Neuroendocrine regulation of pituitary gonadotropins during puberty in Atlantic salmon parr with focus on melatonin and Gnrh systems

Abstract

The pituitary gland, gonadotropins, together with neurohormones like gonadotropin-releasing hormone (Gnrh) and melatonin are key players in the control of vertebrate reproduction. In teleosts, despite the numerous studies conducted on the role of these hormones, relatively little is known about the functions of the multiple paralogs of their specific receptors. This study used male parr as a model for investigating the neuroendocrine control of sexual maturation in Atlantic salmon. First, to identify the onset of maturation and discriminate between maturing and non-maturing fish, testes histology was analysed in combination with gonadosomatic index, gonadotropin expression and plasma steroid levels. The results indicated that sexual maturation can be triggered as early as six months after hatching, in early autumn. Six Gnrh receptor paralogs where found expressed in male parr pituitaries, but only one of them, gnrhr2b1, showed a peak in maturing fish in concomitance with higher gonadotropin expression levels. In situ hybridization localized gnrhr2b1 mRNA specifically to lhb-producing cells, suggesting this receptor to be involved in the regulation of lhb-expression. The third part of this study focused on the characterization of melatonin receptors, considering the importance of melatonin as the “time keeping” molecule in vertebrates. In silico studies identified five genes encoding putative functional melatonin receptors, phylogenetically clustered in three subtypes, 1A, 1Al and 1B. Pharmacological characterization of cloned receptors, Mtnr1Aaα, Mtnr1Ab and Mtnr1B, proved their functionality in vitro. Three genes, mtnr1aaβ, mtnr1ab and mtnr1b, were expressed in the pituitary, showing intense daily fluctuations in spring, but not in autumn, indicative of important seasonal differences. The results presented in this thesis add to our understanding on gonadotropin control from Gnrh, suggesting that, in Atlantic salmon, differential regulation may occur through specific receptor paralogs expressed in different cell types. The detection of melatonin receptors in the pituitary gland, showing variation in expression depending on season, strongly advocates for a direct involvement of melatonin in one (or more) of the seasonal processes regulated from the pituitary gland.

Gonadotropiner fra hypofysen, folikkelstimulerende hormon (Fsh) og luteiniserende hormon (Lh) regulerer kjønnsmodning hos alle vertebrater. Utskillelse av Fsh og Lh styres hovedsakelig av nevrohormoner fra hypotalamus, med gonadotropinfrisettende hormon (Gnrh) som det viktigste. Et annet nevrohormon, melatonin, har også en sentral rolle men eksakt hvordan det påvirker kjønnsmodningen er ikke kjent. I PhD arbeidet har jeg benyttet modnende hannfisk (parr) av atlantisk laks for å studere den nevroendokrine kontrollen av kjønnsmodning. For å skille mellom modnende og ikke-modnende fisk ble det foretatt histologiske analyser av testiklene, sett i sammenheng med gonadosomatisk indeks, samt genuttrykk for Fsh og Lh og plasmanivåer av steroidhormoner. Resultatene viste at kjønnsmodningen kan starte allerede seks måneder etter klekking, tidlig på høsten. Det ble videre identifisert seks paraloge gener av Gnrh-reseptorer i hypofysen hos parr, men bare den ene reseptoren, gnrhr2b1, viste en signifikant økning hos modnende fisk. Dette resultatet samsvarer også med den observerte økningen i genuttrykket til de to gonadotropinene. In situ hybridisering lokaliserte gnrhr2b1 mRNA spesifikt til lhb-produserende celler, noe som kan tyde på at denne reseptoren er involvert i reguleringen av lhb-ekspresjon. Videre karakteriserte jeg laksens melatoninreseptorer, og betydningen av melatonin som en "time-keeper" i forbindelse med kjønnsmodningen. In silico studier identifiserte fem gener kodende for potensielle melatoninreseptorer. Disse reseptorene ble fylogenetisk gruppert i tre undergrupper, 1A, 1Al og 1B. Farmakologisk karakterisering av de klonede reseptorene, Mtnr1Aaα, Mtnr1Ab og Mtnr1B, viste at disse er fullt funksjonelle in vitro. Tre gener, mtnr1aaβ, mtnr1ab og mtnr1b, var uttrykt i hypofysen, og om våren viste disse reseptorene daglige svingninger i genuttrykk. Om høsten derimot, ble det ikke observert slike svingninger i genuttrykket, noe som indikerer viktige sesongavhengige forskjeller. Resultatene som presenteres i denne avhandlingen er med på å øke vår forståelse av hvordan gonadotropinene påvirkes av Gnrh i atlantisk laks og indikerer at den ulike reguleringen av gonadotropinene kan skyldes at spesifikke reseptorer er utrykt i ulike celletyper. Identifiseringen av melatoninreseptorer i hypofysen og deres sesongavhengige uttrykksmønstre peker i retning av en mulig rolle for melatonin i direkte påvirkning av en eller flere av de sesongavhengige prosessene kontrollert av hypofysen.