Role of the orphan nuclear receptor steroidogenic factor 1 in mouse reproductive function

Le récepteur nucléaire orphelin facteur stéroïdogénique 1 (SF-1 ou NR5A1) est un modulateur indispensable du développement surrénal et gonadique et qui joue un rôle dans la détermination du sexe, le développent hypothalamique, la fonction hypophysaire et la stéroïdogénèse. Toutefois, les études sur SF-1 dans le milieu de la biologie de la reproduction portent majoritairement sur des modèles embryonnaires ou de mammifères immatures. L’objectif principal de cette thèse était de déterminer le rôle de SF-1 dans les évènements clés de la fonction reproductrice chez les mâles et femelles matures. Ce facteur de transcription est exprimé dans différents organes, principalement ceux de l’axe hypothalamo-hypophyso-gonadique, et dans divers types cellulaires des gonades. Nous avons donc généré 4 modèles de souris knockout conditionnels (cKO) en utilisant les allèles Cre-recombinase et flox de SF-1 (SF-1f/f) afin d’identifier son rôle dans les différentes populations cellulaires des testicules et ovaires de souris matures. Dans la première étude, nous avons présenté une analyse des souris femelles du modèle cKO du récepteur de la progestérone (PRCre/+;Nr5a1f/f), où la suppression de SF-1 est spécifique aux cellules gonadotropes de l’hypophyse et aux cellules ovariennes de type granulosa suite au déclenchement du signal ovulatoire ainsi que les cellules lutéales du corps jaune. Cette étude a révélé de nouveaux rôles in vivo de SF-1 durant l’ovulation et la lutéinisation, tout en suggérant que SF-1 est un médiateur de la synthèse et sécrétion des gonadotrophines. Les femelles PRCre/+;Nr5a1f/f cKO étaient infertiles principalement en raison de l’importante réduction de FSH et LH sécrété dans la circulation, causé par le phénotype hypophysaire. Afin de contourner cette dysfonction hypophysaire, des traitements de gonadotrophines exogènes ainsi que des transplantations d’ovaires nous ont permis de démontrer que SF-1 régule la transcription de gènes impliqués dans l’expansion du cumulus ainsi que la rupture de follicules pour induire l’ovulation. De plus, nous avons montré que l’absence de SF-1 dans les ovaires de souris matures peut mener à l’infertilité, indépendamment du phénotype hypophysaire. D’autre part, nos trouvailles indiquent que, malgré la basse expression de SF-1 dans le corpus luteum chez la souris, sa déplétion dans les cellules lutéales conditionnée par recombinase Cre inhibe la production de progestérone. Aucun phénotype reproductif a été observé chez les souris PRCre/+;Nr5a1f/f cKO mâles. La deuxième étude a démontré le rôle essentiel de SF-1 dans la fonction du testicule mature. La souris mâle P450 17α-hydroxylase (Cyp17Cre/+;Nr5a1f/f) cKO, où la suppression de SF-1 est spécifique aux cellules de Leydig, était fertile malgré la taille réduite de ses testicules, la malformation de ses tubes séminifères, la perturbation de la spermiogénèse, ainsi que la réduction d’expression de gènes de la stéroïdogénèse. Bien que les mâles aromatase (Cyp19Cre/+;Nr5a1f/f) cKO, supprimant SF-1 dans les cellules de Sertoli, étaient fertiles et démontraient des capacités reproductives similaires aux mâles contrôle, les souris Cyp17Cre/++Cyp19Cre/+; Nr5a1f/f cKO (dKO) étaient soit infertiles ou montrait une fertilité affaiblie. La dysgénésie sévère du cordon testiculaire ainsi que la spermatogénèse perturbée chez la souris dKO étaient causées par la déplétion simultanée de SF-1 chez les cellules de Leydig et Sertoli, suggérant que les cellules de Sertoli peuvent compenser pour l’absence de SF-1 dans les cellules de Leydig et vice versa. Ces données démontrent que SF-1 est requis pour une stéroïdogénèse testiculaire et une spermatogénèse ainsi qu’une fertilité normale, bien que savoir si la régulation de ces fonctions par SF-1 est directe ou indirecte reste à élucider. De façon intéressante, les femelles des trois lignées cKO étudié dans ce deuxième article étaient fertiles et la sous expression de SF-1 dans les cellules ovariennes de type granulosa ou de la thèque a produit des effets mineurs sur leur fonction reproductive. En somme, la recherche présentée dans cette thèse contribue à l’avancement des connaissances sur SF-1 et son rôle dans la régulation