CC BY
20
УДК 636.3+636:612.015
НОВЫЕ АСПЕКТЫ КОНТРОЛИРОВАНИЯ РЕПРОДУКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ У ОВЕЦ ЧЕРЕЗ ГИПОТАЛАМО-ГИПОФИЗАРНО-ГОНАДАЛЬНУЮ ОСЬ
К. Л. Шумков, научный сотрудник II степени; Е. К. Кистанова, старший научный сотрудник II степени
Болгарская Академия наук, Институт биологии и иммунологии размножения, Болгария, г. София, т. +359 898225520, е-таП: [email protected]
В статье анализируются новые данные, связанные с открытием системы кисспеп-тины - рецептор ЗРЯ54 и ее роли в управлении репродуктивной функцией животных. Специальное внимание уделено значению этой системы в регуляции сезонности процесса размножения у овец.
Ключевые слова: репродукция, кисспептины, рецептор ОРР54, овцы, сезонность.
Знание научных основ сезонности процесса размножения имеет большое значение для выбора правильной технологии размножения и выращивания овец. Хорошо известно, что результат от использования гормонов у овец зависит от сезона и связан с естественным началом периода размножения, характерного для той или иной породы.
Главным фактором внешней среды, определяющим годовой цикл репродуктивной активности овец, является фотопериодичность. Суточные фотопериодичные изменения животные воспринимают через изменение ритма секреции мелатонина эпифизом. Количество гормона увеличивается в 10-20 раз с наступлением темноты и падает с наступлением рассвета. Но как контролируется активность репродуктивной системы в связи с изменением фотопериодичности?
Новые научные достижения последних лет дают возможность расширить наши представления о механизмах сезонности репродуктивного процесса у животных, а также внести коррективы и проникнуть более глубоко в процессы управления репродуктивной системой через гипоталамо-гипофизарно-гонадальную ось.
Одним из таких достижений является открытие системы кисспептин/рецептор СРР54. Она состоит из С-протеин-спа-ренного рецептора-54 и его лигандов, белков, кодированных геном ЮБвИ. Пер-
воначально этот ген открыт в 1996г. в меланомных клеточных линиях с низкой метастазной активностью [5; 6]. Позже у человека он был определен как мета-стазно-супрессирующий ген. Несколько лет спустя был открыт рецептор СРР54, при этом вначале не было и речи о взаимосвязи между двумя компонентами. Лишь в 2001 установлено, что основной продукт гена Ю8Б-1, 54-аминокислотный пептид метастин, оказывает свое су-прессирующее действие через рецептор СРР54 [4; 7; 8].
Новый этап в изучении этой системы наступает в 2003 году с обнаружением факта, что мутации гена СРР54, связанные с потерей его функции, являются причиной гипогонадотропного гипогонадизма у человека и мышей [10; 11]. Это подтолкнуло к исследованию роли рецептора СРР54 и его лиганд - кисспептинов - в управлении репродуктивным процессом.
В настоящее время кисспептины признаны незаменимыми активаторами гона-дотропной оси и играют ключевую роль в контроле над гонадотропиновой секрецией и наступлением пубертата. Таким образом, системе Ю8Б-1/СРР54 принадлежит фундаментальная роль в процессе репродукции.
Лучше всего система Ю8Б-1/СРР54 изучена у грызунов, приматов, овец и других видов животных, в меньшей степени - у человека.
Доказано прямое стимулирующее действие кисспептинов на продукцию гонадо-либерина (GnRH) у животных. Кроме того, установлены соответствующие зоны в гипоталамусе, где сосредоточены нейроны, экпрессирующие KiSS-1, причем наблюдается видовая специфичность в их расположении. Ряд фактов подтверждает, что кисспептиновая система и есть та «недостающая» часть дистального звена обратной связи между половыми стероидами и GnRH-нейронами. Во-первых, кисспептины быстро и продолжительно стимулируют GnRH-нейроны и, соответственно, гонадо-тропиновую секрецию. Во-вторых, клетки, экспрессирующие кисспептины, находятся в контакте с GnRH-нейронами, которые обладают GPR54 рецепторами. В-третьих, кисспептиновые клетки находятся в тех отделах мозга, которые подвержены действию половых стероидов по принципу обратной связи. В-четвертых, кисспептиновые нейроны экспрессируют эстрогеновые и про-гестероновые рецепторы, при этом половые стероиды регулируют кисспептиновую экспрессию такими способами, которые характерны как для положительной, так и для отрицательной обратной связи [12].
KiSS-1 экспрессирующие клетки у овец расположены в преоптической области (POA, preoptic area) и дугообразном ядре (ARC, arcuate nucleus) гипоталамуса (рис. 1.)
