A Kiss for the seasonal control of reproduction

par Laura Ansel

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Valérie Simonneaux et de Jens Mikkelsen.

Soutenue en 2010

à Strasbourg .

  • Titre traduit

    Un Kiss pour le contrôle saisonnier de la reproduction


  • Résumé

    La plupart des espèces restreignent leur fertilité à une période limitée de ,'année pour que la naissance des petits ait lieu au moment le plus favorable à leur survie, Par exemple, chez le hams1er Syrien mâle (Mesocricetus 8Ura!US), l'exposition à une phofopériocte courte (PC; 10h lumière / 14h obscurité) mimant la saison hivernale cause une Inhibition de l'axe reproducteur conduisant à une atrophie des testicules en 8 à 10 semaines. Les animaux ne sont alors plus en mesure de se reproduire. Chez les rongeurs salsonniel'8, la lecture du temps annuel se fait par l'intermédiaire de la mélatonine. Une hormone produite par la glande pinéale et doot la libération est proportionnelle à la durée de la nuit. En hiver, lorsque les nuits sont longues (PC), le pic noclume de mélatonlne l'est aussI. Inversement, en été (photopérlode longue, PL), lorsque les nuit sont courtes, la durée du pic nocturne de mélatonlne est réduite. Le message photopérlodique est ainsi converti en message hormonal capable de synchroniser la fonction de reproduction avec les saisons. Bien qu'exerçant un effet puissant sur l'axe gonadotrope, les sites d'actiOnsde la mélatonine demeurent mal connus. Nous avons récemment démontré que la mélatonlne contrôle l'expression de plusieurs gènes Impliqués dans la fonction de reproduction. Parmi ces gènes, Kissl code pour une fanille de pepUdes, les kisspeplines (Kp), qui se llent tous au même récepteur, le Klss1r, Les Kp Jouent un rOle crucial dans l'activation de l'axe gonadotrope car il a été démontré qu'une mutation perte de fonction dans le gène KIss1r empêche le declenchement de 13 puberté aussi bien chez l'être humain que chez la souris. Mon travall de thèse a consisté a étudier l'Implication des Kp dans les cycles saisonniers d'activité de l'axe gonadotrope chez le hamster et s'est articulé autour de trois grands axes. En premier lieu, la cartographie complete du système kisspeptlnergique a été réalisée par immun. Ohistochimle et hybridation in situ non radioactive chez le hamster Syrien mâle en PL (14h lumière 1 10h obscurité) (Ai). Deux populaUons de neurones exprimant l'ARNm du gene Kiss1 et les Kp ont ainsi été identifiées dans le noyau arqué (ARC) et le noyau antéroventrsl péri-ventriculaire (AIJPV). Des fibres à Kp ont été observées dans ces deux structures ainsi que dans d'autres réglons hypothalamiques (noyau préoptique médian, aire pré-optique médiane, aire hypothalamique antérieure, noyau paraventriculaire, hypothalamus dorsomédian) et extra hypothalamiques (noyau du lit de la strie terminale, noyau paraventriculaire du thalamus, amygdale centrale). L'expression du système kisspeptinergique etant fortement dépendante de la photoperiode, la cartographie de ce système a également été réalisée chez des hamstersimputée à la diminution du taux de testostérone. En revanche, dans l'AVPV où la testosterone exerce un rétrocontrOle positif. Nous avons démontré que le diminution de l'expression de Kiss1 en PC ou induite par la mélatonine est due à un effet indirect via la diminution des taux clrculants de testostérone. L 'ensemble de ces résultats Indique que dans l'ARC, la PC réduit l'expression de KIss1 par un effet direct de la mélatonlne sur l'hypothalamus alors que dans l'AVPV, la mélatonine diminue l'expression de Kiss1 via une réduction du taux de testostérone. L 'AVPV est une des réglons sexLJeliement dlmorphiques du cerveau et l'expression de Kiss1 est plus importante chez la femelle que chez le mâle. Afin d'approfondir nos données obtenues chez le mâle, l'effet de la mélatonine et de l'oestradiol sur j'expression de Kiss1 dans l'AVPV a été étudié chez le hamster Syrien femelle el des résultats similaires ont étés obtenus (A3). Dans une troisième partie, nous avons analysé les sites d'action périphériques des Kp (A2). Au laboratoire, nous avions démontré que l'administration chronique intracérébroventrlculaire de Kp durant 4 semaines ré-active l'axe gonadotrope du hamster doré mâle maintenu en PC, indiquant que les Kp sont capables de surpasser l'effet inhibiteur de la mélatonine sur J'axe gonadotrope. Des études précédentes chez le rat et la souris ayant démontré que les Kp stimulent l'axe gonadotrope lorsqu'elles sont administrées par voie cenlrale ~CV) ou périphérique (intrapéritonéale), nous avons étudié l'effet de l'administration chronique périphérique de Kp sur l'axe gonadotrope du hamster mâle maintenu en PC (A2). Nous avons testé différents protocoles d'administration de Kp et démontré que deux injections quotidiennes de Kp durant 5 semaines ré-activent l'axe gonadotrope. Afin d'identifier les structures cibles des Kp periphérlques, nous avons analysé l'expression de cFos aprés l'injection inlrapéritonêale de Kp (A2). Nous avons ainsi mis en évidence une forte activation de l'hypophyse anterieure par les Kp, activation dépendante du GnRH car abolie en présence d'acyJine, un antagoniste du GnRH. En conclusion, ce travail de thèse a permit de démontrer non seulement que Je système kisspeptinergique est fortement dépendant de la photopériode et de la mélatonine (via des mécanismes directs ou faisant intervenir les variations saisonnières du taux de stéroïdes sexuels circulantsJ, mais aussi que les neurones a Kiss1 répercutent l'information photoperiodique sur l'axe reproducteur, en particulier au niveau des terminaisons des neurones il GnRH de l'éminence médiane.


