Осморегуляция и репродукция: эволюционные тренды функций пролактина от рыб к млекопитающим

Изучение эволюции функций пролактина дает ключ для понимания разнообразия эффектов этого гормона у млекопитающих в норме и патологии, что актуально как с теоретической, так и с практической точки зрения. В статье представлен обзор собственных и литературных данных, касающихся роли пролактина и его рецепторов в регуляции половых особенностей пресноводной адаптации трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus L. Продемонстрировано, что экспрессия мРНК гена пролактина 1 (одного из двух паралогов пролактина) и его рецептора PRLRA в мозге растет только у самок колюшки при переходе в пресную воду. Мозг и почка колюшки как андрогензависимые органы характеризуются зависимой от пола экспрессией Prlra в морской воде. Предполагается, что через рецептор PRLRA в этих органах осуществляются зависимые от пола осморегуляторные эффекты пролактина. Рецептор PRLRB в условиях морской воды экспрессируется в почке и мозге колюшки независимо от пола, однако экспрессия этого рецептора более чувствительна к снижению солености. Очевидно, рецептор PRLRB принимает более активное участие в реализации независимых от пола осморегуляторных функций пролактина. Жабры и кишечник как осморегуляторные органы экспрессируют рецепторы PRLRA и PRLRB независимо от пола и в морской, и в пресной воде. При пресноводной адаптации параллельно растет экспрессия Prl1 в мозге самок и экспрессия Atp1a1 (гена α1а-субъединицы Na⁺/K⁺-АТФазы), Nhe3 (гена натрий-протонного антипорта NHE3) и Ecac (гена эпителиального кальциевого канала ECAC) в их жабрах. Предполагается, что эти гены жабр находятся под позитивным контролем пролактина. Поиск возможности реализации осморегуляторной функции пролактина у млекопитающих показал, что она может проявляться в условиях таких типов патологий, которые сопровождаются повышенной экспрессией изоформ рецептора пролактина в органах, участвующих в осморегуляции. Одной из таких патологий является холестаз самок крыс. Он сопровождается ростом экспрессии изоформ Prlr и изменением активности и соотношения субъединиц Na⁺/K⁺-АТФазы в почке. Таким образом, у рыб осморегуляторная функция пролактина зависит от пола, а у млекопитающих может проявляться в условиях нарушения водно-солевого обмена.

1. Breves J.P., McCormick S.D., Karlstrom R.O. Prolactin and teleost ionocytes: new insights into cellular and molecular targets of prolactin in vertebrate epithelia. Gen. Comp. Endocrinol. 2014;203:21–28.

2. Seale A.P., Pavlosky K.K., Celino-Brady F.T., Yamaguchi Y., Breves J.P., Lerner D.T. Systemic versus tissue-level prolactin signaling in a teleost during a tidal cycle. J. Comp. Physiol. B. 2019;189(5):581–594.

3. Breves J.P., Watanabe S., Kaneko T., Hirano T., Grau E.G. Prolactin restores branchial mitochondrion-rich cells expressing Na+/Cl- cotransporter in hypophysectomized Mozambique tilapia. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2010;299(2):R702–R710.

4. Manzon L.A. The role of prolactin in fish osmoregulation: A review. Gen. Comp. Endocrinol. 2002;125(2):291–310.

5. Power D.M. Developmental ontogeny of prolactin and its receptor in fish. Gen. Comp. Endocrinol. 2005;142(1–2):25–33.

6. Breves J.P., Seale A.P., Helms R.E., Tipsmark C.K., Hirano T., Grau E.G. Dynamic gene expression of GH/ PRL-family hormone receptors in gill and kidney during freshwater-acclimation of Mozambique tilapia. Comp. Biochem. Physiol. A Mol. Integr. Physiol. 2011;158(2):194–200.

7. Lee K.M., Kaneko T., Aida K. Prolactin and prolactin receptor expressions in a marine teleost, pufferfish Takifugu rubripes. Gen. Comp. Endocrinol. 2006;146(3):318–328.

8. Pavlova N.S., Gizatulina A.R., Neretina T.V., Smirnova O.V. Expression of opsin genes in the retina of female and male three-spined sticklebacks Gasterosteus aculeatus L.: Effect of freshwater adaptation and prolactin administration. Biochemistry (Mosc.). 2022;87(3):215–224.

9. Pavlova N.S., Neretina T.V., Smirnova O.V. Dynamics of prolactin axis genes in the brain of male and female three-spined stickleback Gasterosteus aculeatus (Gasterostaidae) during short-term freshwater adaptation. J. Ichthyol. 2020;60(2):299–304.

