1.      Giới thiệu

Giữa noãn và các tế bào hạt có sự tương tác qua lại lẫn nhau trong suốt quá trình phát triển nang noãn. Noãn và các tế bào hạt phát triển song song với nhau cho đến cuối giai đoạn nang tiền hốc. Ở giai đoạn này, các nang tiền hốc bắt đầu có những thay đổi hình thành nên các nang có hốc. Song song với quá trình này là sự biệt hóa của các tế bào hạt thành hai dòng tế bào khác nhau về vị trí cũng như chức năng. Các tế bào nằm gần noãn hơn sẽ biệt hóa thành các tế bào cumulus, các tế bào nằm xa hơn sẽ biệt hóa thành các tế bào granulosa. Nhiều bằng chứng cho thấy noãn đóng một vai trò không kém phần quan trọng trong việc điều phối quá trình biệt hóa biểu hiện gene giữa các tế bào cumulus và tế bào granulosa: các yếu tố cận tiết có nguồn gốc từ noãn làm thúc đẩy hoạt động phiên mã của các gene mã hóa cho các phân tử vận chuyển amino acid [13]và các enzyme trong quá trình đường phân ở tế bào cumulus [24]. Mặc dù các nghiên cứu thực hiện trên nhiều mô hình động vật khác nhau, trong bài viết này, chúng tôi chỉ đề cập đến các nghiên cứu thực hiện trên mô hình chuột.

2.      Các yếu tố cận tiết có nguồn gốc từ noãn

Ở các động vật hữu nhũ, trong quá trình phát triển, noãn tạo ra hai họ yếu tố tăng trưởng chính có vai trò quan trọng trong việc điều hòa hoạt động sinh sản: TGFβ (Transforming Growth Factor beta) và FGF (Fibroblast Growth Factor).

Các nghiên cứu trên chuột cho thấy hai yếu tố cận tiết thuộc họ TGFβ đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình phát triển nang noãn và GDF9 và BMP15. Vai trò của GDF9 đã được chứng minh bằng thực nghiệm, nang noãn sơ cấp ở các mô hình chuột mang kiểu gene đột biến Gdf9^-/- không thể phát triển lên nang thứ cấp [8], tuy nhiên, nếu được bổ sung GDF9 tái tổ hợp thì các nang noãn này có thể tiếp tục phát triển [20, 30]. Thí nghiệm bổ sung GDF9 để kích thích sự phát triển của các nang noãn sơ cấp cũng được thực hiện thành công trên người [17]. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu khác trên chuột còn cho thấy GDF9 có vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự tổng hợp progesterone cần thiết cho quá trình dãn nở cumulus và làm tăng tiềm năng phát triển của noãn [10, 33, 34].

Khác với GDF9, BMP15 mặc dù được chứng minh là có vai trò quan trọng trong sự phát triển của noãn qua các khác biệt biểu hiện gene giữa mô hình chuột bình thường và mô hình đột biến Bmp15^-/-, mô hình đột biến mất 2 allele này vẫn chỉ cho ra kiểu hình buồng trứng yếu, chưa mất hoàn toàn khả năng sinh sản [22]. Nhưng nếu đột biến Bmp15^-/- kết hợp với kiểu gene Gdf9^+/- trên cùng một cá thể sẽ dẫn đến vô sinh hoàn toàn [32]. Chính điều này cho thấy GDF9 và BMP15 có sự tương tác qua lại trong quá trình điều hòa sự phát triển nang noãn, tuy nhiên, câu hỏi liệu rằng GDF9 và BMP15 hoạt động độc lập như các monomer, các homodimer hay heterodimer BMP15/GDF9 vẫn còn là bí ẩn.

Các thí nghiệm trên chuột Bmp15^-/- cho thấy có sự giảm rõ rệt nồng độ các sản phẩm phiên mã mã hóa cho các enzyme phục vụ cho quá trình đường phân. Tuy nhiên, nếu các mô hình chuột này được bổ sung BMP15 vẫn không kích hoạt được hoạt động phiên mã các sản phẩm nói trên nếu không bổ sung kèm FGF8 [25]. Điều này chứng tỏ rằng FGF8 và BMP15 đồng vận hành điều hòa các enzyme trong quá trình đường phân. Cơ chế tương tác giữa hai protein này vẫn chưa được làm rõ, tuy nhiên, một phân tử trung gian SPRY2 (Sprouty homolog 2) có vai trò trung hòa hoạt động tín hiệu của cả FGF8 và BMP15 trong quá trình phát triển nang noãn [27].

