Introduction
La puberté précoce, un phénomène de plus en plus fréquent chez les adolescents, en particulier chez les jeunes filles, est souvent d'origine inconnue. Cependant, des recherches récentes chez la souris ont mis en lumière des mécanismes potentiels qui pourraient expliquer certains cas. Cet article explore le développement de l'hypothalamus embryonnaire de souris, en mettant l'accent sur le rôle des neurones à GnRH et leur implication dans le déclenchement de la puberté.
Le rôle essentiel des neurones à GnRH
Chez les mammifères, la reproduction est contrôlée par un réseau hypothalamique complexe qui intègre divers stimuli pour réguler la sécrétion de la Gonadotropin Releasing Hormone (GnRH). Ces neurones à GnRH, véritables chefs d'orchestre de la fertilité, naissent dans la placode olfactive (l'ébauche du nez) et migrent vers le cerveau au cours du développement embryonnaire.
Migration des neurones à GnRH: un processus complexe
Le Pr Paolo Giacobini et son équipe de l’INSERM ont étudié des embryons humains âgés de 6 à 12 semaines grâce à des technologies innovantes à base de 3D. Ils ont pu observer les étapes de la migration de ces neurones, à partir de la « placode olfactive ».
Au cours du développement embryonnaire, les neurones à GnRH apparaissent au niveau du nez et migrent vers le cerveau jusqu’à l’hypothalamus. C’est de là qu’ils orchestreront plus tard la fertilité.
Contrairement à ce que pensaient les chercheurs, ils ne patientent pas seulement au niveau de l’hypothalamus. Giacobini et son équipe ont montré que la migration de ces neurones était très disparate. Outre l’hypothalamus donc, ils colonisent aussi le cortex, le bulbe olfactif, l’hippocampe et certaines régions du système limbique.
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La protéine Nrp1: un acteur clé dans la migration et le fonctionnement des neurones à GnRH
Des travaux antérieurs ont montré qu'une protéine, appelée Nrp1, présente le long des axones reliant le nez au système olfactif du cerveau, rentrait dans la composition des « rails » qui permettent la migration de neurones à GnRH du nez vers le cerveau durant le développement embryonnaire. Or, cette protéine Nrp1 est également exprimée par les neurones à GnRH eux-mêmes. Les chercheurs se sont donc intéressés à son rôle dans la migration et le fonctionnement de ces neurones.
Pour cela, ils ont développé un modèle de souris chez qui Nrp1 est inactivée uniquement dans les neurones à GnRH mais reste exprimée ailleurs. Ces neurones ont été marqués par fluorescence pour être observés au cours du temps.
L’équipe de recherche a constaté chez les souris mutées une augmentation de la quantité de neurones à GnRH au niveau du nez qui est associée à un début de migration plus précoce vers le cerveau. Au niveau physiologique, les auteurs ont constaté une prise de poids et une croissance plus rapide des souris mutées par rapport aux animaux contrôles, ainsi que le déclenchement d’une puberté plus précoce.
Ces observations suggèrent que les neurones à GnRH pourraient en réalité contrôler le pic de croissance pré-pubertaire et non l’inverse comme le pensaient les chercheurs jusque-là.
Puberté précoce: une activation prématurée des neurones à GnRH?
Pour les spécialistes de l'adolescence, la puberté précoce a pour principale origine une accélération prématurée de la croissance. Un pic de croissance à l'adolescence entraînerait l'activation dans le cerveau de neurones sécrétant de la GnRH, plus communément appelée la gonadolibérine, qui provoque la sécrétion des hormones sexuelles et contrôle donc la puberté et la fertilité.
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D'après les observations faites chez la souris, les neurones à GnRH seraient responsables du pic de croissance et du contrôle de la puberté - grâce à la production d'une protéine spécifique. Et non l'inverse, comme le pensaient jusque-là les spécialistes de la question. Si tel est le cas, la survenue de la puberté précoce pourrait être le résultat d'une activation précoce des neurones à GnRH. L'origine de cette activation précoce pourrait être recherchée dans les variantes génétiques du gène codant pour la protéine sécrétée par ces neurones.
