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Initiation de la puberté : un mécanisme complexe

Dr Nicolas de Roux

DIU transition 2011

Puberty is the transit ion between the juvenile state and adulthood; during this stage of development, secondary sex characteristics appear and mature, the adolescent growth spurt occurs, fer t i l i ty is ach ieved, and pro found psycho log ic e f fec ts a re observed. These changes result directly or indirectly from m a t u r a t i o n o f t h e h y p o t h a l a m i c - p i t u i t a r y gonadotropin unit, stimulation of the sex organs, and the secretion of sex steroids (Styne and Grumbach, 1978)

LH FSH

Gametogenesis Steroidogenesis

Ovulation

GnRH

Puberty

Puberté!

fille! garçon!

stade 2! 8-13! 9-14!

pic de!croissance! 10-14! 12-16!

ménarche ou!spermache!

10.5-16.5! 12.5-16.5!

taille définitive ! 13-17! 15-18 ans!

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Neurones GnRH

GnRH

β LH β FSH SU Alpha

GnRHR

LH FSH

Hypophyse

Hypothalamus

Testostérone Oestrogènes, Progestérone

Gonadotropes

Gonades

de Roux, et al. N Engl J Med, 1997. 337(22): 1597-602.

Ontogenesis of the gonadotropic axis

Expression of GnRH within the olfactory epithelium

Migration of GnRH neurons toward the hypothalamus

Activation of the hypothalamo-pituitary gonadic axis

5th 16th

Olfactory bulb development

Expression of GnRH within the hypothalamus

Birth

Mullerian duct regression

Differentiation of external genitalia

Descent of testis Ovarian follicles

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Parker CR: The endocrinology of pregnancy. p. 28. In Carr BR, Blackwell RE [eds.] Textbook of Reproductive Medicine. Appleton & Lange, Norwalk, 1993.

L’axe gonadotrope est activé durant la vie foetale

Adapted from Chellakooty, M. et al. J Clin Endocrinol Metab 2003;88:3515-3520

FSH LH Inhibin B

Inhibin A Estradiol

Hormonal levels in healthy infant girls

LH/FSH

FSH LH Inhibin B

Estradiol

LH/FSH

Adapted from Teilmann, G. et al. J Clin Endocrinol Metab 2007;92:2538-2544

Serum levels of FSH, LH, estradiol, inhibin B in girls (*) and controls (+) between 5 and 9 years old

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LH/FSH

Plasma LH in normal children around pubertal onset

Clock time (h)

0,1

1

10

8 12 16 20 0 4 8

LH (U/L)

B1, 3.5 ± 1 yr before B2

B1, 0.5 ± 0.3 yr before B2

B2

Mitamura et al, JCEM 2000

Evolution de la LH et FSH pendant la puberté

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5

10

5

0

15

10

5

0

Temps

mU

l/ml s

erum

(m ±

esm

)

0 30 60 90 0 30 60 90 0 30 60 90 minutes

LH

FSH

S1 (24) S2 (8) S3 (9)

G1 (23) G2 (13) G3 (10)

Le pic ovulatoire de LH : une régulation cyclique de l’axe gonadotrope.

9.5-10.7 yrs 11-13 yrs

Neuroendocrine reactivation of the gonadotropic axis

Analysis of the distribution of age at puberty shows extreme situations with advanced or delayed puberty

14-15 yrs 8 yrs

Precocious Puberty Impuberism

Increase of sexual steroid secretion

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La puberté : un processus complexe déterminé dans le temps

•  Facteurs sociaux •  Facteurs génétiques ou épigénétiques •  Facteurs environnementaux

Acquisition de la fonction de reproduction dont l’initiation dépend :

R Month interval Heritability

Sister pairs 0.16 to 0.44

Mother-daugthers

0.23 to 0.56

Twins

MZ DZ MZ DZ MZ

0.71 to 0.89 0.29 to 0.66 2.2 to 7.4 8.2 to 14.2 0.50 to 0.70

Age at menarche (from Towne et al, 2005)

Age at puberty (from Mustanki et al, 2004)

Twins

MZ

0.96

Age at puberty is a genetic trait

Evolution séculaire de l’âge de la ménarche

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Les acteurs de l’initiation de la puberté : une hierarchisation complexe

