Molecular biological bases for intraovarian folliculogenesis follicular maturation and recruitment

Sokolova Yu.V., Martirosyan Ya.O., Nazarenko T.A., Biryukova A.M., Khubaeva D.G., Krasnova V.G.

1) Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center of Obstetrics, Gynecology, and Perinatology, Ministry of Health of the Russian Federation, Moscow, Russia 2) I.M. Sechenov First Moscow State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation (Sechenov University), Moscow, Russia
The review discusses new approaches to studying the stages of folliculogenesis and analyzes the contribution of the major signaling pathways to the processes of intraovarian regulation of folliculogenesis, follicle recruitment and maturation.
Materials and methods: The review includes data from the foreign and Russia articles found in Pubmed on the topic under consideration and published in recent years.
Results: The review analyzes research data on the regulation of the female reproductive system with emphasis on experimental studies of the signaling pathways that regulate intraovarian folliculogenesis and defines prospects for their use in clinical practice. On the basis of new knowledge, the authors consider the possibilities of preventing severe infertility associated with a small number of obtained oocytes and their poor quality, overcoming premature ovarian failure, and protecting the ovaries against gonadotoxic effects. They underline the need for expanding and intensifying the study of the processes of intraovarian folliculogenesis and choosing a gonadotropin-dependent pool of follicles.
Conclusion: The presented studies demonstrate the interest of scientists in the investigation of complex issues of intraovarian folliculogenesis and the role of signaling pathways in this process and touch on molecular genetic involvement and transcriptome analysis. It is necessary to further accumulate this knowledge and conduct fundamental studies for the development of reproductive medicine and the resolution of the problems of reproductive pathology, the situations that we cannot explain now or, therefore, effectively treat.

Keywords

signaling pathways
folliculogenesis
in vitro maturation

За последние 40 лет наблюдается непрерывный прогресс в репродуктивной медицине, сопровожда­ющийся возникновением новых и более совершен­ных методик вспомогательных репродуктивных тех­нологий. Тем не менее частота наступления бере­менности (ЧНБ) в развитых странах мира достигла своего плато и не меняется кардинально на протя­жении последнего десятилетия. Анализ регистров Российской ассоциации репродукции яеловека (РАРЧ) за период 2012-2018 гг., представленный на рисунке, подтверждает этот факт.

В соответствии с данными регистра РАРЧ за 2018 г., ЧНБ после переноса эмбрионов на стадии бластоцисты, по сравнению с переносом на ста­дии дробящегося эмбриона, оказалась более высо­кой и составила соответственно в свежих циклах экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) и интрацитоплазматической инъекции сперматозо­ида (ИКСИ) — 38,6 и 28,1%, в циклах с разморо­женными эмбрионами — 41,7 и 32,4%, в циклах с донорскими ооцитами — 46,0 и 30,2%, в циклах с преимплантационным генетическим тестирова­нием (ПГТ)/преимплантационным генетическим скринингом (ПГС) — 47,5 и 22,6% и в программах суррогатного материнства — 45,6 и 41,3%.

23_01.jpg (81 KB)

Сравнив аналогичные данные регистра РАРЧ за 2013 г., мы не обнаружили значительного повыше­ния ЧНБ на цикл ЭКО; она составила в расчете на цикл лечения 33,1% (2012 г. — 33,0%), на пунк­цию — 34,2% (2012 г. — 34,3%), на перенос эмбрио­нов — 38,5% (2012 г. — 38,5%). В программе ИКСИ эти показатели составили соответственно 29,7, 30,87, 36,9% (2012 г. — 29,6, 30,4, 36,1%). ЧНБ в программе донорства ооцитов составила в расчете на цикл 38,2% (2012 г. — 40,6%), на перенос эмбрионов — 43,8% (2012 г. — 44,1%). Эти же показатели в программе переноса размороженных эмбрионов в расчете на цикл составили 29,6% (2012 г. — 31,3%), на перенос эмбрионов — 33,4% (2012 г. — 33,2%); в программе ПГТ/ПГС на цикл — 20,5% (2012 г. — 28,8%), на перенос эмбрионов — 31,8% (2012 г. — 36,9%).

Таким образом, ни широкое использование в рутинной клинической практике методов ПГТ, ни модификации протоколов контролируемой овари­альной стимуляции и эмбриологических пособий не привели к значительным изменениям по основным показателям эффективности программ ЭКО: ЧНБ и частоте живорождения.

Кроме того, многие вопросы, касающиеся генеза ряда нарушений репродуктивной системы, остают­ся без ответа. Специалисты продолжают задавать­ся вопросом о природе идиопатического бесплодия, почему формально здоровые пары не могут достичь беременности? Неясно, почему молодые женщины без видимых причин имеют низкие показатели ова­риального резерва, почему в повторяющихся циклах ЭКО имеют место низкое качество ооцитов и так называемый «арест раннего эмбриогенеза», когда эмбрионы перестают развиваться на 2-3-й день куль­тивирования. И наконец, существует ли межцикловая вариабельность качества рекрутированных фоллику­лов и от чего это зависит?

Ответы на эти и ряд других вопросов лежат, скорее всего, не на поверхности, в плоскости гормонально­зависимой фазы фолликулогенеза, а в определении характера и особенностей внутрияичникового фол­ликулогенеза, механизмов перехода фолликулов от одной стадии развития к другой. Ряд дефектов ооге­неза формируется в отсутствие гонадотропной регу­ляции и, вероятно, полностью зависит от внутрен­них сигнальных механизмов, сложной сети переда­чи сигналов между ооцитом и его окружением [1].

Для идентификации механизмов формирования «поломок» в ооцитах и дальнейшего поиска их пре­одоления принципиально важным становится изуче­ние механизмов их первичной селекции [2].

