Gap Junction Membrane Channel Proteins and Connexins
Connexine sind eine Familie von mindestens 15 Proteinen, die interzelluläre Membrankanäle von Gap Junctions bilden und die Diffusionsbewegung von Ionen, Metaboliten und potenziellen Signalmolekülen ermöglichen. Diese Strukturmoleküle spielen eine wichtige Rolle bei der bidirektionalen Kommunikation zwischen der Eizelle und den Granulosazellen. Es hat sich gezeigt, dass mehrere Connexine während der Follikulogenese von Bedeutung sind. Das Protein Connexin 37 wird in primären und wachsenden Follikeln exprimiert. Connexin 37 (Gja4)-Knockouts enthielten im Alter von 2 Wochen viele sich entwickelnde präantrale Follikel, aber große Graafsche Follikel wurden nicht beobachtet (233). Aus histologischer Sicht scheint daher das Fehlen von Cx37 die Entwicklung von präantralen zu antralen Follikeln zu blockieren. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die Cx37-Knockouts zwar Adherens Junctions enthielten, aber keine Gap Junctions, wie sie in Wildtyp-Eiern vorkommen. Trotz des Fehlens von Graafian-Follikeln wiesen die Null-Ovarien kleinere Strukturen auf, die den Corpora lutea ähnelten und 5-10 Mal häufiger vorkamen. Die bei den Null-Tieren beobachtete verfrühte Luteinisierung deutet darauf hin, dass die Kommunikation zwischen den Verbindungsstellen ein wichtiger Mechanismus zur Regulierung der Gelbkörperbildung sein könnte. Die Connexin 37-Knockout-Tiere hatten eine geringere durchschnittliche Eizellengröße. Während 52,8 % der Oozyten von Cx37+/- Mäusen die Meiose wieder aufnahmen, von denen 26,8 % die Metaphase der Meiose I und 26 % die Metaphase der Meiose II erreichten, nahmen nur 2,2 % der Cx37-/- Oozyten die Meiose in der Kultur wieder auf, wobei die überwiegende Mehrheit (86,3 %) das Stadium der Keimblase erreichte. All diese Beobachtungen deuten eindeutig darauf hin, dass Connexin 37 in der Zeit des Übergangs vom präantralen zum antralen Follikel essentiell ist und höchstwahrscheinlich am Transport von Metaboliten beteiligt ist, die für diesen Übergang notwendig sind.
Connexin 43 (Gja1) ist das am häufigsten vorkommende Connexin im Eierstock und wird bereits ab E14,5 exprimiert. Connexin 43-Gap Junctions verbinden Granulosazellen, die die Eizelle umgeben, sowie Eizellen und Granulosazellen miteinander. Connexin 43 (Gja1)-Knockouts sterben bei der Geburt aufgrund von Herz-Kreislauf-Versagen (234). Die Eierstöcke von Null-Mäusen, die zum Zeitpunkt der Geburt entnommen werden, sind ungewöhnlich klein, was offenbar auf einen Mangel an Keimzellen zurückzuführen ist (235). Der Keimzellmangel wurde bis zum Tag 11,5 der Trächtigkeit zurückverfolgt, was bedeutet, dass er in frühen Stadien der Keimbahnentwicklung auftritt. Um die postnatale Follikulogenese in Gja1-/- Mäusen zu untersuchen, wurden fetale und neonatale Eierstöcke in die rechte Nierenkapsel einer ovarektomierten und immunsupprimierten prkdcscid/Prkdcscid-Maus transplantiert (236). Die Transplantate wurden nach 1-3 Wochen entfernt und die Histologie der Eierstöcke untersucht. Nach dreiwöchiger Entwicklung in den Nierentransplantaten konnte in den Wildtyp-Ovarien eine Reihe von Follikelstadien von primordial über primär, sekundär und tertiär beobachtet werden. Im Gegensatz dazu kamen die Gja1-Null-Eierstöcke nicht über Primärfollikel hinaus. Die Untersuchung der Transplantate nach 1, 2 und 3 Wochen zeigte, dass die mutierten Granulosazellen nicht in der Lage waren, sich zu vermehren. Auch das Eizellenwachstum war bei den Mutanten langsamer als bei den Wildtyp-Tieren. Die aus Gja1-Mutanten gewonnenen Eizellen konnten nicht befruchtet werden. Die Elektronenmikroskopie zeigte auch, dass diese Eizellen im Vergleich zum Wildtyp abnormal sind.
