The role of Kisspeptin in sexual differentiation of the developing brain

Abstract

For decades, the study of brain sexual differentiation has been extensive. However, despite exploring genetic approaches, the impact of sex hormones, and anatomical differences, the fundamental reasons behind male-female distinctions remain elusive. Sexual dimorphism, influenced mainly by the X and Y sexual chromosomes housing specific genes for masculinization/feminization, particularly in the brain, remains enigmatic. While sex hormone receptors are distributed throughout the brain, they fall short of providing a comprehensive explanation for sexual dimorphism. Anatomical evidence, though necessary, often lacks correlations with behavior. Thus, the question remains: What bonds all these aspects? What drives sexual dimorphism from its inception through life?Kisspeptins, a family of peptides mainly expressed in the hypothalamus, play a vital role in regulating and releasing gonadotrophin-releasing hormone (GnRH). Kisspeptin neurons contribute significantly to the feedback loop of the sexual hormone cycle. Intriguingly, kisspeptin receptors and peptides exhibit sexually dependent expression patterns in critical regions that govern gender-typical behaviors. For example, in male play behavior, the medial amygdala is involved. Another compelling discovery is the neonatal peak of kisspeptin, which aligns with the testosterone surge observed in males during this pivotal sexual differentiation phase. This synchronization prompts us to hypothesize that kisspeptin substantially influences sexual dimorphism and differentiation.To investigate this hypothesis, Wistar rats were intracerebroventricularly (ICV) injected with a kisspeptin antagonist, Kp234, on PND0. The battery of behavioral tests encompassed developmental milestones, pup isolation-induced ultrasonic vocalizations (USVs), open field tests, play behavior assessments, and sexual behavior analyses. Additionally, we evaluated the expression of the kisspeptin 1 receptor through western blotting and assessed microglia morphology via immunolabeling.Our findings demonstrated the successful blockade of the testosterone surge through ICV injection. Kisspeptin blockade exerted impacts on body weight, testis development, and total brain weight during rat adulthood. Furthermore, we unveil the modulation of communication, both in pup and juvenile rats. Despite exploring a range of behavioral outcomes, we did not observe kisspeptin-induced neurodevelopment milestones alterations. However, rats injected with Kp234 exhibited hyperlocomotive behavior and increased exploratory tendencies.This study highlighted the nuanced influences of neonatal kisspeptin blockade on play behavior, revealing reduced play tendencies in both sexes, with a more pronounced effect in males. While sexual behavior remains largely unchanged, an unexpected reduction in latency to engage in sexual behavior was evident in male Kp234 animals, hinting at intricate motivational factors.The study's culmination involves a Principal Component Analysis, effectively clustering distinct populations in both sexes. This provides compelling evidence for the lasting impact of neonatal kisspeptin modulation on gender-typical behavior profiles.In summary, this study delves into the intricate interplay between neonatal kisspeptin surge and gender-typical behaviors across various life stages, offering novel insights into the underlying molecular and cellular mechanisms.

Ao longo de décadas, muito se tem estudado sobre diferenciação sexual do cérebro. No entanto, apesar de se ter explorado abordagens genéticas, o impacto das hormonas sexuais e as diferenças anatómicas, as razões fundamentais por trás das distinções entre homens e mulheres, permanecem pouco elucidativas. O dimorfismo sexual , influenciado principalmente pelos cromossomas sexuais X e Y que contêm genes específicos para a masculinização/feminização, particularmente no cérebro, continua a ser enigmática. Embora os recetores de hormonas sexuais estejam distribuídos por todo o cérebro, eles não fornecem uma explicação abrangente para a diferenciação sexual. A evidência anatómica, embora importante, muitas vezes não apresenta correlações com o comportamento. Assim, a pergunta persiste: o que une todos estes aspetos? O que impulsiona o dimorfismo sexual desde a fase embrionária até à fase adulta?Os kisspeptinas, uma família de péptidos expressos principalmente no hipotálamo, desempenham um papel vital na regulação e libertação da hormona libertadora de gonadotrofinas (GnRH). Os neurónios de kisspeptina contribuem significativamente para os mecanismos de feedback das hormonas sexuais. Curiosamente, os recetores e o kisspeptina apresentam padrões de expressão sexualmente dependentes em regiões críticas que governam comportamentos típicos de cada género. Por exemplo, no comportamento de brincadeira masculina, a amígdala medial está altamente envolvida. Uma outra descoberta cativante é o pico neonatal de kisspeptina, que se alinha com o aumento de testosterona observado em machos durante esta fase de diferenciação sexual crucial. Esta sincronização incita-nos a formular a hipótese de que o kisspeptina influencia as diferenças sexuais e a diferenciação sexual do cérebro.Para investigar esta hipótese, ratos Wistar foram injetados intracerebroventricularmente com um antagonista do kisspeptina, Kp234, a PND0. A bateria de testes comportamentais abrangeu marcos de neurodesenvolvimento, vocalizações ultrassónicas induzidas pelo isolamento de crias, teste de “open field”, avaliação do comportamento de brincadeira e análise do comportamento sexual. Adicionalmente, avaliámos a expressão do recetor de kisspeptina 1 através de western blotting e avaliámos a morfologia da microglia através de imunomarcação.As nossas descobertas demonstram um bloqueio bem-sucedido das vias de sinalização do kisspeptina, uma vez que, houve uma redução dos níveis plasmáticos de testosterona após injeção com o antagonista. O bloqueio do kisspeptina tem também um impacto no peso corporal, no desenvolvimento dos testículos e no peso total do cérebro nos ratos machos adultos. Além disso, observamos que o kisspeptina modula a comunicação dos ratos, tanto na infância como em fase juvenil. Apesar de explorarmos uma variedade de resultados, não observámos alterações no neurodesenvolvimento dos animais. No entanto, os ratos injetados com Kp234 exibiram comportamento hiper-locomotor e um aumento do comportamento exploratório.Este estudo destaca influências distintas do bloqueio neonatal do kisspeptina no comportamento de brincadeira, revelando tendências de brincadeira reduzida em ambos os sexos, com um efeito mais pronunciado nos machos. Embora o comportamento sexual permaneça em grande parte inalterado, observa-se uma redução inesperada na latência para se envolver em comportamentos sexuais nos machos Kp234, sugerindo fatores motivacionais complexos.O estudo culmina numa análise de componentes principais, que agrupa eficazmente populações distintas em ambos os sexos. Isso fornece evidência convincente para o impacto duradouro da modulação neonatal da kisspeptina nos perfis de comportamento típicos de cada género.Em resumo, este estudo explora a interação intricada entre o aumento neonatal de kisspeptina e os comportamentos típicos de género ao longo de várias fases da vida, oferecendo novas perspetivas sobre os mecanismos moleculares e celulares subjacentes.