Facteurs affectant le cycle reproductif des mammifères

Chez les vertébrés, la glande pinéale a une grande influence sur la synthèse et la sécrétion de la mélatonine. Plus précisément, la glande pinéale synthétise la mélatonine à partir de la sérotonine via l'action de deux enzymes : la N-acétyltransférase pinéale (NAT), responsable de la N-acétylation de la sérotonine, et l'hydroxyindole-O-méthyltransférase (HIOMT), responsable de l'O-méthylation de l'indole[15].

Dans la glande pinéale, le niveau de sérotonine est élevé le jour et bas la nuit. Les altérations dans le cycle lumineux provoquent des changements dans la teneur en sérotonine pinéale. Il existe aussi un rythme quotidien dans la mélatonine pinéale agissant inversement à celui de la sérotonine. Ces observations suggèrent que la photopériode régule le rythme pinéal de l'indole et que le déclin nocturne de la sérotonine pinéale est dû à une augmentation de la production de mélatonine.

Des études plus récentes effectuées chez le rat indiquent que le métabolisme oxydatif de la sérotonine consiste en la N-acétylation et ce, par l'enzyme NAT. Il existe donc un rythme circadien de l'activité de l'enzyme NAT, soit l'enzyme limitant le taux[16]. En effet, l'activité de l'enzyme NAT augmente de façon abrupte durant la nuit. L'augmentation importante de l'activité de NAT durant la nuit serait responsable de la stimulation du rythme de la mélatonine alors que l'activité de l'HIOMT déterminerait l'amplitude de l'augmentation nocturne de la mélatonine[15]. Ainsi, le rythme de l'activité de la glande pinéale est étroitement lié à celui de la synthèse et de la sécrétion de la mélatonine, également élevée la nuit.

Chez les vertébrés n'étant pas des mammifères, ces rythmes sont intrinsèques à la glande pinéale et ils continuent à s'exprimer lorsque le tissu pinéal est cultivé in vitro. Toutefois, ce n'est pas le cas chez les mammifères : le rythme de la mélatonine est entraîné par une voie neuronale comprenant le tractus rétinohypothalamique de la rétine au noyau suprachiasmatique(SNC), le noyau suprachiasmatique lui-même, les noyaux parventriculaires de l'hypothalamus, le faisceau médian du cerveau antérieur ainsi que les fibres préganglionnaires de la moelle épinière cervicale aux ganglions cervicaux supérieurs[16]. Ces derniers innervent la glande pinéale mammalienne et fournissent un apport noradrénergique qui stimule l'activité de l'enzyme NAT et par conséquent, la synthèse et la libération de la mélatonine. De plus, il existe un second messager cAMP qui régule l'enzyme NAT de deux manières. D'une part, l'activité de NAT est stimulée par un mécanisme cAMP-dépendant impliquant la synthèse de l'ARN messager et de la protéine. D'autre part, cAMP prévient l'inactivation de l'enzyme NAT[17].

La glande pinéale et la mélatonine ont un rôle majeur dans le mécanisme photopériodique des mammifères. Le patron circadien de la sécrétion de la mélatonine transmet l'information de la photopériode aux sites cibles appropriés[17]. Chez certaines espèces, comme le mouton, la sécrétion de la mélatonine est élevée pendant toute la période d'obscurtié, tandis que chez d'autres espèces (par exemple, le hamster syrien), la sécrétion de la mélatonine peut ne débuter que quelques heures après l'obscurité[18].

La plupart des mammifères présentent une augmentation de la sécrétion de mélatonine à fur et à mesure que la durée du jour diminue. La régulation circadienne du rythme pinéal de la mélatonine est soulignée par la persistance du rythme chez les animaux maintenus dans l'obscurité en continu.

Ainsi, le système circadien semble être responsable de la détermination d'apparition et d'arrêt de la sécrétion nocturne de la mélatonine. Les mammifères ayant subi une ablation de la glande pinéale ne sont plus capables de générer des réponses saisonnières typiques aux changements de la photopériode, bien que la plupart des rythmes circadiens restent intacts[16]. Le fait d'administrer de la mélatonine dans ces individus permettrait de rétablir leurs réponses saisonnières. Les animaux pinéalectomisés ayant reçu des injections quotidiennes et synchronisées de mélatonine présentaient des réponses de type « jour long » lorsque les perfusions duraient entre 4 et 6 heures, alors qu'ils présentaient des réponses de type « jour court » lorsqu'elles duraient entre 8 et 16 heures. Les réponses de ces animaux étaient indépendantes de la durée du jour. Ceci suggère que l'information de la longueur de la journée est traduite, par le système circadien, en un signal de mélatonine servant de code endocrinien par rapport à la longueur de la journée.