Теории рекрутирования пула фолликулов и перехода их в гонадотропин-зависимую фазу

Успешное применение модифицированных прото­колов овариальной стимуляции и возможность сти­муляции яичников в любой день менструального цикла, в режимах так называемых random-start прото­колов, создали определенный научный парадокс [3]. Ведь, следуя классическим, сформулированным в прошлом столетии представлениям о функции яич­ников, это невозможно, т.к. считается, что когорта фолликулов, выходящих в гонадотропин-зависимую фазу, рекрутируется один раз в течение цикла, к концу лютеиновой фазы предыдущего цикла. Один фолликул становится доминантным и овулирует, дру­гие подвергаются атрезии. Считается, что стимуляция с начала фолликулярной фазы за счет повышения концентрации ФСГ «спасает» фолликулы, которые должны были бы атрезироваться, тем самым обес­печивает мультифолликулярный рост [4]. Это клас­сика стимуляции функции яичников, существующая десятилетиями. Клиническая практика последних лет опровергает классические представления о физиоло­гии фолликулогенеза.

На данный момент были предложены три различ­ные теории рекрутирования фолликулов [4].

  • Теория непрерывного рекрутинга. Исследования, проведенные изначально на млекопитающих, в пер­вую очередь на крупном рогатом скоте, привели к выводу о непрерывно происходящем рекрутинге фол­ликулов, вне зависимости от уровней ФСГ и ЛГ [4].
  • Теория единичного эпизода рекрутирования за цикл, в соответствии с которой когорта из антральных фолликулов диаметром 2—5 мм лишь единожды за менструальный цикл (или интеровуляторный интер­вал) отбирается для дальнейшего развития или апоп­тоза [4].
  • Теория «волнового» рекрутинга. Сторонники «волновой» теории фолликулогенеза считают, что несколько когорт, или «волн», антральных фолли­кулов вступают в фазу роста за один менструальный цикл или интеровуляторный интервал [5].

«Волновым» развитием фолликулов принято счи­тать рекрутирование группы антральных фолликулов через равные промежутки времени в течение мен­струального цикла или интеровуляторного интерва­ла. Фолликулы в каждой из волн имеют схожие, но не идентичные характеристики [5]. Как правило, один из рекрутируемых фолликулов становится доми­нантным, остальные же подвергаются атрезии. Новые волны манифестируют через равные промежутки времени, каждой из них предшествует небольшое увеличение концентрации ФСГ. В одном интерову­ляторном интервале первая волна является ановуля- торной, последняя же всегда оканчивается овуляцией. В самом подробном из существующих на данный момент исследований яичники 63 нормально мен­струирующих женщин в возрасте от 19 до 43 лет (сред­ний возраст 28 лет и 7 месяцев) изучены при помощи трансвагинального ультразвукового исследования [6].

Если исходить из предположения, что рекрутинг фолликулов из яичника происходит непрерывно в течение менструального цикла и не зависит от вли­яния центральных структур, то сам по себе яичник следует считать самодостаточной и саморегулиру­ющейся структурой, в которой вследствие неясных пока механизмов осуществляются основные про­цессы роста, развития фолликулов и обеспечение полноценности ооцитов. То есть, проводя стимуля­цию яичников в гонадотропин-зависимой фазе, мы имеем дело уже с вершиной айсберга, в которой в значительной степени предопределено число и каче­ство имеющихся яйцеклеток.

Извлечение и дозревание незрелых фолликулов

Предпринимаются попытки извлечения и дозрева­ния незрелых ооцитов [7]. Существует точка зрения, что первичные фолликулы могут быть более состо­ятельными в обеспечении репродукции, т.к. лише­ны дефектов, возможно, приобретаемых в процессе их развития и созревания. В клинической практике довольно успешно «дозревают» ооциты, находящиеся на стадии профазы первого мейоза — MI. Однако частота наступления беременности из «дозревших» и оплодотворенных ооцитов оказалась значительно ниже, чем в классической ситуации получения зрелых ооцитов [8]. Специалисты не без основания полага­ют, что причиной этого является не качество извле­ченного незрелого ооцита, а условия культивирова­ния in vitro, неспособные преодолеть асинхронное созревание ядра ооцита и интрацитоплазматических структур. Но эта проблема представляется решаемой путем модификации и совершенствования сред куль­тивирования ооцита [8].

В этой связи в последнее время значительно вырос интерес к проблеме культивирования in vitro незрелых ооцитов, определения их способности к оплодотво­рению и выходу бластоцист. Определяются методики получения незрелых ооцитов, т.е. с минимальной стимуляцией или без таковой, и проводится оптими­зация сред для дозревания [5].

Развитие направления сохранения репродуктивно­го материала онкологических больных способствова­ло получению незрелых ооцитов из ткани удаленного яичника [9]. Более того, предпринимаются попытки культивирования не только незрелых ооцитов на ста­дии профазы первого мейоза, но и на стадии герми­нального везикула [6].

В целом дозревание незрелых ооцитов может быть перспективным для клинической практики направ­лением.

Пренатальный фолликулогенез

Достижения фундаментальной эмбриологии и био­логии развития позволяют сместить фокус исследо­ваний с последних 10 дней развития фолликула на процессы, происходящие до гонадотропин-зависи- мой фазы, и сам механизм селекции примордиальных фолликулов.

Сам по себе пренатальный фолликулогенез явля­ется загадкой. Так, к 26-й неделе развития плода в яичниках можно наблюдать от 6 до 7 млн приморди­альных и антральных фолликулов. На момент рожде­ния это число катастрофически снижается до 400 000 фолликулов. Далее до конца не изученные внутрио- вариальные механизмы активируют рост небольшого количества спящих первичных фолликулов, большая часть из которых уйдет впоследствии в атрезию; при­мерно к 50 годам у женщин остается около 1000 фол­ликулов [10].

Почему природа так жестко ограничила репродук­тивный период женщины и можно ли это изменить? Не исключено, что репродуктивный запас вполне достаточен для поддержания человеческого вида, ведь природа предполагала, что женщина, достигнув поло­вой зрелости, начнет рожать детей, что и было рань­ше, но не сейчас.

Можно ли пополнить запас яйцеклеток?

