Yves Le Bouc
Centre de Recherche St Antoine UMRS. 938 Inserm-UPMC/Paris VI
Explorations Fonctionnelles Endocriniennes, Hôpital Trousseau, Paris 75012
Les insulin-like growth factors ou IGF sont largement impliqués dans le métabolisme intermédiaire, la prolifération, la différenciation, la survie cellulaire et le développement. Leurs anomalies du fait de leurs expressions et actions ubiquistes sont responsables de nombreuses pathologies de la croissance fœtale, post natale et tumorale.
Biologie du système IGF
Chez les mammifères, le système des IGFs comporte deux ligands structurellement homologues (IGF-I et IGF-II), six protéines de liaison (insulin-like growth factor-binding proteins : IGFBPs 1-6) et deux récepteurs (IGF-R). La signalisation de ces deux IGF est assurée par le récepteur IGF-1R structuralement apparenté à celui de l’insuline. IGF-2R (qui est le récepteur du Manose-6-Phosphate cation indépendant) quant à lui assure la clairance d’IGF-II, diminuant ainsi la biodisponibilité d’IGF II pour l’IGF-1R (fig.1).
Figure 1: Complexité du Système des IGF : 2 IGF, 6 IGFBindingProteins (IGFBP), 2 récepteurs des IGF.
Les IGFBPs modulent l’activité des IGFs en étant soit inhibitrices (séquestration) soit facilitatrices (notamment par protéolyse ménagée de l’IGFBP-3 qui augmente la biodisponibilité des IGFs). Les IGFBP sont de plus capables d’effets propres indépendants de leur liaison aux IGF. Celles-ci interfèrent avec différentes signalisations par l’intermédiaire de récepteurs en partie déterminés. L’IGFBP3 interfèrerait négativement avec la signalisation d’IGF-1R en stimulant une phospho-tyrosine phosphatase spécifique, et modifierait la concentration de calcium libre intracellulaire via un récepteur membranaire. Ces effets pourraient rendre compte de ses effets anti-prolifératifs et pro-apoptotiques s’opposant ainsi aux effets d’IGF I et II (fig.2).
Figure 2 : Effets et mécanismes d’action des IGFBP.
Les IGFBPs modulent l’activité des IGFs en étant soit inhibitrices (séquestration) soit facilitatrices (notamment par liaison des IGFBPs à la matrice extracellulaire ou par protéolyse ménagée de l’IGFBP-3 qui augmentent la biodisponibilité des IGFs pour le IGF-1R). Les IGFBP sont de plus capable d’effets propres indépendants de leur liaison aux IGF : par liaison d’ IGFBP-1 et -2 aux Intégrines ou d’IGFBP3 (ou de ses fragments protéolysés) à des récepteurs encore mal caractérisés).
Le contrôle de l’expression des paramètres du système IGF est complexe et dépend de stimuli hormonaux, du tissu producteur et du stade du développement.
L’hormone de croissance hypophysaire est sécrétée de façon pulsatile, sous le contrôle de deux facteurs hypothalamiques, stimulateur (GHRH) ou inhibiteur (SRIH) et de la Ghreline produite par l’estomac (fig 3).
Figure 3 : Facteurs de contrôle de la biosynthèse et sécrétion de GH et d’IGF-1.
La stimulation de la GH est sous la dépendance de facteurs hypothalamiques (GHRH et SRIH) qui via de nombreux neuromédiateurs vont intégrer les informations de la périphérie (par exemple l’hypoglycémie ou les acides aminés sont stimulateurs) ou centrales comme le stress ou le sommeil eux aussi stimulateurs. La Ghreline, outre son action sur les centres de la faim, va de façon indirecte mais aussi directe stimuler la GH hypophysaire. D’autres facteurs de contrôle sont indiqués comme les stéroides sexuels, la nutrition et l’insuline. La sécrétion hypophysaire de GH par voie endocrine va stimuler au niveau hépatique IGF-1, IGFBP-3 et l’ALS. Ceux-ci seront sécrétés dans la circulation sanguine sous différents complexes d’IGF-1 assurant une demi-vie variable aux IGF : 12-15h dans le cas du grand complexe IGF-IGFBP3-ALS, 30 minutes dans le cas du complexe binaire IGF-IGFBP et 10 minutes pour l’IGF libre. Un rétrocontrôle de la GH s’effectue au niveau hypothalamique par l’IGF-1 libre. Le contrôle de la sécrétion locale d’IGF-1, est sous la dépendance de GH, mais aussi d’autres facteurs locaux pour l’instant encore mal caractérisés.
