reproduction chez l'homme
3) Action biologique paracrine de la testostérone sur la spermatogenèse
Suite à la stéroïdogenèse, la testostérone est sécrétée dans le liquide extracellulaire du tissu interstitiel entourant les tubes séminifères d’où elle diffuse à l'intérieur des tubes séminifères pour agir sur la spermatogenèse. La spermatogenèse requiert une concentration élevée de testostérone dans les tubes séminifères. Une diminution des taux de testostérone intratubulaire peut être responsable de stérilité.
La testostérone agit en différents points de la spermatogenèse : elle soutient les mitoses des spermatogonies pour maintenir le réservoir de cellules germinales 277, 278
, elle stimule la seconde division méiotique pour produire les spermatides, elle favorise la spermiogenèse et agit également sur la production d’androgen binding protein (ABP) par les cellules de Sertoli pour augmenter sa propre concentration intratubulaire.
sagitale. Tiré de Rhoades and Pflanzer, Saunders.1996.
Figure 24 : vue anatomique du contenu scrotal : testicule, epididyme et cordon
intratubulaires et les cellules de Leydig sont dans les espaces interstitiels. Tiré de Rhoades and Pflanzer, Saunders.1996.8
Figure 26 : vue synthétique montrant les différentes étapes de la spermatogenèse
sur coupe axiale d’un tube séminifère : des spermatogonies périphériques en direction des spermatozoïdes relargués dans la lumière tubulaire.
La spermiogenèse est un processus complexe durant lequel les spermatides ne subissent pas de division cellulaire mais une succession de changements cytologiques permettant leur différenciation en spermatozoïdes matures. Parmi ces changements, le matériel génétique ou chromatine se condense dans le noyau de la tête du spermatozoïde et est protégé par une membrane. La moitié antérieure de la tête du spermatozoïde est recouverte d'une structure appelée acrosome différenciée à partir du Golgi et contenant de multiples enzymes nécessaires à la fertilisation. La partie médiane du spermatozoïde contient de nombreuses mitochondries essentielles pour produire l'énergie nécessaire au déplacement. Enfin la queue ou flagelle formée de multiples filaments produit les battements qui permettent la propulsion en avant du spermatozoïde.
En somme, la testostérone ne déclenche pas la spermatogenèse (pas d’action sur la première mitose) mais possède une action de régulation quantitative de la production finale de spermatozoïdes par une action plutôt distale sur la spermatogenèse (spermiogenèse et seconde meiose).
4) Contrôle neuroendocrine de la fertilité masculine : « l’axe hypothalamus-hypophyse -testicule »
Le contrôle neuroendocrine de la fertilité chez l'homme implique des interactions entre l'hypothalamus, l'hypophyse et les testicules. Les neurones endocrines de l'hypothalamus sécrètent dans les capillaires de l'éminence médiane le GnRH (Gonadotropin Releasing Hormone) qui est transporté jusqu'à la partie antérieure de l'hypophyse par le réseau veineux porte hypothalamo-hypophysaire. Figure 28. Lorsque le GnRH arrive à l’antéhypophyse chez l'homme, il stimule la libération dans le sang des hormones gonadotropes LH et FSH qui agiront dans les testicules respectivement sur les cellules interstitielles de Leydig et sur les cellules de Sertoli dans les tubes séminifères. LH stimule la production de testostérone et FSH stimule la différenciation des spermatogonies en spermatocytes primaires.
La sécrétion de GnRH, LH et FSH est globalement constante d'un jour à l'autre chez l'homme. Cette stabilité est due à l’existence d'un rétrocontrôle négatif continu par les testicules sur l'antéhypophyse et l'hypothalamus via la testostérone pour LH et l’inhibine pour la FSH. Figure 29.
En plus de ces rétrocontrôles négatifs de la testostérone et de l’inhibine sur l'antéhypophyse et l'hypothalamus, l'hypothalamus reçoit de nombreuses projections neuronales en provenance des différentes aires cérébrales recevant des stimuli sensoriels. Ainsi la vision, l'olfaction, le tact, les pensées et les humeurs peuvent-t-ils altérer la sécrétion de GnRH. Par exemple, le stress, les exercices physiques très intenses ou des stimulations purement imaginatives peuvent inhiber transitoirement la production de spermatozoïdes chez l'homme et interrompre les menstruations chez la femme.
Figure 29 : axe fonctionnel hypothalamo-hypophyso-testiculaire montrant les rétrocontroles négatifs centraux de la testostérone et de l’inhibine.
