dossier thématique La régulation de la reproduction saisonnière par la mélatonine nécessite un Kiss Melatonin control of seasonal reproduction requires a Kiss Valérie Simonneaux, Florent G. Revel, Laura Ansel* »»La survie d’un individu et la pérennité de son espèce dépendent de sa capacité à s’adapter aux variations cycliques de l’environnement et à les anticiper. »»La lumière constitue le marqueur le plus fiable des variations journalières et annuelles de l’environnement. »»Les mammifères ont développé un système photoneuroendocrine impliquant la rétine, les noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus – lequel contient l’horloge circadienne principale – et la glande pinéale, qui sécrète la mélatonine. »»La mélatonine est synthétisée uniquement pendant la nuit, avec une durée proportionnelle à celle de la nuit. Les variations annuelles de la durée du pic nocturne de mélatonine régulent de nombreuses fonctions physiologiques, dont la reproduction. »»Chez le hamster doré, modèle animal pour l’étude des rythmes saisonniers, la mélatonine régule l’expression de Kiss1, un gène encodant les kisspeptines, qui sont de puissants stimulateurs de l’axe gonadotrope. »»En photopériode courte (conditions hivernales), la mélatonine (pic nocturne long) réduit fortement l’expression de Kiss1 dans le noyau arqué de l’hypothalamus, ce qui entraîne une inhibition prolongée de l’axe gonadotrope. Mots-clés : Reproduction – Saison – Mélatonine – Kisspeptines. Keywords: Reproduction – Season – Melatonin – Kisspeptins. indispensable à l’initiation de la puberté et à la régulation de l’axe gonadotrope (3). Cette revue résume les hypothèses actuelles sur les mécanismes d’action de la mélatonine pour synchroniser l’activité de reproduction avec les saisons via une régulation de l’expression du gène Kiss1. Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIII - n° 3 - mai-juin 2009 * Département de neurobiologie des rythmes, institut de neurosciences cellulaires et intégratives, UPR CNRS 3212, Strasbourg. 109 P o i nt s f o rt s L’ adaptation aux variations temporelles de l’environnement est nécessaire pour assurer la survie des individus et la pérennité des espèces. Ces phénomènes adaptatifs nécessitent que les organismes soient capables de lire, de traduire et d’interpréter les variations physiques de l’environnement en informations nerveuses et/ou endocrines. La lumière, dont l’intensité change de façon régulière et reproductible au cours d’une journée et d’une année, est le principal facteur environnemental utilisé pour synchroniser les fonctions journalières et saisonnières (figure 1). Les mammifères possèdent un système photoneuroendocrine qui permet la traduction des variations journalières et saisonnières de la lumière en cycles de sécrétion de différentes hormones, en premier lieu la mélatonine. Cette hormone est synthétisée et sécrétée uniquement durant la nuit, avec une durée proportionnelle à celle de la nuit, qui varie au cours des saisons. Il est bien établi que la mélatonine, grâce à cette double dynamique temporelle, est impliquée dans la régulation/synchronisation de plusieurs fonctions journalières et saisonnières. Elle intervient dans la régulation du sommeil et de l’activité générale. Elle régule les cycles de reproduction, de lactation et d’hibernation (1). Le rôle physiologique majeur de la mélatonine, démontré dès les années 1960, est de synchroniser avec les saisons les fonctions physiologiques annuelles, en particulier la reproduction (2). Cependant, les sites et les mécanismes d’action de la mélatonine pour le contrôle saisonnier de l’axe reproducteur sont longtemps restés inconnus. Récemment, des analyses génétiques comparées chez des espèces saisonnières ont permis la découverte de gènes hypothalamiques associés à la régulation de fonctions saisonnières, en particulier la reproduction, et dont l’expression est fortement régulée par la photopériode. Des études récentes ont montré que l’un d’entre eux, Kiss1, est dossier thématique La mélatonine contrôle la reproduction saisonnière Une année Variations saisonnières • Lumière • Température • Humidité • Nourriture • Agents infectieux • Maladie Photopériode longue (été) Photopériode courte (hiver) Figure 1. Au cours d’une année, les variations cycliques des