Reaktionen des Endometriums auf Signale der Blastozyste: Peptidasen und Gap Junctions
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Überblick
Die Implantation der Blastozyste im Uterus wird einerseits durch ovarielle Hormone vorbereitet. Andererseits gibt es aber auch Grund zu vermuten, dass zusätzlich die Blastozyste wichtige, essentielle Signale an die umgebende Uterusschleimhaut (das Endometrium) aussendet. Es sind jedoch nur wenige harte Fakten über diesen postulierten lokalen Signalaustausch bekannt. Dies gilt sowohl für die Art der infrage kommenden Signale als auch für Veränderungen, die diese konkret im Uterus auslösen mögen. Als Signalstoffe sind z.B. vom Trophoblasten der Blastozyste produzierte Sexualsteroide (Schwein) vermutet worden, aber auch verschiedene Peptide (z.B. Interferon tau bei Wiederkäuern). Allerdings sind dies Spezies, bei denen die Embryo-Implantation sehr spät erfolgt und oberflächlich bleibt, so dass sie kein gutes Modell für die Situation beim Menschen sind. Beim Menschen beginnt die Produktion von hCG durch den Trophoblasten der Blastozyste interessanterweise aber auch schon vor der Implantation, und Ähnliches gilt für die nicht-menschlichen Primaten. Schon lange und gut bekannt sind die systemischen Wirkungen dieses Gonadotropins, vor allem auf den Gelbkörper; wenig weiß man aber über evtl. lokale Effekte auf den Uterus, die ja ebenso denkbar wären.
Wir haben uns gefragt, ob sich im Labortiermodell konkrete Anzeichen für die Wirkung solcher lokalen Signale der Blastozyste in den sie umgebenden Geweben des Uterus nachweisen lassen, und ob diese Veränderungen vielleicht eine Bedeutung für die Einleitung des Implantationsvorgangs haben könnten. Signale der Blastozyste treffen naturgemäß zunächst (und in höchster Konzentration) den Teil des Endometriums, der sie unmittelbar umgibt, und sie sollten dort auch die ausgeprägtesten Wirkungen zeigen. Dies ist, nachdem die Blastozyste ihre Wanderung beendet hat, die Schleimhaut der sich nun bildenden Implantationskammer. Es wäre denkbar, dass solche lokal wirkenden Signale der Blastozyste eine funktionelle Bedeutung für die Anheftung und Invasion des Trophoblasten haben, d.h. dass sie das Endometrium hierfür vorbereiten. Harte morphologische, biochemische oder zellbiologische Daten, die eindeutig solche lokalen Antworten des Uterus auf die Anwesenheit der Blastozyste dokumentieren, fehlten aber weitgehend für alle wesentlichen Labortiere und natürlich erst recht für den Menschen, sodass diese Vorstellungen zunächst spekulativ blieben.
Es war daher interessant für uns, dass wir im Rahmen von Untersuchungen über bestimmte Peptidasen (und später auch über bestimmte Zellverbindungen, Gap Junctions) solche lokalen Veränderungen im Uterus beim Kaninchen beobachten konnten. In diesem Tiermodell haben wir zeigen können, dass kurz vor dem Implantationsbeginn in dem Teil des Endometriums, der die Blastozyste direkt umgibt, die Expression einer Aminopeptidase dramatisch herunterreguliert wird, und zwar noch vor Beginn der Implantation. Dieses Phänomen erwies sich als ein sehr sensibler Marker, mit dessen Hilfe man erstmals frühe lokale Signalwirkungen der Blastozyste auf das umgebende Endometrium nachweisen und systematisch untersuchen konnte.
Um sich in den verschiedenen Publikationen, die wir über dieses Thema im Lauf etlicher Jahre herausgebracht haben, orientieren zu können, muss man leider ein terminologisches Problem meistern: Während dieser Zeit wechselten die in der Literatur verwendeten Namen für dieses Enzym, da die biochemische Charakterisierung der Peptidasen dieser Klasse fortschritt (nacheinander bzw. alternativ gebrauchte Bezeichnungen für dieses Enzym: Leuzinaminopeptidase, Aminosäure-Arylamidase, Arylamidase 1, Aminopeptidase M/N, Alanyl-Aminopeptidase). Wir haben daher in unseren Publikationen auch nacheinender verschiedene dieser Bezeichnungen verwendet. In der folgenden Übersicht werden wir vereinfachend von „Aminopeptidase“ sprechen.
