REGULATION DE L'AXE GONADOTROPE CHEZ L'HOMME


L'homme produit des sprematozoïdes et des hormones sexuelles de la puberté à la fin de sa vie. Ce fonctionnement est contrôlé par un flux complexe d'hormones inclus dans un système de commande hiérarchisé. Quels sont les tenants et les aboutissants de cette régulation?

1 L'activité testiculaire

C'est Antony van LEEUWENHOEK (1632-1723) qui fit la première observation de spermatozoïdes. Ce n'est que durant les toutes dernières décennies que l'on s'est intéressé à la biologie du sperme pour résoudre les problèmes de stérilité masculine. Quelles sont les particularités des gamètes mâles humains?

1.1 LA PRODUCTION DE SPERMATOZOÏDES A PARTIR DE LA PUBERTE

Le sperme, liquide blanchâtre, visqueux au moment de l'éjaculation, contient environ 10 volume % de spermatozoïdes et 90 volume % de liquide séminal après centrifugation.

Le volume d'un éjaculat varie entre 3 et 5 mL: il contient entre 50 et 100 millions de spermatozoïdes par mL et des sécrétions nourricières des vésicules séminales et de la prostate.

1.1.1 Observations au microscope optique:

L'étude ci-dessous offre des liens vers le portail "Histologie fonctionnelle des organes" du Service d'Histologie et d'Embryologie moléculaires du Professeur Jacqueline TROUILLAS - Faculté de Médecine Laennec - Université Claude Bernard - Lyon 1 France - Nicole VACHERET Maître de Conférences Praticien Hospitalier.


L'observation de spermatozoïdes humains, avec un microscope à immersion au grossissement x1000, montre la tête ovoïde (T) de 4 à 5 micromètres de long sur 1,5 à 3 micromètres de large et la queue ou flagelle (F), avec les portions suivantes: la pièce intermédiaire (pi), la pièce principale (pp) et la pièce terminale (pt); entre la tête et la queue se situe le col (C). La longueur totale est 60 micromètres environ.

1.1.2 Observations au microscope électronique:

Au grossissement x15 000 la tête et la pièce intermédiaire montrent respectivement:

un noyau à chromatine dense (contenant les 23 chromosomes) coiffé par l'acrosome (lysosome issu de l'appareil de Golgi et contenant des enzymes lytiques destinées à digérer la membrane vitelline qui entoure l'ovocyte);

le col contient la pièce qui relie tête et flagelle: c'est l'emplacement des centrioles (racines du flagelle); la pièce intermédiaire comporte, autour de la base du flagelle, un manchon mitochondrial (mitochondries allongées et organisées en spirale, fournissant l'énergie nécessaire à la mobilité du spermatozoïde).




Faites un dessin au trait, annoté, de vos observations au grossissement x1000 et légendez le document x15 000.
Vous essaierez de justifier que les spermatozoïdes sont, d'un point de vue structural, des cellules très différenciées: vous établirez, à cet égard, les relations qui existent entre structure et fonction (votre réponse pourra être construite autour d'un tableau).

1.2 LES TESTICULES, LIEUX DE PRODUCTION DES SPERMATOZOIDES

A partir de la puberté, et quelle que soit l'activité sexuelle, un homme produit quotidiennement, de façon continue, plusieurs centaines de millions de spermatozoïdes. Essayons de comprendre les raisons de cette production continue et massive.

L'étude réalisée ci-dessous offre des liens vers le portail du Département d'Histologie et d'embryologie de la faculté Universitaire FUNDP de NAMUR. Choisir la rubrique "Histologie spéciale humaine - Appareil génital masculin".

Analyse de coupes de testicules au microscope optique :

Le testicule est un organe entouré d'une capsule conjonctive fibreuse épaisse et résistante, l'albuginée.

Des cloisons conjonctives radiaires délimitent 200 à 300 lobules testiculaires contenant chacun 2 à 4 tubes séminifères très longs et flexueux (30 à 70 cm de long pour un diamètre de 150 à 300 microns) qui débouchent par de courts segments rectilignes dans le réseau de canalicules.

Au faible grossissement , une coupe de testicule centrée sur la périphérie de l'organe montre une portion de testicule comprenant des tubes séminifères coupés sous diverses angles et l'albuginée, capsule conjonctive épaisse et vascularisée.

Au plus fort grossissement, une coupe de tube séminifère révèle la nature des cellules de la lignée germinale impliquées dans la spermatogénèse (formation des spermatozoïdes):

des spermatogonies au noyau arrondi nucléolé, qui se multiplient activement par mitoses.
des spermatocytes I (diploïdes) et II (haploïdes), plus souvent en première division de méiose, dont la prophase est très longue: un spermatocyte I à 2n chromosomes, donne 2 spermatocytes II et 4 spermatides à n chromosomes.
des spermatides très nombreuses et petites,
des images de spermiogenèse, c'est-à-dire de différenciation des spermatides en spermatozoïdes.

