2.5.1 GnRH
Das Dekapeptid GnRH spielt als zentraler Initiator der reproduktiven Hormonkaskade eine wichtige Rolle bei der Regulation weiblicher und männlicher Fortpflanzungsfunktionen (CONN et al. 1984; MILLAR 2005). Es wird von neurosekretorischen Zellen des Hypothalamus gebildet und gelangt über die Portalgefäße zur Hypophyse, wo daraufhin FSH und LH freigesetzt werden, die an den Gonaden die Sekretion der Steroidhormone und von Inhibin stimulieren (CONN et al. 1984; GOEHRING et al. 1999; SOSNOWSKI et al. 2000).
Diese Hormone wirken wiederum im Sinne eines geschlossenen Feedback-Systems auf Hypophyse und Hypothalamus. GnRH wird vom Hypothalamus pulsatil sezerniert und bewirkt damit auch eine episodische Ausschüttung der Gonadotropine (CONN et al. 1984).
Jedem GnRH-Puls folgt ein LH-Puls. Die FSH-Pulse sind nicht so klar erkennbar (MILLAR 2005).
2.5.1.1 Verschiedene Formen von GnRH
Bei den Wirbeltieren existieren 23 Formen von GnRH, die sich in ihren Aminosäuresequenzen unterscheiden (PAWSON u. MC NEILLY 2005). Bei den meisten Vertebratenspezies treten zwei dieser Formen auf. Analog dazu wird vermutet, dass zu den einzelnen Formen unterschiedliche Rezeptorsubtypen gehören. Die Formen unterscheiden sich neben den Aminosäuremustern auch in ihrer Lokalisation, Verteilung und dem embryologischen Ursprung. GnRH I wird als hypothalamische Form bezeichnet und ist speziesspezifisch. Die Funktion von GnRH II, das von Zellen des Mittelhirns gebildet und
„Chicken-GnRH II“ genannt wird, ist bislang unklar. Als dritte Form ist bei einigen Vertebraten das „Salmon-GnRH III“ identifiziert worden (DUBOIS et al. 2002; MILLAR 2005; PAWSON u. MC NEILLY 2005; RAMAKRISHNAPPA et al. 2005).
2.5.1.2 GnRH-Rezeptor
GnRH stimuliert die Gonadotropinsekretion aus der Hypophyse in drei Schritten. Zuerst bindet GnRH an den Rezeptor auf der Plasmamembran, daraufhin wird Calcium als „Second Messenger“ mobilisiert. Im dritten Schritt werden FSH und LH freigesetzt (CONN et al.
1984; PAWSON u. MCNEILLY 2005). Die GnRH-Rezeptoren gehören zum Typ der
G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (COUNIS et al. 2005; RAMAKRISHNAPPA et al. 2005).
Im Laufe des Zyklus variiert die Sensitivität der Hypophyse für GnRH nur über eine Änderung der Anzahl der GnRH-Rezeptoren, nicht über deren veränderte Bindungsaffinität.
Die Anzahl der GnRH-Rezeptoren in der Hypophyse steigt während des Östrus deutlich an und bleibt im übrigen Zyklusverlauf gleich (CONN et al. 1984; LEUNG et al. 1984).
Längerfristige kontinuierliche Verabreichung von GnRH oder Analoga führt zu einer ständigen Rezeptorbesetzung und damit zur Desensibilisierung, da die Rezeptoren schneller internalisiert werden als sie ersetzt werden können. Dies führt zu einer verminderten Gonadotopinsekretion (CONN et al. 1984; RISPOLI u. NETT 2005).
2.5.1.3 Beeinflussung der GnRH-Sekretion auf Ebene des Hypothalamus
GnRH wird von hypothalamischen Neuronen pulsatil in die hypophysären Portalgefäße sezerniert. Dabei bilden die Neuronen ein diffuses Netzwerk, das als hypothalamischer Pulsgenerator bezeichnet wird und die episodische Freisetzung von GnRH reguliert. Die GnRH-Sekretion wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst (MORI u. TANAKA 1995;
KRSMANOVIC et al. 2009). Sie ist unter anderem calciumabhängig und wird durch cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) stimuliert (KRSMANOVIC et al. 2010). Neben transsynaptischen Signalen wird die GnRH-Sekretion auch durch von Endothelzellen und Gliazellen freigesetzten Faktoren beeinflusst (BEAUVILLAIN u. PRÉVOT 2004).