La GH présente des effets sur le métabolisme protidique (anabolisme), lipidique (lipolyse) et glucidique (hyperglycémie), et stimule la synthèse hépatique d’IGFI, véritable facteur de croissance post natal qui présente lui aussi des effets anaboliques protidiques, mais des effets lipogénétique et hypoglycémiant opposés à ceux de la GH. Les derniers effets hypoglycémiants sont heureusement inhibés par les protéines de liaison hautement spécifiques. La principale, l’IGFBP3, GH dépendante, permet le stockage sérique assurant une demi-vie plus longue (12-15 h) que celle de l’IGF I libre (10 minutes). Ceci est réalisé grâce à la formation d’un grand complexe stable comprenant en plus d’IGF et de IGFBP3, la protéine Acide Labil Subunit (ALS). Ces 3 composants étant stimulés par la GH au niveau hépatique. De plus IGF1, IGFBP3 et l’ALS sont dépendants de l’âge et du stade pubertaire. Après la naissance les niveaux sériques d’IGF I, IGFBP-3 et ALS s’élèvent progressivement pour augmenter brutalement au moment de la puberté. Sous l’action des stéroïdes sexuels au niveau hypothalamique, l’amplitude des pics de GH est multipliée par 2 ou 3 lors de la puberté et une augmentation contemporaine et très importante de l’IGF 1 sérique est observée. Ceci est associé à l’acquisition du pic de densité osseuse post pubertaire. Le retour aux valeurs adultes plus basses et similaires à celles de la période prépubertaire, s’effectue en quelques années, pour par la suite décroître progressivement d’année en année.
Le 2ème contrôle positif d’IGF1 et d’IGFBP3 est l’insuline et la nutrition qui régulent principalement le niveau du récepteur de la GH hépatique, mais aussi sa signalisation post récepteur. Lors de dénutritions chroniques ou de malabsorptions des concentrations très abaissées d’IGF I sont observées, du même ordre de grandeur que celles observées dans les déficits complets en hormone de croissance. La diminution d’IGFBP3 aggravant encore le niveau d’IGF I en accélérant sa clairance. L’IGFBP1 hépatique est au contraire régulée négativement par le niveau d’insulinémie. La sécrétion par le foie assure la concentration sanguine des facteurs IGF-I, IGFBP-3, IGFBP-1 et ALS (fonction endocrine).
L’IGF-I est cependant exprimé de façon ubiquiste par la plupart des tissus sous le contrôle de la GH et d’autres facteurs locaux et assure dans ce cas une fonction autoparacrine. Les IGFBP sont également produites par les tissus de façon variable et spécifique et assurent une action localement. Ces IGFBP sont sous le contrôle de facteurs tissulaires ou développementaux encore mal connus.
