Vignette (Photo © Inserm - Vincent Prévot).

En 1964, la bactérie Streptomyces hygroscopicus est isolée à partir de prélèvements de sol de l’île de Pâques. Elle sécrète un macrolide aux propriétés antifongiques, appelé rapamycine, en référence à Rapa Nui, l’ethnie polynésienne autochtone de l’île [ 1, 31]. À la fin des années 1990, une autorisation de mise sur le marché (AMM) est délivrée à la molécule pour ses propriétés immunosuppressives, qui est exploitée sous le nom de sirolimus ou rapamune.

En parallèle, des propriétés antiprolifératives de la rapamycine ont été démontrées, faisant de cette molécule un régulateur important de la croissance cellulaire [ 32]. Deux gènes homologues cibles, appelés target of rapamycin 1 et 2 (TOR1 et TOR2), ont d’abord été identifiés chez la levure [ 2]. Chez les mammifères, un seul gène, appelé mTOR pour mammalian TOR [ 3], a été isolé en 1994. mTOR est une kinase intégrée dans deux complexes appelés mTORC1 et mTORC2 selon les sous-unités régulatrices qui les constituent (sous-unité raptor [regulatory associated protein of TOR] et sous-unité rictor [rapamycin-insensitive companion of TOR], respectivement). Cette sérine/thréonine kinase est conservée au cours de l’évolution puisqu’elle est également présente chez la levure, les plantes, et les insectes, reflétant son rôle primordial. L’inhibition de mTOR par la rapamycine s’effectue via la fixation d’un complexe rapamycine/immunophiline/FK506-binding protein 12 (FKBP12) à mTOR. Chez la souris, l’invalidation de mTOR est létale dès 6,5 jours post-coitum (jpc), avec une réduction de la taille embryonnaire et une désorganisation des tissus dès 5,5 jpc [ 4]. L’équipe du Pr David Sabatini (Cambridge, États-Unis) a également développé des lignées de souris invalidées pour chaque sous-unité des complexes mTORC1 et 2 [ 5]. Les embryons murins invalidés pour la protéine raptor ne sont pas capables de se développer après leur implantation utérine (6,5 jpc), démontrant l’importance du complexe mTORC1 dès les stades précoces du développement. Les embryons invalidés pour la protéine rictor (complexe mTORC2) sont eux capables de se différencier, mais ils présentent un retard important de taille et des défauts du développement vasculaire, conduisant à une létalité embryonnaire (10,5 jpc).

Les complexes mTORC régulent la croissance et la prolifération cellulaires, notamment en fonction de la disponibilité des nutriments et de l’état de l’environnement, via des messagers hormonaux et de stress. Les gonades sont des tissus où la prolifération et l’apoptose ont une place primordiale, notamment pour gérer la population de cellules germinales. Par exemple, chez l’homme, la production journalière de spermatozoïdes est d’environ 100 millions par testicule. Au contraire, le stock d’ovocytes est d’environ 400 dans l’ovaire, et 99 % des follicules qui entrent en croissance vont régresser, conduisant à la perte de leurs cellules germinales [ 6]. Ces régulations du cycle cellulaire font intervenir des facteurs locaux et endocriniens, ainsi que le statut physiologique de l’organisme. Ainsi, dès le début des années 1990, le rôle important de la voie de l’IGF-1 (insulin-like growth factor-1)/insuline dans le contrôle de l’axe hypothalamo-hypophysaire a été établi [ 7]. En 2000, plusieurs travaux ont montré l’influence majeure du métabolisme énergétique sur les fonctions de reproduction [ 8, 9]. Dans ces deux cas, les complexes protéiques impliquant la kinase mTOR interviennent. D’ailleurs, l’impact des traitements immunosuppresseurs (sirolimus/rapamycine) sur les taux de paternité [ 10] ou maternité [ 11], que traduisent des anomalies hormonales, séminales, ou morphologiques (kystes), est un outil d’alerte épidémiologique important.

