Sperma kan het ei niet openen zonder deze eeuwenoude moleculaire sleutel

Ze zijn het originele vreemde stel: de ene is enorm, bolvormig en onbeweeglijk. De andere is klein van formaat, heeft een staart en stopt nooit met zwemmen. De vereniging van eicel en sperma is echter cruciaal voor elk zich seksueel voortplantend dier op aarde.

Hoe deze unie precies heeft plaatsgevonden, is voor wetenschappers lange tijd een mysterie geweest. A Hij studeert De resultaten van het onderzoek, donderdag gepubliceerd in het tijdschrift Cell, waren gebaseerd op de Nobelprijswinnende kunstmatige intelligentietechniek, waaruit bleek dat een in elkaar grijpend pakket van drie eiwitten de sleutel is waardoor sperma en eicel aan elkaar kunnen binden. Dit cruciale pakket wordt gedeeld door ver verwante dieren zoals vissen en zoogdieren, waaronder waarschijnlijk ook mensen.

Voor bijna alle dieren op aarde begint het leven met een zaadcel die zijn weg vindt naar het eicelmembraan. Op de een of andere manier herkennen de twee cellen elkaar en hechten ze zich aan elkaar. Vervolgens passeert de kop van het sperma in een oogwenk de eicel, alsof hij door een deur loopt. Nu is de gefuseerde cel een zygoot en klaar om uit te groeien tot een nieuw dier.

In eerder onderzoek vonden wetenschappers vier eiwitten in sperma van zoogdieren, die ook in vissensperma voorkomen en essentieel zijn voor de bevruchting. Maar niemand wist of en hoe ze als team konden samenwerken om het ei in te brengen.

In de nieuwe studie vroegen Andrea Pauli, een moleculair en ontwikkelingsbioloog bij het Onderzoeksinstituut voor Moleculaire Pathologie in Wenen, en medewerkers van verschillende instellingen hoe sperma-eiwitten samenwerken tijdens de bevruchting.

De onderzoekers vertrouwden op de AlphaFold-technologie, die vorige week de Nobelprijs voor de Scheikunde deelde. Het maakt gebruik van kunstmatige intelligentie om de vorm van het eiwit te voorspellen. Met behulp van AlphaFold kon het team de vier sperma-eiwitten die zoogdieren en vissen delen, vergelijken met een bibliotheek van ongeveer 1.400 andere eiwitten die op de celoppervlakken van de testikels van de zebravis worden aangetroffen, op zoek naar potentiële partners.

“We wilden iets vinden waarvan we wisten dat het op het juiste moment op de juiste plaats zou zijn”, zegt Victoria Deneke, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Dr. Pauli.

Zelfs voor AlphaFold was dit een uitdaging. ‘Het werkte twee tot drie weken,’ zei Dr. Deneke, terwijl hij de computerbronnen van de campus monopoliseerde.

“Andere mensen op het instituut waren niet zo blij,” voegde Dr. Pauli eraan toe.

Ten slotte voorspelde AlphaFold dat twee gemeenschappelijke inheemse sperma-eiwitten aan elkaar zouden binden, samen met een derde, voorheen onbekend eiwit, waardoor een team van drie zou ontstaan.

Laboratoriumexperimenten bevestigden de inschatting van het programma: mannelijke zebravissen die het nieuw ontdekte derde eiwit misten, waren onvruchtbaar, net als mannelijke muizen. Hun sperma zwemt normaal, maar kan niet samensmelten met het ei. De wetenschappers vonden ook biochemisch bewijs dat de drie sperma-eiwitten als één geheel functioneren, zowel bij de zebravis als bij de mens.

Dr. Pauley zei dat het waarschijnlijk was dat dezelfde cruciale bundel aanwezig was bij veel – of alle – dieren met stekels.

Ze omschreef de eiwitbundel van het sperma als een soort sleutel, die in het slot van de eicel past. Bij vissen is dit slot een eiwit dat een uitsmijter wordt genoemd, wat handig is omdat de spermakop zonder dit slot het ei niet kan binnendringen.

Eerder onderzoek heeft ook een slotmolecuul in eieren van zoogdieren geïdentificeerd, dat zich bindt aan een van de eiwitten in de drie-eiwitbundel. Vreemd genoeg is het zoogdierslot niet de bewaker. Het is een niet-verwant eiwit genaamd Juno.

Dit betekent dat ergens in de geschiedenis dieren verschillende ei-eiwitten moeten hebben ontwikkeld om zich aan het sperma-eiwitpakket te binden. Dit brengt een mysterie met zich mee: het slot is veranderd, maar op de een of andere manier “is de spermasleutel hetzelfde gebleven”, zei Dr. Pauli.

“We willen graag het antwoord weten”, voegde ze eraan toe.

Amber Kruchounas, een voortplantingsbioloog aan de Universiteit van Delaware die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek, noemde de nieuwe studie ‘echt spannend’.

Eerder dit jaar maakte een andere onderzoeksgroep zelfstandig gebruik van AlphaFold anticipatie Hetzelfde drievoudige eiwitpakket bestaat bij zoogdieren. “Het feit dat twee onafhankelijke groepen tot dezelfde conclusies kwamen, vergroot zeker ons vertrouwen in de resultaten”, zei Dr. Krochounas.

Ze zei echter: “Er moet beslist meer werk worden verzet om de geheimen van bevruchting te ontrafelen.” Het is bijvoorbeeld bekend dat sommige sperma-eiwitten worden gedeeld tussen zoogdieren en vissen, maar maken geen deel uit van dit pakket; Wat zijn ze aan het doen?

“Dit is een fundamentele vraag met zeer weinig moleculaire antwoorden,” zei Dr. Pauli. “Het is geweldig.”