L’axe gonadotrope ECOLE NATIONALE VETERINAIRE T O U L O U S E V. Gayrard Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse Unité Associée INRA de Physiopathologie et Toxicologie Expérimentales 23, Chemin des Capelles 31076 Toulouse cedex

L’axe gonadotrope

L’axe gonadotrope I. LES HORMONES STEROIDIENNES Compartimentation de la stéroïdogenèse sexuelle Rôle physiologique des stéroïdes sexuels II. LES GONADOTROPINES HYPOPHYSAIRES Les hormones hypophysaires Relation structure-activité des gonadotropines Sécrétion pulsatile et rôle physiologique III. LES GONADOLIBERINES Rôle physiologique du GnRH La sécrétion pulsatile du GnRH: origine et régulation Régulation de la sécrétion du couple GnRH/LH

Stéroïdogenèse testiculaire T: testostérone Chol: cholestérol E2: oestradiol Stéroïdogenèse testiculaire acétate Chol sang Chol Chol PRG prégnénolone prégnénolone mitochondries T E2 T androsténediol Esters de Chol aromatase E1 E2 Goutelettes lipidiques microsomes Cellule de Sertoli Cellule de Leydig

Stéroïdogenèse ovarienne Sang Liquide folliculaire thèque granulosa Chol P E2 T Thèque interne : Synthèse d’androgène Granulosa: Aromatisation

Unité foeto-placentaire Mère Placenta Foetus PRG Prégnénolone Prégnénolone-S DHA-S Androstenedione E2 E3 Surrénales 16-OH DHA-S Cholestérol Foie DHA DHA: Déhydro-épiandrostérone E3: oestriol E2: oestradiol

Rôle physiologique des androgènes OH 12 18 17 11 13 D C 1 16 19 9 2 10 14 Stéroïdes C19 Testicules, surrénales, ovaires Testostérone, déhydroépiandrostérone (DHA), androstènedione Différenciation sexuelle du système reproducteur Développement des caractères sexuels secondaires mâles Initiation et maintien de la spermatogenèse Action anabolisante B 8 A 15 3 7 O 5 4 6

Rôle physiologique des androgènes Différenciation sexuelle du système reproducteur Semaines de grossesse Fœtus sexuellement indifférencié Formation des testicules Développement totalement hormono-dépendant Développement largement hormono-indépendant Fenêtre de susceptibilité à une PE La masculinisation hormono-dépendante se poursuit en période post-natale Système reproducteur masculinisation

Différenciation sexuelle du système reproducteur mâle Tube séminifère Cellule de Sertoli Cellules interstitielles Testostérone Cellules de Leydig Insl3 5-réductase DHT AMH (hormone anti-mullérienne) Régression des canaux de Müller Masculinisation du système reproducteur interne (canaux de Wolff) Masculinisation de l’appareil génital externe et de la prostate Masculinisation du cerveau Développement du gubernaculum et descente des testicules dans le scrotum Masculinisation des tissus corporels DHT: dihydrotestostérone Insl3: Insulin like factor 3

Rôle physiologique des oestrogènes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 A B C D OH 18 Rôle des oestrogènes Stéroïdes C18 Ovaires, placenta, surrénales Oestradiol 17, oestrone, oestriol Développement des caractères sexuels secondaires femelles Régulation du cycle menstruel, ovulation Développement de la glande mammaire

Rôle physiologique des oestrogènes CERVIX Glaire cervicale claire et filante (œstrus) UTERUS + activité contractile du myomètre VAGIN Prolifération muqueuse vaginale GLANDE MAMMAIRE Croissance et développement AVORTEMENT Induction lutéolyse: vache, chèvre, brebis Inhibition descente conceptus : chienne HYPOPHYSE – HYPOTHALAMUS : Pic préovulatoire LH Comportement sexuel: œstrus

Rôles biologiques des gestagènes Stéroïdes C21 Progestérone Ovaires, placenta, surrénales Amincissement de l’épithélium vaginal Contraception: Inhibition de l’ovulation Modification des caractères de la glaire cervicale

Rôles biologiques des gestagènes Etablissement et maintien de la gestation Bouchon muqueux Descente de l'oeuf dans les trompes utérines + sécrétion utérines Quiescence utérus Développement des glandes mammaires Préparation à la parturition Comportement maternel

L’axe gonadotrope I. LES HORMONES STEROIDIENNES Compartimentation de la stéroïdogenèse sexuelle Rôle physiologique II. LES GONADOTROPINES HYPOPHYSAIRES Les hormones hypophysaires Relation structure-activité des gonadotropines Sécrétion pulsatile et rôle physiologique III. LES GONADOLIBERINES Rôle physiologique du GnRH La sécrétion pulsatile du GnRH: origine et régulation Régulation de la sécrétion du couple GnRH/LH

L’hypophyse Hypophyse: 2 lobes Antérieur: Adénohypophyse Hypothalamus Hypophyse Hypophyse: 2 lobes Antérieur: Adénohypophyse Postérieur: Neurohypophyse Selle turcique

