Gonadotropin-releasing hormone (GnRH), synthesized in the hypothalamus, plays a pivotal role in the regulation of vertebrate reproduction. Since molecular isoforms of GnRH and their receptors (GnRHR) have been isolated in a broad range of vertebrate species, GnRH and GnRHR provide an excellent model for understanding the molecular co-evolution of a peptide ligand-receptor pair. Vertebrate species possess multiple forms of GnRH, which have been created through evolutionary mechanisms such as gene/chromosome duplication, gene deletion and modification. Similar to GnRHs, GnRH receptors (GnRHR) have also been diversified evolutionarily. Comparative ligand-receptor interaction studies for non-mammalian and mammalian GnRHRs combined with mutational mapping studies of GnRHRs have aided the identification of domains or motifs responsible for ligand binding and receptor activation. Here we discuss the molecular basis of GnRH-GnRHR co-evolution, particularly the structure-function relationship regarding ligand selectivity and signal transduction of mammalian and non-mammalian GnRHRs.
The present study examines the expression and regulation of gonadotropin-releasing hormone (GnRH) and its receptor (GnRH-R) mRNA levels during mouse ovarian development. A fully processed, mature GnRH mRNA together with intron-containing primary transcripts was expressed in the immature mouse ovary as determined by Northern blot analysis and reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR). The size of ovarian GnRH mRNA was similar to that of hypothalamus, but its amount was much lower than that in the hypothalamus. Quantitative RT-PCR procedure also revealed the expression of GnRH-R mRNA in the ovary, but the estimated amount was a thousand-fold lower than that in the pituitary gland. We also examined the regulation of ovarian GnRH and GnRH-R mRNA levels during the follicular development induced by pregnant mare's serum gonadotropin (PMSG) and/or human chorionic gonadotropin (hCG). Ovarian luteinizing hormone receptor (LH-R) mRNA was abruptly increased st 48 h after the PMSG administration and rapidly decreased to the basal level thereafter. Ovarian GnRH mRNA level was slightly decreased at 48 h after the PMSG administration, and then returned to the basal value. GnRH-R mRNA level began to increase at 24 h after the PMSG treatment, decreased below the uninduced basal level at 48 h, and gradually increased thereafter. HCG administration did not alter ovarian GnRH mRNA level, while it blocked the PMSG-induced increase in GnRH mRNA level. Taken together, the present study demonstrates that the expression of GnRH and GnRH-R mRNA are regulated by gonadotropin during follicular development, suggesting possible intragonadal paracrine roles of GnRH and GnRH-R in the mouse ovarian development.
Since GnRH and its receptor genes are expressed in the ovary, it has been suggested that ovarian GnRH might be involved in the regulation of ovarian function and the apoptosis of ovarian cells. However, it was not known well on the expression and function of GnRH and its receptor in the corpus luteum. The present study was undertaken to investigate whether GnRH and its receptor are expressed in luteal cells and GnRH has any effect on the apoptosis of luteal cells. Luteal cells obtained from the pregnant rats were cultured and stained for GnRH and its receptor proteins. Cultured luteal cells showed distinct immunoreactivity against both anti-GnRH and anti-GnRH receptor antibodies. In addition, the presence of GnRH receptor protein in cultured cells was confirmed by Western blot analysis. To investigate the effect of GnRH on the apoptosis of luteal cells, luteal cells were cultured in the presence of 10$^{-6}$ M GnRH-agonist(GnRH-Ag) for 3, 8, and 12h. TUNEL assay showed that the number of cells undergoing apoptosis increased 12h after culture(P<0.05). DNA fragmentation analysis confirmed the results such that the cells treated for 12h showed the greatest increase of fragmentation(p<0.05). Further, Western blot analysis of cytochrome c in the mitochondrial and cytoplasmic fractions of the luteal cells showed that GnRH-Ag treatment increased the content of cytochrome c in cytoplasm. These results demonstrate that the luteal cells express GnRH and its receptor and GnRH-Ag treatment induces apoptosis of the luteal cells via mitochondrial release of cytochrome c. The present study suggest that the releasing of cytochrome c from mitochondria might be involved in the luteal cell apoptosis induced by GnRH-Ag.
