Воспроизводство крупного рогатого скота

Материнское распознавание и физиология беременности

Caleb O. Lemley¹ , Leticia E. Camacho² и Kimberly A. Vonnahme²

1 Факультет наук о животных и молочных продуктах, Университет штата Миссисипи, Старквилл, Миссисипи, США

2 Факультет наук о животных, Университет штата Северная Дакота, Фарго, Северная Дакота, США

Материнское распознавание беременности

Материнское распознавание беременности охватывает процесс, согласно которому генерируется биохимический сигнал, предотвращающий лютеиновую регрессию, что позволяет желтому телу сохраняться и продолжать выделять достаточное количество прогестерона. Потребность в прогестероне для успешного поддержания беременности у крс превышает продолжительность эстрального цикла, и поэтому беременная самка должна быстро распознать наличие концепта. У крупного рогатого скота этот сигнал включает в себя секрецию концептом интерферона-тау (ИФН-тау), который дополнительно стимулирует лютеотропные и антилютеолитические сигналы. Хотя в некоторых исследованиях эти слова используют взаимозаменяемо, далее мы будем обозначать лютеотропин как сигнал, который стимулирует лютеиновую секрецию прогестерона, в то время как антилютеолитические вещества действуют как сигнал, который блокирует лютеолиз, подавляя или маскируя эндогенные лютеолитические сигналы. Материнское распознавание сигнала беременности происходит до имплантации зародыша, которая начинается на третьей неделе беременности и классифицируется как поверхностное прикрепление у крупного рогатого скота.

Несколько биологических опытов были сосредоточены на выявлении веществ, участвующих в продлении срока функционирования желтого тела у крс. В большинстве из этих более ранних исследований изучалась продолжительность эстрального цикла у небеременных животных, которым вводили экстракт гипофиза. В 1965 году ученые из Корнельского университета сообщили, что лютеинизирующий гормон (ЛГ) является лютеотропином для крупного рогатого скота, и инъекции экстрактов гипофиза или очищенного бычьего ЛГ продлевают эстральный цикл коров на 11 или 16 дней соответственно. Этот опыт подтвердил лютеотропное действие ЛГ, который может служить эндогенным биохимическим сигналом от концептуса; однако, кроме приматов и кобыл, никакие другие млекопитающие не обладают обеими генетическими субъединицами для хорионического гонадотропина. Следовательно, хорионический гонадотропин, обладающий свойствами ЛГ, не является сигналом для материнского признания беременности у крупного рогатого скота. Тем не менее, эти ранние исследования внесли фундаментальный вклад в основу изучения различий в механизмах продления продолжительности жизни желтого тела у разных видов млекопитающих, что является важным компонентом «концептматеринской перекрестной связи» во время материнского распознавания беременности.

^{Эти первые результаты побудили исследователей изучить другие} потенциальные вещества, продуцируемые концептом, которые могут оказывать лютеотропное и/или антилютеолитическое влияние, предотвращая лютеолиз во время пульсирующего высвобождения простагландина F2α. Внутриматочная инфузия эстрадиола-17β и ПГЕ2 продлевали срок жизни желтого тела у крс, а также секрецию прогестерона на 5–6 дней по сравнению с нестельной контрольной группой.² Лютеотропное действие эстрадиола-17β скорее всего косвенно, поскольку эстрогены блокировали индуцированную ЛГ секрецию прогестерона у культивируемых лютеиновых клеток коров.³ Косвенное воздействие внутриматочного эстрадиола-17β на увеличение продолжительности жизни лютеинового тела может проявляться в виде увеличения маточного и/или яичникового кровотока. У свиноматок, овец и коров локальное увеличение кровоснабжения в беременном роге матки происходит одновременно с материнским распознаванием беременности.⁴ Кроме того, это местное увеличение кровотока в матке может помочь перенаправить транспорт простагландина из рога матки в прилежащий яичник через маточно-яичниковое сплетение. ПГЕ2 непосредственно стимулирует секрецию прогестерона и продукцию циклического АМФ бычьими лютеиновыми клетками in vitro точно так же, как и ЛГ.⁵ Кроме того, и эндометрий и желтое тело экспрессируют полный путь биосинтеза простагландина и дифференциальная экспрессия этих компонентов во время критического периода материнского признания беременности (дни 15–17 эстрального цикла) может оказывать лютеотропное или антилютеолитическое действие.

