation nucléaire, NL-1 et NL-2, situés dans le récepteur des glucocorticoïdes.

Les coactivateurs peuvent aussi être modulés par un grand nombre de voix de signalisation.

Ils offrent ainsi un intermédiaire entre l’action d’un récepteur nucléaire médiant l’action d’une hormone diffusible dans la cellule et un ligand extracellulaire agissant par liaison à un récepteur membranaire.

Récepteurs nucléaires et pathologie humaine :

L’intérêt des récepteurs nucléaires comme cible thérapeutique est connu de longue date.

L’utilisation d’agonistes (glucocorticoïdes, androgènes….) de ces récepteurs est évidente.

La mise au point d’antagonistes (spironolactone et récepteur des minéralocorticoïdes par exemple) a aussi été utile en thérapeutique et ne cesse de progresser. Plus récemment, des anomalies moléculaires touchant les gènes de certains récepteurs nucléaires ont été mises en évidence en génétique humaine.

Les mutations inactivatrices du récepteur des hormones thyroïdiennes (TRß) sont responsables du syndrome de résistance aux hormones thyroïdiennes.

De même les mutations inactivatrices du récepteur des androgènes expliquent certaines formes de résistance aux androgènes (testicule féminisant).

La rare résistance aux glucocorticoïdes entraînant une élévation du cortisol sans syndrome de Cushing clinique a pu être expliquée par des mutations délétères du récepteur aux glucocorticoïdes.

À l’inverse, un polymorphisme semblant augmenter la sensibilité aux glucocorticoïdes (Asp363Ser) a été rapporté sur le gène de ce même récepteur et serait associé à une augmentation de l’obésité abdominale.

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