  • Résumé

    To ensure the birth of the offspring at the most favourable time of year, photoperiod (or day-Iength) is "read" by most seasonal breeders to reslrict their fertility 10 a particular season. Annual variations of the photoperiod are translated into the release of the pineal hormone melatonin, the noctumal production of which relies on night-Iength. Previous experiments have demonstrated that the annual variations of melatonin secretion synchronise reproductive activity with seasons. For instance, exposure to a long nocturnal peak of melatonin for 8 to 10 weeks (like in short days conditions, SD) induces a marked gonadal atrophy in male Syrian hamsters (Mesocricetus auratus). Conversely, when transferred back ta long days (LD), a condition in which the nocturnal peak of melatonin is short, hamsters become sexually active within 6 weeks. Despite ils strong action on the reproductive axis, the precise sites and mechanisms of action of melatonin are still unclear. We recentiy reported that in the Syrian hamster, melatonin inhibits the expression of several hypothalamic genes, including Kissl, which might mediate the photoperiodic message to the reproductive axis. Kiss 1 encodes a family of peptides, the kisspeptins (Kp), that ail bind to the same receptor, Kiss1 r. Kp play a crucial role in the activation of the gonadotropic since a loss-of-function mutation in Kiss 1 r prevents puberty humans and rodents. My thesis work consisted in studying the implication of Kiss l-encoded peptides (kisspeptins, Kp) in the seasonal cycles of the reproductive activity. In a first part, the anatomy of the kisspeptinergic system was characterised in the Syrian hamster's brain in bath LD sexually active and SD sexually inactive individu ais. In a second part, investigated how photoperiod affects Kiss 1 expression and finally, in a third part, analysed the effects of exogenous administration of Kp and its site of action on the reproductive axis First of ail, the distribution of Kp fibres and cell bodies was characterised in the Syrian hamster's by immunohistochemistry and non-radioactive in situ hybridlsation. Two populations of Kiss 1 neurones were identified in the Arcuate nucleus (ARC) and in the Anteroventral periventricular nucleus (AVPV). Kp immunoreactive fibres were observed in both nucleus and in other hypothalamic (preoptic median nucleus, preoptic median area, anterior hypothalamic area, paraventricular nucleus, dorsomedial hypothalamus) and extra hypothalamic structures (Bed nucleus of stria terminalis, paraventricular nucleus of the thalamus, central amygdala). Since Kiss 1 expression is highly dependent on photoperiod, the distribution of Kp immunoreactive fibres was also analysed in SDadapted hamsters. The number of Kissl and Kp neurones is strongly decreased in SD sexually inactive hamsters. Fibres distribution is identical as in LD but fibres density is higher in SD, probably because of an accumulation of Kp into the fibres. To determine wether these fibres innervate fibres-containing structures or just go through them, we analysed the expression of cFos (a marker of cellular activity) alter an intracerebroventricular (ICV) injection of Kp and we found that cFos expression is increased in the preoptic median nucleus, the preoptic medial area, the paraventricular nucleus, the dorsomedial hypothalamus, the bed nucleus of stria terminalis and the paraventricular nucleus of the thalamus. This indicates that these brain structures areIrlnervalea Dy Kp libres and aclivated upon Kp release. The phenotype of the target neurones however remains to be determined. Ln a second part, 1 analysed how photoperiod affects Kiss 1 expression in the Syrian