Ostéocalcine, testostérone et spermatozoïdes
À l'occasion de notre travail sur le rôle de l'ostéocalcine dans la régulation du métabolisme énergétique, il avait été noté que les souris déficientes en ostéocalcine (Ocn-/-) se reproduisaient moins bien que les souris sauvages. Une surveillance plus systématique du nombre de portées mensuelles de ces souris a fait clairement apparaître des portées moins fréquentes que les souris sauvages. À l'inverse les souris déficientes en Esp avaient plutôt une augmentation (non significative) du nombre de portées mensuelles. Figure 30. Cette observation fut à la base d’un nouveau champ d’investigations concernant l'ostéocalcine et la fertilité. Nous résumons ici les points clés de la démonstration 1.
La comparaison des testicules des souris sauvages avec ceux des Ocn-/- et ceux des Esp-/- montre une diminution de la taille des testicules chez les Ocn-/- et une augmentation chez les Esp-/-. Figure 30. La mesure du compte de spermatozoïdes dans ces trois lignées à six semaines, trois mois et six mois montrent une nette diminution chez les souris Ocn-/- et une nette augmentation chez les souris Esp-/- par rapport aux souris sauvages. Figure 30.
Figure 30 : les souris
déficientes en ostéocalsine (Ocn-/-) ont des portées moins fréquentes, des testicules de plus petite taille et un compte de spermatozoïdes diminué par rapport aux souris sauvages. Les souris Esp-/-, modèle d’ostéocalcine non carboxylée plus importante, ont des testicules plus grands et un compte de spermatozoïdes augmenté.
Les coupes histologiques des testicules montrent que l'épaisseur des tubes séminifères est faible chez les souris Ocn-/- et au contraire nettement augmentée chez les souris Esp-/-. L’immunohistochimie pour la 3- -hydroxysteroïde déshydrogénase (3 qui est un marqueur des cellules de Leydig n'a pas montré de différence de nombre de cellules entre les trois génotypes mais une différence de volume cellulaire entre les cellules de Leydig : Esp-/- volume augmenté par rapport aux sauvages et Ocn-/- volume diminué. Figure 31. La quantification des différents types cellulaires présents dans les tubes séminifères montre un nombre de cellules de Sertoli et de spermatogonies normal chez les souris Ocn-/- par rapport aux sauvages. En revanche il existe une diminution des types cellulaires les plus tardifs de la spermatogenèse à savoir spermatocytes et spermatides. Figure 32. Il est aussi noté une augmentation du nombre de cellules apoptotiques dans les stades tardifs de la spermatogenèse. L'ensemble de cette description histologique des tubes séminifères des souris Ocn-/- évoque un déficit en testostérone, lequel a été confirmé par les dosages sériques. La testostérone est plus basse chez les souris déficientes en ostéocalcine par rapport aux souris sauvages et plus haute chez les souris Esp-/-.
Figure 33.
Pour confirmer l'effet de l'ostéocalcine sur la production de testostérone, une lignée cellulaire TM3 de cellules de Leydig a été traitées avec de l'ostéocalcine recombinante non carboxylée. L'expression dans les cellules de Leydig des gènes nécessaires à la synthèse de la testostérone était augmentée (StAR, Cyp17, Cyp11a et 5" JUF). Figure 34. De plus, une expérience de co-culture entre des ostéoblastes
et des cellules de Leydig a montré une augmentation de la sécrétion de testostérone par les cellules de Leydig, spécifiquement en présence des ostéoblastes. Enfin, génétiquement, la délétion spécifique de l'ostéocalcine dans l'ostéoblaste a retrouvé la même diminution du compte de spermatozoïdes que les cellules globalement déficientes en ostéocalcine. En revanche la délétion spécifique de l'ostéocalcine dans les cellules de Leydig n’a pas eu d'effet, soulignant bien que l'ostéocalcine non carboxylée produite par les ostéoblastes dans l'os régule le compte de spermatozoïdes via son action sur les cellules de Leydig et la production de testostérone.
Figure 31 :
l’épaisseur des tubes séminifères des souris
Ocn-/- est plus faible que celle des souris sauvages. A l’inverse, les souris Esp-/- ont une épaisseur augmentée. L’immunomarquage
cellules de Leydig de plus faible volume avec moins d’interstitium. D’après Oury Cell 2011 1
D’après Oury Cell 2011 .
Figure 33 : les souris déficientes en ostéocalcine (Ocn-/-) ont une testostérone
circulante plus faible alors que chez les souris Esp -/-D’après Oury Cell 2011
elle est augmentée. 1
.
Figure 34 : le traitement d’une lignée cellulaire TM3 de cellules de Leydig par de
l'ostéocalcine recombinante non carboxylée stimule l’expression des gènes nécessaires à la synthèse de la testostérone. La co-culture de cellules de Leydig avec des ostéoblastes induit la sécrétion de testostérone.