Wang, Chengbing;Oh, Da Young;Maiti, Kaushik;Kwon, Hyuk Bang;Cheon, Jun;Hwang, Jong-Ik;Seong, Jae Young
Molecules and Cells
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v.25
no.1
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pp.91-98
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2008
The Glu/$Asp^{7.32}$ residue in extracellular loop 3 of the mammalian type-I gonadotropin-releasing hormone receptor (GnRHR) interacts with $Arg^8$ of GnRH-I, conferring preferential ligand selectivity for GnRH-I over GnRH-II. Previously, we demonstrated that the residues (Ser and Pro) flanking Glu/$Asp^{7.32}$ also play a role in the differential agonist selectivity of mammalian and non-mammalian GnRHRs. In this study, we examined the differential antagonist selectivity of wild type and mutant GnRHRs in which the Ser and Pro residues were changed. Cetrorelix, a GnRH-I antagonist, and Trptorelix-2, a GnRH-II antagonist, exhibited high selectivity for mammalian type-I and non-mammalian GnRHRs, respectively. The inhibitory activities of the antagonists were dependent on agonist concentration and subtype. Rat GnRHR in which the Ser-Glu-Pro (SEP) motif was changed to Pro-Glu-Val (PEV) or Pro-Glu-Ser (PES) had increased sensitivity to Trptorelix-2 but decreased sensitivity to Cetrorelix. Mutant bullfrog GnRHR-1 with the SEP motif had the reverse antagonist selectivity, with reduced sensitivity to Trptorelix-2 but increased sensitivity to Cetrorelix. These findings indicate that the residues flanking $Glu^{7.32}$ are important for antagonist as well as agonist selectivity.
Recent studies have clearly shown that the expression of genes for gonadotropin-releasing hormone (GnRH) and its receptor in the rat reproductive organs including ovary, testis, placenta uterus and mammary gland. Moreover, luteinizing hormone (LH) classically known to be a main target product of GnRH in anterior pituitary has been found in rat gonads. These findings suggested the presence of local circuit composed of GnRH and LH in the rat gonads. The present study was undertaken to elucidate whether the genes for LH and its receptor are expressed in rat mammary gland. Expression of LH and its receptor genes in the rat mammary gland was demonstrated by reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) and specific LH radioimmunoassay (RIA). The LH${\beta}$ transcripts in the mammary gland from cycling rats contained the pituitary type of LH${\beta}$ exons 1~3 encoding the entire LH${\beta}$ polypeptide but lacked the rat testis-specific LH${\beta}$ exon(s). Presence of ${\alpha}$ -subunit transcripts in the rat mammary gland were determined by RT-PCR. The cDNA fragments encoding exons 2~7 of rat LH receptor transcripts were amplified in both rat ovary and mammary gland samples. We could detect the GnRH expression in mammary gland from cycling virgin rats, and this result disagreed with previous report that mammary GnRH expression is occured in lactating rats only. Considerable amounts of immunoreactive LH molecules with good RIA parallelism in standard curve were detected in crude extracts from the rat mammary gland, indicating that the immunoreactive LH materials in the gland might be identical to authentic pituitary LH. To our knowledge, the present study demonstrated for the first time the expression of LH subunits and LH receptor in the rat mammary gland. Our findings suggested that the mammary gland might be the novel source and target of LH and the mammary LH could be act as a local regulator with auto-and/or paracrine manner under the regulation of local GnRH.
Ovarian cancer is a significant cause of cancer-related death in women, but the main biological causes remain open questions. Hormonal factors have been considered to be an important determinant causing ovarian cancer. Recent studies have shown that gonadotropin-releasing hormone (GnRH)-I and its analogs have clinically therapeutic value in the treatment of ovarian cancer. In addition, numerous studies have shown that the potential of GnRH-II in normal reproductive system or reproductive disorder. GnRH-I receptors have been detected in approximately 80% of ovarian cancer biopsy specimens as well as normal ovarian epithelial cells and immortalized ovarian surface epithelium cells. GnRH-II receptors have also been found to be more widely expressed than GnRH-I receptors in mammals, suggesting that GnRH receptors may have additional functions in reproductive system including ovarian cancer. The signal transduction pathway following the binding of GnRH to GnRH receptor has been extensively studied. The activation of protein kinase A/C (PKA/PKC) pathway is involved in the GnRH-I induced anti-proliferative effect in ovarian cancer cells. In addition, GnRH-I induced mitogen-activated protein kinase (MAPK) activation plays a role in anti-proliferative effect and apoptosis in ovarian cancer cells and the activation of transcriptional factors related to cellular responses. However, the role of GnRH-I and II receptors, there are discrepancies between previous reports. In this review, the role of GnRH in ovarian cancer and the mechanisms to induce anti-proliferation were evaluated.