Пул примордиальных фолликулов считается единственным источником ооцитов для оплодот­ворения [11], хотя эта теория подвергалась сомне­нию в течение последнего десятилетия [12]. Группа Tilly J.L. была первой, сообщившей об обнаружении стволовых клеток в яичниках взрослых мышей [13]. Сообщалось об обнаружении клеток, активно экс­прессирующих MVH (mouse vasa homologue) и BrdU (маркер пролиферации 5’-бромдезоксиуридин), в поверхностном эпителии яичников мыши (OSE). Позднее, с помощью проточной цитометрии этими же учеными в яичниках обнаружен VSELs (Very Small Embryonic-Like Stem Cells), фактор, относя­щийся к разряду плюрипотентных стволовых кле­ток и, предположительно, способный дать начало закладке OSC, специфичных предшественников ооцитов [13]. Позже группа Virant-Klun et al. [14] впервые сообщила о плюрипотентных стволовых клетках в организме человека. Эти стволовые клет­ки были очень малы по размеру (3—5 мкм), и VSELs, которые экспрессировали плюрипотентные маркеры на культуре, приводили к дифференци­ровке этих стволовых клеток в ооцитоподобные структуры размером >90 мкм с четко определенной прозрачной зоной. В то же время было показа­но, что ооцитоподобные структуры, полученные путем дифференцировки клеток, находящихся в ОСЕ, способны подвергаться оплодотворению и кортикальной реакции при инкубации со спермой. Было показано, что VSELs существуют в большом количестве в ткани яичников, собранной у жен­щин с пограничным раком и серозной карциномой яичников, что указывает на их потенциальную при­частность к раку яичников [15]. Эти выводы были подтверждены другой группой ученых [16].

Многие ученые не поддерживают точку зрения о возможности пополнения пула фолликулов за счет стволовых клеток [16]. Так, недавние исследования Zhang et al. поддерживают традиционное мнение о том, что в послеродовой жизни у мышей и людей не происходит обновления фолликулов. Как только пер­вичный пул фолликулов сформирован, у приморди­альных фолликулов есть три варианта развития судь­бы — поддерживать состояние покоя в качестве при­мордиальных фолликулов, быть активированными и вступить в фазу роста или подвергнуться атрезии [16]. Баланс между периодами покоя, активации и гибели примордиальных фолликулов считается решающим фактором в определении продолжительности репро­дуктивной жизни женщины.

Сигнальные пути и их значение во внутрияичниковом рекрутировании фолликулов и развитии ооцита

Для развития ооцита в фолликулярной структуре необходима непрерывная двусторонняя связь с клет­ками кумулюса, которые его окружают, а также с дру­гими соматическими клетками, включенными в фол­ликул, такими как клетки теки и гранулезы. Эта связь обеспечивается преимущественно с помощью щеле­вых контактов (для молекул с малой молекулярной массой) и эндоцитоза, опосредованного рецепторами (для молекул с более крупной молекулярной массой). Указанное взаимодействие имеет важное значение для ядерного и цитоплазматического созревания.

PI3K сигнальный путь

Активация примордиальных фолликулов является первым этапом в развитии фолликулов и ключевым фактором, определяющим репродуктивную способ­ность женщин. Существуют ограниченные сведения о сигнальных путях и молекулах, которые участву­ют в этом процессе, и в основном данные получе­ны в исследованиях на животных. Для большинст­ва факторов регуляторная роль в рекрутировании примордиальных фолликулов была первоначально установлена с использованием нокаутных генов на грызунах. У людей процессы, аналогичные иссле­дованиям на грызунах и демонстрирующие истоще­ние резерва яичников за счет ускоренной активации примордиальных фолликулов, часто наблюдаются в случаях преждевременной недостаточности яични­ков. Текущая гипотеза об активации примордиаль­ных фолликулов у мышей гласит, что белок-мишень рапамицина 1 млекопитающих (mTORC1) активиру­ется в уплощенных клетках гранулезы примордиаль­ных фолликулов, а затем Kit-лиганд, продуцируемый активированными клетками гранулезы, в свою оче­редь, активирует ооцит через фосфатидилинозитол- 3-киназу (PI3K) [17]. Однако до конца механизм активации примордиальных фолликулов остается неясным.

PI3K/AKT/mTOR (внутриклеточный сигнальный путь) — это один из универсальных сигнальных путей, характерных для большинства клеток человека. Он отвечает за рост, пролиферацию клеток, метаболизм, препятствует апоптозу, обладает тканеспецифиче­ской функцией. В яичниках млекопитающих путь PI3K/AKT/mTOR необходим для регуляции актива­ции первичных фолликулов.

По своим структурным характеристикам и суб­стратной специфичности PI3K подразделяется на три класса (I, II и III) [18]. В свою очередь, PI3K класса I также делятся на два подсемейства: класс IA и класс IB. PI3K класса IA являются наиболее хорошо изучен­ными и представляют собой липиды киназы, состоя­щей из регуляторной субъединицы p85 и каталитиче­ской субъединицы p110. Они фосфорилируют группу 3D на инозитоловом кольце фосфатидилинозитола- 3,4,5-трифосфата [19]. Каталитическая субъединица p110 может преобразовывать PIP2 в PIP3 [15].

PIP3 связывает как фосфатидилинозитол-зависи- мую киназу 1 (PDK1), так и протеин-серин-трео- ниновую киназу Akt на клеточной мембране, где PDK1 фосфорилирует и активирует Akt [20]. Akt впо­следствии фосфорилирует ряд субстратов, включая ингибитор клеточного цикла p27 (также известный как p27KIP1), киназу гликогенсинтазы 3, комплекс туберозного склероза 2 (TSC2) и семейства факторов транскрипции forkhead box (FOXO) [21-24]. Таким образом, сигнальная сеть PI3K важна для пролифера­ции клеток, их развития и выживания [25]. Одним из немногих известных негативных регуляторов PI3K/ AKT/mTOR сигнального пути является фосфатаза с двойной субстратной специфичностью (PTEN), обнаруженная в клетках гранулезы первичных фол­ликулов человека на уровне экспрессии белка и генов. Как негативный регулятор функции PI3K, PTEN воз­вращает PIP3 обратно в PIP2 и тем самым подавляет передачу сигналов PI3K [26].

