Vliv glykosylace hCG na jeho funkce v ženské reprodukci


Influence of hCG glycosylation on its functions in female reproduction

Objective:
To review contemporary knowledge of the hCG molecule, its isoforms and the importance of glycosylation. Biologic variants and glycoforms of hCG have different biological activities and functions related to the control of menstrual cycle, conception, gestation as well as gynaecologic and non-gynaecologic malignancies.

Design:
A review.

Setting:
Department of Obstetrics and Gynaecology, University Hospital Olomouc.

Methods:
To present own experience and an overview of recent literature in molecular biology, clinical biochemistry and clinical practice.

Conclusion:
Recent knowledge of the role of hCG glycosylation in physiologic and pathologic events in female organism will provide a better understanding of regulation of processes like ovulation (co-operation of pituitary hCG with LH), implantation and hemochorial placentation (invasivity of hyperglycosylated hCG). Some biologic variants and isoforms of hCG are important for the prediction of certain pathologies of pregnancy, prenatal screening of inborn errors (free beta hCG) as well as in the treatment of infertility.

Keywords:
human chorionic gonadotrophin, hCG, hyperglycosylated hCG, hhCG, glycosylation, hCG biologic variants


Autoři: I. Oborná ;  H. Fingerová
Působiště autorů: Porodnicko-gynekologická klinika LF UP a FNOL, Olomouc, přednosta prof. MUDr. R. Pilka, Ph. D.
Vyšlo v časopise: Čes. Gynek.2017, 82, č. 1 s. 42-46

Souhrn

Cíl studie:
Podat stručný přehled současného vývoje znalostí o molekule hCG, izoformách hCG a významu glykosylace. Biologické varianty hCG mají v závislosti na stupni glykosylace rozdílné funkce v organismu v souvislosti s řízením menstruačního cyklu, početím, těhotenstvím, gynekologickými i negynekologickými malignitami.

Typ studie:
Přehledový článek.

Název a sídlo pracoviště:
Porodnicko-gynekologická klinika LF UP a FN Olomouc.

Metodika:
Shrnutí vlastních zkušeností a doplnění novými literárními poznatky z molekulární biologie, klinické biochemie i klinické praxe.

Závěr:
Nové poznatky o úloze glykosylace hCG ve fyziologických i patologických pochodech v ženském organismu nám umožňují lépe pochopit řízení procesů vedoucích k ovulaci (spolupráce hypofyzárního hCG s LH), implantaci a hemochoriální placentaci (invazivita hyperglykosylovaného hCG). Některé biologické varianty a izoformy hCG se užívají v predikci těhotenských patologií, v prenatálním screeningu vrozených vývojových vad (volná β podjednotka hCG) i v léčbě neplodnosti.

Klíčová slova:
lidský choriový gonadotropin, hCG, hyperglykosylovaný hCG, hhCG, glykosylace, biologické varianty hCG

HISTORICKÝ ÚVOD

Lidský choriový gonadotropin (hCG) hraje klíčovou úlohu v adaptaci mateřského organismu na těhotenství. Vztah mezi placentárním hCG a produkcí progesteronu ve žlutém tělísku byl experimentálně prokázán už v roce 1920 [13]. Různé biologické testy na průkaz těhotenství z moči žen založené na změnách ovarií laboratorních zvířat, byly postupně užívány až do roku 1960, kdy byl popsán první imunologický hemaglutinační průkaz hCG v moči [21]. Kvantitativní stanovení hCG v séru těhotných však umožnil až objev radioimunoanalýzy [17]. První RIA hCG v naší republice byla zavedena na Porodnicko-gynekologické klinice v Olomouci už v roce 1971 díky studijnímu pobytu profesora Miloslava Talaše v USA. Široké využití moderních imunoanalytických metod postupně rozvíjelo i poznání chemického složení molekuly placentárního hCG a jeho variant i jejich nejrůznějších biologických funkcí.