L'hypothèse d'un pic de croissance précoce
Les résultats suggèrent qu'un pic de croissance survenant très tôt pourrait être associé à une activation précoce des neurones à GnRH. Ce phénomène pourrait, de plus, être associé à certains variants du gène NRP1. Ces résultats ouvrent de nouvelles pistes dans la prévention des risques de puberté précoce chez l'enfant.
Le syndrome de Kallmann: un trouble lié au développement des systèmes GnRH et olfactif
Les systèmes GnRH et olfactif ont des liens complexes au cours du développement, le syndrome de Kallmann (KS) représente un trouble qui associe l'hypogonadisme dû à une déficience en GnRH et l'anosmie. Le CHH et le KS sont des troubles oligogéniques, les mutations génétiques sous-jacentes n’expliquent que 50% des cas cliniques.
Le rôle de l'hormone Anti-Müllerienne (AMH)
Le second objectif de ce travail a visé à caractériser un nouveau gène candidat impliqué dans le développement du système GnRH: L'hormone Anti-Müllerienne (AMH), connue pour son rôle dans la différenciation de la gonade bipotentielle chez les mâles. Néanmoins, une récente étude menée par notre équipe a mis en évidence son rôle extragonadique sur les neurones à GnRH en période post-natale.
Le séquençage complet d'une large cohorte de patients européens a révélé plusieurs nouvelles mutations faux-sens dans le gène de l’AMH chez les patients atteints de CHH et KS, non retrouvés dans la cohorte des témoins. L’évaluation de la pertinence fonctionnelle de ces mutations a ensuite été effectuée par diverses analyses biochimiques in vitro de la bioactivité des mutations, ainsi que par la caractérisation d'une lignée de souris transgénique. Ce qui a entraîné une diminution de la sécrétion de l'AMH et une diminution de la bioactivité de la protéine sécrétée dans les études in vitro; Conduisant à une éventuelle réduction de la capacité migratoire. Cela suggère fortement que ces mutations pourraient avoir un effet pathogène.
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En outre,nous montrons que le récepteur AMHR2 est exprimé le long des fibres olfactives et par les neurones à GnRH pendant le processus migratoire GnRH. L'analyse pathohistologique des souris Amhr2 -/- a révélé une altération de la migration embryonnaire des neurones à GnRH vers le cerveau antérieur basal, entraînant une réduction significative du nombre total de neurones GnRH dans les cerveaux adultes de ces animaux, conduisant à une fertilité réduite.
La signalisation Séma3E et le développement du fornix post-commissural
L'un des objectifs des neurosciences est d'élucider les mécanismes moléculaires impliqués dans la morphogenèse neuronale et conduisant à la mise en place de réseaux neuronaux. Au cours du développement embryonnaire, les neurones établissent entre eux des milliards de connexions via l’émission de dendrites et d’axones qui vont croitre rapidement grâce au cône de croissance situé à leur extrémité. Cette croissance est finement régulée, par les molécules de guidage rencontrées par le cône de croissance, mais dépend également du type de récepteurs pour ces molécules et des effecteurs intracellulaires propres au neurone.
Notre laboratoire s’est intéressé au fornix post-commissural, un tract composé d’un ensemble d’axones de neurones du subiculum, appartenant à la formation hippocampique, et qui projettent dans les corps mamillaires de l’hypothalamus. Le fornix post-commissural appartient au système limbique et est impliqué dans la mémoire, la gestion des émotions et la navigation. L’altération de l’intégrité de cette structure a été associée à des troubles psychiatriques ainsi qu’à des maladies neurodégénératives. Son développement est contrôlé par la sémaphorine 3E (Sema3E), une molécule de guidage exerçant un effet attractif sur les neurones du subiculum via un complexe de récepteurs constitué de la plexine D1 (PlxD1), de la neuropiline 1 (Nrp1) et du VEGFR2. La liaison de la Sema3E sur la PlxD1 et la transduction du signal via le VEGFR2 induit le recrutement de la voie PI3K/Akt/GSK3β. Cependant les acteurs responsables, in fine, du remodelage du cytosquelette, essentiel pour permettre la croissance axonale, restaient à identifier.
