Яйцеклетки обезвреживают токсичные белки для сохранения долгосрочной фертильности

Ооциты — незрелые яйцеклетки, которые развиваются у почти всех самок млекопитающих до рождения. Выживание этого конечного резерва клеток в течение многих лет без повреждений критически важно для продолжения поколений. У мышей этот период может длиться до 18 месяцев, а у людей — почти полвека, среднее время между рождением и менопаузой. Как клеткам удается этот удивительный подвиг долголетия, долгое время оставалось вопросом.

Исследователи из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне обнаружили новый механизм, объясняющий, как ооциты десятилетиями остаются в идеальном состоянии, не поддаваясь износу, который вывел бы из строя другие типы клеток. Результаты, опубликованные в журнале Cell, представляют новую область для изучения необъяснимых причин бесплодия.

Исследователи изучили белковые агрегаты — скопления неправильно свернутых или поврежденных белков. Если их не контролировать, эти вредные вещества накапливаются в цитоплазме и оказывают высокотоксичное действие.

Известно, что белковые агрегаты накапливаются в нейронах, и их эффекты связаны с несколькими нейродегенеративными заболеваниями. Клетки обычно справляются с агрегатами, расщепляя их с помощью специализированных ферментов. Они также могут делиться на две новые клетки, концентрируя агрегаты в одной из них и избавляя от них другую.

Но ооциты не похожи на другие клетки. Их долгая жизнь означает, что они не могут избавиться от токсичных веществ посредством клеточного деления. Постоянное расщепление белковых агрегатов также нежизнеспособная стратегия, так как требует высоких затрат энергии, которой может не быть.

Кроме того, ооциты должны передать всю свою цитоплазму эмбриону после слияния со сперматозоидом, поэтому они предпочитают снижать свою метаболическую активность. Эта стратегия позволяет избежать генерации побочных продуктов, которые могут повредить материнскую ДНК и поставить под угрозу будущий репродуктивный успех. Это делает ооциты особенно чувствительными к эффектам неправильно свернутых или поврежденных белков.

«В отличие от десятков тысяч статей об агрегации белков в нейронах, то, как ооциты млекопитающих справляются с агрегацией белков, практически не изучено, несмотря на ту же проблему — они долгоживущие и не делятся», — объясняет доктор Элван Бёке, руководитель группы программы «Биология ооцитов и клеточный покой» в Центре геномной регуляции и автор исследования. «Мы хотели выяснить, как ооциты справляются с этими неправильно свернутыми или поврежденными белками», — добавляет доктор Бёке.

Патрулирующие «уборочные команды»

Команда доктора Бёке под руководством доктора Габриэле Цаффаньини начала с сбора тысяч незрелых ооцитов, зрелых яйцеклеток и ранних эмбрионов взрослых мышей. Используя специальные красители, они наблюдали за поведением белковых агрегатов в реальном времени с помощью метода live-cell imaging. Они также использовали электронную микроскопию, чтобы рассмотреть наноскопические детали внутри клеток. Эта работа заняла пять с половиной лет.

Исследователи обнаружили в ооцитах особые структуры, которые они назвали EndoLysosomal Vesicular Assemblies, или сокращенно ELVA. Эти структуры — около 50 на каждый ооцит — перемещаются по цитоплазме, захватывают и удерживают белковые агрегаты, делая их безвредными.

Клетки содержат множество субклеточных структур, известных как органеллы, которые выполняют работу, подобную органам в теле. Исследователи концептуализируют ELVA как «суперорганеллу», поскольку это сеть из многих различных типов клеточных компонентов, работающих вместе как единое целое.

Исследование выявило ключевой момент на стадии созревания ооцита, когда он превращается в зрелую яйцеклетку, готовясь к овуляции и возможному оплодотворению. На этой стадии исследователи наблюдали, как ELVA перемещаются к поверхности клетки и разрушают белковые агрегаты, по сути, проводя глубокую очистку цитоплазмы. Это первое наблюдение уникальной стратегии, которую используют ооциты для избавления от белковых агрегатов.

«Ооцит должен отдать всю свою цитоплазму эмбриону при оплодотворении, поэтому он не может позволить себе накопление "мусора", что создало бы экзистенциальный риск для его функции. В этом смысле ELVA похожи на сложную сеть утилизации отходов или уборочную команду, патрулирующую цитоплазму, чтобы гарантировать отсутствие свободно плавающих агрегатов. ELVA удерживают эти агрегаты в ограниченной среде до тех пор, пока ооцит не будет готов избавиться от них одним махом. Это эффективная и энергоэффективная стратегия», — говорит доктор Цаффаньини, постдокторант Центра геномной регуляции.

Белковые агрегаты могут способствовать бесплодию

Фертильность снижается с возрастом, и плохое качество ооцитов является основной причиной женского бесплодия. Глобальные показатели бесплодия также растут, и одной из способствующих причин является отложенное материнство. Понимание того, как ооциты остаются здоровыми и что заставляет эти стратегии давать сбой с возрастом, критически важно для выяснения необъяснимых причин бесплодия и открытия новых путей лечения.

Результаты исследования позволяют предположить, что наличие белковых агрегатов может влиять на качество как яйцеклетки, так и эмбриона. Когда исследователи экспериментально предотвратили способность ELVA разрушать белковые агрегаты в процессе созревания ооцита, это привело к формированию дефектных яйцеклеток. Когда исследователи вмешались и «заставили» эмбрионы унаследовать агрегированные белки, три из пяти (60%) не смогли завершить самые ранние стадии развития.

«Многие исследования исторически фокусировались на одном небольшом аспекте снижения качества ооцитов — мейозе и эуплоидии. Однако недавний обзор одиннадцати тысяч переносов эмбрионов показал, что на снижение женской фертильности с возрастом сильно влияют другие, еще неизвестные факторы. Наше исследование открывает захватывающее будущее направление для изучения того, может ли деградация белков и проблемы с их регуляцией в ооцитах объяснить возрастное снижение здоровья эмбриона», — заключает доктор Бёке.

Нейроны — еще один тип долгоживущих клеток, которые не делятся, но должны справляться с белковыми агрегатами. Накопление вредных веществ в этих клетках связано с развитием нескольких типов нейродегенеративных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера. Могут ли компартменты, подобные ELVA, существовать в нейронах и других типах клеток? Исследование открывает дверь для будущих направлений исследований за пределами области репродукции.