L’ostéocalcine agit sur les cellules de Leydig par un récepteur au protéine G orphelin (Gprc6A)
Afin d’identifier les voies de signalisation intracellulaires de l'ostéocalcine sur les cellules de Leydig, des cellules TM3 (lignées de cellules de Leydig) ont été traitées avec de l’ostéocalcine recombinante. En réponse à l'ostéocalcine, il existe dans ces cellules une production d'AMP cyclique mais pas d'activation des autres voies (ERK, phosphorylation de tyrosine, accumulation de calcium intracellulaire). Ce résultat oriente donc vers un récepteur couplé aux protéines G (GPCR). La démarche d'identification de ce GPCR orphelin a utilisé la comparaison de l'expression des
GPCR entre les ovaires et les testicules. Vingt-deux GPCR orphelins ont ainsi été
identifiés dont quatre sont exprimés dans les cellules de Leydig. Parmi ces quatre, Gprc6a est particulièrement intéressant puisque les souris déficientes en Gprc6a ont déjà été décrites comme ayant à la fois un phénotype métabolique et des troubles de fertilité ce qui est similaire au phénotype observé chez les souris déficientes en ostéocalcine Ocn-/- 279. Les souris double hétérozygotes (Gprc6aLeydig+/-,Ocn+/-) ont
reproduit le phénotype des souris déficientes en Gprc6a-/- spécifiquement dans les cellules de Leydig (Gprc6aLeydig-/-) permettant de confirmer génétiquement que
Gprc6a est le récepteur de l’ostéocalcine dans les cellules de Leydig. Figure 35. Parmi les facteurs de transcription potentiellement régulés par Gprc6a, CREB a
déjà été décr 280. CREB est donc un bon
candidat pour médier l’action de l’ostéocalcine/Gprc6a dans les cellules de Leydig. L’altération de la fertilité observée chez les souris CrebLeydig-/- et les souris
Gprc6aLeydig-/- a été retrouvée chez les souris double hétérozygotes (CrebLeydig+-/-;Gprc6aLeydig+/-) indiquant que CREB est bien le facteur de transcription
(Gprc6a ) ont une testostérone basse et un compte de spermatozoïdes diminué. Les souris (Gprc6Leydig+/-,Ocn+/-) ont le même phénotype que les souris Gprc6aLeydig-/- . D’après Oury Cell 2011 1.
Figure 36 : les souris déficientes en ostéocalcine (Ocn-/-) ont une testostérone
circulante plus faible. Chez les souris Esp -/-D’après Oury Cell 2011
elle est augmentée. 1
II- Hypothèse de travail
L’étude princeps d’Oury et al. a ouvert un champs totalement nouveau d’exploration sur les relations entre l’os et la fertilité. Jusqu’à présent, l’action des hormones sexuelles, notamment des oestrogènes, sur l’os était connue, mais l’action de l’os sur la fertilité n’était pas suspectée. Ces découvertes suggèrent trois questions importantes.
1) Ces nouvelles données observées chez le rongeur sont-elles transposables à l’homme ? Les descriptions cliniques et épidémiologiques de plus en plus nombreuses montrant la relation entre l’ostéocalcine et le métabolisme énergétique laissent penser que cette nouvelle fonction d’ostéocalcine devrait très logiquement être elle aussi conservée chez l’homme. En outre, il n’existe pas pour l’instant d’hormone décrite chez la souris qui ait perdu leur fonction dans l’espèce humaine.
2) Les démonstrations obtenues dans ce premier groupe d’expériences montrent qu’il existe un axe « os-testicule ». Figure 37. Ces animaux avaient un déficit en testostéronémie et une augmentation de leur LH témoignant d’une insuffisance gonadotrope périphérique. La question pour l’instant non résolue est de savoir si l’axe « os-testicule » est dépendant ou indépendant du contrôle hypophysaire de la LH.
3) Enfin dans un contexte de régulation du métabolisme énergétique par l’ostéocalcine, est-il possible d’établir un lien formel entre la régulation du métabolisme énergétique et la fertilité via l’ostéocalcine ?
Figure 37: modèle de régulation de la testostérone et de la spermatogenèse par
l’ostéocalcine produite par l’os. D’après Oury Cell 2011 1.
Membrane basale CREPCREP P P
Os
Active (ostéocalcine non carboxylée) Gprc6a Testostérone Grth Apoptose Spermatogenèse Cellules de Leydig StaR Cyp11 Cyp17 3 -HSDTesticule
Membrane basale CREPCREP P POs
Active (ostéocalcine non carboxylée) Gprc6a Testostérone Grth Apoptose Spermatogenèse Cellules de Leydig StaR Cyp11 Cyp17 3 -HSDTesticule
1) Action de l'ostéocalcine sur la fertilité chez l'homme