Les CRMP1, 2 et 4 ont été caractérisées au départ comme des acteurs de la signalisation sémaphorine 3A, dans laquelle elles régulent, entre autres, la croissance neuritique à travers leur capacité à agir sur le cytosquelette. Ces protéines peuvent en effet se lier avec l’actine et modulent également la dynamique des microtubules via leur déphosphorylation/phosphorylation par GSK3β dont elles sont un substrat. Ces différents éléments tendaient à faire des CRMP des candidats intéressants dont l’implication potentielle dans la signalisation Séma3E méritait d’être étudiée.
Parmi ces trois CRMP, seule l’absence de CRMP4 dans des neurones issus du subiculum en culture bloque leur capacité à voir leur croissance axonale stimulée en présence de Séma3E. De plus l’analyse de la neuroanatomie d’embryons de souris CRMP4 révèle que ces animaux présentent à la naissance un développement anormal du fornix post-commissural et qui perdure à l’âge adulte. Une altération similaire de ce tract est présente chez des souris double hétérozygote CRMP4/Sema3E, montrant une interaction entre ces deux gènes et entérinant le lien entre CRMP4 et Sema3E in vivo.
De manière surprenante, CRMP4 interagit avec le complexe de récepteurs de PlxD1/Nrp1/VEGFR2 seulement à l’intérieur de microdomaines membranaires ayant une composition lipidique particulière et déjà caractérisés dans des mécanismes de guidage, les DRM (detergent resistant membrane). L’ajout de Sema3E sur des neurones du subiculum en culture a permis de mettre en évidence l’inhibition de la phosphorylation de CRMP4, en aval de la voie Akt/GSK3β. De plus nous avons montré que l’intégrité des DRM de même que le domaine de liaison de CRMP4 au cytosquelette étaient nécessaires à l'activité stimulatrice de croissance de la Sema3E, suggérant un rôle pour CRMP4 à l'interface entre les récepteurs de la Sema3E membranaires et le cytosquelette.
Plasticité hypophysaire: l'adaptation de l'hypophyse aux variations de l'environnement
L’hypophyse, chef d’orchestre des grandes fonctions de l’organisme, doit sans cesse s’adapter aux variations de son microenvironnement, qu’elles soient d’origine physiologique (puberté, cycles œstriens, vieillissement…), contextuelles (nutrition, environnement…) ou pathologiques (adénomes, infections bactériennes ou virales…). Pour tenter de comprendre les mécanismes mis en œuvre dans cette adaptation, des modèles in vitro tels que les organoïdes apparaissent comme des outils pertinents pour étudier le développement de l’hypophyse et sa fonction sécrétoire si variée.
Chez un grand nombre d’animaux, l’adaptation aux variations de l’environnement extérieur ou interne, qu’elles soient d’origine physiologique (puberté, cycles œstriens, vieillissement…), contextuelles (nutrition, environnement…) ou pathologiques (adénomes, infections bactériennes ou virales…) s’appuie en partie sur la glande hypophysaire, qualifiée de glande « maîtresse ». Celle-ci est constituée de 2 lobes : le lobe antérieur (ou adénohypophyse) responsable de la synthèse d’hormones et le lobe postérieur (neurohypophyse) composé de tissu nerveux. De la taille d’un pois chez l’humain ou les ovins, l’hypophyse est située sous le cerveau dans une cavité osseuse appelée selle turcique. Elle est reliée à l’hypothalamus, région du cerveau localisée sous le thalamus, grâce à la tige hypophysaire. Cette dernière assure une relation anatomique et fonctionnelle entre les deux organes notamment via le système vasculaire située dans l’éminence médiane. Sous l’influence de l’hypothalamus, l’hypophyse antérieure produit des hormones clés qui agissent sur des organes cibles et régulent ainsi des processus physiologiques fondamentaux tels que la croissance, le métabolisme, le stress ou encore la reproduction. Ces hormones sont synthétisées et sécrétées par des types cellulaires spécialisés pour chaque fonction. Afin de parvenir à une régulation optimale des processus physiologiques, l’hypophyse doit contrôler de manière précise la production de ces hormones et l’ajuster en permanence en réponse aux changements d’environnement pour maintenir l’homéostasie.
