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Les facteurs de transcription induits par l’hypoxie (HIF)
Structure et composition des complexes HIF
Les facteurs induits par l’hypoxie (Hypoxia-inducible factors, HIF) sont des médiateurs clés de l’homéostasie cellulaire en réponse à un stress hypoxique. Entre autres, ces facteurs activent l’expression de plusieurs gènes essentiels à l’adaptation cellulaire en conditions hypoxiques (Bracken et al. 2003). HIF-1 a été le premier identifié comme étant un facteur qui se fixe sur une séquence, sensible à l’hypoxie, en position 3’ non codante du gène codant pour l’érythropoїétine (EPO) (Semenza et al. 1991; Semenza & Wang 1992). Outre son rôle dans l’érythropoїèse, le facteur de transcription HIF-1 est connu par son fort potentiel à induire plusieurs gènes hautement impliqués dans nombreux autres processus biologiques, tels que l’angiogenèse, la prolifération et la surivie cellulaire (Figure 1.1).
Les facteurs HIF médient leurs effets en reconnaissant des séquences consensus 5’ (A/G)CGTG 3’ nommées HRE (Hypoxia response elements), qui sont présentes au niveau des régions promotrices et ‘‘enhancer’’ de nombreux gènes cibles. Le nombre de ces éléments de réponse à l’hypoxie ainsi que l’affinité des facteurs HIF pour ces séquences consensus varient d’un gène à un autre. Des études élégantes ont montré que HIF se lient préférentiellement à la séquence HRE qui possède le nucléotide A en première position et T en amont de la séquence HRE (Wenger et al. 2005). La régulation de l’expression des gènes cibles des facteurs HIF nécessite non seulement la séquence consensus HRE mais aussi des séquences régulatrices adjacentes (Wenger et al. 2005). La présence de ces régions régulatrices ainsi que l’interaction des facteurs HIF avec divers co-activateurs transcriptionnels tels que CBP (cAMP-response-element-binding protein (CREB)-binding protein)/p300, PKM2 (Pyruvate kinase M2), SWI/SNF (SWItching mating type/Sucrose Non Fermenting) et Pontin sont à l’origine d’une activation spécifique et différentielle des gènes dépendants des HIF selon le type et le contexte cellulaire. L’activation des complexes HIF et ses gènes cibles en conditions hypoxiques sera plus détaillée dans une section ultérieure de cette thèse (section 1.1.3).
Les facteurs HIF sont des hétérodimères obligatoires constitués des sous-unités HIF-α et HIF-β. Contrairement à HIF-β, qui est constitutivement exprimée et localisée au noyau, HIF-α est hautement régulée par le niveau intracellulaire d’oxygène (O2) (Wang & Semenza 1995). En condition normale d’O2, HIF-α est dégradée par le protéasome tandis que la carence d’O2 entraîne sa stabilisation. Les deux sous-unités α et β possèdent un domaine basique PAS (Per-ARNT-Sim) et un domaine bHLH (basic helix-loop-helix) impliqués dans la dimérisation du complexe HIF ainsi que sa liaison à l’ADN, et appartiennent donc à la famille des protéines contenant ces deux domaines (Wang et al. 1995a) (Figure 1.2).
La sous-unité HIF-α
Chez les mammifères, il existe trois isoformes α : HIF-1α, HIF-2α et HIF-3α (Webb et al. 2009).Ces isoformes sont caractérisées par un domaine, fortement sensible à l’O2, responsable de leur dégradation en condition normoxique (oxygen-dependent degradation domain, ODDD) (Jiang et al. 1996; Jiang et al. 1997; Huang et al. 1998; O’Rourke et al. 1999; Lendahl et al. 2009). Plus précisément, ce domaine possède deux prolines (Pro402 et Pro564 chez la protéine HIF-1α ; Pro405 et Pro530 chez la protéine HIF-2α) qui sont à l’origine de l’instabilité de ces protéines en réponse aux variations de la concentration d’O2. En plus de domaines PAS, bHLH et ODDD, les sous-unités HIF-α, et surtout HIF-1α et HIF-2α, possèdent deux domaines de transactivation (TAD) qui sont nécessaires pour leur activité transcriptionnelle en permettant le recrutement des coactivateurs transcriptionels (Carrero et al. 2000).
