_ Oamenii de știință simulează cu succes complexul de proteine ​​care inițiază fertilizarea

Cercetătorii de la ETH Zurich au dezvoltat recent simulări extrem de realiste ale proteinelor de pe spermatozoizi și celulele ovule care se cuplează înainte ca acestea să fuzioneze. Aceste descoperiri au permis echipei de cercetare să rezolve mai multe mistere ale fertilizării simultan, ceea ce ar putea ajuta la accelerarea dezvoltării unor tratamente mai bine direcționate pentru infertilitate.

Penetrarea unui ovul de către un spermatozoid este un pas fundamental în procreare, petrecându-se dinamic și aparent fără probleme. Cu toate acestea, dacă măriți procesele care au loc în timpul fertilizării la nivel molecular, devine extrem de complex și, prin urmare, nu este surprinzător că 15% dintre cuplurile din întreaga lume se luptă să conceapă.

Fără microscop, oricât de modern, poate lumina nenumăratele interacțiuni dintre proteinele implicate. Prin urmare, declanșatorul exact al procesului de fertilizare și evenimentele moleculare care se desfășoară chiar înainte de fuziunea spermatozoizilor cu ovulul au rămas tulburi – până acum.

Cu ajutorul simulărilor de pe Piz Daint, supercomputerul Centrul Național de Supercomputing Elvețian (CSCS), o echipă de cercetare condusă de profesorul ETH Zurich, Viola Vogel, a făcut acum vizibilă pentru prima dată dinamica acestor procese cruciale în fertilizarea unui ovul uman. Potrivit studiului lor, care a fost publicat recent în jurnalul Scientific Reports, simulările cercetătorilor au reușit să dezvăluie secrete importante.

Se știa anterior că prima conexiune fizică specifică dintre cele două celule germinale este un interacțiunea a două proteine: JUNO, care este situat pe membrana exterioară a ovulului feminin și IZUMO1 pe suprafața spermatozoidului masculin.

„S-a presupus că combinația celor două proteinele într-un complex inițiază procesul de recunoaștere și aderență între celulele germinale, permițând astfel fuziunea acestora”, spune Paulina Pacak, cercetător postdoctoral în grupul Vogels și primul autor al studiului. Cu toate acestea, pe baza structurii cristaline, oamenii de știință nu au reușit încă să descrie clar mecanismul.

Echipa de cercetare ETH a reușit în cele din urmă să facă acest lucru în cele mai recente simulări. Pentru a crea un mediu realist în experimentul in-silico, cercetătorii au trebuit să simuleze JUNO și IZUMO1 într-o soluție apoasă. În apă, însă, proteina se mișcă, iar interacțiunile cu moleculele de apă schimbă atât modul în care proteinele se leagă între ele, cât și, în unele cazuri, funcția proteinelor în sine.

„Acest lucru face ca simulări mult mai complexe, de asemenea, pentru că numai apa are deja o structură foarte complexă”, spune Vogel, „dar simulările oferă o imagine mai detaliată a dinamicii interacțiunilor.”

Simulările de pe Piz Daint au cuprins 200 de nanosecunde fiecare și a arătat că complexul JUNO-IZUMO1 este stabilizat de o rețea de peste 30 de contacte de scurtă durată - legăturile individuale au durat mai puțin de 50 de nanosecunde fiecare.

Conform cercetătorilor, o înțelegere mai profundă. a acestor dinamici de rețea a formării și ruperii rapidă a legăturilor individuale prezintă noi posibilități pentru dezvoltarea contraceptivelor, precum și pentru o mai bună înțelegere a mutațiilor care afectează fertilitatea.

Ionii de zinc reglează puterea legăturilor

Cu această dinamică a rețelei scoase la iveală, cercetătorii au investigat apoi modul în care aceste legături vitale de proteine ​​ar putea fi destabilizate. Ionii de zinc (Zn2+) joacă un rol important aici: dacă sunt prezenți, IZUMO1 se îndoaie într-o structură asemănătoare bumerangului, așa cum arată simulările și, ca urmare, IZUMO1 nu se mai poate lega ferm de proteina JUNO.

Conform cercetătorilor, acesta ar putea fi unul dintre motivele pentru care ovulul eliberează mulți ioni de zinc imediat după fertilizare într-o așa-numită „scânteie de zinc”. Se știe că acest potop de zinc previne să pătrundă mai mult spermatozoizi în ovul, care altfel ar provoca o dezvoltare aberantă.

„Nu putem afla așa ceva decât cu ajutorul simulărilor. Descoperirile pe care le derivăm din ele ar fi cu greu posibile pe baza structurilor cristaline statice ale proteinelor”, subliniază Vogel. „Procesul extrem de dinamic de fertilizare are loc departe de echilibru. Deoarece structurile proteinelor disponibile le arată încorporate în cristal, resurse precum cele de la CSCS sunt esențiale pentru a captura și înțelege aceste dinamice de interacțiune.”

Datorită simulărilor, cercetătorii au reușit să dezvăluie și un alt mister: cum se leagă folații naturali și echivalentii lor sintetici, acizii folici, de proteina JUNO. Viitoarelor mame li se recomandă, în general, să ia suplimente de acid folic înainte de o sarcină planificată și în timpul primelor trei luni pentru a sprijini dezvoltarea neuronală sănătoasă a fătului.

Cu toate acestea, experimentele de laborator au arătat că proteina JUNO nu se leagă de acid folic în soluție apoasă, chiar dacă JUNO în sine este un receptor de acid folic. Simulările de dinamică moleculară au arătat acum că legarea folaților este posibilă odată ce IZUMO1 se leagă de JUNO. Numai atunci folatul poate intra în presupusul buzunar de legare a folatului al lui JUNO.

Aceste noi descoperiri nu sunt doar de interes fundamental pentru biologia structurală. Ele oferă, de asemenea, o bază detaliată pentru dezvoltarea ingredientelor farmaceutice active.

Conform cercetătorilor, mecanismele dinamice decodificate ale interacțiunii dintre proteinele JUNO și IZUMO1 ar putea indica noi modalități de tratare a infertilității, dezvoltarea medicamentelor. -metode contraceptive non-hormonale și îmbunătățirea tehnologiei de fertilizare in vitro.

(Fluierul)