La protéine mTOR (également appelée FRAP ou RAFT) appartient à la famille des phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K)-related kinase (PIKK). Elle est composée de plusieurs domaines, dont deux domaines HEAT (abréviation de Huntingtin, EF3, A subunit of PP2A, TOR1) qui permettent son interaction avec raptor ou rictor, et un domaine FRB (FKBP12/rapamycin binding domain) qui lie le complexe FKBP12-rapamycine. La rapamycine (ou sirolimus) agit en se liant à la protéine FKBP12 qui inhibe l’activité sérine/thréonine kinase de la protéine mTOR sur son domaine FRB.

Le complexe mTORC1 désigne l’association de la protéine mTOR et de plusieurs protéines régulatrices : raptor, mLST8 (mammalian lethal with sec13 protein 8), deptor (DEP domain-containing mTOR-interacting protein) et PRAS40 (proline-rich Akt substrate of 40-kDa). Le complexe mTORC2 est constitué des protéines mTOR, rictor, Sin1 (stress-activated map kinase-interacting protein 1), protor (protein observed with rictor) et mLST8.

Les premières études ont montré que seul le complexe mTORC1 est inhibé par la rapamycine alors que le complexe mTORC2 est dit résistant. Récemment, plusieurs travaux ont indiqué que le complexe mTORC2 est également inhibé lors d’une exposition prolongée à la rapamycine [ 12]. Toutefois, il semblerait que cette sensibilité du complexe mTORC2 soit dépendante du type cellulaire étudié.

L’activation du complexe mTORC1 peut s’effectuer de différentes façons : (1) par les voies de signalisation impliquant PI3K/Akt/TSC1-TSC2 (tuberous sclerosis protein 1 and 2) et Ras/Raf/ERK (extracellular regulated kinase), qui sont souvent associées aux récepteurs à activité tyrosine kinase (par exemple le récepteur de l’IGF-1, de l’insuline et de l’EGF [epidermal growth factor]) ; (2) par la disponibilité de la cellule en certains acides aminés, comme la leucine ou l’arginine. À l’inverse, un déficit énergétique (manque d’ATP) active la protéine AMPK (AMP activated kinase) qui phosphoryle le complexe mTORC1 et l’inhibe.

Quelques années après la mise sur le marché du sirolimus (ou rapamycine) comme immunosuppresseur, plusieurs études ont décrit son impact sur la fertilité des patients traités. Chez l’homme, il s’agit d’une baisse significative du taux de testostérone plasmatique ainsi que d’une augmentation des sécrétions des hormones gonadotropes LH (luteinizing hormone) et FSH (follicle-stimulating hormone), dont l’intensité est fonction de la dose et de la durée du traitement [ 13]. Une baisse de la quantité de sperme [ 14], voire une absence de production de spermatozoïdes [ 15], ont été également rapportées. Chez l’homme, certains cas d’infertilité induite par le sirolimus ont été réversibles après l’arrêt du traitement [15]. Toutefois le petit nombre de cas décrits ne permet pas d’affirmer la restauration d’une spermatogenèse normale après l’arrêt du traitement par des inhibiteurs de mTOR.

Chez le rat, le sirolimus administré par voie orale ou intraveineuse est retrouvé dans les testicules. Cette molécule pourrait donc jouer un rôle direct sur les cellules souches germinales, mais également sur les cellules de Sertoli qui sont les cellules nourricières et protectrices des cellules germinales. Ainsi, le traitement de cultures primaires de spermatogonies de souris par la rapamycine réduit l’activation de la voie de signalisation du récepteur c-kit [ 16], dont le ligand SCF (stem cell factor) est un régulateur bien connu de la prolifération et de la maturation des cellules germinales souches dans les tubes séminifères. La stimulation de la multiplication des cellules souches germinales par des facteurs de croissance comme le SCF, mais aussi le PLZF, (promyelocytic leukemia zinc finger), pourrait donc être dérégulée si le complexe mTORC1 est soit hyperactivé, soit inhibé.

Par ailleurs, les cellules de Sertoli seraient elles aussi sensibles à cet inhibiteur, puisque, dans des cultures primaires de cellules de Sertoli de rats prépubères traitées par la FSH, la stimulation de la machinerie de traduction qui en résulte est transmise (en partie) par l’activation de mTORC1 [ 17, 33]. Par exemple, dans ces cultures primaires, la rapamycine bloque la stimulation de la synthèse de la transferrine induite par l’interleukine 1β. La transferrine est nécessaire au transport du fer de la circulation sanguine vers les cellules germinales via les cellules de Sertoli, mais également à la régulation de la spermatogenèse via le mécanisme de phagocytose. Ainsi, la baisse de son expression induit une augmentation de la phagocytose sertolienne, corrélée à une oligospermie sévère [ 18].

