CE14 - Physiologie et physiopathologie

Origine et fonction du generateur hypophysaire de pulses d'hormone de croissance – GH-Gen

Origine multi-échelle des rythmes d'hormone GH

Ce projet explore une des fonctions essentielles dans la vie des vertébrés : comment est codée la sécrétion pulsatile de l’hormone de croissance (GH) qui contrôle la croissance corporelle et régule le métabolisme. L’originalité du projet serait que le réseau fonctionnel de cellules hypophysaires somatotropes sécrétant la GH décode l’information rapide neurohormonale (GHRH hypothalamique) et la transmet sous forme de vagues calciques intercellulaires qui seraient à la base des pulses longs de GH.

Comprendre l'origine in vivo des pulses GH pour mieux diagnostiquer et soigner les défauts GH

Un challenge actuel en physiologie/pathologie est de pouvoir translater à l’in vivo les signaux cellulaires identifiés in vitro, notamment quand des interactions cellule-cellule ont un rôle fonctionnel. L’hypophyse, glande « maîtresse » de l’organisme, est un bon exemple : les signaux provenant de quelques milliers de neurones hypothalamiques sont relayés par des centaines de milliers de cellules endocrines qui génèrent des pulses d’hormones (c’est le système hypothalamo-hypophysaire, HP) ensuite décodés par les tissus cibles périphériques. Nous avons identifiés une organisation de ces cellules en réseaux 3D comme étant une composante clé de ce système HP mais comment ces cellules transforment les informations hypothalamiques en pulses d’hormones dans la vraie vie restent encore une inconnue. <br />Nos développements récents d’imagerie in vivo et de manipulation dans des souris libres de leurs mouvements ainsi que d’imagerie en 3D d’hypophyse humaine nous permettent d’adresser comment sont reliés les stimulations hypothalamiques et leurs réponses hypophysaires chez des modèles murins et certainement l’homme.

Nos développements récents d’imagerie in vivo et de manipulation dans des souris libres de leurs mouvements ainsi que d’imagerie en 3D d’hypophyse humaine nous permettent d’adresser comment sont reliés les stimulations hypothalamiques et leurs réponses hypophysaires chez des modèles murins et certainement l’homme. De manière étonnante, nos données préliminaires suggèrent une organisation type « poupées russes » des signaux calciques générés par le réseau de cellules somatotropes (sécrétant la GH) avec des signaux rapides calciques superposés sur des augmentations lentes (« vagues ») coordonnant des épisodes de sécrétion de GH qui sont intégrés pour donner les longs pulses d’hormone dans le sang. Basés sur nos résultats récents et la complémentarité d’expertise de notre consortium ANR, ce projet définira le fonctionnement in vivo des cellules GH et des neurones hypothalamiques GHRH (principal stimulus de GH) ainsi que les signaux de transduction impliqués dans la genèse des pulses de GH.

Notre hypothèse de travail est que le réseau de cellules GH fonctionnerait comme un générateur de pulses, transformant la stimulation GHRH en rythmes lents de GH. Nous sommes actuellement en train de : 1/ déterminer les activités des neurones GHRH et des cellules GH en relation avec le contrôle de GH chez des souris mâles et femelles éveillées et en fonction de l’âge. Des études in vivo longitudinales (dans lesquelles l’animal est son propre contrôle) des signaux calciques (protéine fluorescente GCAMP6) sont réalisées dans des souris éveillées et préalablement implantées avec une aiguille de lentilles (GRIN lens) couplée à un micro-endoscope ultraléger (2g). Ceci devrait permettre d’identifier de nouveaux tests de la pulsatilité GH chez les patients. 2/ Identifier les mécanismes orchestrant les vagues coordonnées calciques qui sous-tendent les pulses GH et ce, grâce aux techniques et outils suivants : imagerie in vivo et manipulation optogénétique, ainsi que la technique de ‘dynamic clamp’ et des agents pharmacologiques, pour déterminer la contribution de canaux ioniques et d’autres molécules de signalisation cellulaire/intercellulaire (à partir de notre analyse transcriptomique de cellules purifiées). 3/ Déterminer si nos données chez la souris sont transposables à la clinique afin d’améliorer le diagnostic et le traitement des défauts hypophysaires. Dans ce but, nous sommes en train d’établir une liste de facteurs communs en utilisant l’imagerie 3D d’hypophyse humaine et testerons ces gènes candidats par l’approche CRISPR-Cas9 et injection virale.

En résumé, notre projet apportera un nouveau niveau de compréhension de la genèse des pulses de GH. Comme la GH est essentielle pour la croissance corporelle et le métabolisme et que seulement = 15% des défauts hypophysaires ont été identifiés, il est d’importance physiologique et certainement relevant pour la clinique d’identifier l’origine de ces vagues calciques. Finalement nous prévoyons que notre approche révélera dans un futur proche d’autres facettes du dialogue Cerveau-Système endocrine.

