L axe gonadotrope ECOLE NATIONALE VETERINAIRE T O U L O U S E

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1 ECOLE NATIONALE VETERINAIRE T O U L O U S E L axe gonadotrope V. Gayrard Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse 23, Chemin des Capelles Toulouse cedex

2 L axe gonadotrope

3 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

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

6 Stéroïdogenèse ovarienne Thèque interne : Synthèse d androgène Granulosa: Aromatisation Sang Ch ol P P E 2 T T E 2 Ch ol Liquide folliculaire thèque granulosa

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

8 Rôle physiologique des androgènes 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 2 3 O 1 A B 6 12 C D OH 16

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

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

11 Rôle physiologique des oestrogènes Rôle des oestrogènes Stéroïdes C18 Ovaires, placenta, surrénales Oestradiol 17, oestrone, oestriol Développement des caractères sexuels secondaires femelles OH Régulation du cycle ovarien, ovulation Développement de la glande mammaire A B 6 12 C OH D

12 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

13 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

14 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

15 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

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

17 La neurohypophyse Neurones sécrétoires Magnocellulaires de l hypothalamus Noyau paraventriculaires 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

18 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

19 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

20 Hormones gonadotropes hypophysaires ou gonadotropines Cellules gonadotropes Hormone lutéinisante LH Hormone folliculostimulante FSH GONADES Gamétogenèse Stéroïdogenèse Sécrétion de peptides spécifiques Action trophique

21 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)

22 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

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

24 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.

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

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

27 Modèle de spécificité négative LH Site spécifique inhibiteur FSH Site inhibiteur spécifique Site inhibiteur spécifique Récepteur LH Récepteur FSH LH FSH

28 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)

29 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

30 Granulosa cell Contrôle de la stéroïdogenèse FSH: Follicle Stimulating Hormone LH: Luteinizing Hormone LH FSH LH Blood Ch ol + P Ch ol E2: estradiol + + E 2 T T E 2 P Follicular fluid T: testostérone Chol: cholestérol P: progestérone

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

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

33 Sécrétion pulsatile de LH LH (ng/ml) pulse 12 amplitude Niveau de base Temps (h)

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

35 Profil de LH au cours du cycle

36 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

37 Hypothalamus Hypophyse

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

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

40 Les hormones hypothalamiques

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

42 Neuronanatomie du système à GnRH

43 Les système porte hypothalamo-hypophysaire GnRH LH

44 L axe hypothalamo-hypophysogonadique

45 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

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

47 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 Lutéolyse PRG E2 LH

48 Régulation de la sécrétion de GnRH

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

50 Contrôle de la sécrétion de GnRH/LH par les kisspeptines

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

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

53 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)

54 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

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

56 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

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

58 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

59 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) + (in vivo, rat) + (culture primaire hypophysaire) Estomac Ghréline + (lignée GT1-7) - (lignée GT1-7) - LH (lignée L T2) L T2: lignée gonadotrope desouris, lignée GT1-7: : lignée neuronale hypothalamique de souris

60 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)

61 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.

62 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) - (lignée GT1-7) - LH (lignée murine L T2)

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

64 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)

65 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. GnRH 2-DG (2-deoxyglucose) MP (methyl palmoxyrate)

66 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

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