Chez les patients traités par la rapamycine, la baisse de testostérone qui est observée ne semble pas liée à une action directe sur les cellules testiculaires de Leydig qui produisent les androgènes. En effet, le prétraitement par la rapamycine de cultures primaires de cellules de Leydig de rat stimulées par la LH augmente principalement l’expression de la protéine StAR (steroidogenic acute regulatory protein) - qui transporte le cholestérol dans la mitochondrie - ce qui n’est pas observé lors d’une stimulation par la LH seule [ 19].

Enfin, la voie mTOR contrôlerait également la reproduction par son action au niveau hypothalamique, puisque l’injection intracérébroventriculaire de rapamycine à des rates pubères entraîne une diminution de moitié de la concentration plasmatique de LH 1 h après injection, et de 10 fois 3 h après injection [ 30]. Cette baisse est corrélée à une baisse des ARN messagers codant pour la GnRH dans l’hypothalamus, mais également pour le Kisspeptide (une neurohormone stimulant la sécrétion du GnRH) [30]. La même injection à des rats prépubères induit un retard de puberté aussi bien chez le mâle que la femelle, ainsi qu’une diminution du poids de l’épididyme, des vésicules séminales et de la prostate sept jours après injection [30]. Les expériences in vitro sur une lignée de cellules hypophysaires de souris ont montré que la stimulation de la synthèse protéique induite par la GnRH était inhibée par la rapamycine.

À l’inverse, l’injection intracérébroventriculaire de L-leucine (un acide aminé qui active mTORC1) à des rates pubères induit une augmentation de la concentration plasmatique de LH de plus de quatre fois 15 min après l’injection, et d’environ deux fois 1 h après l’injection. L’hypothalamus est une région intégratrice de différents signaux régulant l’appétit, la fertilité et la thermogenèse. À ce niveau, les neurones à NPY (neuropeptide Y) qui interviennent dans la régulation de la prise alimentaire mais inhibent également l’activité des neurones à GnRH, sont sensibles à la voie mTOR. Ainsi, dans des cultures organotypiques d’explants hypothalamiques, l’inhibition de la voie mTOR par la rapamycine entraîne une augmentation du taux des transcrits de NPY. Il semble donc que, dans les structures centrales régulant le déclenchement de la puberté et/ou la pulsatilité des hormones gonadotropes, l’inhibition de mTOR entraîne une dérégulation du système à GnRH.

En conclusion, il semble donc que la voie de signalisation de la protéine mTOR soit impliquée dans la production de gamètes, le fonctionnement des cellules somatiques gonadiques (Figure 1), mais également la régulation de la fertilité au niveau du système nerveux central ou de l’hypophyse (Figure 2). L’accumulation, depuis quelques années, des travaux mettant en évidence les impacts négatifs de la rapamycine sur la fertilité mâle et femelle doit alerter les prescripteurs sur la possibilité de ces effets secondaires, notamment lorsque les patients sont confrontés à des problèmes de procréation, sans toutefois sous-estimer les intérêts évidents de la rapamycine dans la thérapie anticancéreuse, comme dans le cas des cancers ovariens.

Figure 1. Représentation schématique des actions de la rapamycine dans les gonades. La nomenclature in vitro fait référence à des expériences en système cellulaire.

Figure 1. Représentation schématique des actions de la rapamycine dans les gonades. La nomenclature in vitro fait référence à des expériences en système cellulaire.

Figure 2. Représentation schématique des actions de la rapamycine au niveau de l’axe hypothalamo-hypophysaire. La nomenclature in vitro fait référence à des expériences en système cellulaire.

Figure 2. Représentation schématique des actions de la rapamycine au niveau de l’axe hypothalamo-hypophysaire. La nomenclature in vitro fait référence à des expériences en système cellulaire.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.