GnRH

Facteurs environnementaux Facteurs neuroendocriniens

Horloge interne : maturation neuronale

Balance inhibition-activation de l’axe gonadotrope

•  Mélatonine •  NPY •  GABA

•  Les catécholamines •  La norépinephrine •  La dopamine

•  La sérotonine •  La galanine

•  Leptine •  Glutamate

•  Facteurs de l’environnement

Approche expérimentale de l’initiation de la puberté : une situation complexe n  La puberté résulte de la balance entre signaux

permissifs et inhibiteurs de l’axe gonadotrope.

n  Deux modèles expérimentaux q  Le rongeur q  Le primate

n  Singe n  Homme

n  Plusieurs stratégies q  Physiologie animale et moléculaire. Génétique.

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L’inhibition de l’axe durant l’enfance est extra gonadique n  Cette inhibition ne dépend pas des hormones

sexuelles q  Persistance de l’inhibition chez l’enfant avec

dysgénésie gonadique. q  Persistance de l’inhibition après gonadectomie q  Les hormones sexuelles amplifient l’effet inhibiteur

extragonadique n  L’hypophyse est fortement inhibée n  Les signaux inhibiteurs régulent les neurones à

GnRH et la réponse hypophysaire à la GnRH

La mélatonine: un inhibiteur de la sécrétion de la GnRH avant la puberté n  La mélatonine

q  Puberté précoce par tumeur de la glande pinéale q  La circulation de mélatonine est élevée chez

l’enfant et décline dans la periode peripubertaire q  Retard pubertaire chez les garçons malvoyants q  Un effet activateur est également décrit. q  Rôle des rythmes circadiens dans l’augmentation

nocturne de la LH en période péripubertaire

Le NPY un signal inhibiteur de la sécrétion pulsatile de la GnRH n  Le NPY serait un facteur inhibiteur majeur

q  Administration centrale de NPY inhibe la sécrétion pulsatile de la GnRH chez le singe post-pubère gonadectomisé

q  Corrélation négative entre expression du NPY et celle de la GnRH

q  Les neurones NPY sont en contact avec les neurones GnRH

q  Le niveau hypothalamique de NPY augmente en cas de jeun.

n  Cet effet inhibiteur est modeste

q  Les souris KO pour le NPY n’ont pas de puberté précoce q  Le NPY pourrait avoir un effet activateur.

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Le GABA exerce un effet négatif sur la sécrétion de GnRH n  Le GABA est synthétisé à partir du glutamate

par la GAD (glutamic acid decarboxylase) n  Le GABA en perifusion hypothalamique

inhibe la sécrétion de GnRH par l’éminence médiane.

n  Inactivation pharmacologique du récepteur GABA entraîne une décharge de GnRH et/ou une puberté précoce.

n  L’action serait directe sur les neurones à GnRH







Les stimulateurs de la sécrétion de GnRH: le glutamate

n  Le glutamate: un neurotransmitteur excitateur. n  Augmentation de la concentration hypothalamique du glutamate

entre la période prepubertaire et adulte n  Le glutamate active directement la sécrétion de GnRH par les

neurones GnRH n  Les inhibiteurs des récepteurs NMDA retardent la puberté et les

agonistes l’activent. n  La sensibilité des neurones à GnRH augmente durant la puberté. n  L’expression des récepteurs NMDA au glutamate augmente

durant la puberté ainsi que leur composition

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Facteurs métaboliques et nutritionnels

n  La puberté survient à un certain rapport poids-taille

n  La dénutrition chronique retarde la puberté n  L’axe hypothalamo-hypophysaire retourne au

repos chez un adulte dénutri ou surentraîné. n  La leptin est indispensable mais pas suffisant

pour déclencher la puberté.

Leptine et puberté

n  La leptine est principalement synthétisée par les adipocytes.

n  L’action de la leptine est principalement hypothalamique ou hypophysaire.

n  Les concentrations plasmatiques de leptine varie au cours de la puberté.

n  La perte de fonction de la leptine entraîne un retard pubertaire

n  L’injection de leptine chez la souris est responsable d’une puberté précoce.

Leptine et puberté

n  L’administration de leptine permet la réactivation de l’axe gonadotrope chez les femmes en aménorrhée hypothalamique.

n  L’action n’est pas directe sur les neurones à GnRH.

n  La leptine stimule directement la sécrétion de LH.

n  Un effet paracrine est également probable.