La lumière du tube est visible au centre et un espace interstitiel entre les tubes séminifères, qui contient les cellules de Leydig, productrices de testostérone.

Des cellules de Sertoli avec leur cytoplasme qui traverse toute la paroi, leur noyau ovale et nucléolé jouent un rôle nourricier et contrôle la spermatogénèse.

Faites un dessin au trait, annoté et légendé, de vos observations aux deux grossissements.

A partir des données ci-dessus, dites ce qui contribue à assurer une production continue et massive de spermatozoïdes. Rappelez le rôle de la méiose.

Une étude au microscope électronique révèle l'architecture particulière de la paroi d'un tube séminifère et montre que la spermatogénèse, qui se déroule en 64 à 72 jours chez l'homme, se fait de façon centripète dans cette paroi.

C'est grâce aux cellules de Sertoli qu'évoluent les cellules de la lignée germinale en jouant un rôle trophique, un rôle hormonal, un rôle mécanique dans la structure du tube séminifère en faisant passer les spermatogonies de l'étage inférieur vers la lumière et en libérant les spermatozoïdes.

1.2 LES TESTICULES, LIEUX DE PRODUCTION DE LA TESTOSTERONE

Nous savons que la testostérone est responsable de la différenciation de l'appareil génital masculin pendant la vie embryonnaire et du développement des caractères sexuels secondaires à la puberté. Analysons de plus près les cellules du testicule qui sécrètent cette hormone et les caractéristiques de cette sécrétion.

2 Le contrôle par le complexe hypothalamo-hypophysaire:

Une insuffisance hypophysaire peut entraîner de graves troubles au niveau de l'appareil génital (atrophie des testicules, accompagnée d'une régression des caractères sexuels secondaires). Quelles relations existe-t'il entre hypophyse et testicules?

2.1 LOCALISATION DE LA REGION HYPOTHALAMO-HYPOPHYSAIRE:

L'étude ci-dessous fait appel aux documents du service de "Radiologie et Imagerie Médicale" de l'Université d'Angers" et des "Interactives Atlases - Digital Anatomist Project de l'Université de Washington".
C'est l'imagerie médicale (IRM: imagerie par résonnance magnétique) et l'étude de pièces anatomiques qui peuvent nous permettre de localiser l'hypophyse, glande de la taille d'un pois à la base du cerveau, constituée de deux parties:

la posthypophyse, de nature nerveuse,
l'antehypophyse de nature glandulaire: cette glande endocrine fabrique de nombreuses hormones dont deux gonadostimulines: la FSH et la LH,

et l'hypothalamus, de nature nerveuse, situé juste au-dessus et formant le plancher du 3e ventricule encéphalique.


Faites une étude graphique rapide de cette zone à partir d'une coupe sagittale de l'encéphale.

2.2 LES GONADOSTIMULINES HYPOPHYSAIRES:

2.2.1 Leurs rôles:
La FSH (Follicle Stimulating Hormone), encore appelée gonadotrophine, est une hormone glycoprotéique qui stimule indirectement la spermatogénèse par l'intermédiaire des cellules de Sertoli.
La LH (Luteinising Hormone) ou lutéotrophine est aussi une glycoprotéine: elle stimule le développement des cellules interstitielles de Leydig et la production de testostérone.


A l'aide des informations ci-dessus et de vos connaissances du rôle de la testostérone vu dans le chapitre précédent, vous êtes à même de réaliser un premier schéma très simple des relations entre antehypophyse et testicule.


2.2.2 Leur sécrétion pulsatile:
Comme celle de testostérone, la sécrétion des gonadostimulines est globalement constante, mais ces hormones sont émises de façon pulsatile (document ci-contre). Ceci correspond à une "décharge" périodique dans le sang de molécules stockées dans des vésicules cytoplasmiques, puis celle-ci s'interrompt jusqu'à la décharge suivante.


Observez les graphes présentés ci-dessus concernant la sécrétion de LH chez un bélier et notamment celui qui montre la production synchrone de LH et de testostérone: après l'avoir analysé finement, pouvez-vous expliquer le parallélisme entre les deux sécrétions?