Интерферон-тау, впервые идентифицированный как белок бычьего трофобласта^1,7 , распознается как материнский признак сигнала беременности у крупного рогатого скота.⁸ Секреция интерферона-тау эмбриональными клетками трофобласта наиболее высока между 15 и 17 днями и наблюдается до 28 дня беременности; более того, недостаточный ответ эндометрия на ИФН-тау, верятно, является одной из основных причин неправильного производства и действия ПГФ2α и ПГЕ2, что приводит к невынашиванию беременности. Культивируемые in vitro культуры клеток эндометрия коров с повышенными концентрациями ИФН-тау продуцируют преимущественно ПГЕ2 по сравнению с ПГФ2α.⁹

Более того, пространственно-временное соотношение метаболизма, транспорта и плотности рецепторов простагландина в эндометрии и миометрии матки существенно изменяется после воздействия ИФН-тау.⁶ Повышенные физиологические концентрации ИФН-тау из концептуса будут избирательно увеличивать соотношение ПГЕ2 к ПГФ2α. Это соотношение устанавливает антилютеолитический эффект ИФН-тау в сочетании с лютеотропным эффектом ПГЕ2, что в конечном итоге приводит к увеличению продолжительности жизни желтого тела и правильному становлению беременности. Кроме того, эмбриональная секреция ПГЕ2 может давать синергетический эффект с увеличением эндометриальной продукции ПГЕ2, которая стимулируется концептуальной секрецией ИФН-тау. Этот ПГЕ2 может быть конкурентно транспортирован через маточно-яичниковое сплетение в яичник, где он увеличивает выработку лютеинового ПГЕ2, тем самым способствуя поддержанию лютеиновой системы в качестве лютеотропина.⁶ В отличие от этого, повышенное соотношение ПГФ2α к ПГЕ2 будет стимулировать сократимость матки и конкурентный транспорт ПГФ2α через маточно-яичниковое сплетение в направлении желтого тела, тем самым инициируя лютеиновую регрессию. В совокупности повышенный тонус матки и регрессия лютеиновой системы могут привести к срыву беременности и/или возврату к новому эстральному циклу после нормальной продолжительности жизни желтого тела.

Предотвращение регресса желтого тела и непрерывная секреция достаточного количества прогестерона имеет жизненно важное значение для успешного сохранения беременности. Основной мишенью для прогестерона является репродуктивный тракт. Амплитуда секреции прогестерона может оказывать влияние на среду матки, включая ингибирование митотического деления клеток эндометрия, индукцию дифференцировки стромы и стимуляцию дополнительных выделений эпителиальных желез матки или гистотрофов.¹⁰ Это увеличение секреции маточными железами питательных веществ и факторов роста необходимо для раннего развития концепта. В 1956 году исследователи выдвинули гипотезу о прогестероновом блоке, которая утверждает, что прогестерон поддерживает беременность, напрямую блокируя роды, и удаление источника прогестерона инициирует роды.¹² Более поздние исследования показали, что добавление прогестерона предотвращает вставку белков щелевого соединения между гладкомышечными клетками матки за счет снижения экспрессии коннексина-43.¹³ Также было показано, что прогестерон подавляет гены, связанные с сократительной способностью матки. В целом, коровы с уровнем прогестерона менее 0,5 нг/мл имеют повышенную сократимость в клетках циркулярной гладкой мышцы миометрия по сравнению с таковыми у коров в диэструсе (> 4,0 нг/мл прогестерона).¹⁵ Эти различия в возбуждении-сокращении миометрия вызваны геномными действиями прогестерона, которые приводят к расслабленному и спокойному состоянию матки, что способствует поддержанию успешной беременности до момента "отмены" прогестерона.¹⁴ Кроме того, синтез прогестерона зависит от продукции лютеина в первые 200 дней гестации; однако, внегонадальный источник прогестерона у крс, в первую очередь плацента, не секретирует достаточное количество прогестерона до третьего триместра беременности. Эта плацентарная секреция прогестерона зависит от секреции прогестерона в яичнике. Смещение лютеиновой плацентарной секреции прогестерона, который может способствовать поддержанию беременности, происходит только после ПГФ2α-индуцированного лютеолиза или у животных с овариэктомией¹⁶ . Кроме того, у коровы желтое тело может контролировать плацентарный стероидогенез и плацента не берет на себя секрецию прогестерона, пока дефицит яичникового лютеина не станет очевидным во время поздней беременности.

