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Quatre-vingts ans de recherches clinique, biologique et génétique ont permis de décrypter les bases physiopathologiques et génétiques d’une maladie rare : la pseudo-hypoparathyroïdie (PHP) qui affecte l’homéostasie phosphocalcique par défaut de production d’AMPc (3’-5’-cyclique adénosine monophosphate) en réponse à la parathormone (PTH). Il s’agit d’une histoire aux multiples facettes, dont les bases moléculaires ont été progressivement dévoilées au fur et à mesure des progrès scientifiques, réunissant au sein d’un même locus, appelé GNAS ( guanine nucleotide-binding protein alpha stimulating ) qui code la sous-unité alpha stimulatrice de la protéine G (Gα _s ), marquée par un spectre d’affections que la clinique seule n’associerait pas. Différents mécanismes d’altération génétique, leur localisation sur le chromosome d’origine maternelle ou paternelle, vont en effet conduire à différentes maladies.

C’est sous le nom d’un curieux éponyme faisant référence à une vieille race de poules naines créées par Sir John Sebright, au xix ^e siècle, que l’endocrinologue américain Fuller Albright (1900-1969) décrivit pour la première fois en 1942 le « Seabright bantam syndrome », un syndrome morphologique caractérisé par une petite taille, une obésité, un faciès arrondi, des anomalies de longueur des doigts, accompagné souvent d’un retard mental, associé à une hypocalcémie et une hyperphosphatémie [ 1 ]. L’absence d’élévation de l’excrétion urinaire de phosphate, après administration d’extraits de glande parathyroïde [ 2 ], suggérait une résistance périphérique à la PTH plutôt qu’une insuffisance de production de l’hormone, d’où le nom de pseudohypoparathyroïdie. Cette description fut reprise par le pédiatre américain Charles Upton Lowe (1921-2012) en 1950, chez un patient qui présentait de plus une hypothyroïdie et des zones d’hypercalcification au niveau des poignets [ 3 ]. Le syndrome dysmorphique fut ultérieurement décrit sous le nom d’ostéodystrophie héréditaire d’Albright (OHA). Une décennie plus tard, Albright identifia un patient présentant les mêmes caractères dysmorphiques, mais sans anomalie phosphocalcique et une réponse appropriée à la PTH. Ce phénotype fut alors dénommé pseudo-pseudohypoparathyroïdie (PPHP) [ 4 ]. Le décryptage des mécanismes physiopathologiques de la maladie a ensuite suivi l’évolution des connaissances en biochimie puis en génétique.

L’action de la PTH sur le rein et sur l’os repose sur l’activation de l’adénylate cyclase, une enzyme qui transforme l’ATP en AMPc. Le dosage de la PTH, rendu possible par la technique radio-immunologique ( radioimmunoassay , RIA), a permis de révéler chez les patients une élévation de la concentration plasmatique de la PTH, un maintien de la régulation de la concentration de la PTH par le calcium, et une absence d’excrétion urinaire d’AMPc en réponse à l’administration de PTH [ 5 ].

Les mécanismes de couplage entre un récepteur à sept domaines transmembranaires et la production d’AMPc via l’adénylate cyclase (AC) ont été disséqués au cours des années 1970, conduisant à l’identification d’un complexe protéique liant des nucléotides à guanine, qui a été appelé protéine G. Lorsque l’effecteur enzymatique est l’AC, ce complexe protéique porte le nom de protéine Gs. La PTH agit sur ses tissus cibles en se liant à PTHR1, un récepteur qui appartient à cette famille de récepteurs membranaires à sept domaines transmembranaires couplés aux protéines G (RCPG), récepteur qui lie la PTH et le PTH-rp ( PTH related-peptide ), un peptide homologue dans sa partie N-terminale avec la PTH.

