Structure et Evolution des Récepteurs Nucléaires d'Hormones

Vincent LAUDET

The Nuclear Receptor FactsBook by Vincent Laudet, et al (Paperback -November 2001)
http://www.rbookshop.com/engineering/b/Biochemistry/The_Nuclear_Receptor_FactsBook_0124377351.htm

La famille des récepteurs nucléaires regroupe des facteurs de transcription qui dépendent d'un ligand pour leur activation et se fixent sur des séquences d'ADN spécifiques appelées éléments de réponse, situés à proximité des gènes qu'ils régulent. Cette famille comprend les récepteurs nucléaires des hormones stéroïdes dérivées du cholestérol (glucocorticoïdes, oestrogènes, progestérone etc...) et les récepteurs nucléaires des hormones thyroïdiennes, de la vitamine D3 ou de l'acide rétinoïque. Mais cette famille, qui regroupe plus d'une cinquantaine de gènes différents comprend également de nombreux "récepteurs" pour lesquels aucun ligand n'a été décrit et que l'on nomme donc "récepteurs orphelins". L'existence des récepteurs nucléaires orphelins pose un véritable défi pour qui s'intéresse à cette famille : en effet soit ces récepteurs ont effectivement un ligand qui reste à découvrir et alors ils constituent un moyen très intéressant d'identifier de nouvelles hormones, soit ils sont vraiment orphelins et alors se pose la question de leur mode de fonctionnement (comment leur activité est-elle régulée ?) et de leurs relations avec les récepteurs "classiques".
Grâce à la fixation de ligands spécifiques qui modulent leur activité, les récepteurs nucléaires offrent la possibilité de contrôler directement l'expression des gènes. En outre d'un point de vue physiologique, ces molécules sont directement impliquées dans le contrôle de grandes fonctions comme la reproduction, la différenciation cellulaire ou l'homéostasie. Le fait que leur activité soit directement modulable par des ligands naturels (hormones, vitamines, acides gras, ) et que des ligands de synthèse agissant en agoniste ou en antagoniste soient développés, ouvre de vastes perspectives d'interventions thérapeutiques et, en même temps, un moyen de recherche particulièrement efficace pour comprendre en détail les mécanismes qui régulent la transcription des gènes. La recherche actuelle sur les récepteurs nucléaires permet donc un fascinant mélange entre recherche fondamentale et recherche plus finalisée.
Depuis sa création en 1994 et encore plus depuis son arrivée à l'ENS de Lyon, notre équipe utilise la famille des récepteurs nucléaires d'hormones comme modèle pour comprendre les mécanismes qui sous-tendent l'évolution des génomes et pour mettre en évidence comment une telle famille s'est mise en place au cours de l'évolution.
Pour cela nous développons deux types d'approches complémentaires :
1) la caractérisation fonctionnelle détaillée de certains des membres de la famille de façon à mettre en évidence leur rôle physiologique et/ou développemental précis. Nous avons donc choisi de nous concentrer sur deux groupes de récepteurs orphelins bien différents qui illustrent très bien le type de questions posées par ces molécules : (i) les ERR (pour Estrogen Receptor Related) qui sont des orphelins très proches des récepteurs des oestrogènes et dont la qualité d'orphelin n'est pas reconnaissable à l'examen de leur séquence. On suspecte donc que les ERR ont un ligand qui reste à découvrir. (ii) Les Rev-erb qui, au contraire, multiplient les bizarreries de séquences et sont considérés comme de vrais orphelins. Ces récepteurs jouent un rôle important dans le contrôle des horloges circadiennes.
2) Une approche comparative qui permet de détailler le rôle que les récepteurs nucléaires ont joué comme acteurs de l'évolution, mais aussi en utilisant ces récepteurs comme "sondes", de mieux comprendre l'évolution des génomes. L'approche comparative que nous développons que ce soit au plan de l'analyse des séquences qu'à un niveau plus fonctionnel constitue la force et l'originalité de notre approche et est à la base de notre reconnaissance internationale. C'est pourquoi nous souhaitons pouvoir poursuivre et développer cette démarche en tirant parti des possibilités offertes par la génomique. Nous développeront donc de plus en plus une génomique fonctionnelle comparative des récepteurs nucléaires d'hormones.