У овец с ярко выраженной сезонностью репродуктивного цикла отмечается трехкратное увеличение KiSS-1 экспрессии в дугообразном ядре гипоталамуса при фотопериодичности 8 часов света:16 часов
темноты в сравнении с более длинным светлым фотопериодом [2]. В период анэ-струса, соответственно, наблюдается значительное уменьшение KiSS-1 экспрессии в этом же ядре. Интересно отметить, что этот сезонный эффект изменения количества KiSS-1 положительных клеток характерен только для дугообразного ядра, а не для преоптической области. Причины этих различий еще предстоит изучить. Высокий уровень KiSS-1 экспрессии в области дугообразного ядра у овец при коротком световом дне, как и во время фолликулярной фазы эстрального цикла в сезон размножения, подтверждает предположение о том, что сезонные изменения кисспептино-вой экспрессии связаны с сезонностью репродукции у этого вида животных.
В экспериментах с овцами убедительно доказано, что самым важным определяющим фактором сезонной цикличности / ацикличности является то, до какой степени эстроген способен подавлять активность гонадолиберина (GnRH) по принципу обратной отрицательной связи [2]. Так, эффект положительного короткого по времени влияния эстрогенов, которое наблюдается в преовуляторной фазе эстрального цикла, связан с повышенной экспрессией KiSS-1 в области дугообразного ядра, а усиление отрицательного влияния эстрогенов, характерное для неслучного сезона, связано с уменьшением экспрессии этого гена и, соответственно, уровня секрети-руемого кисспептина. Меньшее количество кисспептиновых клеток и сниженная экспрессия гена и определяют пониженную
Рис. 1. Расположение GnRH-нейронов (округлые) и кисспептиновых нейронов (звездообразные) у овец [3]: 3V - третий мозговой желудочек; ME - медиальная эминеция; Pit - гипофиз
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 101
репродуктивную активность во время сезонного анэструса. Данные, полученные в опытах с овариеэктомированными овцами, подтверждают предположение о том, что сезонный эффект активности кисспептиновых нейронов эстроген-зависимый. Имму-ногистохимическими методами установлено, что число кисспептин-положительных клеток в дугообразном ядре и преоптиче-ской области одинаково у овариэктомиро-ванных животных в течение всего года, независимо от сезона размножения [2]. С другой стороны, хроническая стимуляция этих животных эстрогеном приводит к уменьшению числа кисспептиновых клеток в дугообразном ядре. Одинаковый эффект проявляется независимо от сезона в области рострального и среднего регионов дугообразного ядра гипоталамуса, а в кау-дальном регионе отмечаются сезонные различия. Хроническое воздействие эстрогеном уменьшает уровень кисспептинов вне периода размножения, но не в сезон размножения. Именно в каудальном ядре наблюдаются циклические изменения в экспрессии KiSS-1, в частности ее повышение во время преовуляторного периода. Эти факты говорят о том, что каудальное ядро имеет важное значение как для осуществления эстрогенного положительного влияния, вызывающего преовуляторный пик, так и для сезонного эффекта снижения кисспептиновой клеточной активности.
На первый взгляд кажется парадоксальным, что кисспептиновые нейроны каудаль-ной части дугообразного ядра участвуют в двух типах обратной связи эстрогенов (положительной и отрицательной), однако это возможно, учитывая следующие факты:
1) положительная связь не наблюдается во время сезонного анэструса, потому что каждое увеличение уровня эстрогенов уменьшает образование лютеинизирующего (LH) гормона, и вследствие этого не наступает нормальная фолликулярная фаза.
2) с другой стороны, если в организм поступает повышенное количество эстрогенов (введенных дополнительно в чистом виде или через дополнительную стимуляцию яичников), наблюдается положительный эффект.
В принципе нет особых различий в способности эстрогенов вызывать кратковременный обратный положительный эффект в обоих сезонах. Важная отличительная черта этой системы в том, что у нормальных овец вне сезона размножения доминирует обратная отрицательная связь даже при очень низких уровнях эстрогенов и, таким образом, повышения эстрогенов до
уровня, вызывающего положительную обратную связь, никогда не наступает. На базе имеющихся научных данных предполагается, что способность хронически низкого уровня эстрогенов подавлять экспрессию KiSS-1 более сильна в период сезонного анэструса. В то же время способность высокого (характерного для фолликулярной фазы) уровня эстрогена повышать экспрессию KiSS-1 остается неизмененной [1]. До настоящего момента не открыты клеточные механизмы, отвечающие за оба типа обратной связи эстрогенов через кис-спептины, и неясно, почему один тип испытывает влияние сезона, а другой нет.
