Расшифрован механизм действия прогестерона на фертильность сперматозоидов
|
Гормон прогестерон, называемый еще гормоном беременности, определяет активность и направление движения сперматозоидов к яйцеклетке. Также известно, что прогестерон влияет на концентрацию кальция в сперматозоидах. Этот элемент играет ключевую роль в процессах созревания сперматозоидов и оплодотворения. Две группы ученых расшифровали механизм прогестероновой регуляции кальция в сперматозоидах. Они определили, что прогестерон непосредственно влияет на мембранный белок, который управляет интенсивностью потока кальция через мембрану хвостика сперматозоида. Взаимодействие прогестерона с этим кальциевым каналом высокоспецифично, поэтому открытие сулит разработку новых эффективных негормональных контрацептивов.
В вопросах оплодотворения, размножения человека осталось, казалось бы, мало тайн. Однако ученые, расшифровавшие механизм прогестероновой стимуляции сперматозоидов, называют свое открытие «решением фундаментального вопроса человеческой репродукции», «тайной сигнальных путей прогестерона». «Открытие одной из главных тайн размножения человека» — что подразумевают биологи и медики под этими словами?
Журнал Nature опубликовал сразу две статьи с описанием решения прогестероновой загадки. Результаты, полученные в этих двух работах, во многом схожи и в сумме дают четкую картину работы прогестерона. Одна из работ написана группой наших соотечественников (Полиной Лишко, Инной Бочкиной и Юрием Киричком), представляющих Отделение физиологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, вторая выполнена немецкими биологами под руководством Бенджамина Кауппа и Тимо Штрюнкера из Центра передовых европейских исследований в Бонне.
Что было известно исследователям? Примерно 30 лет назад определили, что гормон прогестерон, выделяемый клетками, окружающими яйцо, вызывает резкое повышение концентрации ионов Са2+ в клетке сперматозоида. Са2+ активирует движения сперматозоида, увеличивает чувствительность акросомы и ускоряет акросомную реакцию. Градиент прогестерона увеличивается по направлению к яйцеклетке, соответственно активизируется и движение сперматозоида. Прогестерон служит своеобразным светом маяка на пути сперматозоида, а кальций позволяет сперматозоиду следовать к путеводному свету.
Иными словами, была установлена причинно-следственная цепочка: яйцо — прогестерон — увеличение кальция — успешное оплодотворение. Ключевой момент здесь — связь между прогестероном и кальцием. Опыты показывают, что прогестерон увеличивает концентрацию кальция мгновенно, будто в этом спектакле участвуют регуляторы экспрессии каких-то генов, влияющих на содержание кальция в сперматозоидах. Но все хорошо знают, что в сперматозоиде ничего не экспрессируется, вот в чём дело. Никакой регуляции, никакой экспрессии. Как же тогда происходит это мгновенное изменение, столь радикально влияющее на нашу жизнь (в буквальном смысле слова)? Как прогестерон яйцеклетки управляет содержанием кальция в сперматозоиде? Видимо, должны быть задействованы поверхностные белки мембраны сперматозоида. Но что это за белки?
Именно в этом и состоял той самый «фундаментальный вопрос», который никак не поддавался решению. Вопрос, кстати, в высшей степени актуальный: качество спермы, ее фертильность, зависит именно ее от чувствительности к прогестерону. Однако поиски ответа затянулись на 20 лет: никакие из сигнальных веществ сперматозоидов не связывались с прогестероном, не говоря уж о том, чтобы объединить триаду «сигнальное вещество — прогестерон — кальций».
Известно, что прогестерон может реагировать с поверхностными клеточными рецепторами, то есть он обходится без участия ядерных генов. 10 лет назад был открыт особый белковый комплекс CatSper, связанный с кальциевыми каналами хвостика сперматозоида. Если этот комплекс (он состоит из четырех схожих белковых единиц) так или иначе нарушить, то хвостик у сперматозоида перестает двигаться правильным образом, и способность к оплодотворению исчезает. Безусловно, CatSper стоял первым кандидатом на участие в триаде «прогестерон–рецептор–кальций».
Но чтобы доказать это, ученым потребовалось десятилетие. За это время стали применять новые методики изучения сперматозоидов, в частности метод локальной фиксации потенциала (patch clamp; см. видео метода). Метод позволяет отслеживать токи через отдельный ионный канал, измерять мембранный потенциал отдельного участка клеточной мембраны. Именно этим методом обе группы ученых и проверяли работу кальциевых каналов в хвостиках сперматозоидов.