Korean red ginseng (KRG) has been used worldwide as a traditional medicine for the treatment of various reproductive diseases. Gonadotropin releasing hormone (GnRH) neurons are the fundamental regulators of pulsatile release of gonadotropin required for fertility. In this study, an extract of KRG (KRGE) was applied to GnRH neurons to identify the receptors activated by KRGE. The brain slice patch clamp technique in whole cell and perforated patch was used to clarify the effect of KRGE on the membrane currents and membrane potentials of GnRH neurons. Application of KRGE (3 ${\mu}g$/${\mu}L$) under whole cell patch induced remarkable inward currents (56.17${\pm}$7.45 pA, n=25) and depolarization (12.91${\pm}$3.80 mV, n=4) in GnRH neurons under high $Cl^-$ pipette solution condition. These inward currents were not only reproducible, but also concentration dependent. In addition, inward currents and depolarization induced by KRGE persisted in the presence of the voltage gated $Na^+$ channel blocker tetrodotoxin (TTX), suggesting that the responses by KRGE were postsynaptic events. Application of KRGE under the gramicidin perforated patch induced depolarization in the presence of TTX suggesting its physiological significance on GnRH response. Further, the KRGE-induced inward currents were partially blocked by 6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-dione (CNQX; non-NMDA glutamate receptor antagonist, 10 ${\mu}M$) or picrotoxin (PIC; $GABA_A$ receptor antagonist, 50 ${\mu}M$), and almost blocked by PIC and CNQX mixture. Taken together, these results suggest that KRGE contains ingredients with possible GABA and non-NMDA glutamate receptor mimetic activity, and may play an important role in the endocrine function of reproductive physiology, via activation of $GABA_A$ and non-NMDA glutamate receptors in GnRH neurons.
Kim, Sei-Kwang;Youm, Yun-Hee;Yoon, Jeong-Mi;Bai, Sang-Wook;Yang, Hyun-Won;Cho, Dong-Jae;Yoon, Yong-Dal;Song, Chan-Ho
Clinical and Experimental Reproductive Medicine
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v.31
no.2
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pp.83-94
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2004
Objective: To investigate whether GnRH-agonist (GnRH-Ag) using in IVF-ET affects apoptosis of human granulosa-luteal cells and expression of peripheral benzodiazepine receptor (PBR) protein involved in the apoptosis of the cells. Methods: Granulosa-luteal cells obtained during oocyte retrieval were cultured and treated with $10^{-5}M$ GnRH-Ag. Apoptosis of the cells by the treatment was confirmed using DNA fragmentation analysis 24 h after culture. The presence of PBR protein within the cells was examined by immunofluorescence staining and the expression of the protein was analyzed by Western blotting. In addition, it was measured for progesterone and nitric oxide (NO) produced by granulosa-luteal cells after GnRH-Ag treatment. To evaluate the relationship between NO production and PBR expression, sodium nitroprusside (SNP) as a NO donor was added in media and investigated the expression of PBR protein by Western blotting. Results: Apoptosis increased in the granulosa-luteal cells 24 h after GnRH-Ag treatment, whereas the expression of PBR protein significantly decreased. Furthermore, the production of progesterone and nitric oxide (NO) by the cells significantly fell from 12 h after the treatment. In the results of Western blotting after SNP treatment, the expression of PBR protein increased in the treatment with SNP alone to the granulosa-luteal cells, but was suppressed in the treatment with GnRH-Ag and SNP. Additionally, the staining result of PBR protein in the cells showed the even distribution of it through the cell. Conclusion: These results demonstrate that GnRH-Ag treatment induces apoptosis, decreasing expression of PBR protein and NO production in human granulosa-luteal cells. The present study suggests that one of the apoptosis mechanism of human granulosa-luteal cells by GnRH-Ag might be a signal transduction pathway via NO and PBR.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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