Установление главной роли кисспепти-нов и рецептора GPR54 в регуляции GnRH-нейронов и, как следствие, всей гонадо-тропной оси, заставляет задуматься о потенциальном функционировании этой системы в качестве посредника других известных регуляторов репродуктивной функции, кроме половых стероидов. Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют, что репродуктивная функция в сильной степени зависит от энергетических ресурсов и метаболитного статуса организма, которые являются обязательным условием хорошей фертильности. В последние годы все чаще говорится о роли некоторых гормонов, контролирующих энергетический баланс организма и репродукцию. Особое значение отводится лептину - гормону, секретируемому жировой тканью, который является одним из обязательных сигналов, включающих наступление пубертета и осуществление репродуктивной способности за счёт реутилизации жиров как энергетического субстрата. Таким образом, ме-таболитное состояние является главным регуляторным фактором гипоталамусной KiSS-1 системы [9].
KiSS-1-нейроны служат в качестве чувствительных датчиков нарушенного энергетического баланса и пониженного метаболизма, отрицательно влияющих на эту систему. Вследствие прямой связи этих нейронов с GnRH-нейронами негативное воздействие на первые вызывает изменения во втором звене и, соответственно, во всей гонадотропной оси. При анализе ней-роэндокринных сигналов и путей, проводящих информацию о метаболитном состоянии организма к KiSS-1- нейронам переднего отдела мозга, подчеркивается роль лептина (дающего информацию о жировых резервах организма) как возможного регулятора гипоталамусной KiSS-1 системы, а через нее и репродуктивной оси (через GnRH-нейроны) (рис. 2).
В качестве обобщения изложенных выше данных можно сказать, что ЮБвИ-ней-роны переднего отдела мозга являются главными афферентными стимулами СпРИ-нейронов и доказано, что они принимают и объединяют сигналы, связанные с:
а) началом пубертата;
б) эффектом положительной и отрицательной обратной связи между секрецией половых стероидов и гонадолиберина;
в) метаболитной регуляцией гонадотроп-ной оси (через лептин и другие факторы);
г) контролем за сезонностью репродуктивной функции.
Эти факты, вероятно, поменяют и наше представление о центральных эндокринных механизмах, контролирующих гонадо-тропную ось (усложненная схема регуляции в правой части рис. 3).
Рис. 2. Модель роли KiSS-1-нейронов как центральных интеграторов между энергетическим балансом и репродукцией. Состояние нарушенного энергетического баланса (напр., при недоедании) или пониженный метаболитный статус (напр., при экспериментально спровоцированном diabetes mellitus) вызывают уменьшение экспрессии KiSS-1 в гипоталамусе, что приводит к гипогонадотропному гипогонадизму. WAT - белая жировая ткань [9]
На базе этих научных открытий разрабатываются и практические методы, которыми можно повлиять на сезонную репродуктивность овец. Они включают как фармакологические, так и организационные средства. В первую очередь необходимо установить период эструса и момент овуляции. Это достигается через использование простагландина PGF2a или прогестерона. В большинстве случаев, когда вызывается эструс вне сезона размножения, кроме методов синхронизации и овуляции, бывает необходимо использовать методы суперовуляции, чтобы увеличить среднее число ягнений. Для этой цели применяют препараты, содержащие PMSG (известный как лошадиный гонадотропин - eCG) или фолликулсти-мулирующий гормон (FSH).
GnRH Effector GnRH Effector
Рис. 3 Новое представление о нейро-эндокринной регуляции гонадотропной оси [по 9]
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 103
В последние годы разрабатывается новый многообещающий метод восстановления репродуктивной функции животных в сезонный анэструс, пока еще на экспериментальном уровне - венозное введение кисспептина. В опытах с овцами в анэст-ральном сезоне доказано, что венозное введение кисспептина вызывает повышение секреции гонадотропина и овуляцию. Это объясняется фактом, что кисспептин стимулирует секрецию GnRH/ LH, т. е поддерживается уровень LH, характерный для фолликулярной фазы цикла и активирующий яичники, что в свою очередь приводит к возбуждению обратной положительной связи в мозге, следствием которой является преовуляционный пик LH. В результате этого опыта овуляция была установлена у 80 % животных. Интересен и факт, что регулярное введение кисспептина имело успех, а одноразовое - нет [2].
Доказательство того, что введение кисспептина может стимулировать овуляцию у овец в анэстральном периоде (подобный эффект наблюдался и у хомячков), дает в руки средство, через которое можно манипулировать репродуктивной осью всех се-зонно размножающихся млекопитающих, а также стимулировать наступление пубертата.