STRUKTURA MOLEKULY hCG Z MOČI TĚHOTNÝCH

Molekula hCG je v mnoha ohledech výjimečná. Je to nejdelší molekula a zároveň nejkyselejší molekula v lidské krvi s poločasem 36 hodin. HCG je heterodimer složený ze dvou nekovalentně vázaných podjednotek α a β (obr. 1). Řetězec α podjednotky hCG má 92 aminokyselin a je téměř identický s α podjednotkou tří dalších hypofyzárních glykoproteinů, a to LH, FSH a TSH. Beta podjednotky hCG, LH, FSH a TSH jsou však specifické a odpovídají za různé biologické funkce těchto hormonů [3, 7]. Podjednotky β u hCG a LH se však liší jen délkou řetězce aminokyselin (hCG má o 24 aminokyselin víc), což určuje jejich biologické aktivity a funkce [10]. Podobnost molekul hCG a LH tak ale umožňuje vazbu na společný receptor LH/hCG, i když s různou účinností [11]. Významnou část molekul glykoproteinů tvoří navázané řetězce oligosacharidů.

Schematické znázornění třídimenzionální struktury deglykosylovaného hCG α, podjednotka je znázorněna šedě, β podjednotka černě, hvězdička označuje cystinový uzel, kde dochází k vazbě na TGF β
Oligosacharidy: A – N-acetyl glukosamin, G – galaktóza, L – N-acetyl galaktosamin, M –manóza, S – kyselina sialová
Obr. 1. Schematické znázornění třídimenzionální struktury deglykosylovaného hCG α, podjednotka je znázorněna šedě, β podjednotka černě, hvězdička označuje cystinový uzel, kde dochází k vazbě na TGF β Oligosacharidy: A – N-acetyl glukosamin, G – galaktóza, L – N-acetyl galaktosamin, M –manóza, S – kyselina sialová
(převzato z Cole LA. [7])

GLYKOSYLACE A HETEROGENITA GLYKOPROTEINŮ

Glykosylace je jednou z nejvýznamnějších posttranslačních modifikací proteinů. Již z názvu glykoprotein vyplývá, že tyto proteiny jsou glykosylované, ale úroveň glykosylace je různá. Primární struktura peptidických řetězců glykoproteinů je jednoznačně určena mRNA. Navazováním jednotek monosacharidů a oligosacharidů v endoplazmatickém retikulu a Golgiho aparátu může vzniknout velké množství různých izoforem těchto glykoproteinů. Ukazuje se, že glykosylace, tj. navázání jednoduchých cukrů nebo oligosacharidů, je nezbytná pro produkci i biologický účinek většiny secernovaných i membránových proteinů. Glykosylace může ovlivnit řadu jejich vlastností, jako skládání (folding), rozpustnost, výskyt v různých částech buňky, rezistenci vůči proteolýze, biologickou aktivitu, afinitu vazby k ligandu, rychlost sekrece nebo metabolismu. Oligosacharidy se mohou vázat buď O-glykosidovou vazbou na kyslík serinu a treoninu (O-glykany), nebo častěji N-glykosidovou vazbou na dusík asparaginu (N-glykany). Navázané oligosacharidy jsou dále zakončeny zbytky kyselin sialových, které tak vytvářejí podmínky pro vznik ohebných „anténových“ struktur. S rostoucím počtem anténových sialických struktur se zvyšuje acidita glykoproteinu [4].

Molekuly hCG jsou vysoce glykosylované. Oligosacharidy v molekule placentárního hCG tvoří asi 30 % jeho molekulární hmotnosti, u hyperglykosylovaného hCG (hhCG) tvoří oligosacharidy až 45 % molekulární hmotnosti (obr. 2). Glykosylace je nezbytnou podmínkou nejen pro správné intracelulární uspořádání a spojení podjednotek α a β, ale i pro aktivaci LH/hCG receptorů a biologickou účinnost cirkulujícího hCG. Glykosylace rovněž přispívá k ochraně molekuly hCG před proteolytickými enzymy, uplatňuje se v buněčném rozpoznávání, zvyšuje rozpustnost proteinů, jejich dostupnost a biologickou účinnost. Struktura oligosacharidů hCG se mění v průběhu fyziologického těhotenství, u těhotenských patologií i u trofoblastické nemoci [14].

