Ett barn blir till Gunnar Selstam Professor Institutionen för cell- och molekylärbiologi Umeå universitet Ibland hör man att den enda uppgift vi människor har är att fortplanta oss. Så är det kanske. Men varför fungerar det inte alltid så bra? Det är ju så att 15% av alla par har svårt att få barn. Jag skall börja det här seminariet med lite bakgrund om hur äggstockar fungerar, hormoner etc., men också ge några resultat från aktuell forskning. Testikelns funktion kommer Leif Abramson att beskriva senare. Äggstockens funktioner Både äggstocken och testikeln har två funktioner: Dels ska de bilda funktionella könsceller, dvs. ägg eller spermier, dels ska de producera könshormoner, se figur 1. Figur 1. Äggstockens och testikelns två funktioner. Båda producerar funktionella könsceller, dvs. ägg och spermier, samt könshormonerna progesteron och östrogener resp. testosteron. 8
Båda funktionerna är lika viktiga. Ägg och spermie måste kunna mötas. Könshormonerna möjliggör detta och mycket annat av betydelse för fortplantningen. Hormonerna styr kroppens könsutveckling, sexualdrift, livmoderfunktion, också genom att påverka vårt centrala nervsystem. Detta senare område är ganska okänt och många forskningsresultat därvidlag är kontroversiella. Det är dock möjligt att könshormoner styr mer av vårt sociala liv än vi tidigare trott, men det som skiljer oss från djuren är att vårt sociala liv via vårt medvetande kan ta kommando över könshormonerna. Äggstocken är ett fantastiskt organ där många olika aktiviteter försiggår samtidigt. Figur 2 är en schematisk bild av en äggstock. Figur 2. Histologisk bild av en mogen follikel i äggstocken. Denna mikroskopiska bild är från en råtta, men det ser likadant ut hos människa även om strukturerna är större. I follikeln ser man ägget, som är den största cellen. Ägg mognar redan för nästa cykel medan ägglossningen sker; naturen arbetar med överskott både hos mannen och kvinnan. Äggutvecklingen startar under fostertiden. Äggen har då dubbel kromosomuppsättning, dvs. att varje kromosom är dubblerad liksom i alla andra celler i kroppen, och man hittar då några miljoner sådana ägg i äggstockarna. Sedan börjar reduktionsdelningen, 9
då äggen gör en celldelning som slutar med en uppsättning kromosomer. Denna process avstannar innan den är färdig och återupptas först i samband med menstruationscykeln. Detta att äggets utveckling stannar upp i ett visst stadium strax före puberteten är en känslig process och man kan se att de flesta ägg inte överlever. Vid pubertetens inledning återstår ca 250 000. Uppenbarligen händer sedan något med äggen, eftersom fertiliteten minskar och missbildningsfrekvensen ökar med stigande ålder hos kvinnan. I och med menstruationscykeln startar äggets utveckling på nytt. Figur 3 visar de hormonförändringar som sker under menstruationscykeln. Figur 3. Variationer i hormonaktivitet och andra funktioner under menstruationscykeln. Regleringen av könshormon är en komplicerad process och vår forskargrupp har speciellt studerat produktionen av progesteron efter ägglossningen hos den s.k. gulkroppen (corpus luteum). Mognaden av ägget, som börjar med att utvecklingen efter det frysta tillståndet återupptas och slutar med att ägget är befruktningsdugligt, är en till stora delar okänd process. Vår forskargrupp har hittat ett protein som bryts 10
ner strax före äggmognaden. Figur 4 visar att detta protein finns i stor halt i ägget, men försvinner strax innan ägget är befruktningsdugligt. Figur 4. Immunhistokemi. Det speciella protein som vi studerat (cytokeratin) är mörkt i bilden. Det finns i stora mängder före ägglossningen, men i samband med att ägget blir befruktningsdugligt bryts proteinet ner. Studier pågår nu för att konfirmera dessa resultat med andra metoder. Vi har precis inlett forskning kring äggets åldrande, och vår vilda hypotes är att detta eller liknande protein kan ha med äggets åldrande att göra. Äggens åldrande är ett stort fertilitetsproblem, och frågan är varför människans ägg åldras så fort? Bildandet av könshormoner Det första hormon man över huvud taget hittade var ett könshormon: testosteron. Det var tysken Berthold som på 1870-talet kastrerade tuppar och då märkte att kammen på huvudet inte växte ut, se figur 5. Det dröjde ända till 1920-talet innan man kemiskt kunde beskriva testosteronet, och det var ett mycket tidsödande arbete att med dåtida biologiska metoder leta och beskriva olika hormoner. Det stora språnget i hormon- 11