Une fois éliminée l’hypothèse d’un dysfonctionnement de l’AC [ 6 ], il fut démontré que la maladie était liée à une baisse d’activité de la protéine Gs grâce à la mise au point d’un test fondé sur la complémentation entre les membranes d’érythrocytes humains (dépourvus d’AC) et celles d’érythrocytes de dinde (dépourvus de protéine Gs), ayant comme résultat une réduction d’environ 50 % de la production d’AMPc [ 7 ], une diminution retrouvée chez les patients atteints de PHP ou de PPHP. Ce test fut, par la suite, utilisé pour le diagnostic de la maladie [ 8 ].

La protéine Gs est un complexe hétérotrimérique qui est intermédiaire entre un RCPG membranaire et un effecteur enzymatique cytoplasmique, mais lié à la membrane, qui sera à l’origine de la synthèse d’un second messager intracellulaire. La protéine Gs est constituée de trois sous-unités : Gα _s , Gβ et Gγ [ 9 ]. La sous-unité Gα _s établit des contacts spécifiques avec l’AC et conduit à la production d’AMPc à partir de l’ATP. Elle fonctionne selon un mode on/off ( Figure 1A , B ).

Figure 1. La sous-unité Gα s dans la signalisation intracellulaire. A. Lorsqu’un récepteur couplé aux protéines G à sept domaines transmembranaires (RCPG) fixe un ligand, tel qu’une hormone (PTH : parathormone ; PTH-rp : PTH-related peptide ; TSH : hormone thyréotrope ; GHRH : growth hormone-releasing hormone , etc.), il subit une modification de conformation lui permettant d’interagir avec la protéine G qui est constituée de trois sous-unités (Gα, Gβ et Gγ). Gα, liée à du GDP (Gα-GDP) dans sa forme inactive, libère alors le GDP et se lie à du GTP, tout en se dissociant des sous-unités Gβ et Gγ. Gα-GTP active ensuite l’adénylate cyclase (AC) pour produire de l’AMPc à partir d’ATP. La transduction du signal est assurée par une cascade de phosphorylations intracellulaires qui implique en particulier la protéine kinase A (PKA). La durée du signal est régulée par des phosphodiestérases, telles que PDE4D et PDE3A, qui métabolisent l’AMPc. R : unité régulatrice de la PKA (PRKAR1A) ; C : unité catalytique de la PKA. B. L’activation de l’adénylate cyclase est autolimitée dans le temps par l’activité GTPase intrinsèque de la sous-unité Gα s , éliminant le phosphate (Pi) en position g, traduisant un système de régulation de type « on / off ». Gα s , de nouveau liée à du GDP, reprend alors une forme inactive (Gα-GDP) et se réassocie avec les sous-unités Gβ et Gγ.

Figure 1. La sous-unité Gα s dans la signalisation intracellulaire. A. Lorsqu’un récepteur couplé aux protéines G à sept domaines transmembranaires (RCPG) fixe un ligand, tel qu’une hormone (PTH : parathormone ; PTH-rp : PTH-related peptide ; TSH : hormone thyréotrope ; GHRH : growth hormone-releasing hormone , etc.), il subit une modification de conformation lui permettant d’interagir avec la protéine G qui est constituée de trois sous-unités (Gα, Gβ et Gγ). Gα, liée à du GDP (Gα-GDP) dans sa forme inactive, libère alors le GDP et se lie à du GTP, tout en se dissociant des sous-unités Gβ et Gγ. Gα-GTP active ensuite l’adénylate cyclase (AC) pour produire de l’AMPc à partir d’ATP. La transduction du signal est assurée par une cascade de phosphorylations intracellulaires qui implique en particulier la protéine kinase A (PKA). La durée du signal est régulée par des phosphodiestérases, telles que PDE4D et PDE3A, qui métabolisent l’AMPc. R : unité régulatrice de la PKA (PRKAR1A) ; C : unité catalytique de la PKA. B. L’activation de l’adénylate cyclase est autolimitée dans le temps par l’activité GTPase intrinsèque de la sous-unité Gα s , éliminant le phosphate (Pi) en position g, traduisant un système de régulation de type « on / off ». Gα s , de nouveau liée à du GDP, reprend alors une forme inactive (Gα-GDP) et se réassocie avec les sous-unités Gβ et Gγ.

