L’axe gonadotrope ECOLE NATIONALE VETERINAIRE T O U L O U S E V. Gayrard Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse 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: 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 de l’appareil génital et 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 ovarien, 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 HYPOPHYSE – HYPOTHALAMUS : Pic préovulatoire LH Comportement sexuel: œstrus AVORTEMENT Induction lutéolyse: vache, chèvre, brebis Inhibition descente conceptus : chienne

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 (eCG: effets LH en système homologue et effets LH/FSH en système hétérologue)

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 par l’oestradiol (E2), la progestérone (PRG) Rétrocontrôle positif E2: pic préovulatoire observé quand [E2]> seuil (“flip-flop ”) OESTRUS LH Lutéolyse PRG E2

Régulation de la sécrétion de GnRH

Régulation de la sécrétion de GnRH: les kisspeptines Pinilla L et al. Physiol Rev 2012;92:1235-1316

Contrôle de la sécrétion de GnRH/LH par les kisspeptines

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

Statut physiologique: lactation La sécrétion pulsatile de GnRH est influencée par un grand nombre de facteurs Facteurs alimentaires Photopériode Stress Statut physiologique: lactation Informations sociales Sons, odeurs, phéromones Gonadotropines Rôle des régulateurs endogènes et exogènes: hormones, neuropeptides, neurotransmetteurs et produits métaboliques

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Régulations d’origine extérieure à l’axe gonadotrope Stress: inhibition de la sécrétion de LH par le cortisol Exercice d’endurance: inhibition de la sécrétion de LH par les β-endorphines Lactation: inhibition de la sécrétion de LH par la prolactine (ex: truie, synchronisation oestrus avec sevrage)

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Interactions entre le métabolisme énergétique et la fonction de reproduction Déficit énergétique: retard dans l’âge de la puberté, troubles de l’ovulation (cas de l’aménorrhée chez la femme anorexique et des sportives de haut niveau), augmentation de la mortalité embryonnaire Chez l’Homme comme chez les autres mammifères, la nutrition et plus particulièrement le métabolisme énergétique influence la fonction de reproduction. En effet, lorsque les besoins énergétiques de l’organisme ne sont pas couverts comme dans le cas d’une sous-nutrition, il apparaît un retard dans l’âge de l’apparition de la puberté, des troubles de l’ovulation (cas de l’aménorrhée chez la femme anorexique), mais également une augmentation de la mortalité embryonnaire. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent les relations entre la nutrition, le métabolisme énergétique et la fonction de reproduction sont mal connus. Ces changements du statut nutritionnel et métabolique peuvent être transmis au niveau de l’axe gonadotrope (hypothalamus, hypophyse et gonades) aussi bien par des modifications des concentrations hormonales en insuline, Insulin-like Growth factor-I (IGF-1), ou adipocytokines (leptine, résistine, adiponectine) que par celles des nutriments énergétiques eux-mêmes (glucose, acides aminés et acides gras). Des mécanismes de régulation de la fonction de reproduction par les métabolites sont de deux ordres au moins. Le premier concerne l’entrée de ces substrats dans les cellules impliquées dans la fonction gonadotrope. L’hypothalamus et l’hypophyse (comme le tissu adipeux) possèdent le transporteur de glucose GLT-4 dont la translocation au niveau membranaire et donc sa capacité à faire entrer le glucose dans la cellule est strictement insulino-dépendante. Cela signifie qu’en cas de restriction alimentaire, la baisse de l’insulinémie provoquera très rapidement un blocage de l’entrée du glucose dans ces compartiments. Le deuxième concerne l’oxydation de ces substrats et leur transformation en énergie directement utilisable par la cellule : ATP, NADP…Deux types de drogues, le 2-deoxyglucose (2-DG) et le methyl palmoxyrate (MP) sont couramment utilisés à titre expérimental pour étudier les conséquences du blocage de l’oxydation respectivement du glucose et des acides gras, respectivement sur la fonction gonadotrope (figure*). Chez les rongeurs (rat, hamster), une glucoprivation induite par le 2-DG ainsi qu’une lipoprivation induite par le MP provoquent l’arrêt des cycles chez les femelles et la perte de leur comportement sexuel. Un apport minimal de glucides, de lipides ou de protéines est donc nécessaire au maintien de la sécrétion pulsatile de GnRH. Chez les rongeurs, l’injection de ces deux drogues mime parfaitement les effets d’une privation alimentaire ou d’un diabète insulino-dépendant. Les sites d’action de ces métabolites sur la fonction de reproduction se situent essentiellement au niveau du système nerveux central, plus particulièrement dans l’area post-trema (AP) où sont présentes les cellules sensibles à la disponibilité en énergie. En effet, la destruction chirurgicale de cette zone lève tout ou partie du blocage de la fonction de reproduction induit par l’administration de 2-DG et de MP chez la ratte.