Figur 5. Det första hormonförsöket. T.v. en tupp som är kastrerad och där kammen inte växt ut. Tuppen t.h. har fått testikelextrakt injicerat och då har en helt normal kam växt ut. Efter Berthold (1870). forskningen kom omkring 1970, när man lärde sig mäta hormoner med antikroppar och dessutom studera vävnader utanför kroppen, in vitro. Med de nya mätmetoderna kartlades mycket snabbt när de olika könshormonen bildades. Då kunde bilder som figur 3 med blodkoncentrationer av hormoner göras med stor säkerhet. Nästa stora språng i forskningen kring könshormoner kom med molekylärbiologin: Då kunde man titta på hur gener aktiveras och det är inom detta område som vår forskargrupp arbetar. Regleringen av gulkroppens progesteronproduktion Som framgår av figur 3 sker stora förändringar av könshormonerna under menstruationscykeln. Vi intresserade oss för bildningen av progesteron i gulkroppen, den struktur som bildas ur äggfollikeln efter ägglossningen. 1980- talets förhärskande uppfattning var att gulkroppen är autonom och alltså inte hormonellt styrd. Vi har nu kunnat visa att den verkligen är hormonellt styrd, men inte på det vanliga sättet. 12
När ett hormon verkar måste det finnas en hormonreceptor för att signalen skall kunna mottas. Ju mer hormon man ger, desto fler hormonreceptorer aktiveras. Så är det t.ex. för insulin och det innebär att ju mer insulin man sprutar desto större glukossänkande effekt blir det. Motsvarande fenomen gäller däremot inte hos gulkroppen. LH, det luteiniserande hormonet, kommer från hypofysen och utlöser ägglossningen. Därför har det antagits ha med bildningen av gulkroppen att göra och det är korrekt, men när man sprutar extra LH får man liten eller ingen mereffekt. Detta var grunden för åsikten att gulkroppen var autonom. Vår arbetshypotes var helt enkelt att det kanske var mängden hormonreceptor i blodet som var begränsande och inte mängden hormon. Eftersom alla proteiner har sitt ursprung från gener påbörjade vi ett molekylärbiologiskt projekt där vi studerade den gen som producerar LH-receptorn. Varje gen bildar mrna för att kunna producera ett protein och detta mrna mätte vi, se figur 6. Mätningen sker genom en s.k. gelelektrofores och fläckarna bildar ett typiskt mönster för varje fält. Genom detta mönster kan man säkert identifiera att det är LH-receptorn. Det är en klassisk molekylärbiologisk metod att bestämma aktiviteten hos en gen och som synes var det stora förändringar. Metoden kallas Northern blot och mörkfärgningen blir ett mått på mrna som alltså blir ett mått på produktionen av LH-receptorn. Vi kunde genast se stora förändringar av LH-receptorn i både äggfollikeln och gulkroppen. En serie experiment visade att det verkligen var som i vår arbetshypotes, dvs. att mängden LH-hormon i blodet var tillräcklig men att det var mängden LH-receptor som avgjorde om det verkligen blev en effekt. Vi kunde dessutom visa att ett annat hormon stimulerar LH-receptorgenen till ökad produktion av LH-receptor och en annan av oss medverkande idag, Jan Olofsson, arbetar just nu med att söka klarlägga om samma mekanismer finns hos människa. Våra resultat grundas helt på studier hos råttor, och det är troligt att det finns skillnader i dessa mekanismer. Vi kunde alltså se att mängden LH-receptor var den avgörande faktorn för stimulering av LH och därmed också för produktionen av progesteron. I 13
