Расшифрован механизм действия прогестерона на фертильность сперматозоидов

Оплодотворение: сперматозоид преодолел все препятствия и соединился с яйцеклеткой. Чтобы эта жизненно важная задача была счастливо завершена, необходимы, помимо прочего, прогестерон, кальций и, как выяснилось, их белковый посредник. Изображение с сайта thelocal.de
Оплодотворение: сперматозоид преодолел все препятствия и соединился с яйцеклеткой. Чтобы эта жизненно важная задача была счастливо завершена, необходимы, помимо прочего, прогестерон, кальций и, как выяснилось, их белковый посредник. Изображение с сайта thelocal.de

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.

Прогестерон воздействует на кальциевый канал CatSper, расположенный на хвостике сперматозоида; это приводит к резкому увеличению его пропускной способности и, соответственно, к быстрому увеличению концентрации Са2+ в хвостике сперматозоида. После этого запускается кальций-зависимый ответ сперматозоида, приводящий к созреванию и внедрению сперматозоида в яйцеклетку. Рисунок из пресс-релиза Центра передовых исследований
Прогестерон воздействует на кальциевый канал CatSper, расположенный на хвостике сперматозоида; это приводит к резкому увеличению его пропускной способности и, соответственно, к быстрому увеличению концентрации Са2+ в хвостике сперматозоида. После этого запускается кальций-зависимый ответ сперматозоида, приводящий к созреванию и внедрению сперматозоида в яйцеклетку. Рисунок из пресс-релиза Центра передовых исследований

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 Strünker, 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, João E. Carvalho, Matthew Gilliham, Lai-Hua Liu, Gerhard Obermeyer, José 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


14
Показать комментарии (14)
Свернуть комментарии (14)

  • Frank  | 21.03.2011 | 08:44 Ответить
    Потрясающая техника исследования, интереснейший материал. Правда, я так и не понял, каким образом сперматозоид "ориентируется" по градиенту прогестерона. Из прочитанного создаётся впечатление, что он должен быть изначально "удачно" ориентирован в сторону увеличения концентрации прогестерона, чтобы дойти до яйцеклетки. Но у меня всё же есть предположение, что у сперматозоида есть не только "педаль газа", но и "руль", который и "выруливает" спермотозоида в нужном направлении. Кто-то в курсе, есть ли такой механизм, или сперматозоиды действительно плывут "только в перёд, ни шагу назад"?
    Ответить
    • naimark > Frank | 21.03.2011 | 13:16 Ответить
      В статьях про это не написано, хотя и вправду хотелось бы уточнить про "руль"
      Ответить
      • ФедорБ > naimark | 21.03.2011 | 14:19 Ответить
        В статье написано, что кальциевый канал активируется и прогестероном, и щелочной средой (alkaline pH). Если я правильно помню то, чему меня учили, то сперматозоид плывет к яйцеклетке именно по градиенту pH. Связана ли активация канала со скоростью шевеления хвостика сперматозоида? Если это так, то и руля не надо, а из миллионов конкурсантов первым доплывает тот, кто изначально был хорошо ориентирован по градиенту концентрации и соответственно шевелил хвостиком все быстрее и быстрее по мере продвижения к цели.
        Ответить
        • Frank > ФедорБ | 21.03.2011 | 17:10 Ответить
          Во всяком случае такое предположение согласуется с большим количеством сперматозоидов в сперме при том, что 1) нужен всего один, и, как правило, именно один и достигает цели; 2) природа не любит (читай - эволюция отсеивает) излишеств и пустой траты ресурсов (следовательно, для миллионов сперматозоидов при достаточности всего одного должны быть веские основания, например - отсутствие регулирования направления сперматозоида, необходимость изначально "верной" пространственной ориентации).
          Ответить
          • olamo > Frank | 21.03.2011 | 21:36 Ответить
            Маленькая ремарка относительно первого пункта. Дело в том, что хотя для оплодотворения необходим только один сперматозоид, в его проникновении в яйцеклетку участвуют многие его "товарищи". Яйцеклетка окружена множеством оболочек, для разрыхления которых необходимы акросомальные ферменты, содержащиеся в кончике головки сперматозоида. Именно суммарные усилия нескольких сперматозоидов по преодолению оболочек яйцеклетки приводят к выделению достаточного количества ферментов, позволяющих одному из них проникнуть внутрь. При искусственном оплодотворении этот процесс упрощается тем, что у яйцеклетки отсекаются оболочки.
            Прочитать об этом можно здесь: http://blogmedika.ru/2009/02/18/mehanizm-zachatiya/
            Хотя, действительно, соотношение добравшихся до яйцеклетки сперматозоидов к их общему числу составляет 1:1000000.
            Ответить
          • matod > Frank | 23.03.2011 | 04:41 Ответить
            Если бы сперматозоид мог двигаться в одном направлении - может быть это было бы и правильно. Но на его движение будет влиять масса факторов - течение жидкостей, препятствия, "соседи"... Т.е. если сперматозоид не сможет корректировать направление движения, то вся толпа будет топтаться на месте. Конечно, вероятность, что кто-то выскочит из толпы и по какой-то причине направится в нужную сторону сохраняется. Но эта причина очень быстро будет закреплена отбором.