3.      Hoạt động biến dưỡng đồng vận hành giữa noãn và các tế bào cumulus

Từ những năm 1960, nhiều nghiên cứu đã thực hiện trên chuột cho thấy có sự hỗ trợ qua lại về mặt dinh dưỡng giữa noãn và các tế bào granulosa. Nghiên cứu của Bigger và cộng sự (1967) cho thấy noãn chuột sẽ không tiếp tục quá trình giảm phân nếu nuôi cấy trong môi trường chỉ có duy nhất glucose là cơ chất năng lượng nhưng nếu bổ sung thêm pyruvate hoặc đồng nuôi cấy noãn và tế bào cumulus thì noãn vẫn tiếp tục giảm phân bình thường [1]. Nhiều nghiên cứu sau đó chứng minh rằng chính tế bào cumulus là nơi sinh tổng hợp pyruvate từ các cơ chất năng lượng như glucose hay lactate [7, 18]. Do noãn sử dụng pyruvate như một cơ chất năng lượng chính cho mọi hoạt động tăng trưởng cũng như tái hoạt giảm phân [1, 12], nên có thể nói hoạt động biến dưỡng của noãn phụ thuộc vào hoạt động sản xuất pyruvate ở tế bào cumulus.

Một ví dụ khác cho sự đồng vận hành biến dưỡng giữa noãn và tế bào cumulus là cơ chế hấp thụ các amino acid. Nghiên cứu của Colonna và Mangia cho thấy các amino acid, kể cả alanine, được hấp thụ hiệu quả bởi noãn chuột với sự có mặt của các tế bào cumulus; trong khi quá trình hấp thụ này thất bại nếu nuôi cấy riêng noãn không có cumulus [2]. Tế bào cumulus cảm ứng tăng cường hoạt động hấp thụ amino acid ở noãn nhờ vào các liên kết gap junction, thực nghiệm đã chứng minh nếu dùng chất ức chế hoạt động của các liên kết này, quá trình hấp thụ amino acid giảm đi đáng kể [16].

Trong quá trình phát triển nang noãn, noãn cần các cơ chất năng lượng, các amino acid, cũng như cholesterol, tuy nhiên các gene mã hóa cho các quá trình nói trên không được biểu hiện ở noãn [13, 22, 24]. Chính vì thế, noãn phải tiếp nhận các chất nói trên từ quá trình sinh tổng hợp ở tế bào cumulus kế cận bằng các yếu tố cận tiết điều hòa hoạt động biểu hiện các chất nói trên. Mặc dù biệt hóa cùng một nguồn gốc nhưng tế bào cumulus biểu hiện các sản phẩm phiên mã với cường độ cao hơn so với các tế bào granulosa do nằm gần noãn hơn, được tiếp xúc với nồng độ cao các yếu tố cận tiết có nguồn gốc từ noãn.

4.      Sự dãn rộng cumulus

Trong suốt quá trình các nang tiền hốc chuyển dạng thành các nang có hốc, những tế bào granulosa nằm gần noãn cũng bắt đầu biệt hóa thành những tế bào cumulus và chuẩn bị sẵn sàng cho quá trình dãn rộng cumulus, một quá trình không thể thiếu trong sự trưởng thành noãn [5]. Một số phân tử tín hiệu trong nang noãn như các yếu tố GDF9 và BMP15 có nguồn gốc từ noãn, estrogen được chứng minh có ảnh hưởng đến tiềm năng của các tế bào cumulus chuẩn bị cho quá trình dãn rộng cumulus trên chuột [3, 9, 11, 32]. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu còn cho thấy có sự liên quan giữa sự biểu hiện gene Nrip1 ở chuột và quá trình dãn rộng cumulus, mô hình chuột mất gene Nrip1 thất bại trong sự dãn rộng cumulus [28, 31]. Nghĩa là noãn có thể khuếch đại tín hiệu estrogen bằng việc ức chế biểu hiện gene Nrip1 ở tế bào cumulus. Ngoài ra, một số con đường tín hiệu khác như EGFR liên quan đến các phân tử như HAS2, PTGS2, PTX3, TNFAIP6, MAPK3/1, ERK1/2, SMAD2/3 cũng được mô tả liên quan đến quá trình dãn rộng cumulus [4, 6, 14, 15, 19, 21, 23, 26, 29].