FOXO3, член семейства транскрипционных фак­торов Forkhead, служащий субстратом Akt, также вовлечен в регуляцию сигнальных путей PI3K/PTEN. В моделях на яичниках мышей показано, что FOXO3 импортируется в ядро во время формирования пер­вичного фолликула, а затем экспортируется в цито­плазму при активации. В случае повышенной экспрес­сии FOXO3 у женщин формируется преждевременная недостаточность яичников. Необходимо отметить, что экспрессия FOXO3 в яичниках женщины в значи­тельной степени отличается от описанной у мышей, у которых FOXO3 в основном экспрессируется в ядре всех примордиальных ооцитов, и его транслокация в цитоплазму совпадает с активацией и ростом фолли­кулов [27, 28]. В отличие от того, что наблюдается у мышей и других мышевидных грызунов, приморди­альные фолликулы во взрослом яичнике млекопи­тающих, не являющихся грызунами, включая при­матов, не являющихся людьми, не экспрессируют FOXO3 [29]. Исследования показали, что экспрессия FOXO3, в зависимости от возраста, варьировалась от очень низкой на стадии зародыша до более высокой в яичниках в пубертатном и старшем возрасте. В любом случае очевидное увеличение числа ооцитов, экспрес­сирующих FOXO3, в примордиальных фолликулах следует рассматривать осторожно, и в дальнейшем требуется провести углубленный анализ.

Предполагается, что PTEN и FOXO3, как часть пути PI3K/AKT, по-видимому, не играют существенной роли в формировании пула, активации и росте фол­ликулов в течение эмбрионального периода челове­ка. Известно, что в младенческом и подростковом возрасте определяются примордиальные фолликулы, экспрессирующие FOXO3. Однако большинство фол­ликулов, которые начинают расти на этой стадии развития, будут подвергаться процессу атрезии через апоптоз [24], чему может способствовать экспрессия FOXO3, а также экспрессия PTEN в клетках грану­лезы антральных фолликулов [25]. Было показано, что FOXO3 активирует апоптоз за счет усиления регу­ляции белков, содержащих только BH3, или за счет внешних апоптотических факторов, таких как FASL и TRIAL [30].

Таким образом, экспрессия ядерного FOXO3 в при­мордиальном фолликуле может указывать на неизбеж­ность их апоптоза или, в качестве альтернативы, на предотвращение активации и дальнейшего развития, как это наблюдается у мышей. Результаты ограни­ченных исследований, основанных на наблюдатель­ном описании и небольшом количестве образцов, не позволяют дифференцировать эти возможности. Однако низкая распространенность цитоплазматиче­ского FOXO3 может указывать на роль в предотвраще­нии активации, а не в участии в апоптозе. Более того, яичник человека, по сравнению с млекопитающими, демонстрирует самый высокий показатель элиминации внутриутробных половых клеток путем апоптоза. При этом к половому созреванию остается примерно лишь 5% заложенного во время внутриутробной жизни [31]. Данный феномен позволяет предположить, что экс­прессия ядерного FOXO3 сохраняет определенный пул фолликулов от активации и, следовательно, фертиль­ность во взрослой репродуктивной жизни является ограниченной временным фактором. В то же время наличие в яичниках «спящих» примордиальных фолли­кулов открывает определенные горизонты их использо­вания, если представленное предположение верно.

В яичниках ключевой киназой в сигнальном пути PI3K/AKT/mTOR является АКТ, которая экспрес­сируется как в ооцитах, так и в клетках гранулезы фолликулов человека. AKT имеет широкий спектр субстратов, играющих как прямую, так и косвенную роль в активации фолликулов.

Система IGF

В синергизме с гонадотропинами рассматривают систему IGF, которая может участвовать в процессах сохранения и выживания яйцеклеток. Система IGF, которая состоит из инсулина и инсулиноподобных факторов роста 1 (IGF-1) и 2 (IGF-2), участвует в росте, пролиферации и выживании клеток [31]. IGF, в частности IGF-1, могут синергически взаимодей­ствовать с гонадотропинами для стимуляции фолли­кулярного стероидогенеза [32]. IGF-1 как самостоя­тельно, так и с ФСГ может увеличивать фосфорили­рование AKT в клетках гранулезы [33].

Ras/ERK/MEK сигнальный путь

Ряд экспериментальных исследований показал, что параллельно с сигнальным путем PI3K/AKT/mTORC1 активируется Ras/ERK/MEK путь. Дефекты в пути Ras/RAF/митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK) играют роль в росте и пролиферации клеток через активацию пути ERK. MAPK (митоген проте­инкиназы) экспрессируется в нескольких тканях мле­копитающих и играет важную роль в регуляции кле­точной пролиферации и дифференцировки, реакции на стресс и иммунных реакций [34—37]. Активность MAPK3/1 изучалась у самок мышей в течение мно­гих лет, и нарушение активности MAPK3/1 в клетках гранулезы яичников мыши показало, что эти киназы необходимы для возобновления процессов мейоза, овуляции и лютеинизации ооцитов, индуцированных ЛГ [36]. Исследования на яичниках крыс показали, что лечение PD98059 (inhibitor of the activation of mitogen-activated protein kinase) ингибитором MAPK значительно подавляет активацию первичных фолли­кулов [38]. Недавнее исследование продемонстриро­вало, что ингибирование передачи сигналов MAPK3/1 в яичниках мыши с помощью ингибитора MAPK3/1 U0126 (highly selective inhibitor of both MEK1 and MEK2) уменьшает количество растущих фолликулов, уровни фосфорилирования Tsc2 (Tuberous Sclerosis Complex 2), S6K1(Ribosomal protein) и rpS6 (Ribosomal Protein) и экспрессию KITL (KIT-ligand), что указы­вает на то, что передача сигналов MAPK3/1 участву­ет в активации первичных фолликулов посредством передачи сигналов mTORC1-KITL в клетках гра­нулезы. Кроме того, U0126 снижает уровни фосфо­рилирования Akt, что позволяет предположить, что сигнализация MAPK3/1 регулирует активацию пер­вичных фолликулов через сигнал PI3K в ооцитах [39]. Следовательно, активность MAPK3/1 играет важную роль в активации первичных фолликулов через сиг­нальный путь mTORC1-KITL в клетках до грануле­зы и через сигнализацию KIT-PI3K в ооцитах [31]. В свою очередь, пути AKT и MAPK3 участвуют в опосредовании эффектов гонадотропинов и IGF на пролиферацию фолликулярных клеток и развитие фолликулов [40], а IGF-1 может способствовать росту первичных фолликулов через сигнальный путь PI3K/ AKT [41].