facteurs de l’environnement définissent les saisons. Les changements annuels de la durée d’éclairement sur 24 heures (photopériode) sont des variations très robustes et reproductibles. La plupart des organismes utilisent les variations annuelles de la photopériode pour synchroniser leurs fonctions biologiques avec les saisons. Mélatonine Mélatonine circulante (pg/ml plasma) Photopériode courte (hiver) Pineal gland Photopériode longue (été) Retinohypothalamic tract Suprachiasmatic nucleus (the “biologic clock”) Superior cervical ganglion Figure 2. Les variations journalières et saisonnières de la lumière sont traduites en rythmes de sécrétion de mélatonine par un système photoneuroendocrine. La lumière perçue par la rétine synchronise l’activité de l’horloge circadienne biologique localisée dans les noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus. Les informations temporelles sont ensuite transmises, via les ganglions cervicaux supérieurs, à la glande pinéale, qui synthétise et libère la mélatonine. Les concentrations circulantes de mélatonine présentent un double rythme : journalier (valeurs nocturnes plus élevées) et saisonnier (pic nocturne plus long en hiver ou photopériode courte). 110 La plupart des organismes restreignent leur fertilité à une période limitée pour assurer la naissance et le sevrage des petits au moment le plus favorable de l’année (généralement le début du printemps). La majorité des espèces utilise les variations annuelles de la durée journalière d’éclairement (ou photopériode) pour connaître les saisons. Les variations annuelles de la photopériode sont traduites en rythme de sécrétion de la mélatonine par un système photoneuroendocrine complexe (figure 2). La rétine reçoit les informations photoniques et les transmet à l’horloge biologique, située dans les noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus, pour y synchroniser son activité circadienne. Cette information temporelle est ensuite transmise à diverses structures hypothalamiques, dont les noyaux paraventriculaires, qui utilisent le système nerveux autonome pour réguler la synthèse de mélatonine par la glande pinéale. Chez la plupart des mammifères, cette glande est située près du troisième ventricule, excepté chez les rongeurs, où elle migre au cours du développement pour se localiser à l’intersection des hémisphères cérébraux et du cervelet. La mélatonine n’est pas stockée dans les pinéalocytes mais est directement libérée dans la circulation générale, où sa demi-vie est d’environ 20 minutes. Par conséquent, toute modification de sa synthèse se traduit immédiatement par une variation similaire de sa concentration sanguine. Celle-ci est 10 à 20 fois plus élevée la nuit que le jour, et la durée du pic nocturne est plus longue en hiver (photopériode courte) qu’en été (photopériode longue). Les variations annuelles de mélatonine apportent à l’organisme une représentation robuste et reproductible des variations de la photopériode, et donc des saisons. Il est bien établi que les variations photopériodiques de la durée du pic nocturne de mélatonine synchronisent la reproduction chez des espèces saisonnières comme le hamster (4) ou le mouton (5). L’activité de reproduction du hamster syrien, un modèle animal classique en physiologie saisonnière, est conservée tant qu’il est élevé en photopériode longue (14 heures de lumière par jour) ; mais lorsque l’animal est exposé à une photopériode courte (10 heures de lumière par jour), il subit en 8 semaines une inhibition totale de son activité de reproduction. Cela se traduit par des taux plasmatiques réduits de gonadotrophines et d’hormones sexuelles et par une très forte atrophie des gonades (figure 3). L’ablation de la glande pinéale avant le transfert en photopériode courte inhibitrice empêche l’inactivation de l’axe reproducteur. À l’inverse, l’administration de Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIII - n° 3 - mai-juin 2009 La régulation de la reproduction saisonnière par la mélatonine nécessite un Kiss mélatonine exogène mimant un pic nocturne long de type photopériode courte induit l’inactivation de l’axe reproducteur. Bien que le rôle physiologique de la mélatonine dans le contrôle saisonnier de la reproduction soit expérimentalement bien démontré, les