5.       Kết luận

Hoạt động biểu hiện gene thông qua các tương tác giữa noãn và các tế bào sinh dưỡng thuộc nang noãn (granulosa, cumulus) trên các mô hình nghiên cứu trên chuột đã phần nào cung cấp cho chúng ta thấy mối liên hệ mật thiết giữa noãn và các tế bào nang noãn trong suốt quá trình phát triển, từ lúc hình thành nang noãn đến khi phóng noãn, các hiện tượng sinh lý quan sát thấy đều tương ứng với sự thay đổi quá trình biểu hiện gene ở noãn cũng như các tế bào sinh dưỡng thuộc nang noãn. Các nghiên cứu này như cung cấp thêm cho chúng ta cơ chế về mặt phân tử của quá trình phát triển của noãn và nang noãn, giúp chúng ta hiểu biết sâu hơn cũng như mở ra nhiều cơ hội cho chúng ta có thể phát triển các nghiên cứu ở mức độ phân tử nhằm cải thiện chất lượng noãn trong điều trị thụ tinh trong ống nghiệm trong tương lai.

Tài liệu tham khảo
1.         Biggers, J.D., D.G. Whittingham, and R.P. Donahue, The pattern of energy metabolism in the mouse oocyte and zygote. Proc Natl Acad Sci U S A, 1967. 58(2): p. 560-7.
2.         Colonna, R. and F. Mangia, Mechanisms of amino acid uptake in cumulus-enclosed mouse oocytes. Biol Reprod, 1983. 28(4): p. 797-803.
3.         Couse, J.F., et al., Estrogen receptor-beta is critical to granulosa cell differentiation and the ovulatory response to gonadotropins. Endocrinology, 2005. 146(8): p. 3247-62.
4.         Davis, B.J., et al., Anovulation in cyclooxygenase-2-deficient mice is restored by prostaglandin E2 and interleukin-1beta. Endocrinology, 1999. 140(6): p. 2685-95.
5.         Diaz, F.J., et al., The preantral granulosa cell to cumulus cell transition in the mouse ovary: development of competence to undergo expansion. Dev Biol, 2006. 299(1): p. 91-104.
6.         Diaz, F.J., K. Wigglesworth, and J.J. Eppig, Oocytes determine cumulus cell lineage in mouse ovarian follicles. J Cell Sci, 2007. 120(Pt 8): p. 1330-40.
7.         Donahue, R.P. and S. Stern, Follicular cell support of oocyte maturation: production of pyruvate in vitro. J Reprod Fertil, 1968. 17(2): p. 395-8.
8.         Dong, J., et al., Growth differentiation factor-9 is required during early ovarian folliculogenesis. Nature, 1996. 383(6600): p. 531-5.
9.         Dupont, S., et al., Effect of single and compound knockouts of estrogen receptors alpha (ERalpha) and beta (ERbeta) on mouse reproductive phenotypes. Development, 2000. 127(19): p. 4277-91.
10.       Elvin, J.A., et al., Paracrine actions of growth differentiation factor-9 in the mammalian ovary. Mol Endocrinol, 1999. 13(6): p. 1035-48.
11.       Emmen, J.M., et al., In vitro growth and ovulation of follicles from ovaries of estrogen receptor (ER){alpha} and ER{beta} null mice indicate a role for ER{beta} in follicular maturation. Endocrinology, 2005. 146(6): p. 2817-26.
12.       Eppig, J.J., Analysis of mouse oogenesis in vitro. Oocyte isolation and the utilization of exogenous energy sources by growing oocytes. J Exp Zool, 1976. 198(3): p. 375-82.
13.       Eppig, J.J., et al., Mouse oocytes regulate metabolic cooperativity between granulosa cells and oocytes: amino acid transport. Biol Reprod, 2005. 73(2): p. 351-7.
14.       Fan, H.Y., et al., MAPK3/1 (ERK1/2) in ovarian granulosa cells are essential for female fertility. Science, 2009. 324(5929): p. 938-41.
15.       Fulop, C., et al., Impaired cumulus mucification and female sterility in tumor necrosis factor-induced protein-6 deficient mice. Development, 2003. 130(10): p. 2253-61.
16.       Haghighat, N. and L.J. Van Winkle, Developmental change in follicular cell-enhanced amino acid uptake into mouse oocytes that depends on intact gap junctions and transport system Gly. J Exp Zool, 1990. 253(1): p. 71-82.
