Посещений: 
ВОСПРИИМЧИВОСТЬ МАТКИ К ИМПЛАНТАЦИИ БЛАСТОЦИСТА
Молекулярные основы
|
|
Deciphering the molecular basis of uterine receptivity Shuang Zhang, Shuangbo Kong, Jinhua Lu, Qiang Wang, Yongjie Chen, Weixiang Wang, Bingyan Wang, Haibin Wang  Molecular Reproduction and Development
Volume 80, Issue 1, pages 8–21, January 2013 |
Uterine receptivity is defined as a limited time period during which the uterus enters into an appropriately differentiated state that is ready for the initiation of implantation by competent blastocysts. Although various cellular aspects and molecular pathways involved in uterine receptivity have been identified by gene expression studies and genetically engineered mouse models, a comprehensive understanding of the window of uterine receptivity is still missing. This review focuses on the recent progress in this area, with particular focus on the molecular basis of stromal-epithelial dialogue and crosstalk between the blastocyst and the uterus during implantation. A better understanding of the underlying mechanisms governing the window of uterine receptivity is hoped to generate new strategies to correct implantation failure and to improve pregnancy rates in women. Mol. Reprod. Dev. 80: 8–21, 2013. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.
Рисунки к статье
|
Новая жизнь начинается с объединения яйца и спермия, т.е процесса оплодотворения. После оплодотворения преимплантационное развитие ранних эмбрионов eutherian млекопитающих происходит внутри репродуктивного тракта самок, сначала в яйцеводах, а затем в матке. Эмбрионы на ст. бластоциста инициируют первые физические и физиологические взаимодействия с эндометрием, в конечном счете, имплантируются в ложе эндометрия (Wang and Dey, 2006). Успешность имплантации требует компетентных бластоциста и матки, которая принимает и приспосабливается к имплантировавшемуся оплодотворенному яйцу. Коммуникации о компетентности обеих частей д. происходить в короткий, само-ограничивающийся период, а именно в промежутке имплантации, во время которого матка способна воспринимать бластоцист, также наз. периодом восприимчивости матки ("uterine receptivity") (Yoshinaga, 1988).
Концепция восприимчивости впервые была установлена на крысах с использование асинхронного переноса эмбрионов в матки псевдобеременных самок, позднее описана и для др. видов, включая мышей, хомячков, морских свинок, кроликов и с/х животных (Yoshinaga, 1988). Непосредственно после завершения состояния восприимчивости матка автоматически вступает в рефракторную фазу, независимо от того, произошла или нет имплантация (Dey et al., 2004). Матка в этой фазе невосприимчивости индифферентна даже к токсическим для эмбриона веществам (Yoshinaga, 1988). У мышей, напр., матка восприимчива на 4 день беременности (Day 1?=? день вагинальной пробки) или псевдобеременности, период, когда перенос эмбрионов может вызывать нормальную реакцию прикрепления эмбриона к матке. Но после полудня 5-го дня, когда матка вступает в рефракторную фазу, перенесенный бластоцист неспособен прикрепиться к матке (Song et al., 2002) и бластоцист, возвращенный спустя 24 ч после переноса, дегенерирует будучи культивируемым in vitro (Yoshinaga, 1988). У женщин период восприимчивости приходится между 20 и 24 днем регулярного менструального цикла (7-11 дней после того, как luteinizing hormone (LH) достигает максимума, который запускает овуляцию) перед этим периодом матка считается "pre-receptive" и становится рефрактерной после этого (Psychoyos, 1973; Rashid et al., 2011).
В последние годы исследования экспрессии генов и генетически преобразованных модельных мышей предоставили ценную информацию о процессе имплантации в отношении специфических факторов роста, цитокинов, липидных медиаторов, адгезивных молекул и транскрипционных факторов (Dey et al., 2004). Хотя клеточные события, которые ограничивают восприимчивость матки, описаны, молекулярные пути, которые критичны для этого процесса, и как они взаимодействуют, изучены недостаточно.
HORMONAL REQUIREMENTS FOR ESTABLISHMENT OF UTERINE RECEPTIVITY
Овариальные прогестерон и эстроген являются принципиальными гормонами, которые управляют восприимчивостью матки. Хотя гормональные потребности для восприимчивости зависят от вида, прогестерон важен практически для всех изученных млекопитающих. Прогестерон в отдельности достаточен для индукции имплантации у видов, таких как морские свинки, обезьяны резус и золотистые хомячки (Heap and Deanesly, 1967; Harper et al., 1969; Kwun and Emmens, 1974), тогда как овариальный эстроген необходим для становления восприимчивости матки при имплантации у др. видов, таких как крысы и мыши (McCormack and Greenwald, 1974; Heap et al., 1981). Необходим ли для соединения бластоциста с маткой во время имплантации овариальный эстроген у человека, всё ещё неясно (Wang and Dey, 2006; Su et al., 2012).