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Modification de la couverture des besoins nutritionnels « Flushing » Espèce poly-ovulante Espèce mono-ovulante croissance des follicules dépendante de l’insuline et des facteurs de croissance croissance des follicules gonadodépendants Aménorrhée Ovulation ou non Taux d’ovulation

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Les changements du statut nutritionnel et métabolique se traduisent par des variations des: Signaux hormonaux: Insuline, GH (Growth Hormone), Insulin-like Growth factor-I (IGF-1), adipocytokines (leptine, résistine et adiponectine), Ghréline Flux de nutriments énergétiques: glucose, acides aminés et acides gras Régulation hormonale et nutritionelle de la sécrétion de GnRH/LH

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Régulation hormonale La ghréline, l’insuline et l’IGF-I (Insulin-like Growth Factor 1) Estomac Hypophyse Pancréas Croissance GH: hormone de croissance Ghréline IGF-I Insuline Régulation de la prise alimentaire Régulation de la glycémie Foie IGF-BP

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Régulation hormonale Une restriction alimentaire:  sécrétion d’insuline  nombre de récepteurs à GH  sécrétion d’IGF-I  sécrétion de ghréline

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Organe Hormone Hypothalamus Hypophyse GnRH (expression/sécrétion) Kisspeptine expression Sécrétion LH/FSH Foie IGF-I + (lignée GT1-7) + (in vivo, rat) + (culture primaire hypophysaire) Pancréas Insuline + (culture primaire neurones) Estomac Ghréline - (lignée GT1-7) - LH (lignée LT2) LT2: lignée gonadotrope desouris, lignée GT1-7: : lignée neuronale hypothalamique de souris

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Régulation hormonale Les adipocytokines Produites par le tissu adipeux blanc Impliquées récemment dans les intéractions métabolisme-reproduction La leptine (1994, favorise la résistance à l’insuline), l’adiponectine (1995, sensibilise à l’action de l’insuline), la résistine (2000, favorise la résistance à l’insuline)

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Rôle fondamental de la leptine: Adaptation du comportement alimentaire aux réserves adipeuses de l’organisme Signal nécessaire pour déclencher la puberté L’absence de leptine ou de récepteur de leptine chez les souris ob et db, respectivement, contribue au développement d’une résistance à l’insuline suivie d’une obésité très sévère (car hyperphagiques) et d’un diabète.

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Les adipocytokines Organe Hormone Hypothalamus Hypophyse GnRH (expression/sécrétion) Kisspeptine expression Sécrétion LH/FSH Tissu adipeux Leptine + (lignée GT1-7) + (in vivo, rat) + LH (culture primaire hypophysaire) Adiponectine - (lignée GT1-7) - LH (lignée murine LT2)

La leptine rétablit une sécrétion pulsatile de LH bloquée par une sous-nutrition

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Régulation nutritionnelle: La sécrétion de GnRH est très dépendante de la disponibilité en énergie métabolisable. Le blocage de la glycolyse par l’administration intraveineuse de 2-DG (2-deoxyglucose) ou de l’oxydation des acides gras par l’administration intraveineuse de MP (methyl palmoxyrate) induisent une chute brutale de la sécrétion de GnRH et de LH (arrêt des cycles)

Régulation de la sécrétion du couple GnRH-LH Nutriments circulants - AP: région peu protégée de la circulation par la barrière hémato-encéphalique, - La destruction chirurgicale de l’AP lève le blocage de la fonction de reproduction induit par l’administration de 2-DG et de MP chez la ratte. 2-DG (2-deoxyglucose) MP (methyl palmoxyrate) GnRH

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

LEP: leptine ADIPOQ: Adiponectine INS: Insuline IGF1: Insulin Growth Factor I GH: Growth Hormone KISS1: Kisspeptines