10. Павлова Н.С., Гизатулина А.Р., Неретина Т.В., Смирнова О.В. Пролактин адаптирует цветовое зрение у самок и самцов трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus L. при 72-часовой адаптации к пресной воде. Труды X Международной научно-практической конференции «Морские исследования и образование (MARESEDU-2021)», том III. Тверь: ООО «ПолиПРЕСС»; 2021:69–75.

11. Henderson H.L., Hodson D.J., Gregory S.J., Townsend J., Tortonese D.J. Gonadotropin-releasing hormone stimulates prolactin release from lactotrophs in photoperiodic species through a gonadotropin-independent mechanism. Biol. Reprod. 2008;78(2):370–377.

12. Onuma T., Ando H., Koide N., Okada H., Urano A. Effects of salmon GnRH and sex steroid hormones on expression of genes encoding growth hormone/prolactin/somatolactin family hormones and a pituitary-specific transcription factor in masu salmon pituitary cells in vitro. Gen. Comp. Endocrinol. 2005;143(2):129–141.

13. Павлова Н.С., Неретина Т.В., Смирнова О.В. Экспрессия пролактина и его рецепторов в мозге самок трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus в условия смены солености воды. Сборник избранных статей X и XI международных научно-практических конференций «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине». СПб.: Изд-во Политех. ун-та; 2016:121–125.

14. Павлова Н.С., Неретина Т.В., Смирнова О.В. Динамика экспрессии генов пролактина в мозге самок и самцов трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus при 24-часовой пресноводной адаптации. Научные труды II Объединенного научного форума (VI съезд физиологов СНГ, VI съезд биохимиков России, IX российский симпозиум «Белки и пептиды»). М.: Перо; 2019:191

15. Greytak S.R., Tarrant A.M., Nacci D., Hahn M.E., Callard G.V. Estrogen responses in killifish (Fundulus heteroclitus) from polluted and unpolluted environments are site-and gene-specific. Aquat. Toxicol. 2010;99(2):291–299.

16. Lee Pow C.S.D., Yost E.E., Aday D.D., Kullman S.W. Sharing the roles: An assessment of Japanese medaka estrogen receptors in vitellogenin induction. Environ. Sci. Technol. 2016;50(16):8886–8895.

17. Zheng W., Xu H., Lam S.H., Luo H., Karuturi R.K.M., Gong Z. Transcriptomic analyses of sexual dimorphism of the zebrafish liver and the effect of sex hormones. PLoS One. 2013;8(1):e53562.

18. Seale A.P., Malintha G.H.T., Celino-Brady F.T., Head T., Belcaid M., Yamaguchi Y., Lerner D.T., Baltzegar D.A., Borski R.J., Stoytcheva Z.R., Breves J.P. Transcriptional regulation of prolactin in a euryhaline teleost: Characterisation of gene promoters through in silico and transcriptome analyses. J. Neuroendocrinol. 2020;32(11):e12905.

19. Liu N.-A., Liu Q., Wawrowsky K., Yang Z., Lin S., Melmed S. Prolactin receptor signaling mediates the osmotic response of embryonic zebrafish lactotrophs. Mol. Endocrinol. 2006;20(4):871–880.

20. Seale A.P., Mita M., Hirano T., Grau E.G. Involvement of the cAMP messenger system and extracellular Ca2+ during hyposmotically-induced prolactin release in the Mozambique tilapia. Gen. Comp. Endocrinol. 2011;170(2):401–407.

21. Watanabe S., Hirano T., Grau E.G., Kaneko T. Osmosensitivity of prolactin cells is enhanced by the water channel aquaporin-3 in a euryhaline Mozambique tilapia (Oreochromis mossambicus). Am. J. Physiol. Integr. Comp. Physiol. 2009;296(2):R446–R453.

22. Hoffmann E., Walstad A., Karlsson J., Olsson P.-E., Borg B. Androgen receptor-beta mRNA levels in different tissues in breeding and post-breeding male and female sticklebacks, Gasterosteus aculeatus. Reprod. Biol. Endocrinol. 2012;10:23.

23. Dobolyi A., Oláh S., Keller D., Kumari R., Fazekas E.A., Csikós V., Renner É., Cservenák M. Secretion and function of pituitary prolactin in evolutionary perspective. Front. Neurosci. 2020;14:621.

24. Павлова Н.С., Неретина Т.В., Смирнова О.В. Динамика экспрессии генов пролактина и его рецепторов в мозге самок трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus при 24-часовой пресноводной адаптации. Третья молодежная школа-конференция «Молекулярные механизмы регуляции физиологических функций». М.: Изд-во «Наука»; 2019.

25. Hoffmann E., Walstad A., Karlsson J., Olsson P.-E., Borg B. Androgen receptor-beta mRNA levels in different tissues in breeding and post-breeding male and female sticklebacks, Gasterosteus aculeatus. Reprod. Biol. Endocrinol. 2012;10:23.

