Insulin resistance is associated with low testosterone (T) levels in men, the mechanism of which is unclear. Thus, the aim of this study was to evaluate the hypothalamic-pituitary-gonadal axis in men with a spectrum of insulin sensitivity. Twenty-one men (aged 25–65 yr) had a glucose tolerance test and assessment of insulin sensitivity using a hyperinsulinemic-euglycemic clamp. Insulin sensitivity, expressed as the M value (milligrams per kilograms−1 per minute−1), was calculated from the glucose disposal rate during the final 30 min of the clamp. Eighteen subjects had blood sampling every 10 min for 12 h to assess LH pulsatility. Hypogonadism was then induced with a GnRH antagonist, followed by sequential stimulation testing with GnRH (750 ng/kg, iv) and human chorionic gonadotropin (hCG; 1000 IU, im) to assess pituitary and testicular responsiveness, respectively. Nine subjects had normal glucose tolerance, nine had impaired glucose tolerance, and three had diabetes mellitus. There was a positive relationship between M and T levels (r = 0.46; P < 0.05). No relationship was seen between M and parameters of LH secretion, including mean LH levels, LH pulse amplitude, LH pulse frequency, and LH response to exogenous GnRH administration. In contrast, a strong correlation was observed between M and the T response to hCG (r = 0.73; P < 0.005). Baseline T levels correlated with the increase in T after hCG administration (r = 0.47; P < 0.05). During the clamp, T levels increased from a baseline level of 367 ± 30 to 419 ± 38 ng/dl during the last 30 min (P < 0.05). From these data we conclude that insulin resistance is associated with a decrease in Leydig cell T secretion in men. Additional studies are required to determine the mechanism of this effect.

OBJECTIVE— The goal of this study was to examine the relationship between serum testosterone levels and insulin sensitivity and mitochondrial function in men. RESEARCH DESIGN AND METHODS—A total of 60 men (mean age 60.5 ± 1.2 years) had a detailed hormonal and metabolic evaluation. Insulin sensitivity was measured using a hyperinsulinemic-euglycemic clamp. Mitochondrial function was assessed by measuring maximal aerobic capacity (Vo2max) and expression of oxidative phosphorylation genes in skeletal muscle. RESULTS—A total of 45% of subjects had normal glucose tolerance, 20% had impaired glucose tolerance, and 35% had type 2 diabetes. Testosterone levels were positively correlated with insulin sensitivity (r = 0.4, P &lt; 0.005). Subjects with hypogonadal testosterone levels (n = 10) had a BMI &gt;25 kg/m2 and a threefold higher prevalence of the metabolic syndrome than their eugonadal counterparts (n = 50); this relationship held true after adjusting for age and sex hormone–binding globulin but not BMI. Testosterone levels also correlated with Vo2max (r = 0.43, P &lt; 0.05) and oxidative phosphorylation gene expression (r = 0.57, P &lt; 0.0001). CONCLUSIONS—These data indicate that low serum testosterone levels are associated with an adverse metabolic profile and suggest a novel unifying mechanism for the previously independent observations that low testosterone levels and impaired mitochondrial function promote insulin resistance in men.

Idiopathic hypogonadotropic hypogonadism, which may be associated with anosmia (the Kallmann syndrome) or with a normal sense of smell, is a treatable form of male infertility caused by a congenital defect in the secretion or action of gonadotropin-releasing hormone (GnRH). Patients have absent or incomplete sexual maturation by the age of 18. Idiopathic hypogonadotropic hypogonadism was previously thought to require lifelong therapy. We describe 15 men in whom reversal of idiopathic hypogonadotropic hypogonadism was sustained after discontinuation of hormonal therapy.

Idiopathic hypogonadotropic hypogonadism (IHH) with anosmia (Kallmann syndrome; KS) or with a normal sense of smell (normosmic IHH; nIHH) are heterogeneous genetic disorders associated with deficiency of gonadotropin-releasing hormone (GnRH). While loss-of-function mutations in FGF receptor 1 (FGFR1) cause human GnRH deficiency, to date no specific ligand for FGFR1 has been identified in GnRH neuron ontogeny. Using a candidate gene approach, we identified 6 missense mutations in FGF8 in IHH probands with variable olfactory phenotypes. These patients exhibited varied degrees of GnRH deficiency, including the rare adult-onset form of hypogonadotropic hypogonadism. Four mutations affected all 4 FGF8 splice isoforms (FGF8a, FGF8b, FGF8e, and FGF8f), while 2 mutations affected FGF8e and FGF8f isoforms only. The mutant FGF8b and FGF8f ligands exhibited decreased biological activity in vitro. Furthermore, mice homozygous for a hypomorphic Fgf8 allele lacked GnRH neurons in the hypothalamus, while heterozygous mice showed substantial decreases in the number of GnRH neurons and hypothalamic GnRH peptide concentration. In conclusion, we identified FGF8 as a gene implicated in GnRH deficiency in both humans and mice and demonstrated an exquisite sensitivity of GnRH neuron development to reductions in FGF8 signaling.

Idiopathic hypogonadotropic hypogonadism (IHH) due to defects of gonadotropin-releasing hormone (GnRH) secretion and/or action is a developmental disorder of sexual maturation. To date, several single-gene defects have been implicated in the pathogenesis of IHH. However, significant inter- and intrafamilial variability and apparent incomplete penetrance in familial cases of IHH are difficult to reconcile with the model of a single-gene defect. We therefore hypothesized that mutations at different IHH loci interact in some families to modify their phenotypes. To address this issue, we studied 2 families, one with Kallmann syndrome (IHH and anosmia) and another with normosmic IHH, in which a single-gene defect had been identified: a heterozygous FGF receptor 1 (FGFR1) mutation in pedigree 1 and a compound heterozygous gonadotropin-releasing hormone receptor (GNRHR) mutation in pedigree 2, both of which varied markedly in expressivity within and across families. Further candidate gene screening revealed a second heterozygous deletion in the nasal embryonic LHRH factor (NELF) gene in pedigree 1 and an additional heterozygous FGFR1 mutation in pedigree 2 that accounted for the considerable phenotypic variability. Therefore, 2 different gene defects can synergize to produce a more severe phenotype in IHH families than either alone. This genetic model could account for some phenotypic heterogeneity seen in GnRH deficiency.