Удлинение концепта и экстраэмбриональные мембраны

Раннее удлинение бычьего концепта включает экспоненциальное увеличение длины и ширины трофэктодермы и требует дифференцировки внеэмбриональных мембран, а также влияния со стороны эндометрия матери. Это удлинение начинается на 14-й день вслед за вылуплением яйцевидной бластоцисты примерно на 9-10 день, и образует нитевидный концепт к 19-20 дням после осеменения.¹⁷ На 14 день большинство яйцевидных или трубкообразных зародышей примерно 5 мм в длину начнут формировать эпибласт ( наружный слой клеточной стенки дискобластулы у высших позвоночных ), определяющий зародышевый диск ( ранний эмбрион на стадии развития до образования сомитов ), который различим от эпителия трофобласта. Оба этих отсека изнутри выстланы непрерывным гипобластом, который по большей части окрашивается положительно в отношении α-фетопротеина¹⁸ , однако гистологический вид гипобласта варьируется в зависимости от его пространственной ориентации на эпибласт по сравнению со слоями клеток трофобласта. Пространственная ориентация приводит к двум типам гипобластных клеток: плоский тип клеток, если они расположены рядом со слоем трофобласта, или от кубовидного до столбчатого типа клеток под эпибластом или эмбриональным диском.¹⁸ В этот момент между трофобластом или эпибластом и клеточными слоями гипобласта образуется характерная базальная пластинка. Кроме того, соседние эпибластные клетки соединены через плотные контакты, также, как периферические эпибластные клетки рядом с клетками трофобласта. Предполагаемые признаки ранней эмбриональной смертности в трубкообразном концептусе заключаются в апоптотических клетках эпибласта или разрыхлении гипобласта от трофобласта. Во время этой фазы удлинения первичные складки амниона будут формироваться в виде выроста клеток трофобласта, прилегающих к эпибласту, в то время как гипобласт не участвует в формировании этой внезародышевой оболочки. Наиболее заметным отличием в течение этого ограниченного периода является гипертрофический и гиперпластический рост трофэктодермы дифференцирующий хорионический мешок, который может увеличиваться от нескольких сантиметров до 30 см и более.¹⁹

Период раннего прикрепления на 20–33-й день после осеменения протекает в виде последовательных стадий предконтакта, соприкосновения и адгезии между маткой и хорионом и заканчивается внедрением микроворсинок трофобласта в эпителий матки. Этот период времени совпадает с несколькими сообщениями об ограниченном успехе в вымывании неповрежденных зародышей для экспериментального использования.²⁰ На ранней стадии прикрепления начинается развитие аллантоиса, и на 21-й день после оплодотворения наблюдается сильная положительная связь между длиной эмбриона и шириной аллантоиса.¹⁸ Некоторые исследователи наблюдали аномалии или недоразвитие внеэмбриональных мембран после экстракорпорального оплодотворения или переноса ядер соматических клеток; тем не менее, основные механизмы нарушения развития не совсем понятны. Следовательно, эмбриональная смертность в эти моменты времени может быть вызвана трудностями в мобилизации питательных веществ, вызванными аллантоисом, проявляющим недостаточную васкуляризацию, замедление роста или его отсутствие.²¹ Что касается значительного удлинения трофэктодермы хорионического мешка, то аллантоис претерпевает постепенный рост с 21 по 25 день после осеменения, в ходе которого он начнет занимать оба рога матки и начнет фиксироваться на хорионе с образованием хориоаллантоиса плаценты; однако, это слияние остается неполным до 60–70 дней беременности.²¹

В дополнение к морфологическому переходу концепта от сферической формы в нитевидную трубку во время удлинения концепта были охарактеризованы несколько молекулярных маркеров в отношении роста и клеточной дифференцировки. Одноядерные клетки трофобласта трофэктодермы начинают пролиферировать и дифференцироваться, что может быть вызвано специфическими факторами транскрипции, такими как фактор транскрипции POUдомена класса 5, ERG и CDX2.22 Было показано, что эти факторы транскрипции регулируют гены, такие как ИФН-тау и домены белков ( элемент третичной структуры белка, представляющий собой достаточно стабильную и независимую подструктуру белка, сворачивание которой проходит независимо от остальных частей ) трофобласта, которые активируются во время материнского распознавания беременности. Кроме того, дифференциация мононуклеатных ( одноядерных ) клеток трофобласта в гигантские клетки трофобласта совпадает с увеличением гликопротеинов, связанных с беременностью, пролактин-связанных белков, и плацентарного лактогена. Эти белки связаны с клеточной дифференцировкой трофэктодермы; однако они не могут быть связаны с пролиферацией трофэктодермы во время удлинения концепта в филаментоподобную ( нитевидную) трубку.²² Профилирование транскриптома с использованием бычьего микрочипа выявило повышенную активность приблизительно 500 генов и подавление только 26 генов во время перехода от бластоцисты (день 7) к яйцевидному трубкообразному концепту (день 14). Из этих генов ИФН-тау положительно коррелировал с размером концепта; следовательно, он может быть ключевым фактором в пролиферации трофэктодермы в течение фазы удлинения. После дальнейшего удлинения бычьего концепта (17–19 гестационные дни) специфические гены, вовлеченные в дифференцировку, миграцию и адгезию ( сцепление, прилипание ) клеток трофобласта, усиливают активность, и все они играют роль в слиянии клеток трофобласта с эндометрием матки. Из 80 генов, активированных в течение этой фазы, ген CD9, который кодирует гликопротеин клеточной поверхности дифференцированных гигантских клеток трофобласта, принадлежащий к семейству тетраспанинов (семейство мембранных белков) , скорее всего, играет роль в клеточной миграции и адгезии концепта к материнскому эндометрию во время ранней фазы прикрепления (20-й гестационный день).