Structure génomique des récepteurs nucléaires :

Activation ou répression des récepteurs nucléaires

ETUDE DES RECEPTEURS NUCLEAIRES ERRs

Les strogènes sont nécessaires au maintien de la structure osseuse, comme en témoigne a contrario l'ostéoporose (survenant lors de la ménopause ou en cas d'ovariectomie). Les thérapies anti-ostéoporotiques par restauration du taux d'strogènes présentent toutefois des effets indésirables. De plus, les mécanismes par lesquels les strogènes dans l'os sont mal caractérisés. Les strogènes agissent via deux récepteurs spécifiques (ERa et b) qui appartiennent à la famille des récepteurs nculéaires. Trois récepteurs orphelins (dont on ne connait pas le ligand), ERR (Estrogen Receptor Related) a, b et g, sont proches en structure des recepteurs ER et interfèrent (positivement et négativement) avec le signal strogénique ERRa est exprimé dans les zones d'ossification au cours du développement embryonnaire de la souris ainsi que dans les ostéoblastes. De plus, ERRa promeut la prolifération et la différenciation ostéoblastique in vitro. Nous analysons le rôle de ERRa dans le développement et le maintien du tissu osseux. Comme les strogènes ont également des rôles promoteurs des cancers de l'utérus et du sein, nous étudions également les fonctions des récepteurs ERR dans ces pathologies. De plus, nous analysons de ces récepteurs au cours du développement embryonnaire en utilisant le modèle poisson zèbre.

interférence ER/ERR : os et organes reproducteurs

Expression de ERRa dans le muscle lent du poisson zèbre

Membres du groupe:
Jean-Marc Vanacker, CR1 CNRS (jmvanack@ens-lyon.fr)
Béatrice Horard, post-doctorante
Pierre-Luc Bardet, étudiant en thèse
Hervé Menoni, étudiant en DEA

Quelques publications:
-Vanacker JM, Bonnelye E, Chopin-Delannoy, Delmarre C, Cavaillès V, Laudet V. 1999 Transcriptional activities of the orphan nuclear receptor ERRa Molec Endocrinol, 13: 764-773
- Vanacker JM, Pettersson K, Gustafsson J-Å, Laudet V 1999 Transcriptional targets shared by Estrogen-receptor related receptors (ERRs) and estrogen receptor (ER) a, but not by ERb. EMBO J. 18 : 4270-4279
- Bardet PL, Horard B, Robinson-Rechavi M, Laudet V, Vanacker JM. 2002 Characterization of estrogen receptors in zebrafish (Danio rerio) J. Mol. Endo. 28: 153-163

RYTHME CIRCADIEN

Les rythmes circadiens permettent aux êtres vivants de s'adapter aux changements environnementaux journaliers et se traduisent par une régulation rythmique des processus physiologiques. Ces processus sont contrôlés par les horloges circadiennes qui sont capables de fonctionner en conditions constantes (lumière ou obscurité constante) et sont composées de trois paliers : (i) une voie d'entrée, (ii) un oscillateur interne et (iii) des voies de sortie.
Il est admis que le principal chef d'orchestre de ces horloges est le noyau suprachiasmatique (SCN) situé dans l'hypothalamus. Le SCN est activé par la lumière, puis il transmet l'information circadienne aux différents organes périphériques (foie, muscles, cur...), qui vont intégrer cette information en modulant l'activité de nombreux gènes, appelés les " clock controlled genes " (CCG).
Récemment, nous avons découvert que les gènes Rev-erba et b, qui codent pour des récepteurs nucléaires orphelins, ont une expression circadienne chez les mammifères et les poissons. Nous avons également montré que Rev-erba est sous le contrôle direct de l'horloge circadienne et que, en retour, il régule l'expression de certains composants de cette horloge. Nous pensons que les gènes rev-erb intègrent différents types de régulations en phase avec l'état physiologique de l'organisme. Pour répondre à cette question, plusieurs projets sont à l'étude : (i) Etude de la régulation de Rev-erba par les composants de l'horloge circadienne et un certain nombre d'autres signaux physiologiques in vitro, chez le poisson zèbre et chez la souris (ii) Recherche des gènes cibles de Rev-erba et b grâce aux puces à ADN (iii) Suivi de l'expression du gène rev-erba par imagerie moléculaire in vivo.