Between the genetic extremes of rare monogenic and common polygenic diseases lie diverse oligogenic disorders involving mutations in more than one locus in each affected individual. Elucidating the principles of oligogenic inheritance and mechanisms of genetic interactions could help unravel the newly appreciated role of rare sequence variants in polygenic disorders. With few exceptions, however, the precise genetic architecture of oligogenic diseases remains unknown. Isolated gonadotropin-releasing hormone (GnRH) deficiency caused by defective secretion or action of hypothalamic GnRH is a rare genetic disease that manifests as sexual immaturity and infertility. Recent reports of patients who harbor pathogenic rare variants in more than one gene have challenged the long-held view that the disorder is strictly monogenic, yet the frequency and extent of oligogenicity in isolated GnRH deficiency have not been investigated. By systematically defining genetic variants in large cohorts of well-phenotyped patients ( n = 397), family members, and unaffected subjects ( n = 179) for the majority of known disease genes, this study suggests a significant role of oligogenicity in this disease. Remarkably, oligogenicity in isolated GnRH deficiency was as frequent as homozygosity/compound heterozygosity at a single locus (2.5%). Among the 22% of patients with detectable rare protein-altering variants, the likelihood of oligogenicity was 11.3%. No oligogenicity was detected among controls ( P < 0.05), even though deleterious variants were present. Viewing isolated GnRH deficiency as an oligogenic condition has implications for understanding the pathogenesis of its reproductive and nonreproductive phenotypes; deciphering the etiology of common GnRH-related disorders; and modeling the genetic architecture of other oligogenic and multifactorial diseases.

Functional hypothalamic amenorrhea is a reversible form of gonadotropin-releasing hormone (GnRH) deficiency commonly triggered by stressors such as excessive exercise, nutritional deficits, or psychological distress. Women vary in their susceptibility to inhibition of the reproductive axis by such stressors, but it is unknown whether this variability reflects a genetic predisposition to hypothalamic amenorrhea. We hypothesized that mutations in genes involved in idiopathic hypogonadotropic hypogonadism, a congenital form of GnRH deficiency, are associated with hypothalamic amenorrhea.We analyzed the coding sequence of genes associated with idiopathic hypogonadotropic hypogonadism in 55 women with hypothalamic amenorrhea and performed in vitro studies of the identified mutations.Six heterozygous mutations were identified in 7 of the 55 patients with hypothalamic amenorrhea: two variants in the fibroblast growth factor receptor 1 gene FGFR1 (G260E and R756H), two in the prokineticin receptor 2 gene PROKR2 (R85H and L173R), one in the GnRH receptor gene GNRHR (R262Q), and one in the Kallmann syndrome 1 sequence gene KAL1 (V371I). No mutations were found in a cohort of 422 controls with normal menstrual cycles. In vitro studies showed that FGFR1 G260E, FGFR1 R756H, and PROKR2 R85H are loss-of-function mutations, as has been previously shown for PROKR2 L173R and GNRHR R262Q.Rare variants in genes associated with idiopathic hypogonadotropic hypogonadism are found in women with hypothalamic amenorrhea, suggesting that these mutations may contribute to the variable susceptibility of women to the functional changes in GnRH secretion that characterize hypothalamic amenorrhea. Our observations provide evidence for the role of rare variants in common multifactorial disease. (Funded by the Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development and others; ClinicalTrials.gov number, NCT00494169.).

At the present time, no viable treatment exists for cognitive and olfactory deficits in Down syndrome (DS). We show in a DS model (Ts65Dn mice) that these progressive nonreproductive neurological symptoms closely parallel a postpubertal decrease in hypothalamic as well as extrahypothalamic expression of a master molecule that controls reproduction-gonadotropin-releasing hormone (GnRH)-and appear related to an imbalance in a microRNA-gene network known to regulate GnRH neuron maturation together with altered hippocampal synaptic transmission. Epigenetic, cellular, chemogenetic, and pharmacological interventions that restore physiological GnRH levels abolish olfactory and cognitive defects in Ts65Dn mice, whereas pulsatile GnRH therapy improves cognition and brain connectivity in adult DS patients. GnRH thus plays a crucial role in olfaction and cognition, and pulsatile GnRH therapy holds promise to improve cognitive deficits in DS.

Abstract Pubertal timing varies considerably and is associated with later health outcomes. We performed multi-ancestry genetic analyses on ~800,000 women, identifying 1,080 signals for age at menarche. Collectively, these explained 11% of trait variance in an independent sample. Women at the top and bottom 1% of polygenic risk exhibited ~11 and ~14-fold higher risks of delayed and precocious puberty, respectively. We identified several genes harboring rare loss-of-function variants in ~200,000 women, including variants in ZNF483 , which abolished the impact of polygenic risk. Variant-to-gene mapping approaches and mouse gonadotropin-releasing hormone neuron RNA sequencing implicated 665 genes, including an uncharacterized G-protein-coupled receptor, GPR83 , which amplified the signaling of MC3R , a key nutritional sensor. Shared signals with menopause timing at genes involved in DNA damage response suggest that the ovarian reserve might signal centrally to trigger puberty. We also highlight body size-dependent and independent mechanisms that potentially link reproductive timing to later life disease.