Ancestral TSH mechanism signals summer in a photoperiodic mammal

SummaryIn mammals, day-length-sensitive (photoperiodic) seasonal breeding cycles depend on the pineal hormone melatonin, which modulates secretion of reproductive hormones by the anterior pituitary gland [1]. It is thought that melatonin acts in the hypothalamus to control reproduction through the release of neurosecretory signals into the pituitary portal blood supply, where they act on pituitary endocrine cells [2]. Contrastingly, we show here that during the reproductive response of Soay sheep exposed to summer day lengths, the reverse applies: Melatonin acts directly on anterior-pituitary cells, and these then relay the photoperiodic message back into the hypothalamus to control neuroendocrine output. The switch to long days causes melatonin-responsive cells in the pars tuberalis (PT) of the anterior pituitary to increase production of thyrotrophin (TSH). This acts locally on TSH-receptor-expressing cells in the adjacent mediobasal hypothalamus, leading to increased expression of type II thyroid hormone deiodinase (DIO2). DIO2 initiates the summer response by increasing hypothalamic tri-iodothyronine (T3) levels. These data and recent findings in quail [3] indicate that the TSH-expressing cells of the PT play an ancestral role in seasonal reproductive control in vertebrates. In mammals this provides the missing link between the pineal melatonin signal and thyroid-dependent seasonal biology

La mélatonine dans le système circadien

Chez les Mammifères l'horloge biologique circadienne principale est localisée dans les noyaux suprachiasmatiques de l'hypothalamus. Cette horloge, dont la période est légèrement différente de 24 heures, est synchronisée avec le temps astronomique, essentiellement par le cycle jour/nuit. Pour cette remise à l'heure, les différents synchroniseurs agissent sur la boucle moléculaire principale à la base des oscillations circadiennes et plus particulièrement sur les gènes Per1 et Per2 . Une fois construites et synchronisées, les oscillations circadiennes sont distribuées à tout l'organisme par des signaux efférents de l'horloge, et l'interaction complexe entre les signaux nerveux, endocrines et/ou comportementaux permet l'organisation temporelle des fonctions. La mélatonine est un important signal hormonal efférent de l'horloge qui définit la "nuit biologique". Elle est capable d'imposer un rythme circadien aux structures qui expriment des récepteurs de la mélatonine, et joue un rôle majeur dans l'homéostasie temporelle. La présence de récepteurs de la mélatonine dans les noyaux suprachiasmatiques indique que l'hormone rétro-agit sur l'horloge elle-même et donc, que la mélatonine exogène a la capacité d'agir sur le système circadien, ce qui a été démontré expérimentalement (effet chronobiotique). La mélatonine peut donc agir comme un synchroniseur de l'horloge. Par contre, et de façon surprenante car contraire à celui des autres synchroniseurs, cet effet chronobiotique de la mélatonine ne passe pas par une action directe sur les gènes Per1 et/ou Per2, mais sur Rev-erb α, un gène impliqué dans la boucle modulatrice de la machinerie moléculaire de l'horloge

Phenotype of Per1- and Per2- expressing neurons in the suprachiasmatic nucleus of a diurnal rodent ( Arvicanthis ansorgei ): comparison with a nocturnal species, the rat

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Per and neuropeptide expression in the rat suprachiasmatic nuclei: compartmentalization and differential cellular induction by light

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Daily and circadian expression of neuropeptides in the suprachiasmatic nuclei of nocturnal and diurnal rodents

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The mt1 melatonin receptor and RORβ receptor are co-localized in specific TSH-immunoreactive cells in the pars tuberalis of the rat pituitary

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