Группа белков TGFfi

Семейство трансформирующего фактора роста бета (TGF-|3) представляет собой большую группу струк­турно родственных клеточных регуляторных белков, названо в честь своего первого члена, TGF-|31. TGF-|3 регулирует множество биологических процессов у млекопитающих, влияя на пролиферацию, рост, диф­ференцировку и апоптоз клеток [41, 42]. TGF-|3 свя­зывается с рецепторами серин/треонин-протеинки- назы типов I и II на поверхности клетки с образовани­ем комплекса, который активирует сигнальный путь Smad посредством фосфорилирования белков Smad. Фосфорилированные белки Smad затем связываются с общим Smad4 и перемещаются из цитоплазмы в ядро, где они регулируют транскрипцию гена-мише­ни [44-46].

Некоторые исследования показали, что IGF-1 пересекается с компонентами сигнального пути TGF-|3 на нескольких уровнях в клеточных лини­ях [47], хотя необходимы дальнейшие исследова­ния для изучения взаимосвязи между этими двумя основными сигнальными путями в яичниках. Было выявлено, что TGF-|31 участвует в поддержании первичных фолликулов у мышей [48]. В культу­ре яичников мыши in vitro с TGF-|31 значительно ингибируется активация первичных фолликулов, TGF-|31 индуцирует апоптоз ооцитов и подавляет пролиферацию соматических клеток посредством регуляции сигнального пути TSC/mTORC1.

Таким образом, несмотря на скудные и далеко не однозначные сведения, полученные в основном на животных, определяются наиболее вероятные пути исследований. Это путь PI3K/AKT и связанные с ним части PTEN и FOXO3, при участии системы IGF, которая состоит из инсулина, IGF-1 и IGF-2. Объектом для изучения являются белки семейства TGF-|3, МАРК, которые, вероятно, взаимодейст­вуют с основными сигнальными путями. Скорее всего, не только эти системы задействованы в обес­печении сложных процессов внутрияичникового фолликулогенеза, поэтому перспективным направ­лением исследований является поиск основных, наиболее значимых звеньев в этой цепочке.

Клинические работы, основанные на воздействии на внутрияичниковые сигнальные пути

Клинические работы, базирующиеся на указан­ной гипотезе, далеко неоднозначны и пока не под­держаны мировым сообществом. Так, в исследо­вании K. Kawamura у женщин с преждевременной недостаточностью яичников проводили активацию примордиальных фолликулов за счет стимулиро­вания AKT путем ингибирования PTEN в кор­тикальных фрагментах яичников in vitro с после­дующим выполнением ретрансплантации овари­альной ткани. Исследователи зафиксировали слу­чаи живорождения после данной процедуры [49]. В свою очередь, было продемонстрировано, что использование ингибирования PTEN для инициа­ции активации примордиальных фолликулов вли­яет на выживаемость фолликулов, в то время как на животных моделях, наоборот, наблюдалось пре­кращение репарации ДНК, приводящее к атрезии фолликулов. Таким образом, этот метод требует дальнейшего изучения для использования в клини­ческой практике.

Также были проведены исследования на чело­веческих фолликулах, обработанных в условиях in vitro ингибитором mTORC1, которые продемон­стрировали частичное снижение количества расту­щих фолликулов и последующее снижение экспрес­сии мРНК TSC1 (Tuberous sclerosis 1), что подтвер­ждает роль этого каскада в активации первичных фолликулов.

Несмотря на экспериментальные доказательства того, что сигнальные пути PI3K/AKT/mTOR широко задействованы как в активации первичных фолли­кулов, так и в поддержании покоя, фундаментальное понимание этих процессов все еще очень ограничено, особенно у человека.

«Защита яичников» от повреждающего воздействия химиопрепаратов

Потеря или резкое снижение функции яични­ков, вызванное химиотерапией у женщин, боль­ных раком, заставляет решать проблему защиты яичников, что тесно связано с исследованиями внутрияичникового фолликулогенеза и рекрутинга фолликулов. В исследовании K.N. Goldman про­вели ингибирование mTORC1 с помощью низ­комолекулярных ингибиторов [50]. В качестве модели использовали яичники мышей, которые подвергли воздействию циклофосфамидом, и одновременно провели ингибирование комплекса mTOR-mTORC1 клинически одобренным препара­том эверолимус (RAD001) или mTORC1/2 — экс­периментальным препаратом INK128 (potent and selective TORC1/2 inhibitor). Результаты показали, что ингибирование mTOR сохраняет резерв яич­ников, количество примордиальных фолликулов, уровни антимюллерова гормона в сыворотке и фер­тильность. Животные, получавшие химиотерапию, имели значительно меньше потомков по сравнению со здоровыми животными, тогда как совместное с химиопрепаратами назначение ингибиторов mTOR (the mechanistic target of rapamycin) сохраняло нор­мальную фертильность.

Также в контексте изучения механизмов форми­рования «ооцитарного» фактора бесплодия и раз­работки эффективных способов его преодоления чрезвычайно интересным представляется изучение динамики экспрессии генов и транскрипционной характеристики ооцитов на разных этапах фоллику- логенеза. Так, в недавнем исследовании показано, что, по аналогии с морфологической классифика­цией, при транскриптомном анализе обнаружива­ется 5 различных субпопуляций фолликулов [51]. Профили транскриптома ооцитов отражают физи­ологический статус созревания, а не индивидуаль­ный генетический фон.