У мышей эстроген важен для восприимчивости матки, подготовленной прогестероном. На Day 1 беременности эпителиальные клетки матки подвергаются обширной пролиферации под действием пре-овулярного овариального эстрогена и эта эпителиальная пролиферация, до некоторой степени, продолжается в течение Day 2. Повышение уровней прогестерона, секретируемого из вновь сформированного желтого тела (corpus luteum) инициирует пролиферацию стромальных клеток со Дня 3 и далее (Huet et al., 1989; Huet-Hudson et al., 1989). Наутро Дня 4, когда матка вступает в pre-receptive стадию, низкие уровни эстрогена являются критическими для матки, чтобы приобрести восприимчивость (Tranguch et al., 2005b). Удаление яичников непосредственно перед этой преимплантационной экспрессией эстрогена плюс ежедневное применение прогестерона, начиная с Дня 5 приводит к состоянию бездействия бластоциста и ингибированию имплантации, тогда как одиночная инъекция физиологических уровней 17β-estradiol может индуцировать соотв. дифференцировку матки из нейтральной фазы в состояние восприимчивости и запускает реактивацию имплантации бластоциста (Whitten, 1955; Yoshinaga and Adams, 1966; McLaren, 1968). Исходя из этого гормональной профиля во время премплантационного периода экзогенные эстроген и прогестерон могут также обеспечить восприимчивое состояние матки у лишенных оварий мышей (Paria et al., 1999b).
Функция эстрогена и прогестерона в матке первоначально предполагалась осуществляется посредством ядерных рецепторов эстрогенов (ER) и прогестероновых рецепторов (PR), соотв. Оба типа рецепторов имеют по две изоформы, соотв. известных как ERα и ERβ и PRA и PRB (Edwards, 2005; Hewitt et al., 2005). Фармакологические и генетические доказательства указывают на необходимость ER и PR для преимплантационной восприимчивости матки. Как ER так и PR антагонист, примененный перед имплантацией, эффективно устраняет восприимчивости матки (Harper and Walpole, 1967; Major and Heald, 1974; Roblero et al., 1987; Vinijsanun and Martin, 1990). Предыдущие исследования с использованием нокаутных мышей по ER и PR продемонстрировали свои дифференциальные функции для биологии матки. αERKO матка гипопластична и неспособна поддерживать имплантацию (Lubahn et al., 1993; Curtis Hewitt et al., 2002), тогда как βERKO матка сохраняет все функции, которые делают возможной нормальную имплантацию (Krege et al., 1998; Wada-Hiraike et al., 2006; Lee et al., 2012). Матка также экспрессирует PRA и PRB (Mote et al., 2006), а мыши, лишенные как PRA, так и PRB бесплодны со многими дефектами функции оварий и матки (Lydon et al., 1995). PRB-дефицитные самки плодовиты, однако с нормальными реакциями оварий и матки (Mulac-Jericevic et al., 2000), указывающими, что важные функции, регулируемые прогестероном, в матке в первую очередь опосредуются с помощью PRA.
MOLECULAR CHANGES IN THE EPITHELIUM DURING UTERINE RECEPTIVITY
Ткань матки состоит из трех основных слоёв: наружного мышечного слоя, внутреннего просветного слоя и стромального ложа между ними. Эпителий матки это первый клеточный слой, имеющий физический и физиологический контакт с трофэктодермой бластоциста (Murphy, 2004). В условиях координации эстрогеном и прогестероном, эпителиальные клетки эндометрия подвергаются структурным и функциональным изменениям, которые устанавливают восприимчивость матки. Морфологические изменения просветного эпителия включают втягивание апикальных микроворсинок и появление крупных апикальных выпячиваний (pinopodes) (Paria et al., 2002); функциональные изменения обеспечиваются с помощью нескольких факторов, таких как молекулы адгезии, цитокины и гомеотические белки. Многие из этих сигнальных молекул были идентифицированы как потенциальные маркеры восприимчивости матки.
Гликопротеины, экспрессируемые в просветном эпителии, как полагают, действуют как маточный барьер, которые ингибирует взаимодействие между трофобластами и просветным эпителием во время соединения (Dey et al., 2004). Маскировка этих гликопротеинов в месте имплантации коррелирует с повышенной адгезивностью бластоциста с маткой (Paria et al., 2002). Напр., MUC1, mucin-типа гликопротеин полностью располагается в апикальной плазматической мембране просветного эпителия перед имплантацией, тогда как его экспрессия временно подавляется во время периода восприимчивости (Meseguer et al., 1998). У человека, с др. стороны, экспрессия MUC1 сохраняется на высоких уровнях во время промежутка имплантации, это, по-видимому, противоречит анти-адгезивной функции MUC1. Единственным объяснением является то, что эмбрион использует MUC1-ассоциированные гликаны, которые, как было установлено, участвуют в имплантации у кроликов (Horne et al., 2005). Эксперимент in vitro с использованием бластоциста человека и эпителиальных клеток эндометрия показал, что эмбрион индуцирует паракринную дегенерацию экспрессируемого эпителием MUC1 в месте имплантации (Meseguer et al., 2001). Т.о., очевидно, что MUC1 должен быть локально удален в месте имплантации перед успешным прикреплением бластоциста.