Гистотроф матки

Рост, развитие и благополучие бычьего концепта зависит от питания маточным гистотрофом, получаемым из секрета маточных желез эндометрия. Эндометрий представляет собой сложную ткань, состоящую из слоя эпителиальных клеток просвета матки, поверхностного железистого эпителия, глубокого железистого эпителия, а также стромальных клеток с фибробластоподобной морфологией. В дополнение к автономной регуляции пролиферации и дифференцировки трофэктодермы во время удлинения концепта, выделения маточных эндометриальных желез также будут стимулировать развитие зародыша на раннем этапе. Как упоминалось ранее, бычий концепт должен секретировать достаточное количество ИФН-тау к 16-му дню беременности, чтобы ингибировать выработку эндометрием лютеолитических импульсов ПГФ2α и обеспечить материнское распознавание беременности. В дополнение к выделениям концепта, которые паракринным путем изменяют пути регулирующие секрецию эндометрия, было также показано, что гормоны яичников стимулируют или ингибируют секрецию эндометрия и производительность желез. Ряд исследований показал, что периферические концентрации прогестерона в ранний период после зачатия связаны со скоростью удлинения концепта и более высокой оплодотворяемостью у крупного рогатого скота и овец.

Напротив, более низкие концентрации прогестерона у молочных коров связаны со снижением развития концепта. Прогестерон яичников может влиять на раннюю среду матки, включая эндометриальную секрецию питательных веществ и факторов роста, которые необходимы для раннего развития концепта. Кроме того, добавление экзогенного прогестерона с 5 по 9 день после осеменения привело к четырехкратному увеличению длины трофобласта и шестикратному увеличению концентрации ИФН-тау в матке. Помимо концентраций прогестерона в периферическом кровообращении, экспрессия рецептора прогестерона в эндометрии (как просветном ( покровном) эпителии, так и поверхностном железистом эпителии) изменяется у коров с пониженной концентрацией прогестерона в сравнении с повышенной концентрацией в течение раннего периода после зачатия. У коров с низкими концентрациями прогестерона после зачатия не только уменьшаются специфические переносчики питательных веществ в эндометрии, но также экспрессия рецептора прогестерона в просветном и поверхностном железистом эпителии поддерживается в течение более длительного периода. Напротив, повышенные концентрации прогестерона, вызванные его экзогенным введением, увеличивают экспрессию переносчика питательных веществ и уменьшают экспрессию рецептора прогестерона в просветном и поверхностном железистом эпителии. Кроме того, это подавление рецепторов прогестерона в эндометрии необходимо для установления рецептивности ( восприимчивости ) матки и эндометрия к прикреплению концептуса.

Плацентарная васкуляризация

Плацента играет важную роль в регуляции роста плода. Плацента жвачных животных морфологически классифицируется как котиледонная, а гистологически - синдесмохориальная. На стенке матки имеются специализированные участки эндометрия, называемые карункулами, по форме похожие на пуговицу.²⁵ У небеременных жвачных животных карункулы расположены в два дорсальных и два вентральных ряда, которые проходят вдоль рогов матки. Карункулов насчитывается около 100, и их можно увидеть даже в матке у плода.²⁶ Хорио-аллантоис, имеющий плоскую поверхность, становится неровным, когда начинает покрывать карункулы; это вызвано ростом и расширением концепта в просвет матки. Этот процесс сопровождается распознаванием котиледонов.²⁶ Карункуло-котиледонную единицу называют плацентомой, и она образуется в результате роста и смешения ворсин плода и карункулярных крипт, принимающих выпуклую форму²⁵ . Площадь контактной поверхности увеличивается, потому что котиледонные пальцеобразные выступы входят в крипты, образованные в карунках. Плацентомы отличаются по размеру, но они больше в роге и уменьшаются в размерах вблизи кончика рога.²⁶ Плацентома является основной функциональной областью физиологического обмена между матерью и плодом.

Эффективность плацентарного транспорта питательных веществ напрямую связана с маточно-плацентарным кровообращением.²⁷ Все питательные вещества и отходы, которые обмениваются между материнской и эмбриональной системами, транспортируются через маточно-плацентарный барьер. Установление функционального кровообращения плода и матки является одним из самых ранних событий во время эмбрионального/плацентарного развития.^29,30 Чтобы поддержать экспоненциальное увеличение роста плода во второй половине беременности,³¹ надлежащий рост и развитие маточноплацентарного сосудистого русла должны происходить в течение первой половины беременности.^27,32