Schematické znázornění hhCG včetně O-glykanů a N-glykanů
Oligosacharidy: A – N-acetyl glukosamin, G – galaktóza, L – N-acetyl galaktosamin, M –manóza, S – kyselina sialová
Obr. 2. Schematické znázornění hhCG včetně O-glykanů a N-glykanů Oligosacharidy: A – N-acetyl glukosamin, G – galaktóza, L – N-acetyl galaktosamin, M –manóza, S – kyselina sialová
(převzato z Cole LA. [7])

V současné době rozeznáváme minimálně pět biologicky aktivních variant hCG s identickou sekvencí aminokyselin, produkovaných v různých buňkách, které mají rozdílné struktury a nezávislé funkce v organismu. Hlavní příčinou jejich rozdílné biologické aktivity je právě stupeň glykosylace. Dvě varianty působí endokrinně (placentární hCG a v malé, ale významné míře i hypofyzární hCG), zatímco tři další varianty (hyperglykosylované hCG, volná β podjednotka hCG a hyperglykosylovaná volná β podjednotka hCG) působí autokrinně.

ENDOKRINNÍ VARIANTY hCG

Placentární hCG

Placentární hCG se tvoří v buňkách syncytiotrofoblastu a nahrazuje funkci LH stimulací společného LH/hCG receptoru. Na začátku těhotenství je jeho hlavní rolí podpora produkce progesteronu v corpus luteum, stimulace angiogeneze v myometriu dělohy a podpora diferenciace buněk cytotrofoblastu. HCG pravděpodobně díky své vysoké aciditě vyvolává imunotoleranci. Společně s progesteronem také snižuje děložní kontraktilitu. Předpokládá se i jeho významná role v interakci mezi embryem a endometriem během implantace [15].

Hypofyzární hCG

Hypofyzární hCG je secernováno gonadotropními buňkami přední hypofýzy. Jeho sekrece se mění v průběhu menstruačního cyklu s periovulačním maximem paralelně s LH. Hladiny hypofyzárního hCG jsou detekovatelné jen ultrasenzitivními testy, standardními testy je za normálních okolností prokázat nelze. Sekrece hypofyzárního hCG je pulzatilní s obdobnou frekvencí a amplitudou jako LH. Pravděpodobnou funkcí hypofyzárního hCG ve folikulární fázi je podpora preovulačního vyplavení LH, v luteální fázi pak podporuje tvorbu a funkci corpus luteum. Oproti jiným izoformám hCG je tato molekula méně glykosylovaná a jako jediná je sulfatovaná. Hypofyzární hCG je detekovatelné i u žen v perimenopauze a postmenopauze a také u většiny mužů [8, 19]. I zde jde nejspíše o synergické působení s molekulou LH.

AUTOKRINNÍ VARIANTY hCG

Hyperglykosylované hCG (hhCG)

Hyperglykosylované hCG se tvoří v extravilózních invazivních buňkách cytotrofoblastu a jeho invazivita podporuje implantaci a hemochoriální placentaci [6]. Společně s hCG, hhCG hraje klíčovou úlohu v adaptaci mateřského organismu na těhotenství podporou přeměny corpus luteum na corpus luteum graviditatis. V prvních dnech a týdnech gravidity se tvoří téměř výhradně hyperglykosylované hCG, postupně se tento poměr obrací ve prospěch placentárního hCG. Na začátku těhotenství představuje hhCG až 90 % celkové aktivity hCG, zatímco v 10. týdnu těhotenství již méně než 5 % a dále klesá. Invazivita hhCG je na začátku těhotenství klíčová pro kvalitu implantace a zřejmě měla významnou úlohu v evoluci lidského druhu umožněním hemochoriální placentace, která je vyhrazena jen některým primátům a člověku [7, 16]. Hemochoriální placentace usnadňuje přísun živin k vyvíjejícímu se plodu, a tím významně podporuje vývoj jeho mozku již v prenatálním období. Zatímco hCG působí cestou společného LH/hCG receptoru, hhCG vazbou na TGF β receptor indukuje trofoblastickou invazi a neoangiogenezi [20].