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Les autres stimulateurs de la sécrétion de GnRH n  Les catécholamines

q  La norépinephrine q  La dopamine

n  La sérotonine n  La galanine

Importance des cellules gliales

n  Cellules de soutien telles que tanycites, astrocytes.

n  Régulent la sécrétion de GnRH par l’intermédiaire du TGFb, EGF, FGF.

n  Importance des récepteurs erbB-1, 2, 3.

GnRH

TGFb, EGF, FGF

PGE2 erbB







Kp

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•  NPY •  GABA

•  Mélatonine



•  Glutamate


•  Leptine

Kp

•  Pas de puberté > 14 ans chez le garçon •  Pas de puberté > 13 ans chez la fille

Retard Pubertaire

  Hypogonadisme hypogonadotrope   Hypogonadisme hypergonadotrope   Retard pubertaire simple

LH FSH

Gonads

GnRH

Evidence that major delayed of puberty due to gonadotropic deficiency could be a genetic disease

Testosterone Estradiol

Low steroid hormone levels

Low LH and FSH levels

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Hypogonadotropic hypogonadism

Congenital Acquired

Isolated Combined Syndromic

Charge Bardet Bield Prader Willi Gordon Holmes

Pituitary deficiency Leptin deficiency Adrenal deficiency

Kallmann Idiopathic

Phénotype du déficit gonadotrope isolé - Retard pubertaire

-  Garçon >14 ans, Fille > 13 ans -  Infertilité

-  Enfants -  Micropénis. Cryptorchidie.

-  Adultes -  Hypogonadisme. -  Aménorrhée primaire. -  Olfaction normale. -  LH et FSH basses ou normales. -  Hormones stéroïdes basses -  Test GnRH variable. -  Autres axes endocriniens normaux. -  IRM hypothalamique et Hypophysaire normale.

10 -11 10 -10 10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 0

25

50

75

100

GnRH (M)

Spe

cific

bin

ding

of

125 I-Gn

RH

-A (%

)

GnRH-A binding

Wild type Gln106Arg Arg262Gln

Phospholipase C stimulation

10 -12 10 -11 10 -10 10 -9 10 -8 10 -7 0

25 50 75

100

GnRH (M)

IP3

(%)

Arg262Gln Gln106Arg

de Roux, et al. N Engl J Med, 1997. 337(22): 1597-602.

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Prevalence des mutation de GnRHR dans l’HHI

Cas familiaux Total

de Roux et al, 2004 9/20 (50 %) 11/410 (3 %) Laymann et al, 1998. 1/46 (2 %)

Beranova et al, 2001 2/5 (40 %) 5/48 (10 %)

Kottler et al, 2001 3/6 (50 %) 6%

Costa et al, 200 12/14 (14%)

Bhagavath et al 2003 1/15 (6.7%) 3/165 (1.8%)

Recombinaison point in patient III.4

3500 2000

NR3B EPLG6 FSTL3

BSG

GPR54

D19S886 D19S814 IHH2.1

IHH2.2

IHH2.3

D19S878

D19S565 D19S424

D19S883

1000

19p

•  G-protein coupled receptor (GPR54): 398 amino acids. •  Receptor of kiss-1 peptide which is known as a metastasis suppressor.

•  Homology with galanin receptors (40%).

•  Expressed within hypothalamus, pituitary and placenta.

•  Kiss-1 administration increases oxytocine plasma level in mouse

I I

I I I 1 2 3 4 5 6 7

1 2

524 369

Exon 5 on 5

de Roux et al, Proc Natl Acad Sci USA, 2003, 100, 10972-6

-14 -14 739 880

Mutations inactivatrices de GPR54

NH2

NH2

NH2NH2

121 124686520191 145

Kp54

Kp14

Kp13Kp10

Pro-convertaseCarboxypeptidase EPHM

GPR54

Kisspeptins

GPR54 and Kisspeptins

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Roles des Kisspeptides dans la régulation neuroendocrine de l’axe gonadotrope

? ?

?

Le système Kisspeptins/GPR54 : un acteur majeur de la réactivation pubertaire de l’axe

gonadotrope.

GnRH

Nourrisson Enfance Puberté

1-2 years 4-9 years

Foetus

Inhibition centrale puberté Première ovulation

LH/FSH

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Han, S.-K. et al. J. Neurosci. 2005;25:11349-11356

L’effet des Kisspeptins sur l’axe gonadotrope varie en fonction de l’âge.