L'homéostasie: un équilibre dynamique
L’homéostasie définit la capacité d’un organisme à maintenir l’équilibre de son milieu intérieur malgré les variations du milieu extérieur. Cet équilibre concerne les constantes physiologiques (débit sanguin, température corporelle, tension artérielle, concentrations hormonales…).
La plasticité hypophysaire repose sur des variations de la synthèse et de la sécrétion d’hormones, du nombre de cellules impliquées dans une fonction ainsi que sur des modifications structurales. À titre d'exemple, dans de nombreuses espèces, la fonction de reproduction se caractérise chez la femelle par des variations importantes des niveaux circulants d'hormones gonadotropes produites par l'hypophyse, LH (hormone lutéinisante; Luteinizing Hormone en anglais) et FSH (hormone folliculostimulante; Follicle Stimulating Hormone en anglais) lors du déclenchement de la puberté puis au cours des cycles œstriens en réponse à des régulateurs hypothalamiques et ovariens mais également hypophysaires (McNeilly et al., 2003 ; Derouin-Tochon et al., 2019). Ces changements, associés à des modifications de la synthèse des hormones LH et FSH ainsi que de la proportion de cellules gonadotropes hypophysaires, peuvent également être modulés par des facteurs externes environnementaux tels que l'alimentation, le stress, les xénobiotiques ou encore la durée du jour chez les espèces à reproduction saisonnée. Si l'ajustement précis du ratio LH/FSH à des périodes clés est un élément essentiel pour assurer le contrôle du moment et du nombre ovulations, comme en témoignent les altérations de fertilité liées aux perturbations de ce rapport, les mécanismes associés à la régulation de ce taux et à la plasticité des cellules gonadotropes sont encore peu connus. De récents travaux suggèrent que les cellules souches/progénitrices, identifiées dans l'hypophyse adulte pourraient être des acteurs importants (Rizzoti et al., 2013 ; Cox et al., 2019).
Dans l’objectif de décrypter les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents à ces processus d’ajustement ainsi que l’implication des cellules souches, des modèles cellulaires in vitro sont très utiles à condition qu’ils reproduisent au plus près le fonctionnement de l’organe. Depuis peu, les modèles de culture tridimensionnels (3D) de type organoïde, qui visent à recréer in vitro des mini-organes à partir de cellules souches ou progénitrices, constituent un outil séduisant pour explorer les fonctions physiologiques. En effet, ces cellules cultivées en 3D dans un environnement adapté s’auto-organisent pour reconstituer l’architecture de l’organe d’origine, ce que ne permettent pas les cultures 2D plus conventionnelles. Cette dimension tridimensionnelle permet à ces organoïdes d’exprimer certaines des fonctions physiologiques du tissu qu’ils essayent de mimer le plus précisément possible. Ces organoïdes peuvent ainsi être utilisés pour étudier les processus de développement, d’organisation et d’arrangement des tissus. De plus, ils représentent aussi des modèles d’étude pour la compréhension des mécanismes de physiologie et physiopathologie ou pour évaluer l’impact de certaines molécules à visée thérapeutique. En outre, ces nouveaux modèles s’imposent comme des alternatives prometteuses aux expérimentations animales et, en les « remplaçant » ou au moins les « réduisant », contribuent au respect de la règle des 3R. Les modèles d’organoïdes, tous tissus confondus, actuellement développés sont surtout des modèles murins et humains, susceptibles de répondre aux enjeux de santé humaine. Les organoïdes issus de tissus d’animaux de rente, même si encore peu présents dans la littérature, sont en cours de déploiement, par exemple pour le l’intestin, le poumon ou le muscle. Pour l’hypophyse, la mise en place des organoïdes est encore balbutiante et elle n’est abordée actuellement que sur les modèles murins et humains. Quelle que soit l’espèce concernée, l’ensemble de ces nouveaux modèles représente des outils attrayants qui pourraient permettre de répondre aussi bien à des questions de recherche fondamentale pour comprendre le fonctionnement physiologique normal, que pour des applications en santé animale ou d’agro-écologie, concernant par exemple les questionnements autour de l’adaptation au changement climatique.