2.5.2 Synthese und Sekretion von FSH und LH
Die Glykoproteine FSH und LH bestehen jeweils aus einer α- und einer β-Untereinheit (PIERCE et al. 1976). Während die α-Untereinheit bei beiden Hormonen gleich ist,
unterscheiden sie sich in ihren β-Untereinheiten, die auch für die spezifische Rezeptorbindung verantwortlich sind (RYAN et al. 1988; COSOWSKY et al. 1995). Die Bindung von GnRH an die Rezeptoren bewirkt die gesteigerte Transkription der Gene der α-Untereinheit und der LH-β-Untereinheit (SOSNOWSKI et al. 2000).
Neben einer basalen Sekretion von FSH und LH wird LH auch pulsatil ausgeschüttet und zeigt keinen Zusammenhang zur FSH-Sekretion. Dabei beträgt die Plasmahalbwertszeit von LH 20 Minuten und von FSH 150 Minuten. Die basale Sekretion findet unabhängig von GnRH statt, während die LH-Pulse abhängig von der pulsatilen GnRH-Freisetzung sind. Die FSH-Sekretion ist weitestgehend unabhängig von den GnRH-Pulsen (PAWSON u. MC NEILLY 2005)
2.5.3 Unterschiede in der Regulation von FSH und LH
GnRH bewirkt die Sekretion beider Gonadotropine. Es ist außerdem nötig für die Bereitstellung der Untereinheiten und damit auch für die Synthese von FSH und LH (SANCHEZ et al. 1994). Trotzdem gibt es Unterschiede in der Regulation der Gonadotropine (WALTERS et al. 1984; CUPP et al. 1995).
WALTERS et al. (1984) beobachteten das Vorkommen von FSH-Pulsen, die nicht von einem Puls begleitet wurden. Sie vermuteten, dass diese zusätzlichen FSH-Sekretionen von LH-Pulsen unterhalb der Messgrenze begleitet wurden.
Mittlerweile kennt man verschiedene Faktoren, die neben GnRH Einfluss auf die FSH-Synthese nehmen. Das vom Follikel synthetisierte Protein Inhibin hemmt die FSH-FSH-Synthese in der Hypophyse, während das ebenfalls im Ovar gebildetete Protein Aktivin die FSH-Synthese fördert (YING 1988; MUTTUKRISHNA u. KNIGHT 1991; EVANS et al. 1997).
Ein weiteres Protein mit hemmender Wirkung ist Follistatin (FSH-Suppressing-Protein, FSP), das von der Hypophyse sezerniert wird. Follistatin bindet an Aktivin und hemmt die FSH-Sekretion, ohne die GnRH- oder LH-Ausschüttung zu beeinflussen (WANG et al. 1990;
BARATTA et al 2001; PADMANABHAN et al. 2002).
WANG et al. (1990) vermuten außerdem einen hemmenden Einfluss von FSP auf GnRH über Enzymhemmung und Reduzierung von GnRH-Rezeptoren.
PADMANABHAN et al. (2002) untersuchten die GnRH-unabhängige episodische FSH-Sekretion und vermuten, dass die zusätzlichen Pulse durch einen weiteren hypothalamischen Releasingfaktor hervorgerufen werden. Dieser Faktor könnte eine Variante von GnRH sein.
Als weitere Möglichkeit vermuten die Autoren eine zusätzliche GnRH-Rezeptorform, an die GnRH II bindet, das bevorzugt die FSH-Sekretion stimuliert (PADMANABHAN et al. 2002).