Avec les progrès de la génétique moléculaire, le gène qui code la sous-unité Gα _s a pu être identifié et caractérisé. Appelé GNAS1 , il est localisé dans le locus GNAS situé dans la région télomérique du bras long du chromosome 20 (20q13.32). Ce gène est transcrit sous la forme d’un ARNm comprenant 13 exons codant une protéine de 394 acides aminés.

À partir de la détermination de la séquence du gène, les premières mutations de GNAS1 associées à la PHP ont pu être identifiées. Il s’agissait de mutations hétérozygotes, responsables d’une perte de fonction (LOF pour loss-of-function ). Ces mutations peuvent être de différents types et sont répertoriées dans des banques de données ( http://www.hgmd.cf.ac.uk/ac/index.php ou www.lovd.nl/GNAS ). Elles peuvent être héritées ou survenir de novo . Chez la souris, les mutations LOF bi-alléliques sont létales. Dans un travail récent de notre équipe, il a été montré que les mutations conduisant à une perte de fonction de la sous-unité Gα _s sont transmises préférentiellement à la descendance, suggérant ainsi un avantage sélectif dans la sélection des gamètes et/ou dans l’embryogenèse [ 10 ].

L’hétérozygotie pour la mutation permet donc d’expliquer l’haplo-insuffisance que l’on observe dans les érythrocytes par le test de complémentation (avec une réduction de 50 % de l’activité de Gs, voir plus haut). Cependant, les mécanismes conduisant à la résistance à la PTH au niveau rénal sont restés longtemps incompris.

Une altération des effecteurs en aval de Gα _s , tels que PRKAR1A ( protein kinase cAMP-dependent type I regulatory subunit alpha ), et les phosphodiestérases PED3A et PED4D peuvent affecter la production de l’AMPc intracellulaire. Pourtant, les lésions identifiées sur les gènes codant ces effecteurs sont associées à des phénotypes différents de ceux observés dans la PHP entrant dans le registre des acrodysostoses, que nous ne développerons pas dans le cadre de cette revue [ 11 ].

En parallèle des découvertes permettant de comprendre les mécanismes impliqués dans la maladie, le spectre pathologique de la PHP a été redéfini. Différents types ont ainsi été déterminés selon des caractéristiques qui leur sont spécifiques.

Ainsi, dans la PHP de type 1 (PHP1), l’administration de PTH exogène [ 2 ] ne produit ni élévation de l’AMPc ni phosphaturie. Ce type correspond à un défaut de la sous-unité Gα _s . Dans le type 2 (PHP2), que nous n’aborderons pas ici, l’administration de PTH exogène élève le niveau d’AMPc urinaire, mais ne produit pas de phosphaturie, révélant un déficit situé en aval de la sous-unité Gα _s [ 12 ].

L’ostéodystrophie héréditaire d’Albright (OHA) rassemble, quant à elle, plusieurs traits phénotypiques particuliers : une petite taille, une obésité, des anomalies des extrémités, telles que brachydactylie, brachymétacarpie et des ossifications sous-cutanées plus ou moins diffuses ; un retard mental est souvent présent.

La PHP de type 1A (PHP1A) regroupe des patients souffrant de PHP1 associée à une OHA avec une diminution de l’activité de la sous-unité Gα _s .

La PHP de type 1B (PHP1B) regroupe des patients souffrant de PHP1 mais sans OHA et avec une activité Gα _s quasi normale.

Enfin, la PPHP regroupe les patients atteints d’OHA avec baisse de l’activité de la sous-unité Gα _s mais sans PHP. L’hétéroplasie progressive osseuse (POH) est une forme sévère de PPHP. Elle se caractérise par une ossification hétérotopique qui s’étend progressivement, en profondeur dans les tissus conjonctif et dans les muscles squelettiques [ 13 ].

Certains patients qui présentent des signes cliniques de PHP1 avec un syndrome dysmorphique mais sans baisse de l’activité de la sous-unité Gα _s sont classés en PHP1C.

Les signes cliniques et biologiques de ces affectations ainsi que leur prise en charge ont fait l’objet de nombreuses publications et d’un consensus international [ 14 ].

