Biochimie des hormones
et leurs mécanismes d’action.
D-Récepteurs nucléaires
J. Bertherat
Résumé. – Les récepteurs nucléaires sont des facteurs de transcription dont les ligands sont des hormones
(stéroïdiennes, thyroïdiennes) ou substances (vitamine D, acide rétinoïque….) diffusant à travers la
membrane cellulaire. Certains récepteurs nucléaires identifiés par les techniques de biologie moléculaire n’ont
pas de ligand naturel connu et sont appelés récepteurs orphelins. Les récepteurs nucléaires partagent une
organisation commune en domaines : domaine de transactivation, domaine de liaison du ligand (LBD) et
domaine de liaison à l’acide désoxyribonucléique (ADN) (DBD). L’activité des récepteurs nucléaires est
régulée par des coactivateurs et corépresseurs jouant un rôle important dans le contrôle de l’expression des
gènes cibles des récepteurs nucléaires.
© 2004 Elsevier SAS. Tous droits réservés.
Mots-clés : Récepteurs nucléaires ; Récepteurs orphelins ; Hormones stéroïdes ; Transcription ;
Coactivateurs ; Corépresseurs
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.
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. [7] 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
(Fig. 1). 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 (Tableaux 1, 2). Actuel-
J. Bertherat
Adresse e-mail : jerome.bertherat@cch.ap-hop-paris.fr
Service d’endocrinologie et département d’endocrinologie, hôpital Cochin, 27, rue du Faubourg-Saint-
Jacques, 75014, Paris, France.
1900
Wieland 1927
Windaus 1928
Butenandt, Ruzika 1939
Kendall, Reichstein, Hench 1950
GR, ER 1985
TR 1986
RAR 1987
1990
Clonage par homologie de séquence
des récepteurs orphelins
Structure du RXR 1995
Clonage «in silico»
Séquence «complète»
du génome humain
2000
1970
Hypothèse de facteurs
«non ADN» liant
les récepteurs nucléaires
1992
Clonage des coactivateurs
et corépresseurs
2004
Figure 1 Historique de l’étude des récepteurs nucléaires et de leurs coactivateurs et
corépresseurs (d’après [5, 7]). ADN : acide désoxiribonucléique.
Encyclopédie Médico-Chirurgicale 10-001-D-10 (2004)
10-001-D-10
lement, 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.
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 (Fig. 3). 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 (Fig. 4). 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. [2, 5, 6] Initialement l’existence de facteurs
Tableau 2. – Récepteurs orphelins (d’après [7])
Récepteur « orphelin » Ligand naturel identifié
CAR 3alpha,5alpha-androstanol
COUP
DAX
ERR
FXR Acide chénodéoxycholique
GCNF
HNF4 Acide palmitique
LRH
LXR 24(S)-hydroxycholestérol, 24(S),25-epoxycholestérol
NGFI-B
PNR
PPAR Acide eicosapentaenoïque
PXR 5 b-prégnane-3,20-dione
RevErbA
ROR Acide stéarique
RXR 9-cis-acide rétinoïque
SF1
SHP
TLX
TR2
Cys Cys
Cys Cys
Zn
Cys Cys
Cys Cys
Zn
Figure 2 Structure des doigts de zinc du domaine de liaison de l’acide désoxyribonucléique
(ADN) (DBD) des récepteurs nucléaires.
Tableau 1. – Récepteurs nucléaires hormonaux identifiés chez
l’homme
Récepteur nucléaire Ligand
Récepteur aux androgènes (AR) Dihydrotestostérone
Récepteur aux estrogènes (ER) Estradiol
Récepteur à la progestérone (PR) Progestérone
Récepteur aux glucocorticoïdes (GR) Cortisol
Récepteur aux minéralocorticoïdes (MR) Aldostérone
Récepteur à l’acide rétinoïque (RAR) Acide rétinoïque (trans-RA)
Récepteur aux hormones thyroïdiennes (TR) T3
Récepteur de la vitamine D (VDR) 1,25-dihydroxyvitamine D3
AF1
LBD
DBD
SRC/ P160
CARM1/
PRMT1
TBP/TAFs
ARN polII
Figure 3 Modèle d’activation de la transcription par les récepteurs nucléaires.