17.       Hreinsson, J.G., et al., Growth differentiation factor-9 promotes the growth, development, and survival of human ovarian follicles in organ culture. J Clin Endocrinol Metab, 2002. 87(1): p. 316-21.
18.       Leese, H.J. and A.M. Barton, Production of pyruvate by isolated mouse cumulus cells. J Exp Zool, 1985. 234(2): p. 231-6.
19.       Li, Q., et al., Redundant roles of SMAD2 and SMAD3 in ovarian granulosa cells in vivo. Mol Cell Biol, 2008. 28(23): p. 7001-11.
20.       Nilsson, E.E. and M.K. Skinner, Growth and differentiation factor-9 stimulates progression of early primary but not primordial rat ovarian follicle development. Biol Reprod, 2002. 67(3): p. 1018-24.
21.       Ochsner, S.A., et al., Decreased expression of tumor necrosis factor-alpha-stimulated gene 6 in cumulus cells of the cyclooxygenase-2 and EP2 null mice. Endocrinology, 2003. 144(3): p. 1008-19.
22.       Su, Y.Q., et al., Oocyte regulation of metabolic cooperativity between mouse cumulus cells and oocytes: BMP15 and GDF9 control cholesterol biosynthesis in cumulus cells. Development, 2008. 135(1): p. 111-21.
23.       Su, Y.Q., et al., Mitogen-activated protein kinase activity in cumulus cells is essential for gonadotropin-induced oocyte meiotic resumption and cumulus expansion in the mouse. Endocrinology, 2002. 143(6): p. 2221-32.
24.       Sugiura, K., F.L. Pendola, and J.J. Eppig, Oocyte control of metabolic cooperativity between oocytes and companion granulosa cells: energy metabolism. Dev Biol, 2005. 279(1): p. 20-30.
25.       Sugiura, K., et al., Oocyte-derived BMP15 and FGFs cooperate to promote glycolysis in cumulus cells. Development, 2007. 134(14): p. 2593-603.
26.       Sugiura, K., Y.Q. Su, and J.J. Eppig, Targeted suppression of Has2 mRNA in mouse cumulus cell-oocyte complexes by adenovirus-mediated short-hairpin RNA expression. Mol Reprod Dev, 2009. 76(6): p. 537-47.
27.       Sugiura, K., et al., Fibroblast growth factors and epidermal growth factor cooperate with oocyte-derived members of the TGFbeta superfamily to regulate Spry2 mRNA levels in mouse cumulus cells. Biol Reprod, 2009. 81(5): p. 833-41.
28.       Tullet, J.M., et al., Multiple signaling defects in the absence of RIP140 impair both cumulus expansion and follicle rupture. Endocrinology, 2005. 146(9): p. 4127-37.
29.       Varani, S., et al., Knockout of pentraxin 3, a downstream target of growth differentiation factor-9, causes female subfertility. Mol Endocrinol, 2002. 16(6): p. 1154-67.
30.       Vitt, U.A., et al., In vivo treatment with GDF-9 stimulates primordial and primary follicle progression and theca cell marker CYP17 in ovaries of immature rats. Endocrinology, 2000. 141(10): p. 3814-20.
31.       White, R., et al., The nuclear receptor co-repressor nrip1 (RIP140) is essential for female fertility. Nat Med, 2000. 6(12): p. 1368-74.
32.       Yan, C., et al., Synergistic roles of bone morphogenetic protein 15 and growth differentiation factor 9 in ovarian function. Mol Endocrinol, 2001. 15(6): p. 854-66.
33.       Yeo, C.X., R.B. Gilchrist, and M. Lane, Disruption of bidirectional oocyte-cumulus paracrine signaling during in vitro maturation reduces subsequent mouse oocyte developmental competence. Biol Reprod, 2009. 80(5): p. 1072-80.
34.       Yeo, C.X., et al., Exogenous growth differentiation factor 9 in oocyte maturation media enhances subsequent embryo development and fetal viability in mice. Hum Reprod, 2008. 23(1): p. 67-73.

Từ khóa: biểu hiện gene, cumulus, noãn, tương tác, nang noãn