T C A C G G C C C T G C C G T A C C C G C T

F T A L L Y P

P

1 2 3

1

VII

VI

V

1

III

II

I

IV

Family I Family II

98 104

Tenenbaum-Rakover et al, J Clin Endocrinol Metab, 2007, 1137-1144

L’effet des kisspeptines accompagne la maturation post-natale de l’hypothalamus.

Tenenbaum-Rakover et al, J Clin Endocrinol Metab, 2007, 1137-1144

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Postnatal development of an estradiol-kisspeptin positive feedback mechanism implicated in pubertal onset

Kisspeptin-10-expression increases after birth in the RP3V

Clarkson J, Endocrinology 2009;150:3214-20.

The kisspeptin-10-expression depends on

ovarian steroids The kisspeptin-10-

expression decreases in ARKO mice.

Clarkson J, Endocrinology 2009;150:3214-20.

L’estradiol régule positivement les neurones Kisspeptins pendant la puberté du rongeur

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8-9 yrs

Vie foetale Enfance

L’initiation de la puberté : un dialogue complexe entre estradiol et la commande hypothalamo-hypophysaire

Puberté

GPR54 Leptin and Leptin receptor TAC3. TACR3 DAX1

KAL1 FGFR1 PROK2 PROKR2 NELF ? FGF8

Placode olfactive

Migration des neurones GnRH

Hypothalamus

Dévelopement de l’hypophyse Hypophysse LHX3 LHX4 HESX1 PROP1 SOX2

GnRH GnRH regulation

Gonades

LH, FSH regulation Anomalie du développement Déficit fonctionnel

GnRHR DAX1

LH (β) FSH (β)

Génétique du déficit gonadotrope

Nat Genet. 2009 Mar;41(3):354-8.

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Wakabayashi et al, J Neurosc 2010

Schematic representation of the role of ARC kisspeptin/NKB/Dyn neurons in the generation of pulsatile GnRH

release.

Genetics of Kallmann syndrome Genes Chromos

ome Transmiss

ion Phenotype Frequency

KAL1 Xq X-linked Syncinesia. Unilateral kidney agenesis

XL : 80 % Total < 5%

FGFR1 8p11-12 Dominant Recessive de-novo

Cleft palate, dental agenesis Complex developmental defect

Reversible phenotype

AD : 40 % Total : 15 %

FGF8 10q24 Dominant Recessive

Cleft palate, dental agenesis Complex developmental defect

???

Prok2 3p21.1 Dominant Recessive

Cleft palate Isolated anosmia

Reversible phenotype AD : 20 % Total < 10% ProKR2 20p12.3 Dominant

Recessive Cleft palate

Isolated anosmia Reversible phenotype

CHD7 Charge ?????

La puberté : étape ultime du développement normal ?

Implication des gènes hétérochroniques

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Définition d’un gène hétérochroniques

n  Gènes hétérochroniques : génes dont les mutations provoquent l’apparition précoce de certains caractères alors que d’autres causent la répétition de certains évènements et retardent de développement post embryonnaire.

n  Exemple de Lin28.

Genome wide association of age at menarche : Lin28B effect

Study Subjects Estimated effect

P value

Reference

Iceland. Denmark Netherlands

15 297 (10 040) 1,2 months 1.8x10-14

Sulem et al. 2009

England 4 714 (16 373) 1,2 months 2.8x10-10

Ong et al, 2009

USA 2 287(15 151) <1 month 3x10-13

He et al, 2009

European 17 510 7x10-9 Perry et al, 2009

Lin28 : un inhibiteur de la maturation des microARNs

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Lin28a transgenic mice manifest size and puberty phenotypes identified in human genetic association studies. Nature genetics. May

2010

Les acteurs de l’initiation de la puberté : une hierarchisation complexe

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GnRH

Facteurs environnementaux Facteurs neuroendocriniens

Horloge interne : maturation neuronale

Kisspeptines ?

?

?

Génétique et Physiologie

de l’initiation de la puberté.

U676

Service Endocrinologie Pédiatrique.

Laboratoire de Biochimie Hormonale

Centre des maladies rares de la croissance

Faculté de Médecine

Hôpital Robert Debré

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