BIOINFORMATIQUE DES RECEPTEURS NUCLEAIRES (ET D'AUTRE GENES)

Notre activité peut être divisée entre trois thèmes chevauchants :
- Nous construisons une base de données de récepteurs nucléaires, NUREBASE, qui non seulement nous permet de maintenir la nomenclature, mais inclut également de l'information évolutive et fonctionnelle pertinente, telle que les phylogénies, les espèces, les domaines protéiques ou les patrons d'expression. Pour plus de détails vous pouvez voir la page Web de NUREBASE : http://www.ens-lyon.fr/LBMC/laudet/nurebase.html
- Nous avons une activité continue de recherche en phylogénie, concernant les récepteurs nucléaires mais aussi d'autres gènes dont les relations évolutives peuvent améliorer notre compréhension des récepteurs nucléaires. Ce thème est étroitement lié à la recherche en Evolution et Développement dans notre équipe. Par exemple nous avons caractérisé l'étendue des duplications de gènes chez les poissons ou l'origine des récepteurs nucléaires supplémentaires des nématodes.
- Il y a beaucoup d'information sur les récepteurs nucléaires à récupérer dans les données de projets génomiques, telles que les séquences de génomes complets ou presque, les séquences EST, etc. Par exemple nous avons établi la liste complète des 48 récepteurs nucléaires du génome humain.

Contact : Marc Robinson-Rechavi (marc.robinson@ens-lyon.fr)

Publications sélectionnées :
Robinson-Rechavi M, Marchand O, Escriva H, Laudet V. 2001. An ancestral whole-genome duplication may not have been responsible for abundance of duplicated fish genes. Current Biol. 11: R458-R459
Robinson-Rechavi M, Carpentier A-S, Duffraisse M, Laudet V. 2001. How many nuclear hormone receptors in the human genome? Trends Genet. 17: 554-556
Duarte J, Perrière G, Laudet V, Robinson-Rechavi M. 2002. NUREBASE: Database of nuclear hormone receptors. Nucl. Acids Res. 30: 364-368
Robinson-Rechavi M, Laudet V. 2003. Bioinformatics of nuclear receptors. Methods Enz. under press

EVOLUTION ET DEVELOPPEMENT : LE CAS DE LA FAMILLE DES RECEPTEURS NUCLEAIRES

L'étude de l'évolution de la morphologie des métazoaires est directement reliée avec l'évolution de leur développement embryonnaire. Le moindre changement dans les voies développementales peut produire de nouvelles morphologies. L'étude de tel processus à travers l'étude comparative entre différents model animaux est appelé EVO-DEVO.
A l'intérieur de l'EVO-DEVO, nos recherches sont ciblées sur la compréhension du rôle des gènes dupliqués durant l'évolution. Comment ces nouveau gènes dupliqués produisent de nouvelles structures et fonctions? La meilleure manière de répondre à cette question est par l'étude comparative de la fonction des gènes dupliqués entre différentes espèces. La super famille des récepteurs nucléaires est un excellent modèle moléculaire pour ces travaux car leurs membres sont directement impliqués dans les processus comme le développement ou l'homéostasie et ils évoluent clairement par duplication de gènes. Les récepteurs nucléaires servent de médiateurs dans des interactions entre hormones ( ou d'autre ligands ) et dans l'expression des gènes chez les animaux. L'étude de l'évolution de la fonction des récepteurs nucléaires chez les métazoaires va nous permettre de mieux comprendre l'évolution de certaines voies développementales et l'évolution des principaux parcours d'hormones des métazoaires.
Dans notre groupe, nous sommes particulièrement intéressés par l'évolution des caractéristiques des vertébrés. Dans ce contexte, nous étudions deux principaux modèles animaux placés à une position phylogénique clé à l'intérieur de la lignée phylogénique des Deutérostomiens. Le céphalocordé amphioxus (Brachiostona floridae) qui est le dernier invertébré avant les vertébrés et le poisson zèbre (Danio rerio) . Morphologiquement, l'amphioxus est considéré comme n'étant pas exclusivement dérivé de l'ancêtre commun des céphalocordés et des vertébrés. Ils possèdent un tube dorsale neuronal creux, un notochorde et un bloc de muscles latéraux typique des chordes mais il manque certaines innovations de vertébrés ( crête neural, placodes, le cerveau segmenté, l'endosquelette...). De plus, l'amphioxus ne possède pas la complexité génomiques présente dans le génome des vertébrés dû à deux cycles de duplication du génome qui sont spécifiques des vertébrés après leur divergence des Cephalochordes.
L'étude de la fonction des récepteurs nucléaires de l'amphioxus durant le développement et la comparaison de ces résultats avec le poisson zèbre peut nous aider dans la compréhension de l'évolution des vertébrés.