            Тем более что ничего изобретать нового не надо - хемотаксис вообщем-то распространенное явление :). А алгоритм работы может быть довольно простым, например "если концентрация низкая - плывем по кругу, если повышается - стараемся плыть прямо".

            Большое количество сперматозоидов скорее объясняется
            а) историческими причинами, когда им приходилось перемещаться во враждебной внешней среде (наружное оплодотворение)
            б) спермовыми войнами
            Ответить
            • Frank > matod | 23.03.2011 | 23:06 Ответить
              > "если концентрация низкая - плывем по кругу, если повышается - стараемся плыть прямо"

              В таком случае возникнет очень интересный вопрос - каким образом сперматозоид измеряет концентрацию, а ещё интересней - как и где он запоминает предыдущие значения, чтобы получить значение градиента и определить направление куда плыть :) ; наконец, вопрос механизма изменения направления снова встанет - ведь хвост у сперматозоида один, и механизм работы вроде бы слишком прост, чтобы каким-то очевидным образом корректировать траекторию.

              В общем, я склонился к мысли, что тут вопрос чистой удачи (с начальной ориентацией). Иначе сперматозоиду придётся приделывать какой-то, пусть и примитивный, но интеллект :)))
              Ответить
              • matod > Frank | 26.03.2011 | 05:54 Ответить
                Не нужно никакого интеллекта, даже примитивного. Эффективные поведенческие алгоритмы не обязательно должны быть сложными. В частности, для движения по градиенту концентрации не обязательно хранить результаты измерения. Достаточно периодически показывать "верное" направление.

                Устроено это может быть например так: по бокам "головы" сперматозоида расположены рецепторы прогестерона. При взаимодействии с молекулой сигнального вещества "голова" слегка поворачивается в ту сторону, с которой пришла молекула. Полагаю, это будет очень простой механизм, не требующий ни особых энергетических затрат, ни экспрессии генов: пришел сигнал справа - сократилась правая "мышца", пришел слева - левая. Понятно, что чаще молекулы будут попадать со стороны, направленной на источник прогестерона.