Connexin 43 scheint durch die Gonadotropine FSH und LH reguliert zu werden. Da Cx43 in großen Antralfollikeln im Vergleich zu kleinen Antral- und Präantralfollikeln häufiger vorkommt, wurde die Hypothese aufgestellt, dass FSH die Cx43-Synthese induziert. Im Gegensatz dazu kommt es nach dem präovulatorischen LH-Anstieg zu einem Rückgang der für Cx43 kodierenden mRNA (237,238). Weitere Bestätigungen ergaben sich aus Experimenten mit exogener Verabreichung von Gonadotropinen. Die Injektion von FSH in hypophysektomierte Ratten förderte eine Zunahme der ovariellen Gap-Junction-Membran, während hCG, das den Eisprung auslöst, zu einer signifikanten Verringerung der Menge an Gap Junctions in Granulosazellen führte (239,240). Die in vitro-Verabreichung von FSH und LH an Granulosazelllinien bestätigte die in vivo-Beobachtungen (241,242). Es wurde vermutet, dass die Wirkung der Gonadotropine auf Cx43 durch Steroidhormone vermittelt wird (243). Auch andere Signalwege können Cx43 regulieren, darunter der BMP/Smad- und der MAPK-Ras-Weg, von denen kürzlich gezeigt wurde, dass sie den Cx43-Promotor in vitro regulieren (244,245).
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die durch Cx43-Kanäle vermittelte Gap-Junction-Kopplung sowohl bei der Keimbahnentwicklung als auch bei der postnatalen Follikulogenese eine unverzichtbare Rolle spielt. Die sehr unterschiedlichen Ovarialphänotypen, die sich aus den Cx37- und Cx43-Knockouts ergeben, deuten darauf hin, dass die Gap-Junctional-Kopplung zwischen der Oozyte und ihren Kumulus-Granulosazellen eine andere Rolle spielt als die zwischen den Granulosazellen selbst, möglicherweise unter Beteiligung verschiedener Moleküle. Connexin 32, das ebenfalls im Eierstock exprimiert wird, scheint die Fruchtbarkeit nicht zu beeinträchtigen, wenn es ausgeschaltet wird (246), was darauf hindeutet, dass es sich um redundante Gap Junctions-Komponenten handelt, die erst noch identifiziert werden müssen.
Zusätzliche zelluläre Verbindungen könnten für die Antrumbildung und die Interaktionen zwischen Granulosazellen und Oozyten wichtig sein. Ein Teil der interzellulären Kommunikation zwischen Granulosazellen und Eizellen wird vermutlich durch transzonale Projektionen (TZPs) zwischen der Eizelle und den Granulosazellen vermittelt (41). Vor allem Mikrotubuli-TZPs (MT-TZP) scheinen an dieser Kommunikation beteiligt zu sein (41). Es wurde angenommen, dass die MT-TZP-Verbindungen zwischen der Oozyte und den Granulosazellen unter der Kontrolle von FSH stehen (247). FSH-Priming von Wildtyp und Fsh-/- führt zu Veränderungen der MT-TZP, so dass die TZPs von der Oozyte zurückgezogen werden (247). Dies führt zu Veränderungen in der Oozytenentwicklung, gemessen am Chromatin-Remodeling und dem Erwerb der meiotischen Kompetenz (247). Aus diesen Experimenten lässt sich die Hypothese ableiten, dass die Granulosazellen ohne FSH-Priming eine stabile Interaktion mit der Oozyte haben, die den parakrinen Austausch von Faktoren ermöglicht. Sobald die MT-TZPs zurückgezogen sind, wird die Entwicklung der Eizelle beschleunigt. Ob oozytenspezifische Faktoren wie GDF9 und BMP15 oder andere unbekannte Oozyten-Faktoren ebenfalls die Bildung und/oder Beziehung von TZPs modulieren, muss noch untersucht werden.