Les deux TADs sont situés dans la partie carboxy-terminale de la protéine, N-TAD vers l’extrémité N-terminale et C-TAD vers l’extrémité C-terminale (Jiang et al. 1997; Pugh et al. 1997). Ils sont séparés par un domaine inhibiteur de la transcription, le domaine ID (Inhibiting Domain), impliqué dans l’inhibition de l’interaction de HIF-α avec ses coactivateurs transcriptionnels suite à l’action de l’asparagine hydroxylase, FIH (Factor Inhibiting HIF) (Mahon et al. 2001; Bracken et al. 2006; Qing & Simon 2009).
Deux séquences de localisation nucléaires (NLS) sont également décrites chez HIF-α (Figure 1.2). La première séquence est située dans le domaine bHLH au niveau N-teminal (N-NLS). Cette séquence est réprimée par le domaine PAS ce qui a pour effet la rétention cytoplasmique de HIF-α. La deuxième séquence, quant à elle, est localisée dans la partie C-terminale (C-NLS) et est extrêmement importante pour l’import nucléaire de HIF-α en conditions hypoxiques (Kallio et al. 1998). En effet, il a été démontré que l’import nucélaire de HIF-1α est hautement dépendant de C-NLS. HIF-1α possède également, dans sa partie C-terminale, une séquence de signal d’export nucléaire (nuclear export signal, NES).
Ce NES est constituée des résidus hydrophobes essentiels pour la fixation des récepteurs d’export CRM1 (chromosome region maintenance 1) (Mylonis et al. 2008). Il a été démontré que l’export nucléaire de cette protéine est hautement régulé par la phosphorylation des résidus serines (Ser641 et Ser643) par les protéines kinases p42/p44 MAPK (p42/p44 mitogen-activated protein kinases). Cette phosphorylation influence négativement l’interaction de HIF-1α avec CRM1, entraine sa rétention nucléaire, et augmente par conséquent son activité transcriptionnelle (Mylonis et al. 2006).
La protéine HIF-2α, initialement nommée EPAS1 (endothelial PAS protein 1), HLF (HIF-like factor), HRF (HIF-related factor) et MOP2 (member of PAS family 2), est fortement similaire à HIF-1α et partage 48% d’homologie de séquence en acides aminés avec cette protéine. Ces deux sous-unités possèdent des domaines de transactivation CTAD hautement homologues qui leur permettent de partager certains gènes cibles. Toutefois, leurs domaines N-TAD possèdent une faible homologie et sont à l’origine de la spécificité transcriptionnelle des gènes cibles. En ce sens, il a été démontré que la substitution du domaine N-TAD de HIF-2α pour celle de HIF-1α permet à HIF-2 d’induire les gènes cibles de HIF-1 (Hu et al. 2007). Il apparait donc que HIF-1 et HIF-2 sont capables de réguler plusieurs gènes communs, tandis qu’ils sont spécifiques pour d’autres. Généralement, le complexe HIF-1 est responsable de la régulation du métabolisme cellulaire alors que le facteur HIF-2 est fortement impliqué dans la régulation des gènes nécessaires pour la division cellulaire, le maintien de l’homéostasie mitochondriale et l’érythropoïèse.
La sous-unité HIF-3α, quant à elle, possède une faible homologie de séquence ainsi que des caractéristiques fonctionnelles distinctes en comparaison avec HIF-1α et HIF-2α. HIF-3α est considérée comme un régulateur négatif de l’expression des gènes qui dépendent de HIF-1 et HIF-2. Dans ce contexte, une étude a permis de montrer que la surexpression de HIF-3α entraine l’inhibition du gène rapporteur dont l’expression est sous le contrôle des facteurs HIF-1 et HIF-2 (Hara et al. 2001). D’une manière intéressante, il a été également démontré que la déplétion de HIF-1α et HIF-2α par interférence à l’ARN a pour effet de diminuer le niveau d’expression de la protéine HIF- 3α (Augstein et al. 2011), ce qui suggère la présence d’une boucle de rétrocontrôle négative entre les différentes sous-unités α.