Цитокины, продуцируемые клетками трофобласта и эпителием матки важны для перехода матки в восприимчивое состояние, т.к они регулируют экспрессию различных адгезивных молекул. Leukemia inhibitory factor (LIF), который соединяется с LIF рецептором и имеет в доле gp130 в качестве общего сигнал-трансдуцирующего партнера с др. цитокинами (Wang and Dey, 2006), является критическим для имплантации (Stewart et al., 1992). Экспрессия LIF двухфазная на Day 4, обнаруживается в железах матки наутро и переходит на стромальные клетки, окружающие бластоцист во время его прикрепления пополудни (Song et al., 2000). Этот специфический паттерн экспрессии показывает, что LIF играет двойную роль: первоначально в подготовке матки, а позднее в реакции прикрепления (Stewart et al., 1992; Song et al., 2000). Lif-дефицитные самки мышей обнаруживают нарушение имплантации, которая может быть восстановлена добавлением экзогенного LIF. Роль передачи сигналов LIF в имплантации далее была изучена по фенотипу нарушения имплантации после инактивации gp130 благодаря делеции его STAT (signal transducer and activators of transcription) связывающего сайта (Ernst et al., 2001). Однако потенциальный механизм того, как LIF оказывает свои эффекты на имплантацию, неясен. У человека LIF экспрессируется на высоком уровне в железистом эпителии секреторного эндометрия (Rashid et al., 2011). Было также описано, что оптимум уровня LIF необходим для имплантации бластоциста (Menkhorst et al., 2011; Terakawa et al., 2011), находка, дополненная клиническими доказательствами, показавшими, что недостаточные уровни или дефицит LIF связан с необъяснимыми повторяющимися выкидышами и бесплодием женщин (Hambartsoumian, 1998; Ernst et al., 2001; Dey et al., 2004). Эти находки подтвердили, что LIF является критическим для успешной имплантации у женщин.
Msx1, гомеобоксный ген, временно экспрессирующийся в просветном эпителии мышей и железистом эпителии наутро беременности Day 4, но его экспрессия драматически снижается до необнаружимых уровней после завершения восприимчивости матки, а также инициации имплантации бластоциста (Pavlova et al., 1994; Daikoku et al., 2004). У Lif-/- мышей, однако, Msx1 постоянно экспрессируется в эпителии матки даже на Day 6 беременности, подтверждая, что передача сигналов LIF важна для подавления Msx1, что предшествует восприимчивости матки (Daikoku et al., 2004). В дальнейшем это было подтверждено наблюдениями устойчивой экспрессии Msx1 в матке при кондиционной деплеции gp130, партнера рецептора LIF (Daikoku et al., 2011). Недавние исследования продемонстрировали, что кондиционные делеции Msx1 в матке ведут к снижению плодовитости в результате нарушения имплантации. Гистологический анализ Msx1-/- мест имплантации выявил, что просветный эпителий лишен хорошо определяемых крипт для принятия и прикрепления бластоциста (Daikoku et al., 2011). Более того, двойная делеция маточных Msx1 и Msx2 приводит к полной неспособности имплантации из-за изменений полярности клеток просветного эпителия матки и нарушения диалога между стромой и эпителием (Daikoku et al., 2011; Nallasamy et al., 2012), подчеркивая компенсаторную роль Msx2 в становлении восприимчивости матки в отсутствие Msx1. Тем не менее эти результаты подтверждают, что гены Msx1/Msx2 являются критическими для поддержания целостности эпителия матки и тем самым восприимчивости матки, у мышей. Динамическая экспрессия Msx1 в эндометрии женщин к моменту имплантации показывает, что Msx1 может играть потенциальную роль в детерминации восприимчивости матки у женщин (Mirkin et al., 2005).
После прикрепления бластоциста клетки просветного эпителия, окружающие внедрившийся бластоцист, подвергаются апоптозу, тогда как те, что расположены дистальнее от места имплантации остаются интактными (Parr et al., 1987). Апоптоз просветного эпителия играет критическую роль в передаче эмбриональных сигналов подлежащим стромальным клеткам, а неспособность этих клеток подвергаться апоптозу влияет на имплантацию. Напр., Kruppel-like factor 5 (Klf5), транскрипционный факторов, содержащий цинковые пальчики, постоянно экспрессируется в просветном эпителии в течение всей преимплантационной стадии; генетическая потеря KLF5 в эпителии матки ведет к бесплодию самок, поскольку эпителий в месте прикрепления бластоциста неспособен дегенерировать (Sun et al., 2012).
EPITHELIAL-MESENCHYMAL INTERACTIONS CONFER UTERINE RECEPTIVITY
Синхронизация эстрогена и прогестерона направляет матку к принятию состояния восприимчивости матки, это сопровождается очевидными морфологическими и функциональными изменениями в эпителии. Возникает вопрос, как эти два гормона осуществляют свою дифференциальную функцию в двух основных типах клеток матки и какие лежат молекулярные основы во взаимодействиях между стромой и эпителием, существенные для восприимчивости матки. Контроль синергичных и антагонистических взаимодействий овариального прогестерона и эстрогена во время пролиферации клеток матки в противовес дифференцировке, суммированы на Рис. 1.
Figure 1. Putative mechanisms of uterine proliferation and differentiation in response to ovarian steroid hormones. A: The proliferation of uterine epithelium in response to estrogen requires stromal estrogen receptor alpha (ER?) and occurs via paracrine factors whereas the differentiation of uterine epithelium requires both epithelial and stromal ER? and occurs in a paracrine/autocrine manner. B: Progesterone acts through stromal and epithelial PRs to inhibit estrogen-induced epithelial proliferation while inducing proliferation of the underlying stroma. This effect is mediated by numerous progesterone receptor (PR) target genes. COUP-TF II, chicken ovalbumin upstream promoter transcription factor II; Hand2, Heart and neural crest derivatives-expressed protein 2; E2, 17?-estradiol; ER?, nuclear estrogen receptor-?; FKBP52, FK506 binding protein-4; LE, luminal epithelium; P4, progesterone; PF, paracrine factor; PR, progesterone receptor; S, stroma.