Volná β podjednotka hCGa hyperglykosylovaná volná β podjednotka hCG

Volná β podjednotka hCG a hyperglykosylovaná volná β podjednotka hCG stejně jako hhCG podporují invazi. Vazbou na TGFβ receptor blokují apoptózu, stimulují angiogenezi, sekreci proteolytických enzymů, matrixových metaloproteináz a kolagenáz. Tyto autokrinně působící varianty hCG mohou podporovat maligní bujení nejen u trofoblastických, ale i u některých dalších malignit [5].

KLINICKÉ VYUŽITÍ STANOVENÍ hCG V TĚHOTENSTVÍ

Hladiny hCG se rutinně užívají pro diagnostiku a prognózu časného těhotenství, především pomocí tzv. doubling time. Jediné vyšetření hCG má nižší výpovědní hodnotu, protože rozpětí fyziologických hladin hCG je velmi široké. Snížené a klesající hladiny hCG svědčí pro patologie, jako mimoděložní těhotenství nebo časný potrat, mírně zvýšené mohou značit vícečetné těhotenství, výrazný vzestup bývá spojen s hydatidózní molou, někdy i s choriokarcinomem. Ve II. trimestru lze snížení hCG využít pro odhad rizika rozvoje preeklampsie [6, 7]. V patogenezi preeklampsie může hrát roli modifikace glykosylace hCG vedoucí k defektní trofoblastické invazi, způsobené nedostatečnou remodelací spirálních arterií [18].

VYUŽITÍ VOLNÉ β PODJEDNOTKY hCG V PRENATÁLNÍM SCREENINGU CHROMOZOMÁLNÍCH VAD PLODU

Tzv. druhotrimestrální screening, kdy se zvýšený AFP a snížené hCG, případně ještě další markery využívaly k předpovědi rizika VVV plodu, je v současné době již většinou nahrazen screeningem v I. trimestru, mezi 11. až 14. týdnem gravidity. Vyšetření je založeno na ultrazvukových markerech a doplněno stanovením pregnancy-associated plazma proteinu A (PAPP-A) a volné β podjednotky hCG. Tato stanovení umožňuje např. imunoanalyzátor Kryptor. Prvotrimestrální screening je přesnější, umožňuje návazná vyšetření a v případě prokázané závažné vady umožňuje časnější řešení. V ČR byl zaveden již v roce 2004 [9]. U nejčastějších aneuploidií (T21, T18, T13) byla prokázána rozdílná bioaktivita a defektivní glykosylace placentárního hCG [2].

VYUŽITÍ VYŠETŘENÍ hCG U MALIGNÍCH ONEMOCNĚNÍ

Už před průkazem existence a invazivity hhCG, vysoké hladiny hCG svědčily pro riziko výskytu hydatidózní moly a choriokarcinomu. HCG je vedle CEA jedním z prvních známých „tumor markerů“ a využívá se již mnoho let u seminomů varlat. V současnosti byly agresivní varianty hCG prokázány i u řady negynekologických malignit, většinou v jejich pokročilých stadiích [5, 12].