En plus de son effet de compétition avec les autres sous-unités α pour la liaison de HIF-1β, la protéine HIF-3α possède un variant d’épissage, IPAS (inhibitory PAS domain protein), qui peut interagir avec HIF-1α et HIF- 2α. Ainsi, il peut former le complexe IPAS-HIFα qui est incapable de lier l’ADN et activer les gènes cibles de HIF-1 et HIF-2.
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Table des matières
Résumé
Abstract
Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des figures supplémentaires
Liste des abréviations
Remerciements
Avant-propos
Chapitre 1 : Introduction
1.1 Les facteurs de transcription induits par l’hypoxie (HIF)
1.1.1 Structure et composition des complexes HIF
1.1.1.1 La sous-unité HIF-α
1.1.1.2 La sous-unité HIF-β/ARNT
1.1.2 Régulation de la sous-unité HIF-α
1.1.2.1 Mécanismes de dégradation dépendants de l’oxygène
1.1.2.1.1 Les protéines à domaines prolyl-hydroxylase, les PHD
1.1.2.1.1.1 PHD1
1.1.2.1.1.2 PHD2
1.1.2.1.1.3 PHD3
1.1.2.1.1.4 P4H-TM
1.1.2.1.2 Réactions d’hydroxylation et cofacteurs essentiels des PHD
1.1.2.1.2.1 Oxygène
1.1.2.1.2.2 2-oxoglutarate (2-OG)
1.1.2.1.2.3 Fer et ascorbate
1.1.2.1.3 La protéine VHL (Von Hippel Lindau)
1.1.2.2 Mécanismes de dégradation indépendants de l’oxygène
1.1.2.3 Régulation de l’activité transcriptionnelle des HIF par l’oxygène
1.1.2.4 Modifications post-traductionnelles de la sous-unité HIF-α: la phosphorylation
1.1.2.4.1 Les p42/p44 MAPK
1.1.2.4.2 Autres protéines kinases
1.1.3 Induction de la sous-unité HIF-α en conditions hypoxiques
1.1.4 Induction de la sous-unité HIF-α en conditions non-hypoxiques : rôle de l’Ang II
1.1.4.1 Augmentation de l’expression du gène HIF-1A par un mécanisme dépendant de l’activation de la PKC
1.1.4.2 Augmentation de la traduction de l’ARNm de HIF-1α par l’activation de la voie de signalisation PI3K/p70S6K
1.1.4.3 Augmentation de la stabilité de HIF-α par un mécanisme dépendant de la génération des espèces réactives de l’O2 (ROS)
1.1.5 Rôles physiologiques des facteurs de transcription HIF
1.1.5.1 Rôle des HIF au niveau vasculaire
1.1.5.1.1 L’angiogenèse
1.1.5.1.2 L’érythropoïèse
1.1.5.2 Rôle des HIF au niveau du développement embryonnaire
1.1.6 Rôles pathologiques des facteurs de transcription HIF
1.1.6.1 Rôle au niveau du développement tumoral
1.1.6.2 Rôle au niveau de pathologies vasculaires
1.2 Les facteurs de transcription Sp1 et Sp3
1.2.1 Généralité
1.2.2 Structure de Sp1 et Sp3
1.2.3 Propriétés fonctionnelles de Sp1 et Sp3
1.2.4 Mécanismes de régulation des facteurs Sp1 et Sp3
1.2.4.1 Régulation du niveau protéique de Sp1 et Sp3
1.2.4.2 Modifications post-traductionnelles de Sp1 et Sp3
1.2.4.2.1 Phosphorylation
1.2.5 Régulation de la transcription des gènes cibles par Sp1 et Sp3
1.2.6 Gènes cibles et implications pathologiques de Sp1 et Sp3 : rôle au niveau tumoral
1.2.7 Les facteurs de transcription Sp1/3 et le facteur de transcription HIF-1
1.3 La peptidyl-prolyl cis/trans isomérase, Pin1
1.3.1 Généralité