Figur 6. LH-receptorgenens aktivitet före och efter ägglossningen. De mörka fläckarna är mrna. Mätningarna har skett i äggfollikeln före ägglossningen och i gulkroppen omedelbart efter ägglossningen, mitt i gulkroppsfasen och när den tillbakabildas (motsvarande menstruationscykeln). verkligheten kan man praktiskt taget lägga dessa kurvor av progesteron och LH-receptorns mrna på varandra. Dock finns ett litet undantag vid en tidpunkt och här letar vi en annan receptor eller ett annat hormon som kan vara av betydelse. Vad utlöser menstruationen? Våra senaste studier handlar om varför produktionen av progesteron upphör vid slutet av hormoncykeln. Den inte bara upphör utan den upphör tvärt, vilket är sällsynt när det gäller hormonproduktion. På några få timmar går gulkroppen från en hög produktion av progesteron till ett totalt upphörande; fenomenet kallas luteolys. Luteolysen utlöser menstruationen, som därför också börjar tvärt. Forskningen kring luteolys har varit fokuserad kring en substans, prostaglandin F 2 a (även kallad PGF). Vi har tidigare försök kunnat visa att PGF 14
hämmar progesteron som mest under luteolysen och då utlöser flera akuta effekter på cellmetabolismen. I samarbete med Jan Olofsson har vi kunnat visa att mängden PGF ökar under luteolysen, men om den avgörande mekanismen saknades ännu kunskap. Vi beslöt därför att se om det fanns samband mellan LH-receptorn och PGF och det fanns det: När vi gav PGF till våra försöksdjur stängdes LH-receptorgenen av, vilket alltså innebar att progesteronproduktionen gick ner. Emellertid har PGF också en receptor, F- receptorn, och vi mätte naturligtvis den också. Alla dessa resultat finns sammanfattade i figur 7. Vi vet inte vad som utlöser bildandet av PGF och händelsekedjan börjar därför med ett frågetecken. När PGF stiger kommer den dels att stimulera sin egen receptor och denna receptor hämmar i sin tur LH-receptorn. Detta gör att hämningen snabbt stegras och att LH-receptorerna försvinner inom loppet av ett par timmar. När LH således inte kan verka upphör produktio- Figur 7. Vår arbetshypotes för hur menstruationen startar. 15
nen av progesteron lika snabbt. Vi försöker nu ta reda på vad som är den initierande faktorn, dvs. vad det är som gör att PGF stiger. I figur 8 finns resultaten av denna forskning samlade. Figur 8. Sammanfattning av forskningsgruppens resultat vad gäller äggstocken. Vi kan idag säga att förutom LH-receptorn är PGF-receptorn och prolaktinreceptorn involverade i regleringen av gulkroppen. Genom en del indirekta indikationer är det mycket troligt att det finns ytterligare två receptorer inblandade i regleringen av gulkroppen. Vi hoppas att kunna finna dem, liksom kunskap om vad som initierar ökningen av PGF och vilka proteiner som kan vara involverade i åldrandet av ägg. Denna forskning har möjliggjorts genom djurförsök, och när vi vet hur det fungerar hos djur kan man mäta hos människa. Det finns skillnader, men ofta är själva mekanismerna desamma. Forskningen har också möjliggjorts genom anslag från statliga forskningsfonder. Tyvärr finns idag inga privata fonder som är öronmärkta för grundläggande fortplantningsforskning. Det beklagar jag eftersom många av de resultat vi fått fram är till direkt nytta när 16
Gunnar Selstam det gäller bl.a. behandling av barnlöshet, förutom att utbilda duktiga läkare inom detta område. Vi behöver öka vår kunskap avsevärt inom fortplantningen för att kunna behandla inte bara barnlöshet utan även andra sjukdomar som har med reproduktion att göra, men också att kunna behandla andra sjukdomar utan att skada fortplantningsorganen. En bred satsning på forskning om fortplantning kan förutom detta också ge oss ledtrådar varför så många sjukdomar drabbar fortplantningsorganen, t.ex. två de av de vanligaste cancersjukdomarna: Bröstcancer och prostatacancer. Vi lever dessutom i en föränderlig värld där människor skaffar barn allt senare i livet. Det ställer ökade krav på behandling av barnlöshet eftersom fertiliteten går ner med stigande ålder. Som nämndes inledningsvis kan 15% av alla par idag inte få barn. Det kan ställas i motsats till exempelvis våra försök med råttor, bland vilka ca 1% inte får ungar. Även om procenttalen inte är fullständigt jämförbara, har människan en låg fertilitet när vi jämför med djurvärlden. Ändå är det klart att den låga fertiliteten inte har hindrat oss att bli väldigt många på jorden, men bakgrundsorsakerna är höljda i dunkel och nästan ingen forskning har ägnats åt detta. 17