Génomique fonctionnelle des cellules corticotropes hypophysaires : contrôle génétique de la gestion systémique des stress

L'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HPA) permet de maintenir l'homéostasie de l'organisme face à divers stress. Qu'ils soient de nature psychologique, physique ou inflammatoire/infectieux, les stress provoquent la synthèse et la libération de CRH par l'hypothalamus. Les cellules corticotropes hypophysaires perçoivent ce signal et en réaction, produisent et sécrètent l'ACTH. Ceci induit la synthèse des glucocorticoïdes (Gc) par le cortex surrénalien; ces stéroïdes mettent le système métabolique en état d’alerte pour la réponse au stress et à l’agression. Les Gc ont le rôle essentiel de contrôler les défenses de l'organisme, en plus d'exercer une rétro-inhibition sur l'axe HPA. L'ACTH est une petite hormone peptidique produite par le clivage d'un précurseur: la pro-opiomélanocortine (POMC). À cause de sa position critique dans la normalisation de l'homéostasie, le contrôle transcriptionnel du gène Pomc a fait l'objet d'études approfondies au cours des dernières décennies. Nous savons maintenant que la région promotrice du gène Pomc permet une expression ciblée dans les cellules POMC hypophysaires. L'étude du locus Pomc par des technologies génomiques m'a permis de découvrir un nouvel élément de régulation qui est conservé à travers l'évolution des mammifères. La caractérisation de cet enhancer a démontré qu'il dirige une expression restreinte à l'hypophyse, et plus particulièrement dans les cellules corticotropes. De façon intéressante, l'activité de cet élément dépend d'un nouveau site de liaison recrutant un homodimère du facteur de transcription Tpit, dont l'expression est également limitée aux cellules POMC de l'hypophyse. La découverte de cet enhancer ajoute une toute nouvelle dimension à la régulation de l'expression de POMC. Les cytokines pro-inflammatoires IL6/LIF et les Gc sont connus pour leur antagonisme sur la réaction inflammatoire et sur le promoteur Pomc via l'action des facteurs de transcription Stat3 et GR respectivement. L'analyse génomique des sites liés ii par ces deux facteurs nous a révélé une interrelation complexe et a permis de définir un code transcriptionnel entre ces voies de signalisation. En plus de leur action par interaction directe avec l’ADN au niveau des séquences régulatrices, ces facteurs interagissent directement entre eux avec des résultats transcriptionnels différents. Ainsi, le recrutement de GR par contact protéine:protéine (tethering) sur Stat3 étant lié à l'ADN provoque un antagonisme transcriptionnel. Inversement, le tethering de Stat3 sur GR supporte une action synergique, tout comme leur co-recrutement à l'ADN sur des sites contigus ou composites. Lors d'une activation soutenue, ce synergisme entre les voies IL6/LIF et Gc induit une réponse innée de défense cellulaire. Ainsi lors d'un stress majeur, ce mécanisme de défense est mis en branle dans toutes les cellules et tissus. En somme, les travaux présentés dans cette thèse définissent les mécanismes transcriptionnels engagés dans le combat de l'organisme contre les stress. Plus particulièrement, ces mécanismes ont été décrits au niveau de la réponse globale des corticotropes et du gène Pomc. Il est essentiel pour l'organisme d'induire adéquatement ces mécanismes afin de faire face aux stress et d'éviter des dérèglements comme les maladies inflammatoires et métaboliques.

The hypothalamo-pituitary-adrenal (HPA) axis regulates homeostasis in various conditions of stress contributing to both the stress response and its termination. Psychological, physical or inflammatory/infectious stresses all prompt the synthesis and secretion of hypothalamic CRH. The pituitary corticotrope cells receive this signal and in turn, secrete ACTH which triggers the synthesis of glucocorticoids (Gc) by the adrenal cortex; these steroids induce a general state of alertness in order to fight or flight aggressions and stresses. Glucocorticoids have the critical role to restrict the stress response by exerting a negative feedback on the HPA axis. ACTH is a small peptidic hormone produced after cleavage of a precursor protein: pro-opiomelanocortin (POMC). Due to its critical role in homeostasis, transcriptional control of the Pomc gene has been intensely studied during the last decades. Previous investigations identified a promoter region that is sufficient for expression of Pomc in the appropriate pituitary cells. Genome-wide studies of the Pomc locus led me to discover a novel regulatory element that is conserved throughout mammalian evolution. The activity of this enhancer is restricted to the pituitary, and more precisely to the corticotrope lineage. Interestingly, its activity depends on a novel transcription factor binding motif that binds homodimers of Tpit, a transcription factor that is only found in pituitary POMC cells. The discovery of this enhancer adds a new dimension in the control of pituitary Pomc expression. The IL6/LIF pro-inflammatory cytokines and the glucocorticoids are well known for their antagonism in control of the inflammatory response; at the Pomc promoter, their action is mediated by the transcription factors Stat3 and GR, respectively. The analysis of genomic sites bound by these two factors revealed a complex relationship and led us to define a transcription regulatory code linking these signalling pathways. In addition to their direct DNA interaction with cognate regulatory sequences, these factors iv interact with each other with different outcomes. Thus, the recruitment of GR on DNAbound Stat3 through protein:protein contacts (tethering) results in transcriptional antagonism. Conversely, Stat3 tethering to GR produces synergism; this is also the case when the two factors are co-recruited to DNA on contiguous or composite binding sites. Prolonged activation of the IL6/LIF and Gc pathways elicits a synergistic innate cell defense response in all cells and tissues. In summary, this doctoral work has defined transcriptional mechanisms that mediate and control the stress response. In particular, pituitary components of the stress response were defined at the level of the Pomc gene and as a global response of corticotrope cells. This response is critical for appropriate organism defense during stresses such as those produced in inflammatory and metabolic diseases.