1- Diving into the brain: deep-brain imaging techniques in conscious animals. Campos P, Walker JJ, Mollard P. J Endocrinol. 2020 Aug;246(2):R33-R50. doi: 10.1530/JOE-20-0028.
2- Pituitary stem cells produce paracrine WNT signals to control the expansion of their descendant progenitor cells.
Russell JP, Lim X, Santambrogio A, Yianni V, Kemkem Y, Wang B, Fish M, Haston S, Grabek A, Hallang S, Lodge EJ, Patist AL, Schedl A, Mollard P, Nusse R, Andoniadou CL. Elife. 2021 Jan 5;10:e59142. doi: 10.7554/eLife.59142.
3- Synaptic communication mediates the assembly of a self-organizing circuit that controls reproduction. Golan M, Boulanger-Weill J, Pinot A, Fontanaud P, Faucherre A, Gajbhiye DS, Hollander-Cohen L, Fiordelisio-Coll T, Martin AO, Mollard P. Sci Adv. 2021 Feb 19;7,eabc8475. doi: 10.1126/sciadv.abc8475.
4- Loss-of-function variantS IN SEMA3F AND PLXNA3 ENCODING semaphorin-3F and its receptor plexin-A3 respectively cause idiopathic hypogonadotropic hypogonadism. Kotan LD, Ternier G, Cakir AD, Emeksiz HC, Turan I, Delpouve G, Kardelen AD, Ozcabi B, Isik E, Mengen E, Cakir EDP, Yuksel A, Agladioglu SY, Dilek SO, Evliyaoglu O, Darendeliler F, Gurbuz F, Akkus G, Yuksel B, Giacobini P*, Kemal Topaloglu A*. Genet Med. 2021 Jan 25. doi: 10.1038/s41436-020-01087-5.
5- Neuron-Derived Neurotrophic Factor is Mutated in Congenital Hypogonadotropic Hypogonadism. Messina A, Pulli K, Santini S, Acierno J, Känsäkoski J, Cassatella D, Xu C, Casoni F, Malone SA, Ternier G, Conte D, Sidis Y, Tommiska J, Vaaralahti K, Dwyer A, Gothilf Y, Merlo GR, Santoni F, Niederländer NJ, Giacobini P*, Raivio T*, Pitteloud N*. Am J Hum Genet. 2020 jan 2;106(1):58-70. doi: 10.1016/j.ajhg.2019.12.003.

Un challenge actuel en physiologie/pathologie est de pouvoir translater à l’in vivo les signaux cellulaires identifiés in vitro, notamment quand des interactions cellule-cellule ont un rôle fonctionnel. L’hypophyse, glande « maîtresse » de l’organisme, est un bon exemple : les signaux provenant de quelques milliers de neurones hypothalamiques sont relayés par des centaines de milliers de cellules endocrines qui génèrent des pulses d’hormones (c’est le système hypothalamo-hypophysaire, HP) ensuite décodés par les tissus cibles périphériques. Nous avons (partenaires 1&3, Mollard & Le Tissier) identifiés une organisation de ces cellules en réseaux 3D comme étant une composante clé de ce système HP mais comment ces cellules transforment les informations hypothalamiques en pulses d’hormones dans la vraie vie restent encore une inconnue.

Nos développements récents d’imagerie in vivo et de manipulation dans des souris libres de leurs mouvements ainsi que d’imagerie en 3D d’hypophyse humaine (partenaire 2, Giacobini) nous permettent d’adresser comment sont reliés les stimulations hypothalamiques et leurs réponses hypophysaires chez des modèles murins et certainement l’homme. De manière étonnante, nos données préliminaires suggèrent une organisation type « poupées russes » des signaux calciques générés par le réseau de cellules somatotropes (sécrétant la GH) avec des signaux rapides calciques superposés sur des augmentations lentes (« vagues ») coordonnant des épisodes de sécrétion de GH qui sont intégrés pour donner les longs pulses d’hormone dans le sang. Basés sur nos résultats récents et la complémentarité d’expertise de notre consortium ANR (partenaires 1-3), ce projet définira le fonctionnement in vivo des cellules GH et des neurones hypothalamiques GHRH (principal stimulus de GH) ainsi que les signaux de transduction impliqués dans la genèse des pulses de GH.

Notre hypothèse de travail serait que le réseau de cellules GH fonctionnerait comme un générateur de pulses, transformant la stimulation GHRH en rythmes lents de GH. Pour cela nous allons : 1/ déterminer les activités des neurones GHRH et des cellules GH en relation avec le contrôle de GH chez des souris mâles et femelles éveillées et en fonction de l’âge. Des études in vivo longitudinales (dans lesquelles l’animal est son propre contrôle) des signaux calciques (protéine fluorescente GCAMP6) seront réalisées dans des souris éveillées et préalablement implantées avec une aiguille de lentilles (GRIN lens) couplée à un micro-endoscope ultraléger (2g). Ceci devrait permettre d’identifier de nouveaux tests de la pulsatilité GH chez les patients. 2/ Identifier les mécanismes orchestrant les vagues coordonnées calciques qui sous-tendent les pulses GH et ce, grâce aux techniques et outils suivants : imagerie in vivo et manipulation optogénétique, ainsi que la technique de ‘dynamic clamp’ et des agents pharmacologiques, pour déterminer la contribution de canaux ioniques et d’autres molécules de signalisation cellulaire/intercellulaire (à partir de notre analyse transcriptomique de cellules purifiées). 3/ Déterminer si nos données chez la souris sont transposables à la clinique afin d’améliorer le diagnostic et le traitement des défauts hypophysaires. Nous allons établir une liste de facteurs communs en utilisant l’imagerie 3D d’hypophyse humaine et testerons ces gènes candidats par l’approche CRISPR-Cas9 et injection virale.

En résumé, notre projet apportera un nouveau niveau de compréhension de la genèse des pulses de GH. Comme la GH est essentielle pour la croissance corporelle et le métabolisme et que seulement = 15% des défauts hypophysaires ont été identifiés, il est d’importance physiologique et certainement relevant pour la clinique d’identifier l’origine de ces vagues calciques. Finalement nous prévoyons que notre approche révélera dans un futur proche d’autres facettes du dialogue Cerveau-Système endocrine.

Coordinateur du projet

Monsieur Patrice Mollard (INSTITUT DE GENOMIQUE FONCTIONNELLE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

U1172 CENTRE DE RECHERCHE JEAN-PIERRE AUBERT
IGF INSTITUT DE GENOMIQUE FONCTIONNELLE

Aide de l'ANR 491 066 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 48 Mois

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