Кованая связь Juno–Izumo: как яйцеклетка и сперматозоид удерживаются так прочно

После того как сперматозоид прорывается к яйцеклетке для оплодотворения, две клетки должны прочно удерживаться вместе. Это происходит за счёт типа белкового связывания, которое является одним из самых прочных в биологии и уникально.

Для слияния и создания нового организма яйцеклетка и сперматозоид должны прочно удерживаться вместе в маточной трубе. Ключевую роль в этом процессе играют белки Juno на мембране яйцеклетки и Izumo на сперматозоиде. Как замок и ключ, эти два белка подходят друг к другу и сцепляются.

Исследователи из ETH Zurich и Базельского университета показали, что между Juno и Izumo возникает особый тип связи — один из самых прочных, когда-либо обнаруженных в мире высших организмов. Их исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Сперматозоид должен усердно работать, чтобы добраться до мембраны яйцеклетки. Приводимый в движение жгутиком, он сначала пробивается через два защитных слоя, окружающих яйцеклетку.

Достигнув мембраны яйцеклетки, сперматозоид должен прочно удержаться и выиграть время. Это необходимо для реорганизации мембран яйцеклетки и сперматозоида, чтобы они стали более гибкими и могли слиться. Кроме того, ключевые мембранные белки должны быть собраны в нужном месте для слияния. В течение нескольких минут жгутик сперматозоида активно бьётся, в то время как спереди прочная связь белковой пары Juno–Izumo гарантирует, что сперматозоид не оторвётся от яйцеклетки.

Борьба на наноуровне

Исследователи изучили белки Juno и Izumo отдельно от клеток. В лаборатории они измерили взаимодействие между отдельными белками с помощью атомно-силового микроскопа, чтобы определить, насколько хорошо они могут удерживаться под растягивающей силой. Принцип измерения похож на то, как два человека сцепляют средние пальцы и тянут, пока связь не разорвётся.

Учёные показали, что Juno и Izumo ведут себя иначе, чем большинство известных белковых пар, которые связываются по принципу «ключ–замок». Такие связи обычно не длятся вечно, и большинство удерживаются тем меньше времени, чем сильнее их тянут.

С Juno и Izumo дело обстоит иначе. «Под действием растягивающих сил, подобных тем, что создаёт сперматозоид, связь становится более стабильной, а не менее», — объясняет профессор ETH Zurich Виола Фогель. «Соответственно, связь фактически длится дольше при натяжении, чем без приложенной силы». Такую связь, которая усиливается при растяжении, исследователи называют кованой связью (catch bond).

Один из самых сильных типов адгезии

С помощью модельных расчётов в Швейцарском национальном суперкомпьютерном центре CSCS исследователи также смогли показать, как работает механизм кованой связи двух белков: когда белки растягивают, некоторые связи между атомами одного белка и другого разрываются, но сами белки одновременно сближаются, при этом белок Juno совершает поворот на четверть оборота. Это приводит к образованию новых межатомных связей, которые продлевают время, в течение которого белки могут удерживать друг друга.

Измерения показали, что под натяжением связь между Juno и Izumo действительно является одной из самых прочных в мире многоклеточных организмов. Аналогично прочные связи существуют между белками в мышечных волокнах, чтобы предотвратить их разрыв. Другие клетки, которым необходимо прикрепляться к поверхностям в организме, также используют белки, образующие кованые связи. Примеры включают иммунные клетки, которые цепляются за внутреннюю поверхность кровеносных сосудов, или клетки кожи, образующиеся при заживлении ран, которые цепляются за волокна в раневой среде.

Известная мутация ослабляет связывание белков

Исследователи также изучили эффекты известной генетической мутации, которая затрагивает 1 из 600 женщин во всём мире. У этих женщин изменён один строительный блок как гена Juno, так и белка Juno. Предполагается, что эта мутация вызывает снижение фертильности.

Учёные проанализировали белки с этой модификацией в лаборатории и с помощью компьютерного моделирования. Они смогли показать, что в случае растягивающих сил, подобных тем, что возникают при биении жгутика сперматозоида, связь с модифицированным белком разрывается быстрее. «Это не даёт сперматозоиду и яйцеклетке достаточно времени для инициации слияния и, следовательно, оплодотворения», — объясняет Фогель.

Теперь, когда выявлен механизм действия, лежащий в основе предполагаемой связи между этой мутацией и бесплодием, следующим шагом может стать разработка генетических тестов для диагностики этой причины бесплодия. Кроме того, полученные результаты могут способствовать разработке терапевтических стратегий, помогающих парам реализовать желание иметь детей.