La neurohypophyse Noyau paraventriculaires Neurones sécrétoires Magnocellulaires de l’hypothalamus Noyau supraoptiques 1. L'hormone antidiurétique (ADH ou vasopressine) 2. L'ocytocine (OT) Plexus du lobe postérieur Posthypophyse (neurohypophyse) Plexus : jonctions entre système artériel et veineux, lieu de libération des hormones

Hormones de la neurohypophyse: ocytocine Rôles biologiques Stimule contractions fibres musculaires lisses de l’utérus (expulsion fœtus) Stimule contractions cellules myoépithéliales des glandes mammaires (éjection lait) Comportement maternel Régulation sécrétion Libération réflexe en réponse à la dilatation vagin et succion mamelle

Adénohypophyse Libère hormones qui régulent la croissance, la reproduction, le métabolisme, l’homéostasie Thyroid stimulating hormone (TSH, thyrotropin) Corticotropin (ACTH) Growth Hormone (GH) Follicle stimulating hormone (FSH) Luteinizing hormone (LH) Prolactine

Hormones gonadotropes hypophysaires ou gonadotropines Cellules gonadotropes Hormone folliculo- stimulante FSH Hormone lutéinisante LH GONADES Gamétogenèse Stéroïdogenèse Sécrétion de peptides spécifiques Action trophique

Bases moléculaires de la spécificité des gonadotropines Famille des hormones glycoprotéiques 2 sous-unités  et  Vertébrés supérieurs: LH, FSH, TSH Primates et équidés: gonadotropine placentaire ou choriodogonadotropine CG (hCG, eCG ou PMSG)

Structure polypeptidique des gonadotropines Pour une espèce donnée:  est identique pour FSH, LH, TSH et CG Un seul gène code pour   spécifique de chaque hormone Des gènes différents codent pour 

Relation structure-activité Demi-vie dans la circulation Liaison aux récepteurs Stimulation de la réponse des cellules cibles

Demi-vie Selon les espèces T1/2 LH : 30 min T1/2 FSH : 2-4 h T1/2 CG : de plusieurs heures à plusieurs jours.

Demi-vie CG après élimination des résidus terminaux d’acides sialiques In vitro Activité biologique Pas d ’activité biologique

Liaison aux récepteurs Protéine kinase APMc dépendante Pas d ’activité biologique + AMPc ATP GTP GDP GDP AC AC GS GS R R H H Déglycosylation

Modèle de spécificité négative Site spécifique inhibiteur LH FSH       Site inhibiteur spécifique Site inhibiteur spécifique Récepteur LH Récepteur FSH FSH LH  

Modèle de spécificité négative Rôle des sous-unités  et   : haute affinité association au récepteur  : spécificité de la liaison aux récepteurs par inhibition spécifique Rôle de l ’interaction des sous-unités  et  Induction conformation active de  Discrimination de la fixation aux récepteurs Systèmes hétérologues/homologues

Rôle physiologique des gonadotropines hypophysaires Contrôle des fonctions germinales des gonades Contrôle de la stéroïdogenèse sexuelle Effets rapides : mobilisation du cholestérol Effets lents : Stimulation synthèse enzymes de la stéroïdogenèse. Action trophique Sécrétion de protéines spécifiques (inhibine, peptide gonadique) Maintien de l’état différencié et/ou leur multiplication des cellules cibles

Contrôle de la stéroïdogenèse FSH: Follicle Stimulating Hormone LH: Luteinizing Hormone LH FSH LH The pituitary gonadotropins are key hormones in the regulation of folliculogenesis and steroidogenesis. LH stimulated the production of T by theca cells while FSH stimulated the synthesis of E2 from T provided by theca cells It is clear that the ability of gonadotropins to modulate ovarian function depends not only on the circulating levels of the gonadotropins, but also on the expression of appropriate receptor proteins by potential target cells in the ovary FSH and LH act through stimulatory G protein-coupled receptors expressed on target cells and transduce their signal, at least in part, by the activation of adenylyl cyclase and the production of the second messenger cAMP. The expression of receptors for LH is one of the major markers of the FSH-induced differentiation of granulosa cells The results of the actions of LH upon the mature granulosa cell include steroidogenesis, luteinization, and ovulation. The induction of the LH receptor in granulosa cells is a critical step in reproductive physiology. + Chol E2: estradiol T: testostérone Chol: cholestérol P: progestérone Chol P + + Follicular fluid P Blood E2 T T E2 Granulosa cell

Contrôle stéroïdogenèse acétate Chol sang Chol Chol LH PRG prégnénolone prégnénolone mitochondries E2 T T androsténediol Esters de Chol aromatase E1 E2 Goutelettes lipidiques microsomes Cellule de Leydig FSH Cellule de Sertoli

Stéroïdogenèse testiculaire LH FSH: sécrétion d’une parahormone par cellules de Sertoli Prolactine + Récepteurs à LH Cortisol – sécrétion testostérone Insuline + sécrétion testostérone