26. Olsson P.-E., Berg A.H., von Hofsten J., Grahn B., Hellqvist A., Larsson A., Karlsson J., Modig C., Borg B., Thomas P. Molecular cloning and characterization of a nuclear androgen receptor activated by 11-ketotestosterone. Reprod. Biol. Endocrinol. 2005;3:37.

27. Jolly C., Katsiadaki I., Le Belle N., Mayer I., Dufour S. Development of a stickleback kidney cell culture assay for the screening of androgenic and anti-androgenic endocrine disruptors. Aquat. Toxicol. 2006;79(2):158–166.

28. Seale L.A., Gilman C.L., Zavacki A.M., Larsen P.R., Inokuchi M., Breves J.P., Seale A.P. Regulation of thyroid hormones and branchial iodothyronine deiodinases during freshwater acclimation in tilapia. Mol. Cell Endocrinol. 2021;538:111450.

29. Culbert B.M., Regish A.M., Hall D.J., McCormick S.D., Bernier N.J. Neuroendocrine regulation of plasma cortisol levels during smoltification and seawater acclimation of Atlantic salmon. Front. Endocrinol. (Lausanne). 2022;13:859817.

30. Nagarajan G., Aruna A., Chang Y.-M., Alkhamis Y.A., Mathew R.T., Chang C.-F. Effects of osmotic stress on the mRNA expression of prl, prlr, gr, gh, and ghr in the pituitary and osmoregulatory organs of black porgy, Acanthopagrus schlegelii. Int. J. Mol. Sci. 2023;24(6):5318.

31. Inokuchi M., Breves J.P., Moriyama S., Watanabe S., Kaneko T., Lerner D.T., et al. Prolactin 177, prolactin 188, and extracellular osmolality independently regulate the gene expression of ion transport effectors in gill of Mozambique tilapia. Am. J. Physiol. Integr. Comp. Physiol. 2015;309(10):R1251–R1263.

32. Yuan M., Jia Q., Wang T., Lu Q., Tang L., Wang Y., Lu W. Dynamic responses of prolactin, growth hormone and their receptors to hyposmotic acclimation in the olive flounder Paralichthys olivaceus. Gen. Comp. Endocrinol. 2017;254:8–13.

33. Павлова Н.С., Неретина Т.В., Смирнова О.В. Зависимость от пола экспрессии гена пролактина в мозге и генов Na+/K+-АТФазы в жабрах трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus L. при пресноводной адаптации. Труды XII Международной научно-практической конференции «Морские исследования и образование (MARESEDU-2023)». Тверь: ООО «ПолиПРЕСС»; 2024:3.

34. Kang C.-K., Tsai S.-C., Lee T.-H., Hwang P.-P. Differential expression of branchial Na+/K+-ATPase of two medaka species, Oryzias latipes and Oryzias dancena, with different salinity tolerances acclimated to fresh water, brackish water and seawater. Comp. Biochem. Physiol. Part A Mol. Integr. Physiol. 2008;151(4):566–575.

35. Mundy P.C., Jeffries K.M., Fangue N.A., Connon R.E. Differential regulation of select osmoregulatory genes and Na+/K+-ATPase paralogs may contribute to population differences in salinity tolerance in a semi-anadromous fish. Comp. Biochem. Physiol. Part A Mol. Integr. Physiol. 2020;240:110584.

36. Esbaugh A.J., Brix K.V., Grosell M. Na+/K+-ATPase isoform switching in zebrafish during transition to dilute freshwater habitats. Proc. R. Soc. B. 2019;286(1903):20190630.

37. Wang X., Hill D., Tillitt D.E., Bhandari R.K. Bisphenol A and 17-α-ethinylestradiol-induced transgenerational differences in expression of osmoregulatory genes in the gill of medaka (Oryzias latipes). Aquat. Toxicol. 2019;211:227–234.

38. Hu Y.-C., Chu K.-F., Yang W.-K., Lee T.-H. Na+, K+-ATPase β1 subunit associates with α1 subunit modulating a “higher-NKA-in-hyposmotic media” response in gills of euryhaline milkfish, Chanos chanos. J. Comp. Physiol. B. 2017;187(7):995–1007.

39. Esbaugh A.J., Cutler B. Intestinal Na+, K+, 2Clcotransporter 2 plays a crucial role in hyperosmotic transitions of a euryhaline teleost. Physiol. Rep. 2016;4(22):e13028.