d’événements reproductifs cruciaux dans l’hypophyse, l’ovaire et le testicule de souris matures. Les lignes de souris produites dans ce projet vont servir d’outil indispensable pour élucider les mécanismes de régulation de SF-1 sur la fonction gonadique and présenter de nouvelles avenues de recherches pour ce récepteur orphelin. The orphan nuclear receptor steroidogenic factor-1 (SF-1 or NR5A1) is an indispensable modulator of adrenal and gonadal development, playing key roles in sex determination, hypothalamic development, pituitary function and steroidogenesis. Yet, studies to date of SF-1 in reproductive biology mostly focus on embryonic and immature mammalian models. The overall objective of this thesis was to determine the role of SF-1 in key events of mature male and female mouse reproductive function. This transcription factor is expressed in a variety of organs, mainly those of the hypothalamic-pituitary-gonadal axis, as well as in multiple cell types of the gonads. Therefore, we generated four conditional KO (cKO) mouse models employing Cre-recombinase and floxed alleles of SF-1 (SF-1f/f) to identify its role in different cell types of the testes and ovaries of mature mice.  Our first study presents an analysis of female mice from the progesterone receptor (PRCre/+;Nr5a1f/f) cKO model, where SF-1 depletion is specific to gonadotropes in the pituitary gland as well as granulosa cells of the peri-ovulatory follicle and luteal cells of the corpus luteum. This research highlighted new in vivo roles for SF-1 in ovulation and luteinization, and provided further evidence that SF-1 is a mediator of gonadotropin synthesis and secretion. PRCre/+;Nr5a1f/f cKO females were infertile, due in large part to the reduced secretion of FSH and LH, caused by the pituitary phenotype. Exogenous gonadotropin treatments and ovarian transplantation experiments allowed us to circumvent the pituitary dysfunction to demonstrate that SF-1 in granulosa cells regulates the transcription of cumulus expansion and follicle rupture genes to induce ovulation. In addition, we showed that the absence of SF-1 in ovaries of mature mice can lead to female infertility, independent of the pituitary phenotype. Moreover, the data showed that, though SF-1 expression is reduced in mouse corpus luteum, its Cre-mediated depletion in luteal cells abrogates progesterone production. No reproductive phenotype was observed in PRCre/+;Nr5a1f/f cKO males.  Results from our second study demonstrated that SF-1 plays an essential role in mature testicular function. The P450 17α-hydroxylase (Cyp17Cre/+;Nr5a1f/f) cKO male mouse, where the SF-1 depletion is specific to Leydig cells, were fertile, though showed reduced testis size with disrupted seminiferous tubules and impaired spermiogenesis, in addition to reduced expression of steroidogenic genes. While the aromatase (Cyp19Cre/+;Nr5a1f/f) cKO males were fertile and showed reproductive capacities comparable to control males, the Cyp17Cre/++Cyp19Cre/+; Nr5a1f/f cKO (dKO) model were either infertile or showed significantly impaired fertility. The dKO males displayed severe testis cord dysgenesis and impaired spermatogenesis caused by the depletion of SF-1 in both Leydig and Sertoli cells, suggesting that Sertoli cells can compensate for the absence of SF-1 in Leydig cells and vice versa. These data provide strong evidence that SF-1 is required for normal testicular steroidogenesis, spermatogenesis and male fertility, though whether the regulation of these functions is direct or indirect remains to be elucidated. Interestingly, the females of the three cKO mouse lines studied in this second article were fertile and the depletion of SF-1 in granulosa cells of antral follicles or in theca cells produced minor effects on their steroidogenic capacities. Collectively, the research presented in this thesis contributes to advance our understanding of the role of SF-1 in the regulation of essential reproductive events in the pituitary, ovary and testis of mature mouse gonads. The mouse lines generated for this project will serve as valuable tools to elucidate the mechanisms underlying SF-1 regulation of gonad function and present novel directions for the investigation of this nuclear receptor.

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