mécanismes cellulaires et moléculaires utilisés par la mélatonine sont largement inconnus. Il a été montré que la mélatonine n’agit pas sur les neurones à GnRH et que la réponse gonadotrope à la GnRH est indépendante de la photopériode (6). Des récepteurs de la mélatonine ont été identifiés dans plusieurs structures nerveuses, mais avec des variations interspécifiques considérables et des niveaux d’expression relativement faibles ne permettant pas le phénotypage des cellules (7). Néanmoins, des expériences de lésions ou d’infusion de mélatonine au niveau de différents sites anatomiques ont montré que l’hypothalamus médiobasal est un site d’action possible de la mélatonine pour le contrôle saisonnier de la reproduction (5, 8). Afin d’identifier des neurones dont l’expression génique est régulée par la photopériode, nous avons caractérisé des gènes de l’hypothalamus médiobasal exprimés différentiellement entre des hamsters syriens en photopériode longue (sexuellement actifs) et en photopériode courte (sexuellement inhibés). Cette étude nous a permis d’identifier plusieurs gènes dont l’expression est inhibée en photopériode courte, en particulier le gène Kiss1. Kiss1 joue un rôle central dans le contrôle saisonnier de la reproduction par la mélatonine Le gène Kiss1 code pour une préprotéine de 145 acides aminés ensuite clivée en peptides de différentes longueurs (de 10 à 54 acides aminés), les kisspeptines, qui se fixent sur le récepteur GPR54 (ou Kiss1-R) avec la même haute affinité. C’est en 2003 que le rôle primordial des kisspeptines dans la régulation neuroendocrine de la reproduction a été démontré. Une mutation dans le gène Gpr54 chez des humains (9) ou des souris (10) a été associée à un hypogonadisme hypogonadotropique, avec un développement sexuel anormal et une incapacité à entrer en puberté. Depuis, de nombreuses études ont été réalisées chez les mammifères, dont les humains, pour établir le rôle et les mécanismes d’action des kisspeptines dans la régulation de l’axe gonadotrope (3) [figure 4]. Kiss1 est exprimé dans les neurones de deux structures hypothalamiques : le noyau arqué (Arc) et le noyau antéroventral périventriculaire Photopériode longue Pic nocturne de mélatonine Photopériode courte + injections de mélatonine + pinéalectomie On Off Off On Activité testiculaire Figure 3. Les variations photopériodiques du pic nocturne de mélatonine synchronisent l’activité de reproduction chez les espèces saisonnières. Chez le hamster syrien mâle, le système reproducteur, représenté ici par la taille des testicules, est actif en photopériode longue et inactif en photopériode courte. L’injection de mélatonine en photopériode longue inhibe l’activité testiculaire, tandis que l’ablation de la glande pinéale en photopériode courte stimule l’activité reproductrice. AVPV neurones à Kiss1 Arc neurones à Kiss1 Kp Kiss1 R POA neurones à GnRH Rétrocontrôle positif des hormones sexuelles GnRH Hypophyse Rétrocontrôle négatif des hormones sexuelles LH, FSH Gonades Figure 4. Les neurones hypothalamiques exprimant le gène Kiss1 sont en amont de l’axe gonadotrope. Kiss1 est exprimé dans les neurones du noyau arqué (Arc) et dans ceux du noyau antéroventral périventriculaire (AVPV), qui projettent sur les neurones à GnRH. Les kisspeptines activent la libération de GnRH, qui en retour stimule la libération des gonadotrophines LH et FSH par l’hypophyse. Les hormones sexuelles exercent un rétrocontrôle positif dans l’AVPV et un rétrocontrôle négatif dans l’Arc sur l’expression de Kiss1. (AVPV), cette dernière région étant plus étendue chez les femelles, chez lesquelles elle participe à la régulation du pic préovulatoire de LH. Les neurones à Kiss1 projettent vers l’aire préoptique et l’éminence médiane où sont localisés respectivement les neurones à GnRH et leurs terminaisons. Les kisspeptines stimulent très Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIII - n° 3 - mai-juin 2009 111 dossier Photopériode longue thématique Photopériode courte Pic nocturne de mélatonine Mélatonine Neurones Kiss1 de l’Arc Mélatonine Kiss1 Kiss1 Kisspeptines Kisspeptines Testostérone Testostérone Kiss1 Kiss1 Activité testiculaire Neurones Kiss1 de l’AVPV Figure 5. La mélatonine en photopériode courte inhibe l’activité reproductrice du hamster syrien