Anatomie de l'hypophyse
L’hypophyse est constituée de deux lobes formés de tissus différents :
- le lobe antérieur ou adénohypophyse, tissu glandulaire, qui regroupe la pars distalis, la pars tuberalis et la pars intermedia. La pars distalis, formée de cellules endocrines, représente la majeure partie de la glande tandis que la pars tuberalis prolongeant la pars distalis vers le haut enveloppe la tige hypophysaire. Quant à la pars intermedia, située entre la pars distalis et le lobe postérieur, elle est présente ou non selon les espèces. On la retrouve chez de nombreuses espèces mais elle est absente chez les oiseaux et peu développée chez l’humain. L’adénohypophyse contient des cellules sécrétrices qui produisent des hormones régulant les grandes fonctions de l’organisme.
- le lobe postérieur ou neurohypophyse, tissu nerveux, qui est composé de la pars nervosa. Ce lobe se trouve en continuité avec la tige hypophysaire qui assure la liaison de l’hypophyse à l’hypothalamus. La pars nervosa contient les terminaisons axonales de neurones appelés magnocellulaires, du fait de leur grande taille, dont les corps cellulaires siègent dans l’hypothalamus. Ces terminaisons stockent l’ocytocine et la vasopressine, aussi appelée hormone anti-diurétique, (ADH pour Antidiuretic Hormone en anglais) dans des vésicules. Sous l’effet d’un influx nerveux, ces hormones sont libérées dans des capillaires sanguins. L’ocytocine intervient dans la lactation et les contractions utérines et l’ADH régule l’équilibre hydrique de l’organisme. La neurohypophyse dispose d’un réseau de capillaires sanguins ainsi que de cellules de type glial, les pituicytes, qui assurent l’interface entre les hormones et le réseau vasculaire.
L'hypophyse est vascularisée grâce aux artères hypophysaires supérieures et inférieures, issues de l'artère carotide interne. L’adénohypophyse est irriguée par l'artère hypophysaire supérieure via le système porte hypothalamo-hypophysaire qui réside dans l’éminence médiane au cœur de la pars tuberalis. Ce système porte assure les relations neurovasculaires entre l'hypothalamus et l'hypophyse et convoie les facteurs hypothalamiques régulant l’activité de l’adénohypophyse. La vascularisation de la neurohypophyse s'effectue séparément à partir de l'artère hypophysaire inférieure.
Il est intéressant de remarquer que si l'anatomie du complexe hypothalamo-hypophysaire est similaire chez beaucoup de vertébrés, l'éminence médiane et le système porte hypothalamo-hypophysaire sont absents chez les poissons téléostéens représentant la majorité des espèces de poissons actuels (on y trouve le saumon, la truite, le thon…). Dans ce cas, une innervation directe de l'hypophyse par les terminaisons des neurones hypothalamiques est observée (Trudeau et Somoza, 2020).
Composition cellulaire de l'adénohypophyse
L'adénohypophyse est une des glandes les plus complexes de l'organisme, constituée de plusieurs populations cellulaires distinctes. Il s'agit d'une glande réticulée au sein de laquelle les cellules sont regroupées dans des cordons, sorte d'îlots entre lesquels se trouvent les capillaires sanguins constitués notamment de cellules endothéliales, ainsi que des cellules immunitaires et du tissu de soutien. Les approches de microscopie bi-photonique permettant d'imager les cellules dans la profondeur de la glande ont mis en évidence que les cellules d'un même type cellulaire s'organisent en réseau tridimensionnel en se connectant entre elles formant ainsi des réseaux homotypiques (Bonnefont et al., 2005). De plus, les cellules de différents types cellulaires peuvent se connecter entre elles pour former des réseaux hétérotypiques.