Estrogen Acts on Stromal ER? Stimulating the Proliferation of Uterine Epithelium via Paracrine Factors
ER экспрессируется как эпителиальных, так и стромальных клетках взрослой матки и , как первоначально предполагали, что эстроген действует непосредственно через ER в соотв. компартментах (Cooke et al., 1998). Критическая находка, что эстроген стимулирует эпителиальную пролиферацию в матке новорожденных мышей, которая не экспрессирует ER, показала, что эстроген может влиять на митогенез опосредованно (Cooke et al., 1998). Использование ER-негативных αERKO модельных мышей и систем разделения и рекомбинации стромы и эпителия (Cunha, 2008), и ранних исследований, продемонстрировало, что эстроген не может стимулировать эпителиальную пролиферацию в генетически рекомбинированных тканях, которые лишены стромальных ERα, даже в присутствии эпителиальных ERα (Cooke et al., 1997). Вновь разработанная тканеспецифическая техника нокаута предоставила прекрасную модель для дальнейшего исследования эффекта эстрогена на чувствительность матки. Избирательная делеция ERα в эпителии матки (UtEpiaERKO) с использованием Wnt7a-Cre и Esr1-loxp модельных мышей показала, что стромальные ERα ответственны за эстрогеном индуцируемую эпителиальную пролиферацию (Winuthayanon et al., 2010).
Как же estrogen-ERα активность в строме индуцирует эпителиальную пролиферацию? Паракринные действия полипептидных ростовых факторов, таких как Insulin-like growth factor 1 (IGF-1), epidermal growth factor (EGF) или transforming growth factor β (TGFβ), как полагают, служат интегральным компонентом реакции матки на эстрогены. IGF-1, ключевой ростовой фактор, индуцирующий и активирующий строму матки после воздействия эстрогена, необходим для эстрогеном индуцируемого эпителием матки синтеза ДНК посредством передачи сигналов IGF-1 рецептора в просветный эпителий (Chen et al., 2005; Kurita et al., 2005; Zhu and Pollard, 2007). Igf1 нокаутные мыши неспособны отвечать на эстрогеном стимулируемую пролиферацию эпителиальных клеток матки, подтверждая роль IGF1 в обеспечение действия эстрогена в эндометрии (Adesanya et al., 1999; Sato et al., 2002). Эти исследования коллективно подтверждают паракринный механизм эстрогеном обусловленной эпителиальной пролиферации, которая нуждается только в функциональном ERα в подлежащей строме. Более того, после воздействия эстрогена, PR драматически подавляются в эпителии и увеличиваются в строме у дикого типа и UtEpiaERKO мышей, тогда как ICI (антагонист ER) может ингибировать эффект обоих генотипов (Winuthayanon et al., 2010), подтверждая, что стромальный ER? также необходим для эстрогеном индуцируемого подавления маточного эпителиального PR (Kurita et al., 2001).
Differentiation of the Uterine Epithelium Requires Functional ERα in Both the Epithelium and Stroma
Хотя маточный эпителиальный ERα> безразличен для индуцируемой эстрогеном пролиферации эпителия, он важен для завершения биологической и биохимической реакций. Избирательная делеция маточного эпителиальногоERα приводит к нарушению веса матки, индуцируемого с помощью эстрогена, и эпителиального апоптоза после инициальной пролиферации (Winuthayanon et al., 2010). Дифференцировкa маточного эпителия, как показывают секретируемые продукты, такие как lactoferrin (LF), complement component C3 и MUC-1, нуждается в функциональных ERα как стромы, так и эпителия, и может быть непосредственным эффектом передачи сигналов ERα паракинного/аутокринного эффектов, осуществляемых с помощью синтеза секретируемых факторов (Buchanan et al., 1999; Kurita et al., 2000).
Progesterone Acts Through Stromal PR to Antagonize the Proliferative Response of the Epithelium to Estrogen, While Inducing Proliferation of the Stroma
PR-нулевые матки обнаруживают фенотип, сходный с таковым у лишенных оварий мышей, подвергнутых продолжительному действию эстрогена, это указывает на важность активности PR в матке (Lydon et al., 1995). Рекомбинационные эксперименты с использованием маточной ткани от PR-нулевых мышей, продемонстрировали, что PR необходим для снижения пролиферативного эффекта эстрогена на эндометриальный эпителий (Kurita et al., 1998). В последние годы идентифицированы многочисленные гены, которые обеспечивают передачу сигналов progesterone-PR.
Immunophilin FK506 binding protein-4 (FKbp52), co-chaperone, необходимый для соотв. функции маточного PR (Daikoku et al., 2005), обнаруживает перекрывающуюся экспрессию с PR в строме матки. Fkbp52-/- мыши обнаруживают неспособность к имплантации и пониженную функцию прогестерона с преувеличенным эстрогенным влиянием на эпителий (Tranguch et al., 2005a; Yang et al., 2006). На гистологическом и клеточном уровне Fkbp52-/- мыши обнаруживают аберрантную пролиферацию эпителия и низкую пролиферацию в строме, по сравнению с контролем на Day 4 в матке, это соответствует дефектам событий, управляемых прогестероном. Однако, ER активность остается незатронутой и дефект имплантации может быть устранен воздействием высокой дозы только прогестерона у трансгенных мышей с CD1 фоном (Tranguch et al., 2007).