40. Inokuchi M., Hiroi J., Watanabe S., Lee K.M., Kaneko T. Gene expression and morphological localization of NHE3, NCC and NKCC1a in branchial mitochondriarich cells of Mozambique tilapia (Oreochromis mossambicus) acclimated to a wide range of salinities. Comp. Biochem. Physiol. Part A Mol. Integr. Physiol. 2008;151(2):151–158.

41. Cutler C.P., Cramb G. Two isoforms of the Na+/ K+/2Cl- cotransporter are expressed in the European eel (Anguilla anguilla). Biochim. Biophys. Acta (BBA)- Biomembranes. 2002;1566(1–2):92–103.

42. Павлова Н.С., Неретина Т.В., Смирнова О.В. Экспрессия генов Na+/K+/Cl- и Na+/H+-транспортеров в жабрах трехиглой колюшки: связь с полом и пресноводной адаптацией. Четвертая молодежная школа-конференция «Молекулярные механизмы регуляции физиологических функций»: Сборник материалов. М.: Изд-во Наука; 2023:80–81.

43. Madsen S.S., Weber C., Nielsen A.M., Mohiseni M., Bosssus M.C., Tipsmark C.K., Borg B. Sexual maturation and changes in water and salt transport components in the kidney and intestine of three-spined stickleback (Gasterosteus aculeatus L.). Comp. Biochem. Physiol. Part A Mol. Integr. Physiol. 2015;188:107–119.

44. Cutler C.P., Cramb G. Differential expression of absorptive cation-chloride-cotransporters in the intestinal and renal tissues of the European eel (Anguilla anguilla). Comp. Biochem. Physiol. Part B Biochem. Mol. Biol. 2008;149(1):63–73.

45. Liu S.-T., Horng J.-L., Lin L.-Y. Role of the basolateral Na+/H+ exchanger-2 (NHE2) in ionocytes of seawater-acclimated medaka (Oryzias latipes). Front. Physiol. 2022;13:870967.

46. Guh Y.-J., Lin C.-H., Hwang P.-P. Osmoregulation in zebrafish: ion transport mechanisms and functional regulation. Excli J. 2015;14:627–659.

47. Jeng Y.-J., Kochukov M., Watson C.S. Combinations of physiologic estrogens with xenoestrogens alter calcium and kinase responses, prolactin release, and membrane estrogen receptor trafficking in rat pituitary cells. Environ. Heal. 2010;9:61.

48. Amenyogbe E., Chen G., Wang Z., Lu X., Lin M., Lin A.Y. A review on sex steroid hormone estrogen receptors in mammals and fish. Int. J. Endocrinol. 2020;2020:5386193.

49. Takvam M., Wood C.M., Kryvi H., Nilsen T.O. Ion transporters and osmoregulation in the kidney of teleost fishes as a function of salinity. Front. Physiol. 2021;12:664588.

50. Dauder S., Young G., Bern H.A. Effect of hypophysectomy, replacement therapy with ovine prolactin, and cortisol and triiodothyronine treatment on prolactin receptors of the tilapia (Oreochromis mossambicus). Gen. Comp. Endocrinol. 1990;77(3):378–385.

51. Ibarra F., Crambert S., Eklöf A.-C., Lundquist A., Hansell P., Holtbäck U. Prolactin, a natriuretic hormone, interacting with the renal dopamine system. Kidney Int. 2005;68(4):1700–1707.

52. Смирнова О.В. Осморегуляторная функция пролактина у рыб и ее проекция на млекопитающих. Усп. физиол. наук. 2011;42(4):59–75.

53. Aleksandrova M.I., Kushnareva N.S., Smirnova O.V. Prolactine receptor expression in kidney tissue of female rats with cholestasis: the effect of hyperprolactinemia. Bull. Exp. Biol. Med. 2012;153(4):448–451.

54. Abramicheva P.A., Balakina T.A., Morozov I.A., Schelkunova T.A., Smirnova O.V. Prolactin signaling pathways determining its direct effects on kidneys in the cholestasis of pregnancy model. Biochemistry (Mosc.). 2019;84(10):1204–1212.

55. Fidchenko Y.M., Kushnareva N.S., Smirnova O.V. Effect of prolactin on the water-salt balance in rat females in the model of cholestasis of pregnancy. Bull. Exp. Biol. Med. 2014;156(6):803–806.

56. Abramicheva P.A., Smirnova O.V. Prolactin receptor isoforms as the basis of tissue-specific action of prolactin in the norm and pathology. Biochemistry (Mosc.). 2019;84(4):329–345.

57. Abramicheva P.A., Balakina T.A., Bulaeva O.A., Guseva A.A., Lopina O.D., Smirnova O.V. Role of Na+/K+-ATPase in natriuretic effect of prolactin in a model of cholestasis of pregnancy. Biochemistry (Mosc.). 2017;82(5):632–641.