LÉKOVÉ FORMY hCG A NEJČASTĚJŠÍ UŽITÍ V LÉČBĚ

Na trhu jsou dostupné preparáty, které obsahují placentární hCG izolované z moči těhotných žen, hypofyzární hCG izolované z moči menopauzálních žen i rekombinantní hCG, získané metodami genetického inženýrství. Rekombinantní preparáty hCG nemají přirozenou glykosylaci, ale ta se může naprogramovat, a tak vlastně měnit biologickou účinnost tohoto preparátu [10]. V léčbě neplodnosti se hCG nejčastěji užívá k indukci ovulace. HCG zde vazbou na společný receptor LH/hCG supluje funkci LH. V nízkých dávkách se může využít i ke stimulaci ovariálních folikulů. Je s úspěchem využíváno i k luteální podpoře, a to jak v přirozených, tak stimulovaných či substituovaných cyklech. Opatrnosti je ovšem třeba v cyklech s rizikem rozvoje hyperstimulačního syndromu, kde se raději tomuto způsobu luteální podpory vyhýbáme.

IMUNOANALYTICKÉ STANOVENÍ hCG

Vzhledem k heterogenitě molekuly hCG a extrémnímu rozpětí hodnot jejich koncentrací je standardizace laboratorního stanovení hCG obtížným a stále se vyvíjejícím úkolem [1]. Výsledky stanovení hCG se nevyjadřují jako molární koncentrace (SI jednotky), ale ve vztahu k mezinárodnímu standardu hCG v IU/l (International Units/l). Nyní se užívá již 4. mezinárodní standard WHO (4th IS WHO code 75/589). Hladiny hCG se také mohou mírně lišit podle použitého automatu nebo manuálního stanovení, např. ELISA. Opatrnost v posuzování výsledků z různých laboratoří by měla být samozřejmostí. Pokud výsledek není v souladu s klinickým nálezem, je vhodné vyšetření zopakovat nebo nález ověřit na renomovaném pracovišti. Zatím jediné rozlišení mezi hCG a hhCG umožňuje použití specifické protilátky B152, která selektivně rozpoznává antigenní determinantu na koncové části β-podjednotky hCG [4].

ZÁVĚR

HCG známe a hodnotíme především v souvislosti s těhotenstvím. Je důležité si uvědomit, že tento glykoprotein plní v lidském organismu různé další funkce a na jeho produkci se podílejí i jiné orgány. Je to skutečně výjimečná, extrémní molekula, jejíž funkce v organismu mohou být i antagonistické. Tyto nové poznatky o úloze biologických variant hCG a významu jeho glykosylace v ženském organismu nám umožňují lépe pochopit řízení procesů v menstruačním cyklu, které vedou k ovulaci, implantaci a významně se podílejí na zajištění fyziologického průběhu těhotenství. Můžeme tak lépe porozumět i některým patologiím těhotenství, které jsou spojené s abnormální glykosylací, jako je preeklampsie či některé aneuploidie. Znalost autokrinních variant hCG a jejich působení cestou TGF β receptoru nám pomůže pochopit chování některých malignit. V neposlední řadě nám znalost významu glykosylace hCG může pomoci k optimalizaci léčby neplodnosti.

Prof. MUDr. Ivana Oborná, Ph.D.

Porodnicko-gynekologická klinika

LF UP a FNOL

I. P. Pavlova 6

775 20, Olomouc

e-mail: ivana.oborna@upol.cz


Zdroje

1. Birken, S., Kovalevskaya, G., O‘Connor, J. Metabolism of hCG and hLH to multiple urinary forms.Mol Cell Endocrinol,1996, 20, 125, p. 121–131.

2. Brun, S., Leguy, MC., Bruneel, A. et al. hCG in screening for aneuploidy: A possible role for its glycoforms? Placenta, 2014, 35, p. 425–427.

3. Cole, LA. New discoveries on the biology and detection of human chorionic gonadotropin. Reprod Biol Endocrinol, 2009, 26, doi: 10.1186/1477-7827-7-8.