Chicken ovalbumin upstream promoter transcription factor II (Coup-TF II, также известный как NR2F2), член сверх семейства ядерных рецепторов, экспрессируется на высоком уровне в строме матки (Takamoto et al., 2005) , а его экспрессия контролируется передачей сигналов progesterone-Indian hedgehog (IHH)-Patched из эпителия в строму (Kurihara et al., 2007). Кондиционный нокаут маточного гена Coup-TF II ведет к неспособности имплантации и к усилению активности эпителиального ER. Эти находки показывают, что стромальный Coup-TF II является важным PR медиатором, который ингибирует эпителиальную функцию (Kurihara et al., 2007; Simon et al., 2009; Lee et al., 2010).
Basic helix-loop-helix транскрипционный фактор, heart and neural crest derivatives expressed transcript 2 (Hand2) идентифицирован при анализе профилирования генов чувствительной к прогестерону транскрипции в период имплантации у мышей (Li et al., 2011). Прогестерон индуцирует экспрессию Hand2 в строме матки. Избирательное устранение гена Hand2 из клеток матки ведет к неспособности имплантации и продолжительной индукции fibroblast growth factors (FGFs), которые действуют как паракринные медиаторы, чтобы стимулировать estrogen-индуцированную эпителиальную пролиферацию. Это указывает на то, что Hand2 является критическим регулятором общения между стромой и эпителием матки, которое управляет собственно стероидной регуляцией, способствующей становлению беременности.
Epithelial PR Mediates Progesterone Action by Inhibiting Estrogen-Induced Epithelial Proliferation
Несмотря на хорошо разработанную концепцию, что стромальные PR обеспечивают антагонистическую активность прогестерона на пролиферативную реакцию эпителия на эстроген, специфические роли эпителиальных PR на биологию матки в основном игнорировались. Недавнее исследование с использованием Wnt7a-Cre/PRloxp мышиных моделей для устранения маточного эпителиального PR, продемонстрировало, что эпителиальный PR важен для взаимодействия между стромой и эпителием матки. Потеря эпителиального PR приводит к полной неспособности беременности из-за нарушения восприимчивости матки. Эпителиальный PR ингибирует зависимую от эстрогена эпителиальную пролиферацию путем непосредственного воздействия на передачу сигналов IHH (Franco et al., 2011). Эта находка четко демонстрирует, что эпителиальный PR является важным игроком во взаимодействиях между стромой и эпителием в нормальной физиологии матки (Fig. 1).
CROSSTALK BETWEEN THE RECEPTIVE UTERUS AND THE BLASTOCYST
Успешная имплантация является результатом реципрокных взаимодействий между компетентным к имплантации бластоцистом и принимающей маткой (Dey et al., 2004). В дополнение к физическому взаимодействию клеток эмбрионального трофобласта с клетками просветного эпителия матки перед реакцией закрепления, общение между эмбрионом и маткой без сомнения испытывает влияние со стороны множественных генов и белков (Fig. 2).
Figure 2. Signaling pathways participating in embryo-uterus crosstalk. During implantation, the synchronization of ovarian estrogen and progesterone induce an intricate cascade of molecular interactions involving growth factors, cytokines, transcription factors, and vasoactive mediators and their receptors. Timely regulation of the expression of these molecules is necessary for transforming the uterus into receptive state. CB1, brain-type cannabinoid receptor-1; COX-2, cyclooxygenase-2; cPLA2?, cytosolic phospholipase A2?; ENaC, epithelial Na+ channel; ErbB, EGF-receptor family; FGF, fibroblast growth factor; GE, glandular epithelium; HB-EGF, heparin-binding EGF-like growth factor; ICM, inner cell mass; LE, luminal epithelium; LIF, leukemia inhibitory factor; LPA3, lysophosphatidic-acid receptor-3; PPAR?, peroxisome-proliferator-activated receptor-?; S, stroma; Tr, trophectoderm.