Der Einfluss der GnRH-Pulsfrequenz auf die Gonadotropinsynthese wurde von einigen Autoren untersucht. Bei In-vitro-Versuchen von KAISER et al. (1997) und BÉDÉCARRATS und KAISER (2003) steigerten höhere Pulsfrequenzen die Synthese der α- und der LH-β-Untereinheiten, die LH-Sekretion und auch den Gehalt an GnRH-Rezeptor-mRNA in der Hypophyse. Bei niedrigeren Pulsfrequenzen stieg die Synthese der FSH-β-Untereinheiten und die FSH-Sekretion an. Die Autoren schlussfolgern, dass die Regulation der Gonadotropinsynthese über die Pulsfrequenz auf Ebene der Hypophyse wirkt (KAISER et al.
1997). Bei Schafen steigerte die erhöhte Pulsfrequenz eines GnRH- Agonisten den Gehalt an LH-β-Untereinheiten, hatte aber keinen Einfluss auf die Menge an FSH-β-mRNA (MOLTER-GÉRARD et. al. 1999).
ASPDEN et al. (2003) untersuchten über einen Zeitraum von 31 Tagen die Langzeitanwendung eines GnRH-Agonisten bei Färsen. Die Bildung der LH-β -Untereinheiten-mRNA wurde gehemmt, es waren aber keine signifikanten Auswirkungen auf die Synthese der FSH-β-mRNA festzustellen. Die Gonadotropingehalte wurden aber stärker gehemmt als die der Untereinheiten, so dass die Autoren von einer post-transkriptionalen Hemmung der Gonadotropinsynthese ausgehen (ASPDEN et al. 2003).
Auch LANE et al. (2009) beschreiben den Zusammenhang zwischen der Regulation der GnRH-Pulsfrequenz und der LH-Pulsfrequenz. Der FSH-Serumgehalt reguliert sich selber über die Menge an FSH in der Hypophyse und vielleicht auch in Änderungen der Hypophysensensitivität gegenüber den zirkulierenden Steroiden über die Regulierung der Rezeptoranzahl (LANE et al. 2009).
2.5.4 Einfluss von Östradiol, Progesteron und anderen Faktoren auf die Freisetzung von FSH/LH
Auch andere Hormone haben Einfluss auf die Ausschüttung von FSH und LH. So können Progesteron und Östradiol je nach Zyklusstand die Gonadotropinsynthese hemmen oder fördern (KESNER u. CONVEY 1982; CONN et al. 1984). Progesteron hat während der Gelbkörperphase bis ungefähr zum 17. Zyklustag einen negativen Rückkopplungsmechanismus auf die Gonadotropinsekretion der Hypophyse (HANSEL u.
SNOOK 1970; KALTENBACH et al. 1974; WALTERS et al. 1984).
Außerdem senkt Progesteron in der Lutealphase die Sensitivität der Hypophyse für GnRH (RISPOLI u. NETT 2005). Auch Östradiol hat bei hoher Progesteronkonzentration hemmenden Einfluss auf die hypophyseale Gonadotropinausschüttung (WALTERS et al.
1984; FINK 1988).
Bei sinkendem Plasmaprogesterongehalt als Folge der Gelbkörperregression führt eine neue Follikelwelle zum Anstieg der Östradiolkonzentration. Östradiol bewirkt dann die Steigerung der Hypophysensensibilität für GnRH über die Erhöhung der GnRH-Rezeptorsynthese in der Hypophyse im Sinne eines positiven Rückkopplungsmechanismus (CHENAULT et al 1974;
STUMPF et al. 1989; KOJIMA et al. 1995; RISPOLI u. NETT 2005).
Aktivin und Inhibin verändern ebenfalls die Hypophysensensitivität für GnRH über Änderung der Rezeptoranzahl (RISPOLI u. NETT 2005). Neben den Feedback-Effekten der gonadalen Steroide haben noch andere Faktoren, zum Beispiel Stress, Ernährung oder Jahreszeit Einfluss auf die Funktionen der gonadotropinproduzierenden Zellen. Auch Serotonin, Dopamin, Gamma-Aminobuttersäure (GABA), Noradrenalin, Opioide oder Glutamat können eine modulierende Wirkung auf die Synthese und Sekretion von FSH und LH haben (CLARKE u.
POMPOLO 2005).