                Первая попавшаяся ссылка на запрос "движение сперматозоида" привела к статье http://www.eurolab.ua/anatomy/42/ где упоминается, что доказано, что сперматозиды предпочитают плыть "против течения". Не думаю, что реотаксис устроить проще, чем хемотаксис. И в условиях конкуренции со сперматозоидами других самцов вполне рационально воспользоваться этим древним изобретением одноклеточных. Не говоря уж о том, что путь сперматозоида - это не простое движение по плоскости, а "бег с препятствиями". :)
                Ответить
                • Frank > matod | 26.03.2011 | 07:12 Ответить
                  Ну, во-первых, вроде бы никаких рецепторов по бокам у сперматозоида нет - из обсуждаемой статьи я понял, что прогестерон воздействует непосредственно на сам хвостик. Во-вторых, градиент прогестерона не настолько велик, я думаю, чтобы при размере сперматозоида концентрация сколько-нибудь существенно отличалась "по правому борту от по левому" :) Сперматозоид должен существенно (в сравнении с его размером) сместиться, чтобы концентрация значимо изменилась. Иначе градиент вынужден будет принимать баснословные значения ;)
                  Ответить
                  • mala_herba > Frank | 29.03.2011 | 05:06 Ответить
                    Здесь есть обзор статей о хемо- и термотаксисе сперматозоидов http://www.weizmann.ac.il/Biological_Chemistry/scientist/Eisenbach/pdf/EIsenbach%26Giojalas%20NR%2006(P110).pdf , возможно, немного устаревший. В обзоре говорится, что есть два различных ответа на действие химических веществ – хемотаксис, то есть направленное движение за или против градиента вещества, и хемокинез – это когда вещество просто заставляет клетку двигаться быстрее. Сперматозоиды человека отвечают на действие прогестерона, как таксисом, так и кинезом, иначе говоря, прогестерон и нажимает на «педаль газа», и вращает «руль». Хотя молекулярние механизмы этих процессов были неизвестными в 2006 году (не знаю как сейчас). А по поводу большого количества сперматозоидов в обзоре есть хорошее объяснение.
                    Ответить
                    • Frank > mala_herba | 29.03.2011 | 14:01 Ответить
                      О, спасибо, обстоятельная статья!
                      Полезным оказалось даже почитать собственно википедию (http://ru.wikipedia.org/wiki/Хемотаксис), хоть там и о бактериях в общем-то.
                      Вот интересные выдержки оттуда:
                      "Чувствительность бактерии впечатляет — они легко детектируют изменение концентрации на 0,1 % при микромолярных концентрациях веществ, а диапазон детектируемых концентраций перекрывает пять порядков."
                      "Мембранные рецепторы группируются в кластеры, как правило расположенные на полюсах клетки, однако это не может помочь бактерии уловить разницу концентраций между полюсами, поскольку она будет слишком маленькой из-за малого размера самой клетки. Вместо этого бактерии ориентируются в химических градиентах путем измерения временных изменений концентраций при движении. Обычно скорость движения Escherichia coli составляет 10—20 своих длин в секунду. Сравнивая текущую загруженность хеморецепторов специфическими лигандами с таковой несколько секунд назад, клетка фактически может «измерить» разницу концентраций определенного вещества на расстоянии, во много раз превышающем длину самой клетки. Такое измерение концентрации лиганда во времени возможно за счет адаптивного метилирования хеморецепторов, которое зависит от загруженности их лигандами. Задержка во времени, между связыванием лиганда и метилированием рецептора, представляет собой своеобразную молекулярную «память», которая и позволяет измерять изменение концентраций лиганда."
                      Так что у них таки есть память :) Своеобразная, краткосрочная, но память.
                      Удивительный мир :)
                      Ответить
            • bof1 > matod | 25.03.2011 | 01:10 Ответить
              Сперматозоиды могут объединяться в небольшие плотные стайки, что позволяет им обгонять конкурентов-одиночек. У американских хомячков Peromyscus maniculatus, у которых самки спариваются с несколькими самцами подряд, сперматозоиды умеют отличать родню от чужаков и объединяются преимущественно со «своими». У близкородственного моногамного вида P. polionotus сперматозоиды лишены подобной избирательности.
              http://elementy.ru/news/431245
              Ответить
              • Frank > bof1 | 26.03.2011 | 07:18 Ответить
                Спасибо за напоминание о статье этой, но в ней ничего не сказано, формируются ли такие пакеты в одном и том же направлении (по градиенту, "против течения"), или же пакеты движутся во всех направлениях, например, в направлении, куда плыло большинство (или в направлении результирующей геометрически сложенных векторов направлений отдельных сперматозоидов).
                В общем, нам есть о чём ещё интересном узнать в этой сфере ;)
                Ответить
    • canningfruit > Frank | 04.04.2011 | 01:10 Ответить
      Довольно-таки интересная новость!!!
      Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»