Heparin-binding EGF-like growth factor (HB-EGF) был выявлен в качестве раннего молекулярного маркера взаимодействия между эмбрионом и маткой во время имплантации (Das et al., 1994; Wang et al., 1994; Lim and Dey, 2009). Он продуцируется как растворимая и трансмембранная форма и экспрессируется в просветном эпителии матки на стороне, противостоящей бластоцисту в течение нескольких часов перед реакцией присоединения у мышей (Das et al., 1994). Молекулярные и генетические доказательства демонстрируют, что HB-EGF действует посредством петли ауто-индукции, чтобы обеспечить общение между бластоцистом и маткой. Напр., компетентный к имплантации бластоцист экспрессирует повышенные количества HB-EGF, которые в свою очередь индуцируют экспрессию своего собственного гена в эпителии матки, окружающем бластоцист паракринным способом (Hamatani et al., 2004). Более того, продуцируемый маткой HB-EGF облегчает дифференцировку трофэктодермы бластоциста паракринным и/или juxtacrine способом, благодаря взаимодействию с epidermal growth factor receptors ErbB1 и ErbB4 на клеточной поверхности бластоциста (Paria et al., 1999a). Эта ауто-индукционная петля воспроизводится с помощью экспериментов по переносу Affi-gel bead, которые продемонстрировали реакции, похожие на имплантацию, кусочки с предварительно абсорбированным очищенным HB-EGF и перенесенные в восприимчивую матку на Day 4 псевдобеременности (Paria et al., 2001a). Материнский дефицит HB-EGF в матке уменьшает промежуток имплантации, приводя к нарушению исходов беременности, тогда как amphiregulin, др. heparin-связывающий фактор роста член семейства EGF, может частично компенсировать потерю HB-EGF во время имплантации (Xie et al., 2007). У человека экспрессия HB-EGF высокая в восприимчивом эндометрии, указывает, что HB-EGF также может играть важную роль в обеспечении имплантации у женщин (Leach et al., 1999; Wang and Dey, 2006). Сходная передача сигналов адгезивный лиганд-рецептор между эмбрионом и маткой, это базирующаяся на selectin система, используемая во время имплантации (Genbacev et al., 2003). Selectin олигосахаридные лиганды экспрессируются в восприимчивом маточном эпителии и существенно увеличиваются во время фазы восприимчивости, тогда как комплементарные l-selectin рецепторы экспрессируются в клетках трофобласта (Wang et al., 2008). Этот уникальный паттерн экспрессии является критическим для облегчения крепкой адгезии трофэктодермы в эндометрий и, следовательно, для инициации закрепления в процессе имплантации.
Липиды, биосинтезированные из предшественников, высвобождаемых из плазматической мембраны также, как известно, вносят вклад в сигнальные процессы имплантации (Wang and Dey, 2005). Цитоплазматическая phospholipase A 2α (cPLA2α), напр., может избирательно высвобождать arachidonic кислоту для биосинтеза prostaglandin (PG) и поэтому было предположено, что она играет роль в регуляции имплантации эмбриона. Фактически, мыши, нулевые по cPLA2α, постоянно обнаруживают неспособность к своевременной имплантации, подчеркивая физиологическое значение оси передачи сигналов PG при имплантации (Song et al., 2002). Скорость ограничивающий энзим для превращения arachidonic кислоты в PGH2, это cyclooxygenase (COX), которая существует в двух изоформах, COX-1 и COX-2. У мышей, COX-1 экспрессируется в клетках просветного и железистого эпителия матки наутро Day 4 беременности, но становится необнаружимой в клетках просветного эпителия после завершения прикрепления. Напротив, с началом реакции прикрепления среди ночи Day 4, COX-2 первоначально экспрессируется в просветном эпителии, а позднее ограничивается субэпителиальными стромальными клетками на anti-mesometrial полюсе, исключительно окружающим бластоцист (Chakraborty et al., 1996), указывая тем самым на важную роль COX-2 во время имплантации. Это далее было подтверждено наблюдениями неспособности к имплантации у COX-2 нулевых мутантных мышей (Lim et al., 1997). Дефекты у COX-2 дефицитных самок зависели от генетического фона, однако, COX-1 может компенсировать COX-2, чтобы устранить бесплодие на CD1 фоне (Wang et al., 2004). Более того, в отсутствие Klf5, экспрессия COX-2 в просветном эпителии отсутствует, сохраняясь в эпителии вокруг имплантационной камеры, а эмбриональный рост прекращается, всё это подтверждает, что эпителием экспрессируемый COX-2 играет роль в дегенерации просветного эпителия для инвазии бластоциста (Sun et al., 2012).
Среди различных PGs, prostacyclin I2 (PGI2) является главным PG, продуцируемым в месте имплантации у мышей. Необходимость в cPLA2α-COX-2-PGI2 для имплантации эмбриона далее была подтверждена наблюдениями, что добавление PGI2 может восстанавливать нормальную имплантацию эмбриона у COX-2 нокаутных мышей и что у нулевых мутантов по ядерному рецептору PGI2, peroxisome proliferator activated receptor d δ (PPARd δ), уменьшено имплантационное окно (Lim et al., 1999; Wang et al., 2007). Кроме того, интересно отметить, что путь передачи сигналов lysophosphatidic acid 3 (LPA3) может взаимодействовать с сигнальной осью cPLA2α>-COX2-PG. Lpa3-/- самки обнаруживают дефекты, сходные с теми, что обнаруживаются у мышей cPla2α-/- (Ye et al., 2005). Напр., аберрантная экспрессия COX-2, хотя воздействие PGs может восстанавливать надлежащее время имплантации у LPA3-нулевых самок (Song et al., 2002). Физиологическое значение передачи сигналов PG во время имплантации эмбрионов человека доказано в исследованиях, показавших, что и COX-1 и COX-2 экспрессируются в эндометрии во время периода имплантации, с снижение синтеза PG в эндометрии женщин ведет к низкой восприимчивости эндометрия (Marions and Danielsson, 1999; Achache et al., 2010).