La mélatonine (N-acétyl-5-méthoxy-tryptamine) est une hormone dont la sécrétion est grandement influencée par la lumière. Pour comprendre le rôle de la mélatonine sur le rythme endogène de la reproduction, il a d’abord été nécessaire d’identifier quelles étaient les cibles exactes de son action. En effet, la mélatonine est une composante importante dans de nombreuses fonctions physiologiques. C’est en partie pour cela que les récepteurs de la mélatonine sont distribués dans de nombreux tissus différents. D’ailleurs, il a été démontré que la mélatonine agit sur plusieurs sites, dont chacun régule leur propre fonction saisonnière[19].

Avec la mise au point d’une sonde liant la mélatonine, il a été possible d’identifier où se situaient les sites actifs de la mélatonine. Il s’est avéré que le pars tuberalis, situé dans la glande pituitaire, et l’hypothalamus étaient des cibles importantes de la mélatonine. Le pars tuberalis est situé près de l’éminence médiane, une partie de l’hypothalamus, et le pars distalis de la glande pituitaire[19].

Son action anti-gonadotrope est très importante dans la reproduction. Par contre, les mécanismes et les sites au niveau cellulaire ne sont pas encore connus précisément. Il est toutefois possible d’affirmer que la mélatonine n’agit pas directement sur les gonades, mais induit plutôt un changement de sécrétion d’hormones de la glande pituitaire[16]. En effet, elle modifie la libération d’hormones telles que l’hormone lutéinisante (LH), l'hormone folliculo-stimulante (FSH), gonadostimulines hypophysaires, et elle diminue le contenu de l’axe hypothalamique en GnRH (Hormone de libération des gonadotrophines hypophysaires). Puisque la GnRH contrôle la libération des hormones FSH et LH, elle a une fonction très importante dans le cycle reproducteur. De plus, une augmentation de la sécrétion pulsatile de GnRH a été observée lorsque les animaux sont exposés pour une longue période (40-60 jours) à des journées plus courtes[19]. Pour sa part, l’hormone lutéinisante (LH) est responsable, chez les femelles, de l’alternance des périodes ovulatoire et anovulatoire et, chez les mâles, de la production spermatique[19].

Cependant, la mélatonine n’agit pas directement sur la libération de LH. En effet, en injectant de la mélatonine directement dans le pars tuberalis, aucun changement au niveau de la sécrétion de LH n’a pu être démontré[19]. D’autres études portant sur des brebis ont démontré qu’elle inhiberait plutôt la sécrétion de prolactine, une hormone importante en reproduction. Le pars tuberalis contrôle l’action de la mélatonine sur la sécrétion de la prolactine. D’ailleurs, chez la brebis, lorsque de la mélatonine est directement insérée dans le pars tuberalis, la sécrétion de prolactine est inhibée[20].

Quant au GnRH, la mélatonine n’a pas non plus un effet direct sur sa sécrétion. En effet, la distribution des neurones à GnRH ne concorde pas avec les sites où la mélatonine est active[19]. Le contrôle indirect de la mélatonine sur le cycle reproducteur reposerait sur un réseau complexe d’interneurones : neurones dopaminergiques et neurones sérotoninergiques[19] - [20]. Deux mécanismes, contrôlés par la mélatonine, existent pour moduler la sécrétion de GnRH : la modulation du GnRH directe indépendante des stéroïdes et un changement dans la boucle rétroactive négative des stéroïdes sur la sécrétion de GnRH[19]. D’abord, la dopamine serait impliquée dans la transduction de rétroaction négative de l’estradiol sur la sécrétion de GnRH. L’estradiol a pour effet d’augmenter l’action de l’hormone tyrosine hydroxylase (TH) dans l’éminence médiane (hypothalamus) qui a pour effet d’inhiber la production de GnRH lors des jours longs. La mélatonine a pour rôle de moduler l’activité de la TH selon la photopériode[19]. Ensuite, la sérotonine inhibe la sécrétion pulsatile de LH durant la saison de l’anœstrus, mais pas durant la saison de reproduction. C’est un changement de photopériode qui provoquerait une modification de densité des récepteurs (5-HT2_A) qui sont responsables de l’activité inhibitrice de la sérotonine [19].