Литература
1. Caraty, A. Kisspeptin Synchronizes Preovulatory Surges in Cyclical Ewes and Causes Ovulation in Seasonally Acyclic Ewes / A. Caraty, J. T. Smith, D. Lomet, S. Ben Said, A. Morrissey, J. Cognie, B. Doughton, G. Baril, C. Briant, I. J. Clarke // Endocrinology. -2007. - Vol. 148. - No.11. - P. 5258-5267 doi: 10.1210/en.2007-0554.
2. Clarke, I. J. Kisspeptin and seasonality in sheep / I. J. Clarke, J. T. Smith, A. Caraty, R. L. Goodman, M. N. Lehman // Peptides. -2009. - 30. - P. 154-163.
3. Colledge, W. H. Kisspeptins and GnRH neuronal signalling. / W. H. Colledge // Trends in Endocrinology and Metabolism - 2009. -20:3 - P. 115-121.
4. Kotani, M. The metastasis suppressor gene KiSS-1 encodes kiss-peptins, the natural ligands of the orphan G protein-coupled receptor GPR54 / M. Kotani, M. Detheux, A. Vandenbogaerde, D. Communi, J. M. Van-derwinden, E. Le Poul, S. Brezillon, R. Tyl-desley, N. Suarez-Huerta, F. Vandeput, C. Blan-pain, S. N. Schiffmann, G. Vassart, M. Par-mentier // J. Biol. Chem. - 2001. - 276 - P. 34631-34636
5. Lee, J. Y. Identification of highly expressed genes in metastasis-suppressed chromosome 6/human malignant melanoma hybrid cells using subtractive hybridization and differential display / J. H. Lee, D. R. Welch // Int. J. Cancer. - 1997. - 71. - P. 1035-1044.
6. Lee, J. Y. KiSS-1, a novel human malignant melanoma metastasis-suppressor gene / J. H. Lee, M. E. Miele, D. J. Hicks, K. K. Phillips, J. M. Trent, B. E., Weissman, D. R. Welch // J. Natl. Cancer Inst. - 1996. -88. - P. 1731-1737.
7. Muir, A. I. AXOR12, a novel human G protein-coupled receptor, activated by the peptide KiSS-1 / A. I. Muir, L. Chamberlain, N. A. Elshourbagy, D. Michalovich, D. J. Moore, A. Calamari, P. G. Szekeres, H. M. Sarau, J. K. Chambers, P. Murdock, K. Steplewski, U. Shabon, J. E. Miller, S. E. Middleton, J. G. Darker, C. G. Larminie, S. Wilson, D. J. Be-rgsma, P. Emson, R. Faull, K. L. Philpott,
D. C. Harrison // J. Biol. Chem. - 2001. - 276. - P. 28969-28975.
8. Ohtaki, T. Metastasis suppressor gene KiSS-1 encodes peptide ligand of a G-protein-coupled receptor / T. Ohtaki, Y. Shintani, S. Honda, H. Matsumoto, A. Hori, K. Kane-hashi, Y. Terao, S. Kumano, Y. Takatsu, Y. Ma-suda, Y. Ishibashi, T. Watanabe, M. Asada, T. Yamada, M. Suenaga, C. Kitada, S. Usuki, T. Kurokawa, H. Onda, O. Nishimura, M. Fu-jino // Nature. - 2001. - 411. - P. 613-617.
9. Roa, J. New frontiers in kisspeptin/ GPR54 physiology as fundamental gatekeepers of reproductive function / J. Roa, E. Agu-ilar, C. Dieguez, L. Pinil, M. Tena-Sempere // Frontiers in Neuroendocrinology. - 2008. -№ 29. - P. 48-69.
10. Roux, N. Hypogonadotropic hypogo-nadism due to loss of function of the KiSS1-derived peptide receptor GPR54 / N. de Roux,
E. Genin, J. C. Carel, F. Matsuda, J. L. Cha-ussain, E. Milgrom // Proc. Natl. Acad. Sci USA. - 2003. - 100. - P. 10972-10976.
11. Seminara, S. B. The GPR54 gene as a regulator of puberty / S. B. Seminara, S. Messager, E. E. Chatzidaki, R. R. Thresher, J. S. Acierno Jr., J. K. Shagoury, Y. Bo-Abbas, W. Kuohung, K. M. Schwinof, A. G. Hen-drick, D. Zahn, J. Dixon, U. B. Kaiser, S. A. Sla-ugenhaupt, J. F. Gusella, S. O'Rahilly, M. B. Carlton, W. F. Crowley Jr., S. A. Aparicio, W. H. Colledge // N. Engl. J. Med. -2003. - 349. - P. 1614-1627.
12. Smith, J. T. Sex steroid control of hy-pothalamic Kiss1 expression in sheep and rodents: Comparative aspects / J. T. Smith // Peptides. - 2009. - 30. - P. 94-102.