Др. липидной сигнальной молекулой, которая обеспечивает диалог между эмбрионом и маткой во время имплантации является anandamide, главный эндогенный cannabinoid, который может действовать посредством G-protein-coupled каннабиноидных рецепторов CB1 и CB2 (Wang et al., 2006). Предыдущие исследования на мышах предоставили доказательства, что низкие уровни anandamide являются критическими для имплантации, поскольку уровни anandamide в матке и CB1 в бластоцисте скоординировано подавляются в восприимчивой матке и активированном бластоцисте, соотв. (Paria et al., 2001b; Guo et al., 2005). Фактически, anandamide внутри очень узких пределов регулирует функцию и имплантацию бластоциста за счет дифференциально модулированной передачи сигналов mitogen-activated protein kinase (MAPK) и активности Ca2+ каналов посредством рецепторов CB1. Напр., anandamide в низких концентрациях индуцирует активацию передачи сигналов MAPK (Wang et al., 2003), тогда как anandamide при более высоких концентрациях ингибирует активность каналов Ca2+ и компетентность бластоцистов к имплантации в отсутствии влияния передачи сигналов MAPK . Т.о., вполне возможно, что критические уровни, происходящих из матки endocannabinoids, взаимодействуют с соотв. образом экспрессируемым CB1 в бластоцисте, чтобы синхронизировать активацию бластоциста с готовностью матки к имплантации, тогда как аберрантные уровни маточных endocannabinoids и/или CB1 в бластоцистах мешают этим процессам, приводя к прекращению беременности. Важно отметить, что спонтанные прерывания беременности, связанные с повышенными уровнями anandamide у женщин (Maccarrone et al., 2000; Habayeb et al., 2008), подтвердили, что передача сигналов endocannabinoid является важным детерминантом имплантации эмбриона.
Помимо физических сигналов, множество различных молекул также участвуют в передаче химических сигналов, важных для имплантации эмбрионов. Чувствительные к amiloride epithelial Na + channel (ENaC), кодируемые генами SCNN1 из сверхсемейства degernerin/ENaC, являются критическими для реабсорбции электролитов и воды (Ruan et al., 2012). У мышей, ENaC располагаются в апикальной мембране эпителия эндометрия матки и активируются во время периода пре-имплантации (Ruan et al., 2012). Поэтому мы полагаем, что активация ENaC может быть ответственной за исчезновение жидкости из матки или за закрытие просвета матки. Вторгшийся в матку эмбрион может высвобождать трипсин, серин протеазу, как известно, активирующую ENaC (Vallet et al., 1997; Kleyman et al., 2009). Недавно Ruan et al. (2012) продемонстрировали, что активация ENaC в матке мышей регулирует продукцию и высвобождение простагландинов, воздействуя тем самым на имплантацию. Блокирование или нокдаун ENaC в матке мышей ведет к неспособности к имплантации. В этой связи полезно вернуться к перекрестной ссылке на предыдущее исследование SGK1 (serum- and glucocorticoid-inducible kinase), ключевого регулятора транспорта натрия в эпителии млекопитающих (Fejes-Toth et al., 2008). SGK1 функционирует путем прямой активации и стабилизации пула ENaC за счет ингибирования ubiquitin лигазы NEDD4-2 (Lang et al., 2006). У мышей, уровни sgk1 мРНК временно снижаются в просветном эпителии во время промежутка восприимчивости матки (Fisher and Giudice, 2011; Salker et al., 2011). Внесение в просвет матки вектора с избыточной экспрессией sgk1 устраняет нормальную имплантацию, сопровождаемую заметно увеличенными уровнями ENaC ?-единицы. "jn результат указывает на то, что избыточная экспрессия маточных ENaC также может быть вредной для имплантации.
FLEXIBILITY OF UTERINE RECEPTIVITY
Хотя восприимчивость матки наблюдается только в течение короткого, ограниченного периода, она может быть модифицирована под действием различного гормонального окружения.
Estrogen Is a Critical Determinant Specifying the Duration of Uterine Receptivity for Implantation
У грызунов эстроген важен для приготовления к индуцируемой прогестероном восприимчивости матки. Удаление яичников перед преимплантационной экспрессией эстрогена на утро Day 4 приводит к дремотному состоянию бластоциста и ингибированию имплантации, известной как задержанная имплантация. Эта нейтральная фаза матки может поддерживаться постоянным воздействием прогестерона, но заканчивается инъекцией эстрогена (Paria et al., 1992; Song et al., 2002).
Воздействие различных доз эстрогенов на продолжительность имплантационного периода было изучено с использованием модели задержанной имплантации (Ma et al., 2003). Напр., эстроген при низком пороговом уровне расширяет окно восприимчивости матки, тогда как эстроген при физиологически высоких уровнях быстро урезает окно восприимчивости матки, переводя матку в рефракторное состояние, которое сопровождается аберрантной экспрессией в матке генов, связанных с имплантацией, таких как LIF (Ma et al., 2003). Модель, согласно которой высокие уровни эстрогена вредны для пре-имплантационных событий, далее была подтверждена находками, что гипер-стимулирование яичников ведет к неспособности к имплантации и резорбции эмбриона (Ertzeid and Storeng, 2001; Shapiro et al., 2011). У женщин продолжительность жизни полностью развитых, pinopodes длится максимум 48 ч, подтверждая переходное клеточное состояние восприимчивости эндометрия (Nikas et al., 1999). После стимуляции яичников с помощью clomiphene citrate и human chorionic gonadotropin (hCG), pinopodes формируются на 1-2 дня раньше, чем при натуральном цикле (Cavagna and Mantese, 2003). Более раннее образование pinopode, вызываемое стимуляцией яичников может играть роль в сдвиге окна восприимчивости матки, и поэтому разумно предположить, что снижение имплантации при in vitro fertilization (IVF) может быть обусловлено асинхронностью между эндометрием и бластоцистом, возникающее в результате воздествия высоких уровней эстрогена (Devroey et al., 2004).
