Nouvelles données sur le système GnRH de la souris et de l'humain apportées par les études fonctionnelles et l'imagerie 3D

In mammals, reproductive functions depend on the hypothalamus-pituitary-gonadal axis. In this system, a specialized population of gonadotropin-releasing hormone (GnRH) neurons scattered in the hypothalamus project to the median eminence to release GnRH in the hypothalamus-pituitary portal circulation. GnRH reaches the anterior pituitary and stimulates the gonadotropic cells, which in response produce and release the gonadotropins LH and FSH in the general circulation. LH and FSH in turn act at the periphery to promote gametogenesis and production of sexual steroids in the gonads, and the sexual steroids close the loop via feedback mechanisms taking place at the central level. A surprising characteristic of GnRH neurons lies in their origin, as they are born in the nose and then migrate towards their final location in the brain during embryonic development. Additionally, the GnRH neurons continue their maturation after birth by establishing interactions with several neuronal and non-neuronal populations in the brain, forming a "GnRH network" which enables them to integrate diverse physiological and environmental cues and finely regulate the downstream HPG axis. Accordingly, defects in the processes governing the birth, migration, interactions or activity of GnRH neurons are associated with pathologies of reproductive functions leading to absent puberty and infertility. Such pathologies include hypogonadotropic hypogonadism (HH) and, when patients also present with anosmia or hyposmia, Kallmann Syndrome (KS). Given the molecular complexity underlying the prenatal and postnatal development of the GnRH network, and because mutations identified so far only account for a fraction of reported HH/KS cases, further investigations are needed to dissect the mechanisms guiding the migration of GnRH neurons in the nasal compartment and their maturation in the brain. Moreover, new approaches are needed to better document the prenatal and postnatal ma turation of the GnRH network: notably, conventional histological approaches have been a limiting factor in previous studies, due in part to GnRH neurons and their partners being scattered in the brain and sometimes projecting over long distances. In the present work, we set out to complete our current knowledge on the central control of reproduction through the use of different, complementary approaches in mice and humans. First, we have investigated human mutations of the genes coding for the guidance molecule Semaphorin 3F and and its receptor Plexin A3, and have assessed their contribution to the pathogenesis of hypogonadotropic hypogonadism. We propose that Semaphorin 3F signalling is involved in the migration of GnRH neurons in the nasal region in humans, and that defects in this process can participate to the etiology of HH and KS. Second, we overcame the limitations of classical sectioning techniques by implementing whole-mount immunolabelling, solvent-based tissue-clearing a nd light-sheet imaging to allow three-dimensional visualization and analysis of GnRH neurons from the embryo to the adult mouse. This sheds some new light on the migration and distribution of GnRH neurons and their projections in the murine model, and unexpectedly reveals their extent in previously overlooked extra-hypothalamic regions, thus setting the basis for future studies aimed at dissecting potential new roles for GnRH in mammals. Overall, the present work brings novel data on the physiological and pathological development of the neural circuits controlling reproduction in mice and humans.Chez les mammifères, la fonction de reproduction est assurée par l’axe hypothalamo-hypophyso-gonadique (HHG). Dans ce système, des neurones à gonadolibérine (GnRH) parsemés dans l’hypothalamus projettent vers l’éminence médiane pour sécréter la GnRH dans la circulation porte hypothalamo-hypophysaire. La GnRH stimule les cellules gonadotropes de l’hypophyse, qui en réponse produisent et sécrètent les l’hormone lutéinisante (LH) et l’hormone folliculostimulante (FSH) dans la circulation systémique. La LH et la FSH agissent en périphérie pour activer la gamétogénèse et la stéroïdogenèse dans les gonades, et les stéroïdes sexuels ferment la boucle en exerçant un rétrocontrôle au niveau central. Une particularité des neurones à GnRH tient dans leur origine, puisqu’ils naissent dans la région nasale avant de migrer vers leur lieu d’installation dans le cerveau durant le développement embryonnaire. De plus, les neurones à GnRH poursuivent leur maturation après la naissance en interagissant avec diverses populations neuronales et non-neuronales, formant ainsi un « réseau GnRH » qui permet l’intégration de signaux physiologiques et environnementaux pour réguler finement l’axe HHG. De fait, les défauts impactant la genèse, la migration, les interactions ou l’activité des neurones à GnRH sont associés à des pathologies de la reproduction et causent une absence de puberté et une infertilité. Ces pathologies incluent l’hypogonadisme hypogonadotrope (HH) et, si les patients présentent également une anosmie ou hyposmie, le syndrome de Kallmann (SK). Dû à la complexité des mécanismes moléculaires régissant le développement prénatal et postnatal du réseau GnRH, et puisque les mutations identifiées jusqu’ici n’expliquent qu’une fraction des cas de HH et SK, des études plus approfondies sont nécessaires pour comprendre la migration des neurones à GnRH depuis la région nasale et leur maturation dans le cerveau. En outre, de nouvelles approches doivent être adoptées pour décrire le développement prénatal et postnatal du réseau GnRH : les techniques histologiques conventionnelles ont notamment été limitantes, en partie car les neurones à GnRH et leurs partenaires sont éparpillés dans le cerveau et projettent parfois sur de longues distances. L’objectif des présents travaux est de compléter les connaissances sur le contrôle central de la reproduction, en recourant à des techniques complémentaires chez la souris et chez l’humain. Dans un premier temps, nous avons étudié les mutations de gènes codant pour la molécule de guidance Semaphorine 3F et son récepteur la Plexine A3, retrouvées chez l’humain, et avons évalué leur contribution à la pathogenèse du HH. Nous suggérons que la signalisation par la Semaphorine 3F est impliquée dans la migration des neurones à GnRH dans le nez, et qu’un défaut dans ce processus participe à l’étiologie du HH et du SK. Dans un second temps, nous avons contourné les limites inhérentes aux coupes de tissus en implémentant chez la souris l’immunomarquage et la transparisation d’échantillons entiers, suivis d’une imagerie en microscopie à feuille de lumière, permettant la visualisation et l’analyse tridimensionnelles des neurones à GnRH depuis l’embryon jusqu’à l’adulte. Nous revisitons ainsi la migration des neurones à GnRH, et révélons l’étendue de leur distribution et de leurs projections – y compris dans des régions extra-hypothalamiques jusqu’ici peu considérées – suggérant par là même de potentiel nouveaux rôles pour la GnRH dans le cerveau des mammifères. En résumé, les travaux présentés ici apportent de nouvelles données sur le développement physiologique et pathologique des circuits neuraux contrôlant la reproduction chez la souris et l’humain