Ничего удивительного, что обе группы недвусмысленно (и разными способами) доказали, что прогестерон непосредственно (или через напрямую ассоциированных посредников) связывается с кальциевым CatSper, мгновенно увеличивая его пропускную способность. Добавляя к клеткам прогестерон, они фиксировали мгновенное возрастание тока через этот канал. Если проводить эксперименты на хвостиках, отделенных от головки, то результат не изменится. Это означает, что прогестерон действует без участия рецепторов акросомы. Также в реакцию с прогестероном не вовлечена протеинкиназа A; обычно именно она в акросомальных процессах регулирует прогестерон-опосредованные реакции. Всё это вместе говорит о том, что прогестероновая регуляция внутриклеточного Са2+ сильно отличается от других прогестероновых реакций.
|
Сходный с прогестероном ответ получается и при увеличении щелочности внутриклеточной среды: увеличивая рН, мы увеличиваем и концентрацию кальция внутри клетки.
Взаимодействие CatSper и прогестерона высокоспецифично. Так, другой стероидный гормон — эстрадиол (estradiol) — не оказывает никакого влияния на проводимость кальциевых каналов. Зато некоторые простагландины действуют на сперматозоиды подобно прогестерону. Однако ученые доказали, что сайты связывания, ассоциированные с CatSper, у прогестерона и простагландинов разные.
Интересно, что действие прогестерона на поведение кальциевых каналов у мышей и человека оказалось разным. Если у человека прогестерон вызывал немедленную активизацию сперматозоидов, воздействуя напрямую на кальциевые каналы, то у мышей кальциевые каналы вообще никак не реагируют на прогестерон. Это тем удивительнее, что прогестерон кажется здесь оптимальным химическим посредником между яйцеклеткой и сперматозоидом. Почему же мыши им не воспользовались? У мышей кальциевые потоки через CatSper поддерживаются на очень высоком уровне, максимальном для человеческих сперматозоидов. Авторы предполагают, что CatSper-комплекс мышиных сперматозоидов не регулируется, его свойства жестко закреплены.
У всех животных кальций — ключевой элемент во многих процессах, связанных с созреванием половых клеток и оплодотворением. Обнаружение особого мембранного рецептора, напрямую связанного с регуляцией кальция, — важная веха в понимании динамики этих биологических процессов. Медиков и фармакологов это открытие непременно заинтересует возможностями лечения низкой мужской фертильности, а также перспективой разработки принципиально нового класса негармональных контрацептивов. Ясно, что воздействие на CatSper повлечет обездвиживание сперматозоидов и дальнейшую их «профнепригодность». Это воздействие исключительно специфично, что для потенциального контрацептива не менее важно. Биологи и генетики теперь с большим энтузиазмом обратятся к изучению CatSper и его функций у различных организмов. Какую роль у разных животных играют эти белки, насколько они специфичны и как это связано с особенностями оплодотворения?
По счастливой случайности (или это не случайность?) одновременно с двумя исследованиями по расшифровке регуляции кальциевых каналов у сперматозоидов человека опубликована работа, в которой описан механизм регуляции кальциевых каналов пыльцы у растений. У растений процесс роста пыльцевых трубок к яйцеклетке (по аналогии с движением сперматозоида к яйцу) и последующее оплодотворение также опосредованы изменениями концентрации кальция. Поэтому, как и зоологам, ботаникам чрезвычайно важно выяснить, как же яйцеклетка вместе с мужскими гаметами согласовано справляются с регуляцией кальциевых каналов мужских гамет. За счет изменения содержания кальция мужские и женские клетки передают сигналы друг другу. Принцип один и тот же, действующие лица разные... — насколько в действительности разные? Все эти открытия показывают широчайшие перспективы дальнейших исследований в этой области.
Источники:
1) Timo Strunker, Normann Goodwin, Christoph Brenker, Nachiket D. Kashikar, Ingo Weyand, Reinhard Seifert, U. Benjamin Kaupp. The CatSper channel mediates progesterone-induced Ca2+ influx in human sperm // Nature. V. 71. P. 382–386. 17 March 2011.
2) Polina V. Lishko, Inna L. Botchkina, Yuriy Kirichok. Progesterone activates the principal Ca2+ channel of human sperm // Nature. V. 471. P. 387–391. 17 March 2011.
3) Erwan Michard, Pedro T. Lima, Filipe Borges, Ana Catarina Silva, Maria Teresa Portes, Joao E. Carvalho, Matthew Gilliham, Lai-Hua Liu, Gerhard Obermeyer, Jose A Feijу. Glutamate Receptor-Like Genes Form Ca2+ Channels in Pollen Tubes and Are Regulated by Pistil D-Serine // Science. Published Online 17 March 2011.
Елена Наймарк
