Оплодотворение происходит так же, как ВИЧ-инфицирование
Биохимики выяснили, как яйцеклетки узнают родственные сперматозоиды и почему не происходит межвидового оплодотворения. Оказалось, что сперматозоид проникает в яйцеклетку подобно тому, как ВИЧ-инфекция пробирается в лимфоциты.
Медики научились качественно оплодотворять яйцеклетки в пробирке и предотвращать нежелательную беременность. Однако вполне прогрессивные методики и технологии несовершенны. Гормональная контрацепция нарушает равновесие биохимических процессов во всем организме, механические «препятствия» не всегда эффективны, удобны или безопасны. В этом смысле репродуктивная медицина несколько груба, так как не всегда бьет точно в цель.
Межвидовой барьер
Вне зависимости от того, к какому систематическому классу принадлежит животное, оплодотворение яйцеклетки происходит только при личном и плотном контакте со сперматозоидом. Эволюция создала механизмы, которые позволяют отличить чужие сперматозоиды от своих. У млекопитающих гликопротеиновая оболочка zona pellucida создает видоспецифичный «барьер». Если специальными ферментами удалить гликопротеиновую оболочку, то яйцеклетки одного вида можно оплодотворить сперматозоидами другого. Правда, такие зиготы (например, гибрид хомяка и человека) в жизнеспособный организм не развиваются.
У яйцеклеток немлекопитающих животных тоже есть барьер -- вителиновая оболочка. И вителиновый слой, и zona pellucida достаточно консервативны и по химическому составу похожи друг на друга.
По крайней мере, один из гликопротеинов, которые формируют видоспецифичный барьер у яйцеклеток, встречается и у морских ежей, и у мышей, и у хомяков, и у крыс, и у птиц, и даже у человека. Этот гликопротеин функционирует и как защитный каркас, и как рецептор, узнающий спермии. Немаленькая молекула ZP3 (масса молекулы 83 тысячи а.е.м.) отвечает за связывание яцеклетки со сперматозоидом и инициирует акросомальную реакцию, то есть «открывает дверь» для сперматозоида. Если рецептор ZP3 ингибировать, то яйцеклетка останется неоплодотворенной. К таким выводам ученые приходили неоднократно и независимо друг от друга, пытаясь оплодотворить яцеклетки in vitro.
Накопленные знания ставят перед учеными сложный вопрос. Ведь сперматозоид-распознающие рецепторы морских ежей, курицы и человека не имеют видимых или значительных химических различий Тем не менее, именно они отличают своих от чужих и тем самым исключают возможности межвидового оплодотворения. Учитывая химическое сходство, остается предположить, что видоспецифичность рецептора зависит от его пространственной структуры.
Свой своего узнает по мостикам
В предшествующих работах ученые описывали структуру отдельных участков гликопротеина ZP3. Но полноценного представления о взаимодействии и пространственных конфигурациях всего рецептора не было. Биологи из Швеции, Японии, Франции и Нидерландов провели сложнейшие исследования и превзошли себя, составив детальный портрет загадочного рецептора.
Для этого Лин Хан (Ling Han), Магнус Моне (Magnus Monne) и Хироки Окумура (Hiroki Okumura) из Каролинского института (Karolinska Institutet, Швеция) комбинировали экспериментальный мутагенез с методами молекулярных манипуляций, после чего изучали свойства и структуру сперматозоид-узнающего рецептора.
В статье Insight into egg-coat assembly and egg-sperm interaction from X-ray structure of full-length ZP3, опубликованной в журнале Cell, ученые описывают химические и пространственные тонкости взаимодействия спермия с яйцеклеткой. Как и предполагалось, в процессе оплодотворения ZP3 значительно и неоднократно изменяет свою конфигурацию, перемещая дисульфидные мостики от одного аминокислотного остатка к другому. На различных этапах слияния сперматозоида с яйцеклеткой гликопротеин то приостанавливает оплодотворение, то активизирует его. Таким способом ZP3 создает необходимые условия для нормального хода других биохимических процессов. Более того, такие же дисульфидные мостики, но расставленные между другими парами аминокислот, заставляют яйцеклетки находить отличия между своими и чужими сперматозоидами.
Ученые не только прояснили некоторые биохимические загадки, но и выявили новые. Оказалось, что у ZP3 есть партнер – ZP2, с которым, по всей видимости, может быть связана ранее описанная неспособность сперматозоида сливаться с яйцеклеткой, на поверхности которой нет рецептора ZP3. То есть, рецептор ZP3 узнает сперматозоид, но проходит он внутрь яйцеклетки в сопровождении и ZP3, и ZP2.
Еще одно интересное наблюдение биохимиков связано с тем, что на молекулярном уровне проникновение сперматозоида в яйцеклетку похоже на проникновение ВИЧ-инфекции в клетки иммунной системы.
Ученые отмечают, что подробный портрет ZP3 – надежный фундамент для дальнейших исследований и прогресса в репродуктивной медицине. Они уверены, что блокируя всего лишь одну молекулу, можно добиться тех же результатов, что и при гормональной контрацепции, но без ее побочных эффектов. Более того, некоторые формы бесплодия могут быть связаны с мутациями ZP3 или других «родственных» гликопротеинов, таких как ZP2.