hamster. First of ail, we demonstrated that Kissl mRNA is highly expressed in the ARC and AVPV in LD-adapted male or female hamsters, while exposition to SD condition drastically reduces the number of Kiss 1 neurones in both structure and sex. Dally melatonin injections mimicking SD-like melatonln levels reduces Kissl expression in ARC and AVPV. By contrast pinealectomy in SD-adapted hamsters Increases the number of Kissl neurones in both nuclei, showing that melatonin mediates the effect of photoperiod on Kiss 1 neurones. The kinetic of melatonin effect on Kiss 1 neurones was also analysed and one or three weeks of daily melatonin injections do not affect Kissl expression whereas alter eight weeks of treatment, Kiss 1 expression reaches its minimal level. Noteworthy, SD exposure induces gonadal regression as weil as a massive reduction in testosterone levels. In rats and mice, testosterone strongly regulates Kissl expression in both ARC and AVPV and the SD- or melatonin-induced reduction in the number of Kissl neurones could be secondary to variations in testosterone plasmatic concentration. As a consequence, 1 also analysed the effect of gonadal hormones on Kissl expression in the Syrian hamster and 1 observed that testosterone up-regulates Kissl expression in the AVPV and down-regulates the number of ARC Kissl neurones. Thus, the SD- or melatonin-induced reduction in the number of ARC Kissl neurones is not secondary to a reduction in testosterone level. By contrast, in the AVPV where testosterone is stimulatory, the SD- or melatonin-induced down-regulation of Kiss 1 expression was found to be mediated by the SD- or melatonin-induced decrease in gonadal hormones levels. Ali together these data indicate that the SD-induced reduction in the number of ARC Kissl neurones is due to a direct effect of melatonin on the hypothalamus whereas the decrease in the number of AVPV Kiss 1 neurones is secondary to a reduction of testosterone levels. The AVPV is a sexually dimorphic brain nucleus with Kissl expression being higher in females. Thus, the effects of melatonin and oestradiol were analysed in females hamsters as weil and similar results were observed. Finally, in a third part, 1 analysed peripheral Kp sites of action. In the lab, we demonstrated that Kp chronic intracerebroventricular treatment for 4 weeks re-activates gonadal activity in SD-adapted male hamsters. This indicates that Kp overpass melatonin inhibitory effect on the reproductive axis. Previous studies showed that Kp trigger LH, FSH and sex steroids release when given centrally or peripherally. 1 thus studied the effect of several protocols of peripheral Kp long-term administration to SDacclimated sexually inactive Syrian hamsters. We demonstrated that 2 daily IP injections of Kp during 5 weeks restore gonadal activity. To identify the structure(s) involved in the peripheral effect of Kp, we studied the expression of cFos alter IP Injection of Kp. The anterior pituitary was found to strongly express cFos and this Kp-induced activation is GnRH-dependent since a GnRH antagonist prevented il. To conclude, this PhD work not only proved that the Kp system is strongly regulated by photoperiod and melatonin (via distinct mechanisms involving both direct effects and seasonal variations in gonadal hormones levels), but also that Kiss1 neurones impacts the photoperiodic message on the reproductive axis, probably at the level of GnRH nerve terminais of the median eminence.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (200 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 174-200

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2010;0563
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