Заключение

Представленные исследования демонстрируют интерес ученых к изучению сложных вопросов вну- трияичникового фолликулогенеза, роли сигнальных путей в этом процессе, затрагивают вопросы моле­кулярно-генетического участия и транскриптомно­го анализа. Пока мало знаний для формирования целостного понимания происходящих процессов, но ясно одно: без накопления этих знаний и проведе­ния фундаментальных исследований не произойдет дальнейшего развития репродуктивной медицины и решения вопросов патологии репродукции, тех ситуаций, которые сейчас мы не можем объяснить, а следовательно, эффективно лечить.

References

  1. Kwintkiewicz J., Giudice L.C. The interplay of insulin-like growth factors, gonadotropins, and endocrine disruptors in ovarian follicular development and function. Semin. Reprod. Med. 2009; 27(1): 43-51. https://dx.doi.org/10.1055/s-0028-1108009.
  2. Mackion N.S., Fauser B.C. Aspects of ovarian follicle development throughout life. Res. 1999; 52(4): 161-70. https://dx.doi.org/10.1159/000023456.
  3. Назаренко Т.А., Мартиросян Я.О., Бирюкова А.М., Джанашвили Л.Г., Иванец Т.Ю., Сухова Ю.В. Опыт стимуляции яичников в режиме «random­start» протоколов для сохранения репродуктивного материала онкологиче­ских больных. Акушерство и гинекология. 2020; 4: 52-8. [Nazarenko T.A., Martirosyan Ya.O., Biryukova A.M., Dzhanashvili L.G., Ivanets T.Yu., Sukhova Yu.V. Experience in random-start ovarian stimulation for preserving reproductive material of cancer patients. Obstetrics and Gynegology. 2020; 4: 52-8. (in Russian)]. https://dx.doi.org/10.18565/aig.2020.4.52-5.
  4. Jin B., Niu Z., Xu B., Chen Q., Zhang A. Comparison of clinical outcomes among dual ovarian stimulation, mild stimulation and luteal phase stimulation protocols in women with poor ovarian response. Endocrinol. 2018; 34(8): 694-7. https://dx.doi.org/10.1080/09513590.2018.1435636.
  5. Baerwald A.R., Adams G.P., Pierson R.A. Characterization of ovarian follicular wave dynamics in women. Reprod. 2003; 69(3): 1023-31. https://dx.doi.org/10.1095/biolreprod.103.017772.
  6. Ginther O.J., Gastal E.L., Gastal M.O., Bergfelt D.R., Baerwald A.R., Pierson R.A. Comparative study of the dynamics of follicular waves in mares and women. Reprod. 2004; 71(4): 1195-201. https://dx.doi.org/10.1080/ 09513590.2018.1435636.
  7. Edwards R.G. Maturation in vitro of mouse, sheep, cow, pig, rhesus monkey and human ovarian oocytes. 1965; 208(5008): 349-51. https://dx.doi.org/10.1016/s0140-6736(65)92903-x.
  8. Abir R., Ben-Aharon I., Garor R., Yaniv I., Ash S., Stemmer S.M. et al. Cryopreservation of in vitro matured oocytes in addition to ovarian tissue freezing for fertility preservation in paediatric female cancer patients before and after cancer therapy. Hum. Reprod. 2016; 31(4): 750-62. https://dx.doi.org/10.1093/humrep/dew007.
  9. Woodruff T.K., Snyder K.A. Oncofertility: fertility preservation for cancer survivors. New York: Springer; 2007. 263p.
  10. Mackion N.S., Fauser B.C. Aspects of ovarian follicle development throughout life. Res. 1999; 52(4): 161-70. https://dx.doi.org/10.1159/ 000023456.
  11. Baerwald A.R., Adams G.P., Pierson R.A. Ovarian antral folliculogenesis during the human menstrual cycle: a review. Reprod. 2012; 18(1): 73-91. https://dx.doi.org/10.1093/humupd/dmr039.
  12. Adhikari D., Liu K. Molecular mechanisms underlying the activation of mammalian primordial follicles. Rev. 2009; 30(5): 438-64. https://dx.doi.org/10.1210/er.2008-0048.
  13. Johnson J., Canning J., Kaneko T., Pru J.K., Tilly J.L. Germline stem cells and follicular renewal in the postnatal mammalian ovary. 2004; 428(6979): 145-50. https://dx.doi.org/10.1038/nature02316.
  14. Virant-Klun I., Stimpfel M., Skutella T. Ovarian pluripotent/multipotent stem cells and in vitro oogenesis in mammals. Histopathol. 2011; 26(8): 1071­82. https://dx.doi.org/10.14670/hh-26.1071.
  15. Petrucelli N., Daly M.B., Pal T. BRCA1- and BRCA2-Associated hereditary breast and ovarian cancer. In: Adam M.P., Ardinger H.H., Pagon R.A., Wallace S.E., Bean L.J.H., Gripp K.W. et al., eds. GeneReviews® [Internet]. Seattle (WA): University of Washington, Seattle; 1993-2021. 1998 Sep 4 [updated 2016 Dec 15].
  16. Zheng W., Nagaraju G., Liu Z., Liu K. Functional roles of the phosphatidylinositol 3-kinases (PI3Ks) signaling in the mammalian ovary. Cell. Endocrinol. 2012; 356(1-2): 24-30. https://dx.doi.org/10.1016/j.mce.2011.05.027.
  17. Zhang H., Risal S., Gorre N., Busayavalasa K., Li X., Shen Y. et al. Somatic cells initiate primordial follicle activation and govern the development of dormant oocytes in mice. Curr. Biol. 2014; 24(21): 2501-8. https://dx.doi.org/10.1016/cub.2014.09.023.
  18. Liu P., Cheng H., Roberts T.M., Zhao J.J. Targeting the phosphoinositide 3-kinase pathway in cancer. Rev. Drug Discov. 2009; 8(8): 627-44. https://dx.doi.org/10.1038/nrd2926.
  19. Cully M., You H., Levine A.J., Mak T.W Beyond PTEN mutations: The PI3K pathway as an integrator of multiple inputs during tumorigenesis. Rev. Cancer. 2006; 6(3): 184-92. https://dx.doi.org/10.1038/nrc1819.
  20. Mora A., Komander D., van Aalten D.M., Alessi D.R. PDK1, the master regulator of AGC kinase signal transduction. Cell Dev. Biol. 2004; 15(2): 161-70. https://dx.doi.org/10.1016/j.semcdb.2003.12.022.
  21. Manning B.D., Cantley L.C. AKT/PKB signaling: navigating downstream. 2007; 129(7): 1261-74. https://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2007.06.009.
  22. Viglietto G, Motti M.L., Bruni P, Melillo R.M., D'Alessio A., Califano D. et al. Cytoplasmic relocalization and inhibition of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27(Kip1) by PKB/Akt-mediated phosphorylation in breast cancer. Nat. Med. 2002; 8(10): 1136-44. https://dx.doi.o^/10.1038/nm762.
  23. Liang J., Zubovitz J., Petrocelli T., Kotchetkov R., Connor M.K., Han K. et al. PKB/Akt phosphorylates p27, impairs nuclear import of p27 and opposes p27-mediated G1 arrest. Nat. Med. 2002; 8(10): 1153-60. https://dx.doi.org/10.1186/2bcr596.
