Befruchtung: Wie sich Eizelle und Spermium so stark aneinander festhalten

Eizelle und Spermium sind bei der Befruchtung unter anderem über zwei bestimmte Proteine miteinander verbunden. Diese Verbindung ist speziell, wie Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) nun zeigten.

Eine Eizelle und ein Spermium müssen sich im Eileiter fest aneinanderhalten, damit sie verschmelzen können und als Folge davon ein neues Lebewesen entsteht. Eine zentrale Rolle spielen dabei das Protein Juno auf der Zellmembran der Eizelle und das Protein Izumo auf dem Spermium.

Wissenschaftler der ETH Zürich und der Universität Basel (beide Schweiz) konnten nun zeigen: Die Verbindung der beiden Proteine ist speziell – und eine der stärksten, die in der Welt der vielzelligen Lebewesen bisher bekannt ist. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Untersuchung im Nanomaßstab

Im Labor spannten die Forschenden je ein Juno- und ein Izumo-Protein in ein Rasterkraftmikroskop und maßen so, wie gut sich die beiden aneinander festhalten können, wenn man an ihnen zieht. Es zeigte sich: Juno und Izumo verhalten sich anders als die Mehrheit der bekannten Proteinpaare, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip eine Verbindung eingehen. Solche Proteinverbindungen halten grundsätzlich nicht ewig. Und bei den meisten ist es so, dass sie kürzer halten, je stärker daran gezogen wird.

Bei Juno und Izumo ist es anders. „Unter Zugkräften, wie sie vom Spermium erzeugt werden können, wird die Bindung nicht etwa weniger stabil, sondern stabiler“, berichtet Prof. Viola Vogel von der ETH Zürich. „Die Bindung hält somit unter Zugkraft sogar länger als ohne Krafteinwirkung“, fügt sie hinzu. Die Forschenden sprechen in diesem Fall von einer Catch Bond.

Eine der stärksten Verbindungen

Durch Modellrechnungen am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum CSCS in Lugano (Schweiz) konnten die Forschenden außerdem zeigen, wie der Catch-Bond-Mechanismus der beiden Proteine funktioniert: Wenn die Proteine auseinandergezogen werden, reißen zwar einige Verbindungen zwischen Atomen auf dem einen Protein mit Atomen auf dem anderen Protein. Gleichzeitig drehen sich die beiden Proteine durch das Auseinanderziehen aber relativ zueinander – das Protein Juno vollzieht eine Vierteldrehung. Dadurch entstehen neue Atom-Atom-Bindungen. Sie verlängern die Zeit, in der die beiden Proteine miteinander verbunden bleiben.

Die Messungen zeigten auch: Unter Zug ist die Verbindung von Juno und Izumo sogar eine der stärksten, die es im Reich der mehrzelligen Organismen gibt.

Mutation schwächt Protein-Verbindung

Schließlich untersuchten die Forschenden auch die Folgen einer bekannten genetischen Mutation, von denen weltweit jede 600ste Frau betroffen ist. Bei diesen Frauen ist sowohl das Juno-Gen als auch das Juno-Protein in einem Baustein verändert. Die Mutation steht im Verdacht, die Fruchtbarkeit zu reduzieren.

Die Wissenschaftler konnten im Labor mit Computersimulationen zeigen: Bei Zugkräften, wie sie beim Flagellenschalg des Spermiums vorkommen, bricht eine Verbindung mit einem veränderten Protein schneller auf. „Das gibt dem Spermium und der Eizelle nicht ausreichend Zeit, um ihre Fusion und somit eine Befruchtung einzuleiten“, erklärt Vogel.

Da der bisher vermutete Zusammenhang dieser Mutation mit Unfruchtbarkeit nun über einen Mechanismus erhärtet wurde, könnten laut den Autoren als nächstes entsprechende Gentests entwickelt werden, um diese Unfruchtbarkeits-Ursache diagnostizieren zu können. Außerdem könnten die Ergebnisse die Entwicklung von Therapien begünstigen, um Paaren den Kinderwunsch zu erfüllen, so die Forschenden.