Autocrine physiology and oncogenic potential of growth hormone
Physiologie autocrine et potentiel oncogénique de l'hormone de croissance
Résumé
Growth hormone (GH) physiological effects are responsible for post-natal body growth through the induction of cell proliferation, metabolism and differentiation. Pituitary GH is released in a pulsatile mode and induces a cellular response adapted to the variations in homeostatic conditions. The signal transduction pathway of GH is shared with the cytokine receptor superfamily and leads to the activation of the Janus Kinase / Signal Transducer and Activator of Transcription (JAK / STAT) proteins. Extrapituitary sites of GH synthesis by endothelial, fibroblastic and epithelial cells have been described and shown to be distinctly regulated from pituitary GH. This ectopic production of GH is released in small concentration, do not contribute to significant elevation of plasma GH and is thought to exert autocrine/paracrine effects.
The main objective of the work presented here was to uncover the physiological role and pathological consequences of autocrine GH using a panel of molecular techniques from the cellular level to animal studies. First, we identified extrapituitary sites of GH expression including organs of the immune system and the mammary gland and evidenced developmentally and physiologically regulated rGH expression. Autocrine GH production by mammary epithelial cells induced their proliferation and counteracted lactogenic differentiation. We also evidenced hGH gene expression in epithelial and fibroblastic cells of the human breast and shown that it was increased in cases of invasive breast cancer. We next established a model of autocrine production of hGH using human mammary carcinoma cells and demonstrated that GH induces a significant activation of cell proliferation and protection against apoptosis. Migratory and invasive capacities of carcinoma cells were also remarkably increased by autocrine hGH and associated with a morphology reminiscent to fibroblastic type and concomitant with the acquisition of epithelial-mesenchymal transition markers. Next, we demonstrated that tumour progression of human mammary carcinoma cells induced by autocrine hGH was associated with the activation of a transcriptional platform involving specific proteins (CHOP, HOXA1, Cyclin D1, c-Myc, Bcl-2, Catalase) which lead to sustained activation of the MAPK pathway as well as mechanisms of cell survival and chemoresistance. We finally demonstrated that forced expression of the hGH gene is sufficient to promote cellular transformation of human mammary epithelial cell as well as in vivo tumour formation suggesting that autocrine GH could act as a human oncoprotein in epithelial cells.
Our work clearly established that GH is an autocrine/paracrine factor physiologically involved in mammary epithelial cell proliferation and pathologically acting as a promoter of tumour progression. Sustained expression of autocrine hGH in human breast epithelial cells result in their oncogenic transformation suggesting the potential use of hGH receptor antagonist as adjunct therapy in human breast cancer.
The main objective of the work presented here was to uncover the physiological role and pathological consequences of autocrine GH using a panel of molecular techniques from the cellular level to animal studies. First, we identified extrapituitary sites of GH expression including organs of the immune system and the mammary gland and evidenced developmentally and physiologically regulated rGH expression. Autocrine GH production by mammary epithelial cells induced their proliferation and counteracted lactogenic differentiation. We also evidenced hGH gene expression in epithelial and fibroblastic cells of the human breast and shown that it was increased in cases of invasive breast cancer. We next established a model of autocrine production of hGH using human mammary carcinoma cells and demonstrated that GH induces a significant activation of cell proliferation and protection against apoptosis. Migratory and invasive capacities of carcinoma cells were also remarkably increased by autocrine hGH and associated with a morphology reminiscent to fibroblastic type and concomitant with the acquisition of epithelial-mesenchymal transition markers. Next, we demonstrated that tumour progression of human mammary carcinoma cells induced by autocrine hGH was associated with the activation of a transcriptional platform involving specific proteins (CHOP, HOXA1, Cyclin D1, c-Myc, Bcl-2, Catalase) which lead to sustained activation of the MAPK pathway as well as mechanisms of cell survival and chemoresistance. We finally demonstrated that forced expression of the hGH gene is sufficient to promote cellular transformation of human mammary epithelial cell as well as in vivo tumour formation suggesting that autocrine GH could act as a human oncoprotein in epithelial cells.