  24. Shin I., Yakes F.M., Rojo F, Shin N.Y., Bakin A.V., Baselga J., Arteaga C.L. PKB/Akt mediates cell-cycle progression by phosphorylation of p27(Kip1) at threonine 157 and modulation of its cellular localization. Med. 2002; 8(10): 1145-52. https://dx.doi.org/10.1038/nm759.
  25. Meng Q., Xia C., Fang J., Rojanasakul Y., Jiang B.H. Role of PI3K and AKT specific isoforms in ovarian cancer cell migration, invasion and proliferation through the p70S6K1 pathway. Signal. 2006; 18(12): 2262-71. https://dx.doi.org/10.1016/j.cellsig.2006.05.019.
  26. Robertson G.P Functional and therapeutic significance of Akt deregulation in malignant melanoma. Cancer Metastasis Rev. 2005; 24(2): 273-85. https://dx.doi.org/10.1007/s10555-005-1577-9.
  27. Hosaka T., Biggs W.H., Tieu D., Boyer A.D., Varki N.M., Cavenee W.K., Arden K.C. Disruption of forkhead transcription factor (FOXO) family members in mice reveals their functional diversification. Natl. Acad. Sci. USA. 2004; 101(9): 2975-80. https://dx.doi.org/10.1073/ pnas.0400093101.
  28. Castrillon D.H., Miao L., Kollipara R., Horner J.W., DePinho R.A. Suppression of ovarian follicle activation in mice by the transcription factor Foxo3a. 2003; 301(5630): 215-8. https://dx.doi.org/10.1126/science.1086336.
  29. Myatt S.S., Brosens J.J., Lam E.W Sense and sensitivity: FOXO and ROS in cancer development and treatment. Redox Signal. 2011; 14(4): 675-87. https://dx.doi.org/10.1089/ars.2010.3383.
  30. Annunziata M., Granata R., Ghigo E. The IGF system. Acta Diabetol. 2011; 48(1): 1-9. https://dx.doi.org/10.1007/s00592-010-0227-z.
  31. Zhao Y., Zhang Y., Li J., Zheng N., Xu X., Yang J. et al. MAPK3/1 participates in the activation of primordial follicles through mTORC1-KITL signaling. J. Cell. Physiol. 2018; 233(1): 226-37. https://dx.doi.org/10.1002/jcp.25868.
  32. Kwintkiewicz J., Giudice L.C. The interplay of insulin-like growth factors, gonadotropins, and endocrine disruptors in ovarian follicular development and function. Reprod. Med. 2009; 27: 43-51. https://dx.doi.org/10.1055/s-0028-1108009.
  33. Zhou P, Baumgarten S.C., Wu Y.G., Bennett J., Winston N., Hirshfeld-Cytron J., Stocco C. I GF-1 signaling is essential for FSH stimulation of AKT and steroidogenic genes in granulosa cells. Endocrinol. 2013; 27(3): 511-23. https://dx.doi.org/10.1210/me.2012-1307.
  34. Cargnello M., Roux PP Activation and function of the MAPKs and their substrates, the MAPK-activated protein kinases. Mol. Biol. Rev. 2011; 75: 50-83. https://dx.doi.org/10.1128/mmbr.00031-10.
  35. Boutros T., Chevet E., Metrakos P. Mitogen-activated protein (MAP) kinase/MAP kinase phosphatase regulation: roles in cell growth, death, and cancer. Rev. 2008; 60(3): 261-310. http://dx.doi.org/10.1124/ pr.107.00106.
  36. Liu Y., Shepherd E.G., Nelin L.D. MAPK phosphatases—regulating the immune response. Rev. Immunol. 2007; 7(3): 202-12. https://dx.doi.org/10.1038/ nri2035.
  37. Fan H.Y., Liu Z., Shimada M., Sterneck E., Johnson P.F., Hedrick S.M., Richards J.S. MAPK3/1 (ERK1/2) in ovarian granulosa cells are essential for female fertility. 2009; 324(5929): 938-41. https://dx.doi.org/10.1126/ science.1171396.
  38. Du X.Y., Huang J., Xu L.Q., Tang D.F., Wu L., Zhang L.X. et al. The proto­oncogene c-src is involved in primordial follicle activation through the PI3K, PKC and MAPK signaling pathways. Biol. Endocrinol. 2012; 10: 58. https://dx.doi.org/10.1186/1477-7827-10-58.
  39. Li-Ping Z., Da-Lei Z., Jian H., Liang-Quan X., Ai-Xia X., Xiao-Yu D. et al. Proto-oncogene c-erbB2 initiates rat primordial follicle growth via PKC and MAPK pathways. Reprod. Biol. Endocrinol. 2010; 8: 66. https://dx.doi.org/10.1186%2F1477-7827-10-58.
  40. Ryan K.E., Glister C., Lonergan P., Martin F., Knight P.G., Evans A.C. Functional significance of the signal transduction pathways Akt and Erk in ovarian follicles: In vitro and in vivo studies in cattle and sheep. Ovarian Res. 2008; 1(1): 2. https://dx.doi.org/10.1186/1757-2215-1-2.
  41. Bezerra M.E.S., Barberino R.S., Menezes V.G., Gouveia B.B., Macedo T.J.S., Santos J.M.S. et al. Insulin-like growth factor-1 (IGF-1) promotes primordial follicle growth and reduces DNA fragmentation through the phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B (PI3K/AKT) signalling pathway. Fertil. Dev. 2018; 30(11): 1503-13. https://dx.doi.org/10.1071/rd17332.
  42. Godkin J. Transforming growth factor beta and the endometrium. Reprod. 1998; 3(1): 1-6. https://dx.doi.org/10.1530/ror.0.0030001.
  43. Shull M.M., Doetschman T. Transforming growth factor-beta1 in reproduction and development. Reprod. Dev. 1994; 39(2): 239-46. https://dx.doi.org/10.1002/mrd.1080390218.
  44. Heldin C.H., Miyazono K., ten Dijke P TGF-p signalling from cell membrane to nucleus through SMAD proteins. 1997; 390(6659): 465-71. https://dx.doi.org/10.1038/37284.
  45. Drummond A.E. TGFbeta signalling in the development of ovarian function. Cell Tissue Res. 2005; 322(1): 107-15. https://dx.doi.org/10.1007/ s00441-005-1153-1.
  46. Kaivo-oja N., Jeffery L.A., Ritvos O., Mottershead D.G. Smad signalling in the ovary. Biol. Endocrinol. 2006; 4, 21. https://dx.doi.org/10.1186/ 1477-7827-4-21.
  47. Danielpour D., Song K. Cross-talk between IGF-I and TGF-beta signaling pathways. Cytokine Growth Factor Rev. 2006; 17(1-2): 59-74. https://dx.doi.org/10.1016/j.cytogfr.2005.09.007.
  48. Wang Z.P., Mu X.Y., Guo M., Wang Y.J., Teng Z., Mao G.P. et al. Transforming growth factor-beta signaling participates in the maintenance of the primordial follicle pool in the mouse ovary. J. Biol. Chem. 2014; 289(12): 8299-311. https://dx.doi.org/10.1074/jbc.M113.532952.
  49. Vo K.C.T., Kawamura K. In vitro activation early follicles: from the basic science to the clinical perspectives. J. Mol. Sci. 2021; 22(7): 3785. https://dx.doi.org/10.3390/ijms22073785.
  50. Goldman K.N., Chenette D., Arju R., Duncan F.E., Keefe D.L., Grifo J.A., Schneider R.J. mTORC1/2 inhibition preserves ovarian function and fertility during genotoxic chemotherapy. Proc. Natl. Acsd. Sci. USA. 2017; 114(12): 3186-91. https:/dx.doi.org/10.1073/pnas.1617233114.
  51. Chronowska E. High-throughput analysis of ovarian granulosa cell transcriptome. Res. Int. 2014; 2014: 213570. https://dx.doi.org/10.1155/2014/213570.