2.3 LA NEURO-HORMONE DE L'HYPOTHALAMUS: LA GnRH

2.3.1 Quelques expériences:

EXPERIENCES OBSERVATIONS Section de la tige pituitaire Arrêt de la synthèse de testostérone, chute de la production de spermatozoïdes,... Section des connexions sanguines entre hypothalamus et hypophyse Section des connexions nerveuses entre hypothalamus et hypophyse Sans effet Destruction de certains amas neuroniques de l'hypothalamus Arrêt de la libération de LH et FSH par l'antehypophyse Stimulation électrique de ces amas neuroniques Augmentation brutale de la libération de LH et FSH par l'antehypophyse Prélèvement et analyse de sang dans le réseau vasculaire de la tige pituitaire Détection d'une substance très active, la GnRH, capable de déclencher la libération des gonadostimulines

Utilisez avec méthode les résultats expérimentaux ci-dessus et définissez la notion de neurosécrétion. Relevez les arguments qui permettent de penser que les sécrétions de gonadostimulines sont contrôlées par une neurosécrétion hypothalamique.


2.3.2 Mode de sécrétion de la GnRH:

On enregistre en parallèle les sécrétions sanguines de GnRH (dans la tige pituitaire), de LH et de testostérone (dans la circulation générale) chez le bélier. Par ailleurs l'activité électrique globale du noyau gris de l'hypothalamus est constatée en parallèle avec la libération de LH par l'antehypophyse (document ci-contre).


Quelle relation simple peut-on établir entre les trois sécrétions hormonales enregistrées? Peut-on, à l'analyse d'un tel document, établir de manière rigoureuse une relation de causalité entre les trois sécrétions? Quel protocole expérimental proposeriez-vous pour justifier une hiérarchie entre elles?
Sachant que les neurones du noyau gris de l'hypothalamus reçoivent de multiples connexions synaptiques de neurones situés dans diverses régions du cerveau, quelle hypothèse est-on en droit d'émettre pour préciser le déterminisme de la sécrétion de GnRH?
Parfaites votre schéma du § 2.2.1 en montrant les relations qui existent entre neurones hypothalamiques et cellules endocrines de l'antehypophyse (le schéma ci-dessus vous aidera dans cette tâche).

2.4 LE ROLE INTEGRATEUR DU COMPLEXE HYPOTHALAMO-HYPOPHYSAIRE

Quelques expériences:

EXPERIENCES OBSERVATIONS Injection dans le sang d'une dose élevée de testostérone Arrêt prolongé des pulses de GnRH Castration Augmentation de la fréquence et de l'amplitude des pulses de GnRH Elévation concomitante du taux plasmatique de LH Injection à des animaux castrés de testostérone Rétablissement de la sécrétion de GnRH qui retrouve progressivement ses caractéristiques antérieures Injection dans le sang, chez un animal castré, de testostérone marquée par un isotope radioactif, puis réalisation d'une autoradiographie de coupe d'hypothalamus Fixation de la testostérone marquée sur des neurones hypothalamiques connectés aux neurones sécréteurs de GnRH


Analysez les expériences proposées et essayez d'en tirer des conclusions.


Ce type d'action exercée par la testostérone sur le complexe hypothalamo-hypophysaire est appelé rétrocontrôle négatif. C'est l'équilibre entre la stimulation et la production testiculaire qui maintient la testostéronémie constante.


Vous proposerez un schéma fonctionnel final du système de régulation de la testostéronémie, qui reprendra les données des § 2.2.1 et 2.3.2 ainsi que les conclusions du présent paragraphe 2.4.

EXPERIENCES	OBSERVATIONS
Section de la tige pituitaire	Arrêt de la synthèse de testostérone, chute de la production de spermatozoïdes,...
Section des connexions sanguines entre hypothalamus et hypophyse
Section des connexions nerveuses entre hypothalamus et hypophyse	Sans effet
Destruction de certains amas neuroniques de l'hypothalamus	Arrêt de la libération de LH et FSH par l'antehypophyse
Stimulation électrique de ces amas neuroniques	Augmentation brutale de la libération de LH et FSH par l'antehypophyse
Prélèvement et analyse de sang dans le réseau vasculaire de la tige pituitaire	Détection d'une substance très active, la GnRH, capable de déclencher la libération des gonadostimulines

EXPERIENCES	OBSERVATIONS
Injection dans le sang d'une dose élevée de testostérone	Arrêt prolongé des pulses de GnRH
Castration	Augmentation de la fréquence et de l'amplitude des pulses de GnRH Elévation concomitante du taux plasmatique de LH
Injection à des animaux castrés de testostérone	Rétablissement de la sécrétion de GnRH qui retrouve progressivement ses caractéristiques antérieures
Injection dans le sang, chez un animal castré, de testostérone marquée par un isotope radioactif, puis réalisation d'une autoradiographie de coupe d'hypothalamus	Fixation de la testostérone marquée sur des neurones hypothalamiques connectés aux neurones sécréteurs de GnRH