Progesterone Supplementation Extends the Window of Uterine Receptivity
У мышей бластоцист может инициировать имплантацию вне обычного "окна" восприимчивости матки (Song et al., 2007). Напр., бластоцисты могут всё ещё инициировать прикрепление к невосприимчивой матке, когда вносятся на Day 5 псевдобеременности, но имплантации не происходит, если нормальные бластоцисты переносятся на Day 6 псевдобеременности. Добавление экзогенного прогестерона может продлить окно имплантации до Day 6, это может быть обусловлено устойчивой экспрессией LIF (Song et al., 2007). Отложенная имплантация эмбриона за пределы нормального "окна" восприимчивости матки ведет к эмбриональной гибели до рождения у мышей, однако (Song et al., 2002; Wang and Dey, 2006), это часто ассоциирует с высоким риском ранней потери беременности у женщин (Wilcox et al., 1999).
IMPLICATIONS FOR HUMAN INFERTILITY
Несмотря на существенные успехи в IVF и технологии переноса эмбрионов у женщин, величина успешных беременностей остается неутешительно низкой; неспособность к имплантации обусловлена несоответствующей восприимчивостью матки (Miller et al., 2012). Поскольку изучение эндометрия матки женщин имеет множество ограничений, включая этические и отсутствие идеальных культуральных систем для исследований сложных межклеточных взаимодействий, современные прогресс в лечении бесплодия базируется преимущественно на животных моделях, в частности, мышиных моделях (Lim and Wang, 2010). В самом деле, исследования мышиных моделей предоставили важную информацию о молекулярных основах имплантации у человека. Некоторые критические молекулы для имплантации у мышей являются проспективными маркерами для оценки качества и стадии матки у женщин (Table 1) (Giudice, 1999; Cavagna and Mantese, 2003; Achache and Revel, 2006). Напр., LIF, interleukin-11 (IL-11), HB-EGF, COX2 и члены гомеобоксного (HOX) семейства, которые важны для разных стадий имплантации у мышей, также участвуют в имплантации у женщин (Salamonsen et al., 2009; Menkhorst et al., 2011). Экспрессия этих генов нарушена в эндометрии бесплодных женщин (Laird et al., 2006; Lim and Wang, 2010). Дальнейшая информация об этих важных регуляторных молекулах может помочь увеличить количество успешных беременностей, а также помочь разработке новых контрацептивов (Salamonsen et al., 2009). Фактически, специфические ингибиторы LIF и IL-11 были разработаны для блокирования имплантации: полное блокирование имплантации получалось с помощью ингибиторов LIF (White et al., 2007), тогда как полное блокирование беременности обусловливалось дефицитом децидуальной ткани, достигаемым от воздействия ингибитора IL-11 при тестировании на мышах (Menkhorst et al., 2009). Появление вновь разработанных -omics подходов, таких как proteomics и secretomics, было использовано для скрининга новых биомаркеров для датирования эндометрия во время эстрогенного цикла (Haouzi et al., 2009; Diaz-Gimeno et al., 2011), это привело к вычленению множества дифференциально экспрессируемых генов и белков в эндометрии в фазе невосприимчивости и восприимчивости (Carson et al., 2002; Kao et al., 2002; Borthwick et al., 2003; Riesewijk et al., 2003; Pabona et al., 2012). Будут или нет такие дифференциальные профили использованы для клинического применения и оптимизации IVF протоколов нуждается в дальнейшем определении на женщинах.
Table 1. Molecules Associated With Endometrial Receptivity
CONCLUSIONS AND PROSPECTS
The uterus is one of the most fascinating tissues in mammals, whose major purpose to accept implantation-competent blastocysts during a relatively short period of uterine receptivity. It has been generally accepted that uterine receptivity is one of the key events determining the success of pregnancy. Moreover, derailed endometrial receptivity also largely accounts for low pregnancy success rates in assistant reproductive technique programs (Wilcox et al., 1999; Diedrich et al., 2007; Miller et al., 2012).
Despite all recent advances in understanding the nature of uterine receptivity, the molecular basis of uterine receptivity and crosstalk between the blastocyst and the uterus during implantation remains largely unknown. On the one hand, the list on implantation-associated molecules is still expanding, so the signaling pathways and mechanism of these newly identified regulators need to be further deciphered. On the other hand, many defined genes that are expressed in an implantation-specific manner and appear to be important for implantation cannot be studied in depth because deletion of these genes often results in embryonic lethality or developmental defects. Thus, it is of paramount importance to define the precise hierarchical arrangements of the genes involved in implantation through inducible cell- and stage-specific silencing or activation of candidates. Since the duration of the implantation window depends on timely regulated expression of a wide range of genes, the integration of proteomics, genomics, and metabolomics with system biology approaches should be adopted for a better, holistic understanding the molecular signature of uterine receptivity and embryo-uterine dialog. Only when endometrial receptivity is better understood at the molecular and physiological level will it be possible to manipulate the uterine environment to improve fertility and to develop new non-hormonal contraceptives for humans.
|