Étude du rôle de l’expression du récepteur Neuropilin-1 et de l’exocytose Calcium-dépendante dans le neurone à GnRH sur le développement et la maturation du système à GnRH et la physiologie de la reproduction
Résumé
L’acquisition de la fertilité chez les mammifères est le résultat d’un long processus de développement et de maturation de l’axe gonadotrope. Cette fonction cruciale à la survie des espèces est orchestrée par une poignée de cellules localisées au niveau de l’aire préoptique hypothalamique chez le rongeur, sécrétant la gonadotropin-releasing hormone (GnRH). La GnRH stimule la sécrétion de LH et de FSH par l’adénohypophyse, qui stimulent à leur tour les gonades. Les neurones à GnRH naissent dans l’épithélium voméronasal pendant le développement embryonnaire et migrent le long des axones voméronasaux pour atteindre l’hypothalamus. A la naissance le système est entièrement en place, toutefois il subira une phase de maturation avant d’atteindre la puberté, signant le début de la fertilité. Chez l’homme, un défaut de sécrétion de GnRH peut conduire à un hypogonadisme hypogonadotrope idiopathique (IHH) caractérisé par une subfertilité et une puberté retardée voire absente, ou même à un syndrome de Kallmann. Dans une grande partie des cas ce défaut de sécrétion est lié à un défaut de développement prénatal et à une diminution du nombre de neurones à GnRH dans dans l’hypothalamus. Depuis peu, la grande famille des semaphorines, déjà connues pour leurs effets chimiotactiques dans certains types cellulaires, et en particulier la semaphorine3A (Sema3A) via son récepteur la Neuropilin-1 (Nrp1), a été décrite comme un facteur indispensable au développement du système à GnRH et décrit comme un « gène Kallmann ». Toutefois son rôle spécifique dans les neurones à GnRH reste à élucider. Le premier objectif de ma thèse a donc été de déterminer le rôle de l’expression du récepteur Nrp1 dans les neurones à GnRH. Le suivi de la maturation sexuelle des animaux Gnrh::cre, Nrp1loxp/loxp (qui n’expriment pas la Nrp1 exclusivement dans les neurones à GnRH) a révélé l’apparition d’une puberté précoce et d’un phénotype de surpoids en comparaison aux animaux contrôles, corrélé à une accumulation des cellules à GnRH dans l’aire préoptique. L’étude de l’embryogenèse du système à GnRH chez ces animaux a démontré une augmentation du nombre de cellules à GnRH pendant leur migration. Nos résultats obtenus in vivo et in vitro suggèrent que la signalisation Nrp1 a un impact sur la survie des neurones à GnRH, et qu’elle module la motilité des cellules en migration et influe leur positionnement dans le cerveau. Le deuxième objectif de ma thèse a été d’étudier le rôle de l’exocytose dépendante du calcium et donc de la neurosécrétion dans les neurones à GnRH sur leur développement. Le suivi de la physiologie d’animaux Gnrh::cre; iBot, dont l’exocytose dépendante du calcium est abolit par clivage de protéine VAMP2/synaptobrevin 2 dans le neurone à GnRH, a révélé l’apparition de deux phénotypes distincts selon la pénétrance du transgène : un groupe ayant une puberté normale et un poids comparable aux animaux contrôles, et un groupe ayant une puberté retardée voire inexistante associé à un surpoids. Ces derniers présentent un IHH, une augmentation du tissu adipeux périgonadique et une hyperleptinémie, alors que la distribution des neurones à GnRH dans le cerveau n’est pas altérée. Ces données mettent en évidence le fait que l’activité de neurosécrétion dans les neurones à GnRH ne serait pas nécessaire pour leur développement embryonnaire, mais qu’elle pourrait jouer un rôle dans le maintien de l’homéostasie énergétique.
Ces deux études mettent en avant un lien étroit entre axe gonadotrope et métabolisme énergétique chez les mammifères et ont dévoilés de nouveaux mécanismes qui pourraient être impliqués dans la physiopathologie de la reproduction chez l’homme.
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Study of the role of Neuropilin-1 receptor expression and calcium-dependent exocytosis in GnRH neuron on GnRH system development and puberty onset
Abstract
The acquisition of fertility in mammals is the result of a long process of development and maturation of the gonadal axis. This crucial function for the survival of the species is orchestrated by a small population of cells located in the hypothalamic preoptic area in rodents, secreting gonadotropin-releasing hormon (GnRH). GnRH stimulates the secretion of LH and FSH from the anterior pituitary, which in turn stimulate the gonads. GnRH cells are born in the vomeronasal epithelium during embryonic development and migrate along the vomeronasal axons to reach the hypothalamus. At birth the system is fully in place, however it will undergo a maturation phase before reaching puberty, signing the beginning of fertility. In humans, a GnRH secretion defect can lead to idiopathic hypogonadotropic hypogonadism (IHH), characterized by a subfertility and delayed or no puberty, or to a Kallmann syndrome. In a majority of cases, secretion defect is due to a defect of prenatal development and a reduction in the number of GnRH neurons in the hypothalamus. Recently, the semaphorin family, known already for their chemotactic effects in certain cell types, particularly the semaphorine3A (Sema3A) via its receptor the Neuropilin-1 (Nrp1), was described as essential to the development of the GnRH system and described as a “Kallmann gene”. However, its specific role in GnRH cells remains unclear. The first aim of my thesis was therefore to determine the role of the expression of NRP1 receptor in GnRH neurons. Monitoring the sexual maturation of Gnrh::cre, Nrp1loxp/loxp animals (which do not express NRP1 exclusively in GnRH neurons) revealed the occurrence of preococious puberty and overweight phenotype compared the control animals, correlated with an accumulation of GnRH neurons in the preoptic area. The study of GnRH system developmnt in these animals showed an increased number of GnRH cells during their migration. Our results obtained in vivo and in vitro suggests that the Nrp1 signaling has an impact on the survival of GnRH neurons, and modulates motility of migrating cells and affects their positioning in the brain. The second aim of my thesis was to study the role of calcium-dependent exocytosis and thus neurosecretion in GnRH neurons on their development. Monitoring the physiology of Gnrh::cre; iBot animals where the calcium-dependent exocytosis is abolished by cleavage of protein VAMP2 / Synaptobrevin 2 in GnRH neuron, revealed the appearance of two distinct phenotypes depending on the penetrance of the transgene: a group with normal puberty and weight comparable with control animals, and a group with a delayed or absent puberty associated with overweight. This overweight animals have an IHH, increased perigonadic adipose tissue and hyperleptinaemia, while the distribution of GnRH neurons in the brain is not altered. These data highlight the fact that the neurosecretory activity in GnRH neurons is not necessary for their embryonic development, but it could play a role in maintaining energy homeostasis.
Both studies highlight a close link between gonadal axis and energy metabolism in mammals and have revealed new mechanisms that might be involved in the pathophysiology of human reproduction.
Présentée le 28 septembre 2015
Laboratoire où a été préparée la thèse : INSERM UMRS1172, “Développement et plasticité du cerveau neuroendocrine”, Jean-Pierre Aubert Research Center, Univ. Lille-Nord de France
Nom du directeur de thèse : DrVincent Prévot