Received 30.09.2021

Accepted 14.12.2021 

About the Authors

Julia V. Sokolova, embryologist, Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynaecology, and Perinatology, Ministry of Health of Russia, +7(495)438-13-41, julietsok@gmail.com, 117997, Russia, Moscow, Ac. Oparina str., 4.
Yana O. Martirosyan, Junior Researcher of the Scientific and Educational Center for ART with the Clinical Division named after F. Paulsen, Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynaecology, and Perinatology, Ministry of Health of Russia, +7(925)124-99-99, marti-yana@index.ru, https://orcid.org/0000-0002-9304-4410, 117997, Russia, Moscow, Ac. Oparina str., 4.
Tatiana A. Nazarenko, MD, PhD, Head of the Institute of Reproductive Technologies, Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynaecology, and Perinatology, Ministry of Health of Russia, +7(915)322-08-79, t.nazarenko@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-5823-1667, 117997, Russia, Moscow, Ac. Oparina str., 4.
Almina M. Birukova, MD, PhD, Head on Clinical Work of the Scientific and Educational Center for ART with the Clinical Division named after F. Paulsen,
Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynaecology, and Perinatology, Ministry of Health of Russia, alma21@list.ru, 117997, Russia, Moscow, Ac. Oparina str., 4.
Diana G. Khubaeva, student, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University, Ministry of Health of Russia (Sechenov University), +7(495)622-98-20, khubaeva.d@mail.ru, 119991, Russia, Moscow, Trubetskaya str., 8-2.
Valeria G. Krasnova, student of the Scientific and Educational Center for ART with the Clinical Division named after F. Paulsen, Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynaecology, and Perinatology, Ministry of Health of Russia, +7(925)124-99-99, lkrasnova27@mail.com, 117997, Russia, Moscow, Ac. Oparina str., 4.

Authors’ contributions: Sokolova Yu.V., Martirosyan Ya.O., Nazarenko T.A., Biryukova A.M., Khubaeva D.G., Krasnova V.G. - development of the design of the investigation; obtaining data for analysis; review of publications on the topic of the article; analysis of the findings; writing the text of the manuscript.
Conflicts of interest: The authors declare that there are no possible conflicts of interest.
Funding: The investigation has not been sponsored.
For citation: Sokolova Yu.V., Martirosyan Ya.O., Nazarenko T.A., Biryukova A.M., Khubaeva D.G., Krasnova V.G. Molecular biological bases for intraovarian folliculogenesis, follicular maturation and recruitment.
Akusherstvo i Ginekologiya/Obstetrics and Gynecology. 2022; 1:22-30 (in Russian)
https://dx.doi.org/10.18565/aig.2022.1.22-30

Similar Articles

By continuing to use our site, you consent to the processing of cookies that ensure the proper functioning of the site.