Interessant sind die beobachteten Änderungen im Aktivitätsmuster dieser Aminopeptidase in zweierlei Hinsicht: Das Enzym erwies sich einerseits als ein nützlicher, empfindlicher Indikator für die Wirkung ovarieller (also systemisch anflutender) Steroide am Endometrium; allerdings waren dafür zuvor auch schon andere biochemische Marker bekannt. Besonders interessant ist andererseits, dass diese Aminopeptidase im Kaninchenmodell zusätzlich eine frühe, lokale Signalabgabe der Blastozyste in Richtung auf das umgebende Endometrium anzeigt: Nachdem das Uterusepithel in der Präimplantationsphase (Progesteron-abhängig) zunächst einen steilen Anstieg der Aminopeptidaseaktivität gezeigt hatte, kommt es in der Umgebung der Blastozysten etwa einen Tag vor Implantationsbeginn zu einem dramatischen Abfall. Dieser beginnt im unmittelbar der Blastozyste anliegenden Uterusepithel und breitet sich dann in die weiter entfernt gelegenen Abschnitte aus.
Offenbar gestattet es die Untersuchung dieser Aminopeptidase bis zu einem gewissen Grad zu verfolgen, wie die (durch systemische ovarielle Hormone vorbereitete) Rezeptivität der Uterusschleimhaut für die Embryo-Implantation lokal in der Implantationskammer durch die Signale der Blastozyste moduliert und komplettiert wird. Da dieses Enzym ein Marker für die apikale Plasmamembrandomäne von Epithelzellen ist, könnte das beschriebene Phänomen ein Indikator dafür sein, dass in der sich bildenden Implantationskammer ein „Shedding“ von Abschnitten oder Bestandteilen der apikalen Membran der Uteruseithelzellen stattfindet (siehe Forschungsgebiet „Embryo-Implantation III: Rezeptivität des Endometriums“; zellbiologisches Paradox): Unserer Theorie entsprechend müssen Elemente der apiko-basalen Polarität der Uterusepithelzellen in dieser Phase herunterreguliert werden, damit eine Anheftung des Embryos möglich wird. In einem Nebenzweig dieser Untersuchungen haben wir darüber hinaus gezeigt, dass Kupfer-IUDs in gewisser Weise diesen normalerweise durch die Blastozyste ausgelösten Aminopeptidaseaktivitäts-Verlust imitieren (allerdings aufgrund eines anderen Mechanismus, einer direkten Enzymhemmung), was ein Hinweis auf einen bislang nicht geklärten Wirkungsmechanismus dieser IUDs sein könnte.
In späteren Untersuchungen zeigte sich, dass Gap Junctions (Kanäle, die dem Zusammenschluss von Zellen zu funktionellen Einheiten dienen) ebenfalls als sehr empfindliche Indikatoren für die lokalen Signale der Blastozyste dienen können, ganz ähnlich wie die Aminopeptidase. Die Expression der Connexine (der Proteine, aus denen diese Kanäle aufgebaut sind) ist das biochemische Korrelat dafür. Sie gestattet es genauso wie die zuvor beschriebene Aminopeptidase-Expression, einerseits Steroidhormonwirkungen auf das Endometrium experimentell zu untersuchen und andererseits die funktionelle Umgestaltung des Endometriums in der Implantationskammer an objektiven Kriterien festzumachen. Allerdings kommt es bei den Connexinen/Gap Junctions im Gegensatz zur Aminopeptidase nicht zu einer Herunter-Regulation sondern zu einer Herauf-Regulation in der Implantationskammer.
Für unsere Untersuchungen haben wir vorwiegend das Kaninchenmodell verwendet, aber auch einige vergleichende Untersuchungen an anderen Spezies (Meerschweinchen, Hamster, Ratte) durchgeführt. Erst viele Jahre später haben andere Untersucher ebenfalls über lokale Effekte der Blastozysten auf andere biochemische Marker im umgebenden Endometrium (z.B. HB-EGF) in verschiedenen Spezies berichtet. Die chemische Natur der für die lokalen Effekte wesentlichen Signale (Steroide, Peptidhormone, Wachstumsfaktoren/Zytokine?) ist aber immer noch weitgehend ungeklärt. Hier ist vieles denkbar. So haben wir z.B. auch diskutiert, ob durch limitierte Proteolyse (unter Mitwirkung der von uns untersuchten Endo- und Exopeptidasen) aus den Blastozystenhüllen freigesetzte Peptide hier eine Signalfunktion ausüben (siehe Forschungsgebiet „Extrazelluläre Keimhüllen“). Wir haben unsere Untersuchungen zu diesem Themenbereich allerdings aus Mangel an Personal und finanziellen Mitteln zugunsten unserer anderen Projekte (u.a. der Stammzellforschung) einstellen müssen. Ich meine jedoch, dass dieser gedankliche und methodische Ansatz es verdient hätte, weiterverfolgt zu werden; leider konzentriert sich die Forschung aber bislang stattdessen auf die systemische Steroidwirkung auf das Endometrium. Die lokale Modulation der Aminopeptidase ebenso wie die der Connexinexpression (Gap junctions) durch die Blastozyste bietet aber Möglichkeiten für bisher kaum genutzte experimentelle Zugänge für die gezielte Untersuchung des lokalen Signalaustauschs zwischen Blastozyste und Endometrium, der vermutlich zur Komplettierung der Rezeptivität des Uterusepithels für die Embryo-Implantation führt.
Liste der Publikationen
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