Les IGF sont impliqués aussi dans le développement. Si l’IGF-I était considéré comme le facteur de croissance post-natal, le rôle d’IGF-II dans la croissance fœtale était suspecté depuis longtemps en raison de ses taux sériques élevés et du niveau d’expression important de ce gène dans la plupart des tissus fœtaux. Le rôle d’IGF I et des IGFBP l’étaient moins. Depuis près de 20 ans, les effets du système IGF : IGF-I, IGF-II, et récepteur des IGF de type 1, dans le développement du fœtus a été clairement démontré par différents modèles de souris dont un gène du système était inactivé. En effet, ces KO conduisent à de profonds déficits de croissance staturo-pondérale embryonnaire : IGF II, IGF-1R mais aussi IGF I ce qui était moins attendu compte tenu des faibles niveaux d’expression pendant la vie fœtale. Le déficit de croissance s’aggrave encore en post-natal pour le KO d’IGF-I, ou celui du récepteur d’IGF de type 1 quand ce dernier n’est que partiel car incompatible à l’état homozygote avec la survie après la naissance. Le gène d’IGF-II étant soumis à l’empreinte parentale (seul l’allèle d’origine paternelle est exprimé), le phénotype de retard de croissance s’exprime à l’état hétérozygote lors de l’invalidation du gène paternel (fig.4). Par ailleurs, différents modèles de souris transgéniques sur-exprimant IGFBP-1, 2, 3, 4 ou 6 ont été développés et montrent des retards de croissance modérés principalement post-nataux ainsi que d’autres anomalies associées : cérébrales, rénales, métaboliques ou de reproduction. L’inactivation du gène du récepteur de type 2 des IGF entraîne logiquement une croissance excessive. En effet compte tenu de son activité de clairance, la biodisponibilité d’IGF II augmente pour le récepteur de type 1.
Figure 4 : Région chromosomique 11p15.
La région 11p15 est soumise à l’empreinte parentale et est divisée en deux domaines centromérique et télomérique contrôlant l’empreinte de sa propre région (ICR1 et 2). L’empreinte réciproque du gène H19 exprimé par l’allèle maternel (M) et le gène IGF-II exprimé par l’allèle paternel (P) dépend de l’ICR1 méthylé différentiellement en amont du gène H19. Cet ICR1 agit ainsi comme un insulateur. Le facteur CTCF lie l’ICR1 maternel non méthylé et empêche le promoteur du gène d’IGF-II d’interagir avec les ” enhancers ” se trouvant en aval du gène H19. Ceci résulte en un silence transcriptionnel de l’allèle IGF-II maternel. Sur l’allèle paternel, ICR1 est méthylé prévenant la liaison de CTCF, et conduit à la transcription d’ IGF-II paternel. Le domaine centromérique ICR2 fonctionne comme un ” silenceur ” en produisant un ARN non codant (l’ARN antisens KCNQ1OT1). Ceci induit le silence de tous les gènes paternel du domaine. Les gènes exprimés uniquement par l’allèle d’origine paternel sont représentés par les boites bleues, les gènes exprimés par l’allèle d’origine maternelle par les boites roses et les non-exprimés par les boites grises. Le gène CDKN1C est un inhibiteur des cyclines-cdk de la phase G1, phase où justement agissent les IGF pour induire le passage en phase S. Le gène H19 code pour un ARN non codant dont le rôle est encore mal connu.
Dans les conditions physiologiques de la région 11p15 soumise à l’empreinte parentale, les gènes exprimés à partir de l’allèle d’origine maternelle sont antiprolifératifs alors que l’IGF-II (facteur de croissance) n’est exprimé qu’à partir de l’allèle d’origine paternelle. Dans le cas du syndrome de croissance excessive : S de Beckwith-Wiedemann, ont été mis en évidence soit une isodisomie paternelle (perte de l’allèle maternel et duplication de l’allèle paternel avec extinction des gènes CDKN1C, H19 et une surexpression d’IGF II et KCNQ1OT), soit une relaxation de l’empreinte parentale (gain de méthylation d’ICR1-H19 ou perte de méthylation d’ICR2 -KCNQIOT) qui peut s’observer de façon isolée entraînant la même répercussion que l’isodisomie, soit une mutation avec perte de fonction de CDKN1C. Dans le syndrome de Silver-Russell, une anomalie en miroir : perte de méthylation de ICR1 avec surexpression de H19 et extinction d’IGF-2 est observée.