via une diminution de l’expression de Kiss1. La mélatonine en photopériode courte inhibe l’expression de Kiss1 dans l’Arc, ce qui inactive l’axe gonadotrope et réduit l’activité testiculaire. La diminution des taux circulants de testostérone lève l’effet rétroactif positif de cette hormone sexuelle sur l’expression de Kiss1 dans l’AVPV. efficacement la libération de GnRH dans le système porte hypothalamo-hypophysaire et, en aval, la sécrétion des gonadotrophines LH et FSH, qui activent les gonades. Il a également été montré que les neurones à Kiss1 sont le site des rétrocontrôles négatif (Arc) et positif (AVPV) des hormones sexuelles. Les espèces saisonnières sont caractérisées par des épisodes réguliers d’activation/inactivation de leur système reproducteur. Nous avons examiné si les kisspeptines pouvaient être impliquées dans le contrôle saisonnier de la reproduction chez le hamster syrien (11, 12). Kiss1 est exprimé dans des neurones de l’Arc et de l’AVPV du hamster syrien mâle et femelle, avec un dimorphisme sexuel au niveau de l’AVPV. Lorsque les animaux sont exposés pendant 8 semaines à une photopériode courte, l’activité reproductrice est inhibée et l’expression de Kiss1 est fortement réduite dans l’Arc et l’AVPV. Cependant, la diminution d’expression de Kiss1 est due à des mécanismes différents dans les deux structures. Dans l’Arc, l’inhibition est directement liée à l’augmentation de la production de mélatonine en photopériode courte et n’est pas due à l’effet rétroactif inhibiteur des hormones sexuelles. Dans l’AVPV, en revanche, la diminution de l’expression de Kiss1 en photopériode courte ne dépend pas directement de la mélatonine mais de la levée de l’effet rétroactif positif 112 des hormones gonadiques. Ainsi, en photopériode courte, la mélatonine inhibe l’expression de Kiss1, de façon directe dans l’Arc et indirecte dans l’AVPV, via une diminution des taux circulants d’hormones sexuelles (figure 5). L’administration chronique de kisspeptines est capable de réactiver l’activité gonadique de hamsters syriens gardés en photopériode courte à un niveau équivalent à celle de hamsters gardés en photopériode longue. Ces observations démontrent que, chez le hamster syrien, la mélatonine synchronise l’activité de l’axe gonadotrope avec les saisons en régulant l’expression des kisspeptines. L’expression de Kiss1 est aussi régulée par la photopériode chez des modèles saisonniers différents, tels le hamster sibérien (13) et le mouton (14, 15), ce qui suggère que le contrôle photopériodique de la reproduction par les kisspeptines est un phénomène général chez les espèces saisonnières. En revanche, chez le rat, espèce dont la reproduction n’est pas modulée en fonction des saisons, l’expression de Kiss1 reste constante et élevée en photopériode longue et courte (11). Il est probable que ce soit également le cas chez l’humain, dont l’activité de reproduction ne dépend pas directement de la photopériode. Néanmoins, il est envisageable que d’autres facteurs environnementaux, métaboliques, inflammatoires ou pathologiques, susceptibles de varier au cours des saisons, puissent altérer le fonctionnement de la reproduction humaine par une action sur le système Kiss1/Kiss1-R. En effet, des études récentes ont montré que différentes hormones, comme la leptine et la corticostérone, régulent l’expression de Kiss1 dans le cerveau de rat (16, 17). Comment la mélatonine inhibe-t-elle l’expression de Kiss1 ? Les structures hypothalamiques Arc et AVPV ne possèdent pas de récepteurs de la mélatonine. Il est probable que l’effet inhibiteur de la mélatonine sur l’expression de Kiss1 soit indirect et implique d’autres cellules et neurotransmetteurs. Or, en plus de Kiss1, nous avons identifié d’autres gènes, Rfrp et Dio2, dont l’expression dans l’hypothalamus dépend de la photopériode. Chez les mammifères, le gène Rfrp (RFamide-related peptide) code deux peptides, RFRP-1 et RFRP-3, qui, comme les kisspeptines, appartiennent à la famille des RF-amides. Chez le hamster syrien sexuellement actif (photopériode longue), le gène Rfrp est exprimé dans la région médiobasale de l’hypothalamus, région qui possède des récepteurs de la mélatonine (8). Son expres- Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIII - n° 3 - mai-juin 2009 La régulation