Sécrétion pulsatile de LH pulse LH (ng/ml) 12 amplitude Niveau de base 6 Temps (h) 4 8 12 16

Sécrétion pulsatile de LH Paramètres: Fréquence Amplitude Variations de fréquence pulses LH Fréquence élevée: ovulation, puberté Fréquence faible : anœstrus Code pour l ’activité biologique

Profil de LH au cours du cycle

L’axe gonadotrope I. LES HORMONES STEROIDIENNES Compartimentation de la stéroïdogenèse sexuelle Rôle physiologique II. LES GONADOTROPINES HYPOPHYSAIRES Les hormones hypophysaires Relation structure-activité des gonadotropines Sécrétion pulsatile et rôle physiologique III. LES GONADOLIBERINES Rôle physiologique du GnRH La sécrétion pulsatile du GnRH: origine et régulation Régulation de la sécrétion du couple GnRH/LH

Hypothalamus Hypophyse

L’hypothalamus Latéral Médian Paraventriculaires 3° ventricule Région paraventriculaire: cellules neurosécrétrices qui libèrent des hormones dans la circulation.

Hormones hypothalamiques Contrôlent sécrétions adénohypophyse Nomenclature RH « Releasing Hormone » « libérine » IH « Inhibiting Hormone » «  Statine » GnRH: Gonadotropin Releasing Hormone – Gonadolibérine + FSH, LH

Les hormones hypothalamiques

Travaux Guillemin 1969 Concentrations TRH: qq dizaines ng/g hypothalamus Hypothalamus mouton: 1.5 g Guillemin: 80 000 hypothalamus pour 400 µg

Neuronanatomie du système à GnRH

Les système porte hypothalamo-hypophysaire GnRH LH

L’axe hypothalamo-hypophyso-gonadique

Le GnRH Rôle physiologique: Modulateur essentiel sécrétions LH Maintien niveau suffisant sécrétions FSH Sécrétion pulsatile Détection dans sang hypophysaire ou porte HH Fréquence pulses GnRH=élément clé déterminant activité de reproduction

Origine pulsatilité GnRH Pourquoi? Variations de fréquence=base d ’un code Nécessaire/phénomènes de désensibilisation Mécanismes Rythme endogène Synchronisation

Régulation de la sécrétion du couple GnRH/LH Rétrocontrôle stéroïdien Rétrocontrôle négatif E2, PRG Rétrocontrôle positif E2: pic préovulatoire observé quand [E2]> seuil ‘(“flip-flop ”) OESTRUS LH Lutéolyse PRG E2

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Régulations d’origine extérieure à l’axe gonadotrope Facteurs internes Stress Marathon Alimentation Facteurs externes: Stimuli olfactifs : phéromones sexuelles Photopériode: variations circadiennes sensibilité aux stéroïdes, reproduction saisonnière

Tissu adipeux et reproduction Compartiment de stockage d’énergie Glande endocrine Leptine, adiponectine, résistine…

Les adipokines La leptine Découverte en 1994. souris obèses ob/ob Facteur de satiété régulant l’appétit et le poids chez le rongeur et l’homme. Sécrétion par le tissu adipeux stimulée par l’insuline Adipostat: adaptation du comportement alimentaire et de la thermogenèse en fonction des réserves de tissu adipeux Tissus périphériques: la leptine inhibe la sécrétion et l’action biologique de l’insuline et contribue probablement à la résistance à l’insuline chez les individus obèses.

Interactions nutrition/reproduction Tissu adipeux + Leptine Hypothalamus GnRH + Nutriments endogènes glucose, acides gras, aa + Hypophyse (GH) Hormones métabolisme IGF-1 Insuline FOIE FB<0 Stéroïdes Gonadotropines Nutriments exogènes + Gonades

Interaction nutrition/reproduction Métabolisme et anœstrus post-partum (vache) Augmentation besoins (lactation) Bilan énergétique négatif Diminution concentrations sériques glucose, insuline, IGF-1 (Insulin Growth Factor-I), LH Métabolisme et anœstrus post-sevrage (truie) Sécrétion LH inhibée pendant lactation Sevrage: reprise croissance folliculaire -Métabolisme et taux d’ovulation (brebis, truie) Augmentation ration alimentaire (avant saillie) Augmentation insulinémie Augmentation taux ovulation (+folliculogenèse)

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Facteurs externes Stimuli olfactifs : phéromones sexuelles (« effet mâle ») Photopériode: variations circadiennes sensibilité aux stéroïdes, reproduction saisonnière

NPY GABA SP -endo DA Kiss 5-HT GnRH CRF NA

Régulation de la sécrétion du couple GnRH/LH Rôle des kisspeptines (2001): Peptide hypothalamique (gène Kiss1) + GnRH via récepteur GPR54

KISSPEPTINES         Neurones à kisspeptine cells (Franceschini et al., 2006)

Kisspeptines: applications potentielles au contrôle de la fertilité kisspeptin (100 nmol iv) Caraty A., Franceschini I. (2008). Reprod Domest Anim. 2008; 43:172-8.

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