1.3.2 Structure de Pin1
1.3.3 Mécanismes de régulation de Pin1
1.3.4 Rôles biologiques et pathologiques de Pin1
1.3.4.1 Pin1 au niveau de la prolifération cellulaire et d’autres processus biologiques
1.3.4.2 Pin1 au niveau tumoral
Objectifs
Chapitre 2: The prolyl isomerase Pin1 regulates hypoxia-inducible transcription factor (HIF) activity
2.1 Avant-propos
2.2 Résumé
2.3 Abstract
2.4 Introduction
2.5 Materials and methods
2.6 Results
2.6.1 Pin1 interacts with HIF-1α
2.6.2 Phosphorylation and the p42/p44 MAPK pathway regulate Pin1’s interaction with HIF-1α
2.6.3 Pin1 changes HIF-1α conformation
2.6.4 Pin1 regulates HIF-1 transcriptional activity
2.7 Discussion
2.8 Conclusion
2.9 Acknowledgements
2.10 References
Chapitre 3: The prolyl isomerase Pin1 is an important regulator of Sp1/3 activity and subsequent hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) gene expression
3.1 Avant-propos
3.2 Résumé
3.3 Abstract
3.4 Introduction
3.5 Materials and methods
3.6 Results
3.6.1 Pin1 interacts with Sp1 and Sp3
3.6.2 Pin1 regulates Sp1/3 transcriptional activity
3.6.3 Phosphorylation of specific Ser/Thr residues is required for Pin1
interaction
3.6.4 Pin1 regulates Sp1/3 DNA binding
3.6.5 Pin1 is required for Sp1/3-mediated HIF-1A gene expression
3.8 Acknowledgements
3.9 References
Chapitre 4: Selective HIF-1 Regulation under Nonhypoxic Conditions by the p42/p44 MAP Kinase Inhibitor, PD184161
4.1 Avant-propos
4.2 Résumé
4.3 Abstract
4.4 Introduction
4.5 Materials and methods
4.6 Results
4.6.1 PD184161 inhibits HIF-1α protein induction induced by Ang II in VSMC131
4.6.2 PD184161 blocks nonhypoxic HIF-1α induction
4.6.3 PD184161 blocks Ang II-induced HIF-1α stabilization
4.6.4 PD184161 inhibits Ang II-induced mitochondrial ROS generation and ascorbate levels in VSMC
4.6.5 PD184161 inhibits mitochondrial membrane potential depolarization and ATP production in Ang II-treated VSMC
4.7 Discussion
4.8 Acknowledgements
4.9 References
4.10 Supplementary figures
Chapitre 5: Discussion et perspectives futures
5.1 Régulation post-traductionnelle de HIF-1α par Pin1
5.1.1 Importance de l’isomérisation de HIF-1α par Pin1 au niveau de l’activité du facteur HIF-1 et des réponses physiopathologiques
5.1.2 Mécanismes de régulation de l’activité transcriptionnelle de HIF-1 par Pin1
5.2 Régulation des facteurs Sp1 et Sp3 par Pin1 et son impact majeur sur l’expression de HIF-1α
5.2.1 Modes de régulation de l’activité transcriptionnelle de Sp1 et Sp3 par Pin1
5.2.2 Importance de Pin1 dans l’expression du régulateur clé de l’homéostasie de l’oxygène, HIF-1, ainsi que dans les réponses médiées par Sp1 et Sp3
5.3 Régulation de l’induction non-hypoxique de HIF-1α chez les VSMC par PD184161
5.3.1 Importance de PD184161 dans les réponses induites par les mtROS
5.3.2 Rôle potentiel de PD184161 dans le traitement des pathologies associées aux VSMC
Chapitre 6: Conclusion
Références
Annexe 1
Annexe 2
Annexe 3
Annexe 4
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