Les traitements de type « JC » peuvent se faire en modifiant les conditions lumineuses lorsque les animaux sont élevés dans des bâtiments fermés et étanches à la lumière extérieure mais la méthode la plus utilisée consiste à un traitement de mélatonine pour remplacer les jours courts. La mélatonine permet ainsi l'élevage en bâtiment ouvert ou au pâturage. Elle peut être distribuée de plusieurs façons: dans l'alimentation quotidienne ou sous forme d'injection en fin d'après-midi, sous forme d'implant sous-cutané ou encore sous forme de dispositif intraruminal. Il est à noter que les JC et/ou la mélatonine ont pour effet de diminuer la lactation chez les brebis et chez les chèvres. Les JL, quant à eux, sont plus souvent reproduits par un traitement photopériodique dit « JL » qui consiste à sélectionner le moment opportun d'éclairement ou « flash ». Effectivement, lorsque le « flash » (éclairement de 1 à 2 h) est émis 15 à 18h après l'aube, l'animal perçoit un jour long. Cette méthode est plus économique que celle consistant à reproduire concrètement un JL car elle permet d'utiliser des bâtiments normaux et réduit la quantité d'électricité à utiliser[28].

La succession d'une période «JL» pendant l'hiver suivi d'une période « JC » réelle ou simulée par utilisation de mélatonine au printemps permet une activité sexuelle à la fin du printemps ou au début de l'été. Chez les mâles caprins et ovins, ce traitement permet d'avoir une semence de qualité et en grande quantité pour les centres d'insémination artificielle en obtenant une reprise plus rapide de l'activité spermatogénétique[28]. En bâtiment ouvert, cet effet ne dure que 2 à 3 mois mais la quantité produite est suffisante dans la majorité des cas de récolte de semence[29].

Chez les femelles, la technique utilisée est dite «flash-mélatonine». La méthode est très efficace sur les chèvres qui nécessitent la succession « JL » - « JC » et l'effet bouc, présence d'un bouc ayant subi le même traitement, pour obtenir une activité sexuelle optimale au printemps. Les femelles caprines ont donc la même fertilité et prolificité que lors d'un cycle annuel normal mais la fécondation se fait plutôt en avril-mai[28]. Dans les conditions subtropicales, le traitement des femelles n'est même pas nécessaire pour maintenir une activité sexuelle optimale chez les caprins[29]. Chez les brebis, l'effet bélier et la succession « JL » - « JC » ne suffit pas et nécessite des traitements hormonaux pour induire des ovulations qui sont, toutefois, renouvelables. Tout comme les caprins, on observe une meilleure fertilité à l’œstrus à contre-saison en utilisant cette méthode[28].

Cette méthode s'utilise actuellement seulement chez les mâles. Chez les béliers, la succession d'un mois « JL » et d'un mois « JC » en permanence permet d'atteindre un poids testiculaire maximal en 4 à 5 mois à partir du début des traitements en janvier. Ce poids et la production accrue de semence de qualité sont maintenus aussi longtemps que la technique est utilisée. Chez les boucs, cette même méthode permet de retrouver une activité sexuelle élevée et un poids testiculaire optimal en 3 à 5 mois[28].

L'utilisation de la mélatonine seule crée une avance de phase du cycle reproductif en devançant la saison sexuelle. Chez les races peu saisonnées, notamment le Mérinos, la mélatonine permet une augmentation de la fertilité et de la prolificité peu importe le moment où la technique est utilisée. Chez les races saisonnées de l'Europe du Nord, le traitement permet d'avancer le début de la saison sexuelle de un à un mois et demi soit entre la mi-juillet et août. Bien que les formes de distribution vues précédemment sont d'efficacité équivalente, les implants sous cutanés se démarquent en augmentant le taux d'ovulation et en étant la forme la plus facile d'utilisation et la plus économique[28].