Our work clearly established that GH is an autocrine/paracrine factor physiologically involved in mammary epithelial cell proliferation and pathologically acting as a promoter of tumour progression. Sustained expression of autocrine hGH in human breast epithelial cells result in their oncogenic transformation suggesting the potential use of hGH receptor antagonist as adjunct therapy in human breast cancer.
La croissance post natale est dépendante des effets physiologiques de l'hormone de croissance ou GH («Growth Hormone») qui se traduisent au niveau cellulaire par une augmentation de la prolifération, de la différenciation et du métabolisme. La libération pulsatile de GH hypophysaire induit une réponse cellulaire adaptée et régulée en fonction des différentes situations physiologiques et conditions homéostatiques. La transduction du signal de la GH est médiée par l'activation de la voie canonique de transduction des signaux des cytokines, Janus Kinase/Signal Transducer and Activator of Transcription (JAK/STAT). La GH est également produite en des sites extrahypophysaires par les cellules endothéliales, fibroblastiques et épithéliales suivant un mode de régulation bien distinct de celui de l'hypophyse. Cette GH ectopique synthétisée en faible quantité par rapport à la production hypophysaire ne contribue pas à l'élévation de la concentration de GH circulante et agirait comme un facteur local de régulation exerçant ses effets de façon autocrine et paracrine. L'objectif principal exposé dans ce mémoire est de comprendre le rôle physiologique et les conséquences pathologiques de la synthèse de GH autocrine. Cette problématique a été abordée depuis la cellule jusqu'à l'animal entier et expérimentalement testée par à un ensemble de techniques de biologie cellulaire, moléculaire et biochimiques. Nous avons dans un premier temps identifié certains sites de production ectopique de GH tels que les organes du système immunitaire et la glande mammaire et démontré que son expression était régulée en fonction de l'ontogenèse ou de l'état physiologique des animaux. Dans la glande mammaire de souris la GH autocrine participe à son développement en activant les mécanismes de prolifération épithéliale et en s'opposant à la différenciation lactogène. Nous avons également mis en évidence l'expression de GH humaine (hGH) dans les cellules épithéliales et fibroblastiques du sein humain et montré qu'elle était augmentée dans les cas de cancers agressifs. L'élaboration d'un modèle cellulaire de production autocrine de hGH nous a permis de caractériser en détail son rôle dans les cellules carcinomateuses mammaires. La GH induit une augmentation significative du nombre de cellules carcinomateuses par stimulation des mécanismes moléculaires de la prolifération cellulaire et par activation des mécanismes anti-apoptotiques. La production autocrine de hGH induit également une remarquable augmentation des capacités migratoires et invasives des cellules associées à un changement morphologique en type fibroblastique conjointement à l'acquisition des marqueurs de la transition épithélio-mésenchymateuse. Nous avons par la suite démontré que les mécanismes moléculaires de la progression tumorale mammaire induite par la GH autocrine résultent de l'activation d'un programme transcriptionnel complexe médié par l'action de protéines spécifiques (CHOP, HOXA1, Cycline D1, c-Myc, Bcl-2, Catalase). Cette plateforme transcriptionnelle permet l'activation soutenue de la voie des MAPK ainsi que la stimulation des fonctions antiapoptotiques, antiradicalaires et de chimiorésistance des cellules carcinomateuses. Par la suite nous avons découvert que l'expression constante et forcée de hGH dans une lignée épithéliale mammaire humaine est suffisante pour induire leur transformation oncogénique in vitro et in vivo, suggérant que la GH pourrait exercer la fonction d'un oncogène impliqué dans les cancers du sein humains. L'ensemble de nos travaux indique que les effets autocrines et paracrines de la GH se traduisent en situation physiologique par le développement prolifératif de l'épithélium mammaire et en conditions pathologiques stimulent la progression tumorale. L'expression constante de hGH par les cellules épithéliales mammaires humaines est potentiellement responsable de leur transformation oncogénique. L'antagonisme de la voie de transduction du signal de la GH représente donc un nouveau niveau d'intervention thérapeutique.
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