La recherche d’anomalies génétiques, grâce au développement des séquenceurs nouvelle génération qui permettent l’étude en parallèle de panels de gènes, voire de l’exome, a pris le pas sur l’étude biochimique de l’activité G _s . Aussi, certains auteurs ont proposé une nouvelle classification : l’iPPSD, pour inactivating PTH/PTHrP signaling disorder , fondée sur le mécanisme commun de résistance à la PTH et sur la nature de la lésion génétique impliquée [ 15 ].

Des études de cristallographie, de biochimie, ainsi que les signes cliniques et biologiques observés chez des patients porteurs de mutations touchant le gène GNAS1 ont permis de préciser des déterminants structuraux responsables d’effets spécifiques, perte de fonction ou gain de fonction [ 9 , 16 - 18 ].

L’haploinsuffisance résultant de mutations retrouvées à l’état hétérozygote peut-elle, à elle seule, expliquer la résistance rénale à la PTH ?

Au sein d’une même famille, certains membres portant la même mutation peuvent présenter des phénotypes différents de PHP1A ou de PPHP. Les études de pédigrée intrafamilial montrent que les mutations de GNAS1, responsables de la PHP1A, sont héritées de la mère (ou situées sur l’allèle maternel si les mutations sont de novo ). En revanche, ces mêmes mutations sont responsables de PPHP lorsqu’elles sont héritées du père (ou touchant l’allèle paternel) [ 20 , 21 ]. L’expression de l’allèle maternel de GNAS1 est essentielle à la production d’AMPc urinaire résultant de l’action de la PTH, et une mutation sur l’allèle maternel entraîne une perte totale d’activité G _s et une résistance à la PTH.

D’une façon générale, l’empreinte génomique est un mécanisme selon lequel l’expression d’un gène est mono-allélique et non bi-allélique, l’autre allèle étant « éteint ». La modulation de la transcription est principalement due à une méthylation différentielle de certaines régions (DMR, pour differentially methylated regions ) au niveau des promoteurs du gène : le gène dont le promoteur est méthylé n’est pas transcrit.

Comme la majorité des gènes soumis à empreinte génomique, le locus GNAS est organisé en cluster [ 21 ] ( Figure 2A ) . L’épissage alternatif de l’exon 1 ( GNAS contient 13 exons) donne naissance à trois transcrits qui codent différentes protéines : Gα _s (exons 1-13) ; NESP55 ( neuroendocrine secretory protein 55 ), qui fait partie de la famille des chromogranines et dont la séquence codante est entièrement contenue dans l’exon 1 ; XLa _s (isoforme extra-large) qui ne diffère de Gα _s que par sa partie N-terminale et dont la distribution tissulaire est plus limitée (pancréas, cerveau, hypophyse, cœur, surrénales) [ 22 ]. Deux transcrits non codants sont également produits : A/B , et un ARN antisens AS (appelés respectivement 1A et nespas chez la souris).

Figure 2. Organisation du locus GNAS. A. Épissage alternatif. Les exons 2 à 13 sont communs aux trois ARNm codant respectivement les protéines Gα s , XLa s et NESP55 et à l’ARN non codant A/B. AS est un ARN non codant antisens. Chaque exon 1 spécifique est représenté par une boîte différente. Les flèches indiquent le sens de la transcription. B. Empreinte parentale. mat : allèle maternel ; pat : allèle paternel. ICR : centre de contrôle de la méthylation en cis de A/B DMR, situé dans le gène codant la syntaxine 16 ( STX16 ). Les exons 1 spécifiques sont chacun sous le contrôle de promoteurs situés dans des DMR (région différentiellement méthylée). Les régions méthylées sur chacun des allèles sont représentées par des petits cercles rouge. Les DMR AS, XL et A/B sont méthylées sur l’allèle maternel alors que NESP55 DMR est méthylée sur l’allèle paternel. L’expression du gène codant Gα s est bi-allélique dans la plupart des tissus (érythrocytes, fibroblastes, etc.). Dans certains tissus (néphron, thyroïde, hypophyse, etc.), seul l’allèle maternel du gène codant Gα s est exprimé : l’empreinte est tissu-spécifique.