Ce sont les invalidations partielles ou conditionnelles qui ont permis d’étudier plus avant la physiologie d’IGF-I et de son récepteur en période postnatale ou à l’âge adulte. L’ IGF-1R est notamment impliqué dans le contrôle de la durée de vie. De plus, l’invalidation du gène d’IGF-I au niveau du foie, organe qui assure la concentration d’IGF-I (endocrine) dans la circulation sanguine, n’entraîne pas d’altération de la croissance démontrant l’importance de l’action para et autocrine d’IGF-I en périphérie, sous l’action stimulatrice directe de la GH sur l’IGF I local. L’IGF I endocrine semblerait quand même complémentaire de l’action autoparacrine sur la croissance et par contre très important pour le rétrocontrôle négatif au niveau hypothalamique et pour le métabolisme glucido-lipidique et osseux. Enfin grâce aux invalidations de l’IGF -1R ciblée au niveau du SNC, la signalisation IGF I serait nécessaire pour la mise en place de l’axe somatotrope au niveau hypothalamique et hypophysaire, il s’agirait là d’un contrôle positif lors de cette période fœtale et périnatale précoce. Des expériences de dénutrition courte et ciblée dans cette fenêtre néonatale très précoce reproduit par baisse des valeurs d’IGF I, les mêmes effets que l’invalidation de l’IGF -1R ciblée au niveau du SNC. Ces effets, malgré le retour rapide à une alimentation normale, persistent dans la vie post natale et adulte avec déficit en GH, retard de croissance, intolérance aux hydrates de carbone, et hypertension artérielle. Ceci est à rapprocher de toutes les recherches concernant les pathologies métaboliques et cardiovasculaires retardées à l’état adulte mais associées à des pathologies de tout type (carence alimentaire, pathologie vasculaire placentaire, exposition aux corticoïdes, stress..) survenues dans la période fœtale ou périnatale.
Système IGF et Pathologies
Compte tenu de l’aspect ubiquiste des différents paramètres du système IGF, et de leurs rôles dans la croissance, la différenciation, la survie cellulaire et le métabolisme intermédiaire, de nombreuses pathologies sont causées par les anomalies de ces paramètres ou retentissent sur les expressions de ceux-ci. Ces pathologies peuvent s’inscrire dans le cadre d’anomalies hormonales endocrines de l’axe somatotrope : déficit de la croissance staturale par déficit en hormone de croissance, anomalie des gènes de l’axe (récepteur GH, de sa signalisation, d’IGF I ou du récepteur IGF-1R), excès de GH par un adénome hypophysaire (acromégalie), dénutrition, vieillissement, ou d’anomalies de la croissance cellulaire ou du développement : retard de croissance à début intra utérin, syndrome de croissance excessive, tumeurs.
Notre équipe a centré ses travaux sur la physiopathologie et le pronostic de deux groupes de maladies : les tumeurs corticosurrénaliennes et les anomalies de la croissance foetale qu’il s’agisse de croissance excessive incluant le syndrome de Beckwith Wiedmann (SBW) ou de retard de croissance intra-utérin (RCIU) incluant le syndrome de Silver Russell (SSR)
Les travaux sur les tumeurs corticosurrénaliennes isolées de l’adulte ont montré l’implication de plusieurs composants du système IGF dans la transformation maligne de ces tumeurs. Des facteurs moléculaires prédictifs de l’évolution ont été identifiés incluant les anomalies de la région 11p15 (surexpression d’IGF-II, relaxation de l’empreinte ou isodisomie paternelle c’est-à-dire perte de l’allèle maternel et duplication de l’allèle paternel) et des anomalies de la région 11p13 où est situé la p53.
