モデリングとハイスループットの実験データは、ゴナドトロピン放出ホルモンパルス頻度に対するFSHB遺伝子感受性の根底にあるメカニズムを明らかにします

ゴナドトロピン放出ホルモン（GNRH）の脳分泌パルスによる生殖の神経内分泌制御は、細胞外シグナルデコードメカニズムに関する長年のパズルを表しています。GnRHは、下垂体性腺刺激症の卵胞刺激ホルモン（FSH）および黄体形成ホルモン（LH）を調節します。どちらもユニークなβサブユニット（FSHβ/LHβ）によって指定されています。LHBに反して、FSHB遺伝子誘導は低周波GNRHパルスを好む。基礎となる調節メカニズムを明確にするために、3つの生物学的に固定された数学モデルを開発しました：1）FSHB阻害因子の並列活性化（例：阻害αおよびVGF神経成長因子誘導性）、2）耐性期間のシグナル伝達成分の活性化タンパク質）、および3）FSHB誘導に必要な因子の不活性化（例：成長分化因子9）。3つのモデルすべてを伴うシミュレーションは、さまざまなGNRHパルス周波数で乱れた下垂体性腺刺激筋細胞で得られたFSHB発現レベルを再現しました。特に、平均濃度、パルス持続時間、およびパルス周波数を変更するシミュレーションは、モデル1のFSHB発現の見かけの周波数依存パターンが、実際に平均GNRH濃度の変動に起因することを明らかにしました。対照的に、モデル2と3は「真の」パルス周波数センシングを示しました。このGNRH信号のどのコンポーネントがFSHBを誘導するかを解決するために、ハイスループットの並列実験システムを開発しました。さまざまな形態学的GNRH濃度とパルスパターンを使用した実験で4,000を超えるサンプルを分析しました。EGR1およびFOS遺伝子は平均GNRH濃度の変動にのみ反応しましたが、FSHBレベルは平均濃度と真のパルス周波数の両方に敏感でした。これらの結果は、FSHB遺伝子活性の調節における複数の調節因子の役割を理解するための基盤を提供します。

Neuroendocrine control of reproduction by brain-secreted pulses of gonadotropin-releasing hormone (GnRH) represents a longstanding puzzle about extracellular signal decoding mechanisms. GnRH regulates the pituitary gonadotropin's follicle-stimulating hormone (FSH) and luteinizing hormone (LH), both of which are heterodimers specified by unique β subunits (FSHβ/LHβ). Contrary to Lhb, Fshb gene induction has a preference for low-frequency GnRH pulses. To clarify the underlying regulatory mechanisms, we developed three biologically anchored mathematical models: 1) parallel activation of Fshb inhibitory factors (e.g. inhibin α and VGF nerve growth factor-inducible), 2) activation of a signaling component with a refractory period (e.g. G protein), and 3) inactivation of a factor needed for Fshb induction (e.g. growth differentiation factor 9). Simulations with all three models recapitulated the Fshb expression levels obtained in pituitary gonadotrope cells perifused with varying GnRH pulse frequencies. Notably, simulations altering average concentration, pulse duration, and pulse frequency revealed that the apparent frequency-dependent pattern of Fshb expression in model 1 actually resulted from variations in average GnRH concentration. In contrast, models 2 and 3 showed "true" pulse frequency sensing. To resolve which components of this GnRH signal induce Fshb, we developed a high-throughput parallel experimental system. We analyzed over 4,000 samples in experiments with varying near-physiological GnRH concentrations and pulse patterns. Whereas Egr1 and Fos genes responded only to variations in average GnRH concentration, Fshb levels were sensitive to both average concentration and true pulse frequency. These results provide a foundation for understanding the role of multiple regulatory factors in modulating Fshb gene activity.