Figure 2. Organisation du locus GNAS. A. Épissage alternatif. Les exons 2 à 13 sont communs aux trois ARNm codant respectivement les protéines Gα s , XLa s et NESP55 et à l’ARN non codant A/B. AS est un ARN non codant antisens. Chaque exon 1 spécifique est représenté par une boîte différente. Les flèches indiquent le sens de la transcription. B. Empreinte parentale. mat : allèle maternel ; pat : allèle paternel. ICR : centre de contrôle de la méthylation en cis de A/B DMR, situé dans le gène codant la syntaxine 16 ( STX16 ). Les exons 1 spécifiques sont chacun sous le contrôle de promoteurs situés dans des DMR (région différentiellement méthylée). Les régions méthylées sur chacun des allèles sont représentées par des petits cercles rouge. Les DMR AS, XL et A/B sont méthylées sur l’allèle maternel alors que NESP55 DMR est méthylée sur l’allèle paternel. L’expression du gène codant Gα s est bi-allélique dans la plupart des tissus (érythrocytes, fibroblastes, etc.). Dans certains tissus (néphron, thyroïde, hypophyse, etc.), seul l’allèle maternel du gène codant Gα s est exprimé : l’empreinte est tissu-spécifique.

Au locus GNAS, il existe quatre DMR : A/B DMR ; NESP55 DMR ; XL DMR et AS DMR. Les DMR spécifiques XL, AS et A/B , sont méthylées sur l’allèle maternel ( Figure 2B ) ; les transcrits dérivent donc de l’allèle paternel. Au contraire, NESP55 DMR est méthylée sur l’allèle paternel ; NESP55 s’exprime donc à partir de l’allèle maternel. Étonnament, il n’y a pas de DMR dans l’exon 1 spécifique de GNAS1 qui code Gα _s , suggérant donc une expression bi-allélique. On constate cependant que lorsque A/B DMR est méthylée ( A/B n’est donc pas exprimé), l’exon 1 spécifique de GNAS1 est utilisé, l’ARNm est transcrit puis traduit en Gα _s . Lorsque A/B DMR n’est pas méthylée, c’est A/B qui est exprimé aux dépens de GNAS1 . Chez la souris portant une mutation LOF de Gnas1 sur l’allèle maternel et présentant donc une PHP1A, la délétion de 1A sur l’allèle paternel permet l’expression de Gnas1 en cis , corrigeant ainsi le phénotype [ 23 ]. L’hypothèse du choix du promoteur libre par l’ARN polymérase est possible, mais elle ne peut expliquer pourquoi l’expression mono-allélique d’origine maternelle ne concerne que certains tissus et reste bi-allélique dans d’autres.

Les patients atteints de PHP1B présentent une hypocalcémie résistante à la PTH, avec peu ou pas de signes d’OHA et une activité érythrocytaire G _s normale. Une obésité morbide est souvent observée au cours des premières années de vie [ 14 ].

Il existe deux formes de PHP1B : une forme familiale de transmission autosomique dominante, AD-PHP1B, et une forme sporadique, Spor-PHP1B. Ces deux formes ont en commun une perte de méthylation (LOM) de la région différentiellement méthylée (DMR) de A/B (A/B DMR) [ 31 ] ( Tableau II ). La méthylation de A/B DMR dépend d’un centre d’empreinte qui est situé vers le centromère dans le gène de la syntaxine 16 ( STX16 ) [ 32 ] à 220 kilobases (kb) du gène GNAS1.