Parmi les syndromes de croissance excessive, le plus fréquent est le S. de Beckwith Wiedemann (SBW : OMIM 130650) impliquant des anomalies développementales, des macrosomies touchant plusieurs organes, une hémihypertrophie et un risque augmenté (environ 10%) de tumeurs chez l’enfant. L’expression phénotypique du SBW est variable. Dans la grande majorité de cas (80%), SBW a été montré associé à des altérations génétiques et épigénétiques variées de la région 11p15. Les anomalies génétiques représentent 30% des cas : translocations chromosomiques maternelles ou duplications chromosomiques paternelles (dans 3%), isodisomie paternelle de 11p15 (dans environ 20%), mutations germinales de l’allèle maternel CDKNIC (5%). La plupart des anomalies sont cependant épigénétiques (70% des cas) avec dans 10% l’acquisition pour la région télomérique (où l’allèle maternel est normalement non méthylé) d’une méthylation aberrante de type épigénome paternel au niveau d’ICR1 et du promoteur d’H19. Ceci induit l’extinction de l’expression d’H19 et l’expression au contraire bi-allélique d’IGF-II. Enfin, 50 à 60% des SBW ont une perte de méthylation au niveau de l’ICR2 maternel. Ceci induit l’activation de l’allèle maternel KCNQ1OT1 normalement silencieux et l’extinction de CDKN1C. La plupart des tumeurs surviennent quand existe une anomalie du domaine télomérique (gain de méthylation d’ICR1, unidisomie paternelle de 11p15) avec une fréquence élevée (30% des patients) alors qu’à l’opposé, le risque de tumeur est faible (3%) chez les patients présentant une anomalie isolée du domaine centromérique de type perte de methylation d’ICR2.
Enfin, une fréquence anormale d’enfants ayant bénéficié d’une procréation médicale assistée (AMP : FIV, ICSI, cryoconservation des embryons, transfert précoce ou tardif) a été récemment observée dans les séries de Beckwith Wiedemann. Alors que les anomalies de la région 11p15 sont variées chez les patients SWB, ceux nés d’AMP présentent tous une seule et même anomalie épigénétique (déméthylation du gène maternel KCNQ1OT) suggérant que l’AMP empêche le maintien des marques de méthylation des gènes maternels. En effet, ces premiers jours qui suivent la fécondation sont importants pour la mise en place de l’empreinte parentale différentielle.
Le retard de croissance intra-utérin (RCIU) est une anomalie fréquente, résultant de facteurs environnementaux, maternels ou foetaux. Bien que des anomalies placentaires ou vasculaires soient souvent à l’origine de cette pathologie, l’étiologie n’est pas identifiée dans au moins 40 % des cas de RCIU. Les enfants nés avec un RCIU sont exposés à l’âge adulte à un plus grand risque de syndrome métabolique, ainsi qu’à une mortalité et à une morbidité accrue.
Malgré l’importance du système IGF dans la croissance fœtale, ce n’est que récemment qu’ont été mises en évidence des anomalies génétiques des composants du système d’IGF : gène IGF1 ou gène d’IGF-1R. Des disomies maternelles du chromosome 7, affectant la région 7p11-13 soumise à empreinte parentale (où se situent les gènes IGFBP-1, IGFBP-3 et GRB10) sont mises en évidence dans 5 à 10% des patients présentant un syndrome de Silver-Russell . Le syndrome de Silver-Russell (SSR, OMIM 180860) est un syndrome cliniquement hétérogène caractérisé par un RCIU, un retard de croissance postnatal, une relative macrocéphalie, une dysmorphie faciale et une asymétrie corporelle fréquente (hémihypotrophie).
En raison du rôle crucial d’IGF-II dans la croissance foetale et des phénotypes cliniques en miroir des syndromes de SSR et de SBW, nous avons étudié le statut (centromérique et télomérique) de la méthylation de la région 11p15 de patients présentant un SRS. Nous avons pu identifier qu’environ 60% des patients présentent une perte de méthylation d’ICR1 et de la région promotrice d’H19. Pour ces patients SSR, l’allèle paternel se comporte comme un allèle maternel , avec une expression biallelique de H19 et une perte d’expression d’IGF II.
En conclusion, la production et l’action ubiquistes des IGF touche la physiologie (et la pathologie) de l’ensemble des tissus et des fonctions de l’organisme, du stade fœtal, post-natal et adulte en contrôlant jusqu’à la longévité de cet organisme.
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