Au sein des cordons de la pars distalis, cinq types cellulaires endocrines se distinguent alors qu’un sixième type est présent dans la pars intermedia. Chacune de ces populations cellulaires se distinguent par la production d’hormones qui leur sont spécifiques. Les cellules les plus nombreuses sont les cellules somatotropes représentant environ 50 % de l’ensemble des cellules tandis que les moins abondantes sont les cellules thyréotropes (environ 5 %). Chacun des autres types cellulaires constitue 5 à 15 %. On retrouve des cellules thyréotropes et gonadotropes dans la pars tuberalis. Chez les poissons téléostéens, un type cellulaire supplémentaire est trouvé dans la pars distalis. Il s’agit des cellules somatolactotropes qui produisent la somatolactine, impliquée dans la pigmentation de la peau (Kaneko, 1996).
Alors que chez la plupart des mammifères, les types cellulaires, répartis de manière régionalisée pendant l’embryogenèse, se retrouvent dispersés au sein du tissu chez l’adulte, les populations cellulaires des poissons téléostéens respectent une distribution fortement régionalisée tout au long de la vie (Trudeau et Somoza, 2020). Chez les oiseaux, les cellules gonadotropes sont réparties dans l’ensemble de la pars distalis tandis que les cellules lactotropes, corticotropes et thyréotropes sont restreintes à la partie céphalique et les cellules somatotropes à la partie caudale de la pars distalis (Mikami et Yamada, 1984).
Les cellules endocrines libèrent leur sécrétion vers les capillaires veineux situés à proximité qui rejoignent la circulation générale. Dans les cordons, à ces cellules endocrines aux fonctions bien spécifiées, s'ajoutent des cellules folliculostellaires. Il s'agit de cellules non endocrines, à la forme étoilée qui peuvent représenter jusqu'à 10 % des cellules hypophysaires. Elles sont étroitement connectées aux cellules endocrines et contribuent de manière essentielle à la régulation et au maintien de ces dernières grâce à leur organisation en réseau (Vila-Porcile, 1972 ; Fauquier et al., 2001 ; Le Tissier et Mollard, 2021). Au sein de cette population, l'expression de gènes typiques des cellules souches a été observée (Fauquier et al., 2008 ; Yoshida et al., 2011 ; Andoniadou et al., 2013). D'après le profil d'expression de gènes établi par étude transcriptomique à l'échelle de la cellule unique, les cellules folliculostellaires se répartiraient en deux populations : l'une située dans la zone située entre la pars intermedia et la pars distalis de l'hypophyse appelée zone marginale, présentant des propriétés de cellules souches et l'autre répartie dans la pars distalis correspondant à des cellules différenciées typiques des cellules folliculostellaires initialement décrites (Fletcher et al., 2023). Plus récemment, l'existence de cellules souches/progénitrices dans l'hypophyse chez l'adulte a été démontrée, notamment chez les rongeurs, l'humain, la vache ou encore le poisson zèbre et le médaka (Chen et al., 2005 ; Lepore et al., 2005 ; Chen et al., 2009 ; Fauquier et al., 2008 ; Garcia-Lavandeira et al., 2009 ; Weiss et al., 2009 ; Garcia-Lavandeira et al., 2012 ; Rizzoti et al., 2013 ; Oguchi et al., 2021). Les cellules souches/progénitrices aussi détectées chez le jeune animal, présentent des caractéristiques typiques des cellules souches trouvées chez l'embryon : elles expriment des marqueurs protéiques de cellules souches/progénitrices tels que SCA-1, OCT-4, SOX2, SOX9, CD133, NESTIN, NOTCH1, et ne synthét…
Organoïdes: des outils prometteurs pour l'étude du développement hypophysaire
Dans cette revue visant à faire un état des lieux des modèles d’organoïdes hypophysaires disponibles ou en cours de développement, nous nous intéresserons plus particulièrement à l’hypophyse antérieure.
Aussi surprenant et inattendu que cela puisse paraître, les neurones qui contrôlent la reproduction naissent au niveau de notre… nez ! Ils migrent ensuite vers le cerveau au cours de la période fœtale. Où précisément ? Dans l’hypothalamus, comme le savaient déjà les scientifiques.
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