4. Cole, LA. Hyperglycosylated hCG, a review. Placenta, 2010, 31, p. 653–664.

5. Cole, LA. hCG variants, the growth factors which drive human malignancies. Am J Cancer Res, 2012, 2, p. 22–35.

6. Cole, LA. Hyperglycosylated hCG and pregnancy failures. J Reprod Immunol, 2012, 93, p. 119–122.

7. Cole, LA. hCG, the wonder of today´s science. Reprod Biol Endocrinol, 2012, 10, 24, doi: 10.1186/1477-7827-10-24.

8. Dabrowski, F., Grzechocinska, B., Cyganek, A., Wielgos, M. Non trophoblastic source of human chorionic gonadotropin – problem in diagnostic accuracy. Neuroendocrinol Lett, 2015, 36, 4, p. 101–104.

9. Dhaifalah I., Šantavý, J., Hyjánek, J. Screening for chromosomal anomalies inthe first trimester: a report of the first year of prospective screening for chromosomal anomalies in the first trimester in Czech Rep. Biomed Papers, 2006,150, p. 275–278.

10. Ezcurra, D., Humaidan, P. A review of luteinising hormone and human chorionic gonadotropin when used in assisted reproductive technology. Reprod Biol Endocrinol, 2014, 12, doi: 10.1186/1477-7827-12-95.

11. Fournier, T., Guibourdenche, J., Evain-Brion, D. Review: hCGs: Different sources of production, different glycoforms and functions. Placenta, 2015, Supplement 1, 29, p. 60–65.

12. Gehring, C., Siepmann, T., Heudegger, H., Jeschke, U. The controversial role of human chorionic gonadotropin in the develop­ment of breast cancer and other types of tumors. Breast, 2016, p. 135–140.

13. Hirose, T. Exogenous stimulation of corpus luteum formation in the rabbit: influence of extracts of human placenta, decidua, fetus, hydatid mole, and corpus luteum on the rabbit gonad. J Jpn Gynecol Soc, 1920, 16, p. 1055–1058.

14. Choi, J., Smitz, J. Luteinizing hormone and human chorionic gonadotropin: distinguishing unique physiologic roles. Gynecol Endocrinol, 2014, 30, 3, p. 174–181.

15. Choi, J., Smitz, J. Luteinizing hormone and human chorionic gonadotropin: Origins of difference. Mol Cell Endocrinol, 2014, 383, p. 203–213.

16. Jiang, X., Dias, J., He, X. Structural biology of glycoprotein hormones and their receptors: Insights to signaling. Mol Cell Endocrinol, 2014, 382, p. 424–451.

17. Midgley, AR, Jr., Jaffe, RB. Regulation of human gonadotropins. II. Disappearance of human chorionic gonadotropinfollowing delivery. J Clin Endocrinol Metab, 1968, 28, p. 1712–1718.

18. Norris, W., Nevers, T., Sharma, S., Kalkunte, S. Review: hCG, preeclampsia and regulatory T cells. Placenta, 2011, 25, p. 180–185.

19. Odell, WD., Griffin, J. Pulsatile secretion of human chorionic gonadotropin in normal adults. N Engl J Med, 1987, 317, p. 1688–1691.

20. Tsampalas, M., Gridelet, V., Berndt, S., et al. Human chorionic gonadotropin: A hormone with immunological and angiogenic properties. J Reprod Immunol, 2010, 85, p. 93–98.

21. Wide, L., Gemzell, CA. An immunological pregnancy test. Acta Endocrinol, 1960, 35, p. 261–267.

Štítky
Dětská gynekologie Gynekologie a porodnictví Reprodukční medicína

Článek vyšel v časopise

Česká gynekologie

Číslo 1

2017 Číslo 1

Nejčtenější v tomto čísle

Tomuto tématu se dále věnují…


Kurzy Soutěž Doporučená témata Časopisy
Přihlášení
Zapomenuté heslo

Nemáte účet?  Registrujte se

Zapomenuté heslo

Zadejte e-mailovou adresu se kterou jste vytvářel(a) účet, budou Vám na ni zaslány informace k nastavení nového hesla.

Přihlášení

Nemáte účet?  Registrujte se