de la reproduction saisonnière par la mélatonine nécessite un Kiss sion est fortement inhibée en photopériode courte par la mélatonine (18). Or, diverses études indiquent que l’injection intra-cérébro-ventriculaire du peptide RFRP-3 altère la libération de LH et/ou la production de testostérone (19-21). Puisque chez le hamster syrien l’expression des deux gènes Rfrp et Kiss1 est inhibée par la mélatonine, et que seule la région qui possède des neurones à Rfrp contient des récepteurs à la mélatonine, il est probable que la mélatonine agisse en premier lieu sur les neurones à Rfrp. Des études sont en cours pour déterminer si la mélatonine peut agir directement sur les neurones à Rfrp et si le RFRP-3 altère la production de LH via un effet sur les neurones à kisspeptines ou les neurones à GnRH. Le gène Dio2 code la déiodinase 2, enzyme clé dans la synthèse de la forme active de l’hormone thyroïdienne (T3). La déiodinase 2 est exprimée dans un type cellulaire particulier à la base du troisième ventricule, les tanycytes, où elle régule localement la production de T3. Chez plusieurs espèces saisonnières, l’expression de Dio2 est sous le contrôle de la photopériode, via la mélatonine (22), ce qui permet une régulation fine de la concentration locale en T3 en fonction des saisons. Il a été montré récemment chez le mouton que la régulation de l’expression de Dio2 par la mélatonine s’effectue indirectement. La mélatonine régule la production de TSH par les cellules de l’adénohypophyse, caractérisée par une très forte densité de récepteurs de la mélatonine, puis la TSH contrôle à son tour l’expression de Dio2 et donc la synthèse de T3 par les tanycytes (23). Par ailleurs, il a été montré que l’administration centrale de T3 est capable de réguler l’activité de reproduction chez plusieurs espèces saisonnières (24, 25). À l’heure actuelle, les cibles cellulaires et moléculaires de la T3 pour le contrôle saisonnier de l’axe gonadotrope ne sont pas encore connues. La T3 pourrait agir directement sur les neurones à Kiss1, puisque des récepteurs de cette hormone sont présents dans l’Arc. La T3 pourrait également induire des changements morphologiques au niveau de l’éminence médiane pour réguler la sécrétion de GnRH. Puberté Photopériode Mélatonine ? État métabolique Autres signaux Kiss1 Kp Axe HPG Kiss1-R Hormones sexuelles Figure 6. Les neurones à Kiss1 intègrent différents facteurs, dont la photopériode via la mélatonine, pour contrôler l’activité de l’axe hypothalamo-hypophyso-gonadique (HPG). Conclusion Chez les espèces saisonnières, l’expression de Kiss1 est régulée par la mélatonine, et l’administration de kisspeptine chez des individus photo-inhibés est capable de réactiver l’axe gonadotrope. Ces observations ont permis une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires soustendant la reproduction saisonnière. Néanmoins, les interactions précises entre la mélatonine et le système kisspeptinergique ne sont pas encore complètement établies. La mélatonine agit probablement en amont des neurones à Kiss1, sur les neurones à Rfrp et/ou les tanycytes exprimant les déiodinases. Les neurones à Kiss1 sont actuellement considérés comme des centres d’intégration de divers signaux neuroendocrines et environnementaux pour réguler précisément l’activité de l’axe gonadotrope. En plus de la mélatonine, d’autres facteurs (leptine, corticostérone), susceptibles de varier avec les saisons, sont capables d’altérer l’expression de Kiss1 et, par conséquent, l’activité de reproduction (figure 6). ■ >>> Références page 114 Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XIII - n° 3 - mai-juin 2009 113 dossier thématique Références 1. Simonneaux V, Ribelayga C. Generation of the melatonin endocrine message in mammals: a review of the complex regulation of melatonin synthesis by norepinephrine, peptides, and other pineal transmitters. Pharmacol Rev 2003;55:325-95. 2. Malpaux B, Thiéry JC, Chemineau P. Melatonin and the seaso- nal control of reproduction. Reprod Nutr Dev 1999;39:355-66. 3. Popa SM, Clifton DK, Steiner RA. The role of kisspeptins and GPR54 in the neuroendocrine regulation of reproduction. Annu Rev Physiol 2008;70:213-38. 4. Bartness TJ, Powers JB, Hastings MH et al. 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