De façon récurrente, dans l’AD-PHP1B, une délétion en cis de 3 kb est retrouvée dans le gène STX16 ; mais il existe d’autres mutations, comme des duplications ou des inversions. Chez la souris, les délétions dans le gène Stx16 n’affectent pas, par contre, la méthylation de 1A DMR (qui correspond à A/B DMR chez l’homme) ce qui limite l’intérêt de ce modèle. L’existence de petites délétions dans le gène NESP55 , responsables d’AD-PHP1B, montre que la transcription de NESP 55 semble également nécessaire à la méthylation de A/B DMR sur l’allèle maternel [ 33 ]. Cette régulation est confirmée chez la souris puisque la transcription ectopique sur l’allèle paternel de Nesp55 entraîne la méthylation de 1A DMR en cis [ 34 ]. Enfin, sur l’allèle paternel, la transcription de Nespas apparaît importante pour la méthylation de nesp DMR (ce qui éteint l’expression de Nesp ) et pour prévenir la méthylation de 1A DMR (ce qui a pour conséquence l’expression de 1A et donc l’absence d’expression de Gnas1 ). Ce jeu de régulations complexes, organisant les DMR dans le locus GNAS, reste encore à approfondir. Les mécanismes mis en jeu feraient intervenir l’ouverture de la chromatine, ce qui faciliterait la mise en place de l’empreinte [ 35 ].

Les anomalies de méthylation observées dans les formes sporadiques sont plus complexes et leur mécanisme largement inconnu avec la perte de méthylation des DMR maternelles de AS , XL et A/B , et le gain de méthylation de NESP DMR. Une perte de l’allèle maternel ou une disomie ^4, ou hétérodisomie ⁵ paternelle (patUPD20q), peuvent expliquer un profil typique de l’épigénome paternel [ 36 ]. Leur fréquence augmente avec l’âge de la mère [ 36 ]. Cependant, chez la majorité des patients, les anomalies de méthylation sont incomplètes, avec des gains et des pertes partiels de méthylation. Leur cause reste inconnue. Des défauts de méthylation sur d’autres locus soumis à empreinte ( multi-locus imprinting defect ) ont été observés [ 37 ], suggérant l’altération d’un réseau de gènes qui serait impliqué dans la mise en place de l’empreinte génomique [ 38 ].

Dans le spermatozoïde, l’empreinte est acquise avant la naissance. Dans l’ovocyte, les DMR de AS et XL se mettent en place après la naissance, pendant la phase de croissance. Après la fécondation, les DMR des gènes soumis à empreinte ne subissent pas la vague de dé-méthylation observée en période pré-implantatoire. L’asymétrie épigénétique persistera, préservant ainsi l’identité parentale [ 35 ]. Il est donc possible qu’une anomalie au sein de l’ovocyte soit responsable d’un défaut de la méthylation du locus GNAS responsable de la Spor-PHP1B. Bien que sa cause reste actuellement inconnue, elle pourrait être favorisée par les techniques de fécondation in vitro [ 39 ]. Des anomalies de méthylation peuvent également se trouver réparties en mosaïque, suggérant, dans ce cas, un événement post-zygotique plus tardif. Enfin, les jumeaux monozygotes atteints de spor-PHP1B, concordants sur le plan épigénétique, s’avèrent rares et les modifications épigénétiques que l’on observe chez ces patients impliquent une altération très précoce du processus [ 40 ].

Les pseudo-hypoparathyroïdies (PHP), dans leurs différentes formes, sont des maladies rares qui affectent la voie de la signalisation impliquant la sous-unité Gα _s responsable de la production d’AMPc intracellulaire. Si la génétique moléculaire permet de nommer la maladie, de nombreuses interrogations persistent quant aux mécanismes conduisant aux différents phénotypes identifiés. L’altération de la séquence codante de GNAS1 avec perte de fonction de la protéine Gα _s identifiée dans la PHP1A, ne donne pas le même phénotype qu’une épimutation qui altère l’expression génique de GNAS1 , qui est retrouvée dans la PHP1B. Pour corriger au plus tôt les déficiences hormonales, un diagnostic précoce, le plus souvent génétique, se justifie. En revanche, la complexité des interactions entre les différentes formes cliniques de la maladie, lésions osseuses invalidantes, obésité, petite taille, troubles du développement, rend la définition de pistes thérapeutiques difficile pour traiter ces autres symptômes.

L’auteure déclare n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.