Après liaison du ligand (L) au domaine de liaison du récepteur (LBD) les coactivateurs
SRC/p160 et CARM1/PRMT1 participent au recrutement du complexe basal de la machinerie
transcriptionnelle (TBP/TAFs et l’acide ribonucléique [ARN] polymérase),
conduisant à la stimulation de la transcription.
10-001-D-10 Biochimie des hormones et leurs mécanismes d’action. D-Récepteurs nucléaires Endocrinologie-Nutrition
2
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 (Tableau 3). 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 ERa des
estrogènes. [4] En l’absence de ligand, ERa 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, ERa subi des modifications
conformationnelles induisant la dissociation des HSP. Cela
facilite alors l’interaction d’un dimère de récepteur ERa 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 ERa. 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 ERa est assez similaire et leur quantité dans
chaque cellule détermine donc la formation de complexe entre
ces coactivateurs et ERa. 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 ERa et modulent l’activité du
domaine AF-1. ERa est aussi l’objet de régulations négatives, par
exemple par ERb. Le récepteur de la progestérone PR-A module
aussi l’activité des estrogènes en bloquant l’action de ERa. Un
grand nombre de corépresseurs peuvent aussi inhiber l’action
de ERa : NcoR, SMRT, RIP140, DAX-1…
Les coactivateurs peuvent aussi moduler l’activité des récepteurs
en modulant le trafic nucléocytoplasmique des récepteurs
nucléaires. [1] 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 (Fig. 2). [3] 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.
A/B DBD LBD
<15% 94% 57%
<15% 90% 55%
<15% 76% 50%
<15% 52% 30%
GRα
ERα
MR
PR-A
AR
Figure 4 Structure protéique des récepteurs nucléaires des hormones stéroïdes. La
figure illustre les différents domaines du récepteur au glucocorticoïde (GR en haut) et
l’homologie entre les différents récepteurs aux hormones stéroïdes exprimée en%pour
chaque domaine des différents récepteurs par rapport à la séquence du récepteur GR .
(D’après3).
Tableau 3. – Corégulateurs des récepteurs nucléaires (d’après [2, 6])
Coactivateurs Corépresseurs
RIP140 SMRT
SRC-1/NcoA-1 NcoR
TIF2/GRIP-1/SRC-2 REA
P/CIP/RAC3/ACTR/AIB-1/TRAM-1/SRC-3 Calreticulin
CBP/p300 Cyclin D1
TRAPs/DRIPs HBO1
PGC-1
CARM-1
PRIP/ASC-2/AIB3/RAP250/NRC
GT-198
SHAP, CoAA, p68, p72
Endocrinologie-Nutrition Biochimie des hormones et leurs mécanismes d’action. D-Récepteurs nucléaires 10-001-D-10
3
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. [3]
Références
[1] De Franco DB. Navigating steroid hormone receptors through the nuclear compartment.
Mol Endocrinol 2002; 16: 1449-1455
[2] Heinlein CA, Chang C. Androgen receptor (AR) coregulators: an overview. Endocr Rev 2002;
23: 175-200
[3] Kino T, Charmandari E, Chrousos GP. Glucocorticoid receptor. 2003.
http://www.endotext.org
[4] McDonnel DP, Norris JD. Connections and regulation of the human estrogen receptor.
Science 2002; 296: 1642-1644
[5] McKenna NJ, O’Malley B. Nuclear receptor coactivators. Endocrinology 2002; 143:
2461-2465
[6] McKenna NJ, O’Malley BW. Combinatorial control of gene expression by nuclear receptors
and coregulators. Cell 2002; 108: 465-474
[7] Willson TM, Moore JT. Genomics versus orphan nuclear receptors. Mol Endocrinol 2002; 16:
1135-1144
10-001-D-10 Biochimie des hormones et leurs mécanismes d’action. D-Récepteurs nucléaires Endocrinologie-Nutrition
4