Istraživači sa ETH u Cirihu nedavno su razvili veoma realistične simulacije spajanja proteina na spermatozoidima i jajnim ćelijama pre nego što se spoje. Ovi nalazi su omogućili istraživačkom timu da reši nekoliko misterija oplodnje odjednom, što bi moglo pomoći da se ubrza razvoj ciljanijih tretmana neplodnosti.
Penetracija spermatozoida u jajnu ćeliju je fundamentalni korak u razmnožavanju, koji se odvija dinamično i naizgled bez problema. Međutim, ako zumirate procese koji se odvijaju tokom oplodnje na molekularnom nivou, on postaje veoma složen, i stoga nije iznenađujuće da se 15% parova širom sveta bori da zatrudni.
Nijedan mikroskop, koliko god moderan, ne može da osvetli bezbroj interakcija između uključenih proteina. Prema tome, tačan pokretač procesa oplodnje i molekularni događaji koji se dešavaju neposredno pre fuzije sperme i jajne ćelije ostali su mutni – do sada.
Uz pomoć simulacija na Piz Daintu, superkompjuteru Švajcarskog nacionalnog superkompjuterskog centra (CSCS), istraživački tim na čelu sa profesorom ETH u Cirihu, Viola Vogel je sada učinila vidljivom dinamiku ovih ključnih procesa u oplodnji ljudske jajne ćelije. po prvi put. Prema njihovoj studiji, koja je nedavno objavljena u časopisu Naučni izveštaji, simulacije istraživača su uspele da otkriju važne tajne.
Ranije je bilo poznato da je prva specifična fizička veza između dve zametne ćelije interakcija dva proteina: JUNO, koji se nalazi na spoljnoj membrani ženske jajne ćelije, i IZUMO1 na površini muške spermatozoide.
„Pretpostavljalo se da kombinacija dva proteina u kompleks pokreće proces prepoznavanja i adhezije između zametnih ćelija, omogućavajući na taj način njihovu fuziju“, kaže Paulina Pacak, postdoktorski istraživač u Vogelovoj grupi i prvi autor studije. Međutim, na osnovu kristalne strukture naučnici još nisu bili u stanju da jasno opišu mehanizam.
Istraživački tim ETH konačno je uspeo u tome u svojim najnovijim simulacijama. Da bi stvorili realistično okruženje u in-silico eksperimentu, istraživači su morali da simuliraju JUNO i IZUMO1 u vodenom rastvoru. U vodi, međutim, protein se kreće, a interakcije sa molekulima vode menjaju i način na koji se proteini vezuju jedni za druge i, u nekim slučajevima, funkciju samih proteina.
„Ovo čini simulacije mnogo složenijim, takođe zato što sama voda već ima veoma složenu strukturu“, kaže Vogel, „ali simulacije pružaju detaljniju sliku dinamike interakcija.“
Simulacije na Piz Daintu obuhvatale su po 200 nanosekundi i pokazale da je kompleks JUNO-IZUMO1 stabilizovan mrežom od više od 30 kratkotrajnih kontakata – pojedinačne veze su trajale manje od 50 nanosekundi svaka.
Prema istraživačima, dublje razumevanje ove mrežne dinamike brzo promenljivog formiranja i raskida pojedinačnih veza predstavlja nove mogućnosti za razvoj kontraceptiva, kao i za bolje razumevanje mutacija koje utiču na plodnost.
Joni cinka regulišu snagu veze
Kada je ova dinamika mreže otkrivena, istraživači su zatim istražili kako se ovo vitalno vezivanje proteina može destabilizovati. Joni cinka (Zn 2+) ovde igraju važnu ulogu: Ako su prisutni, IZUMO1 se savija u strukturu nalik bumerangu, kao što je prikazano u simulacijama i, kao rezultat toga, IZUMO1 se više ne može čvrsto vezati za JUNO protein.
Prema istraživačima, ovo bi mogao biti jedan od razloga zašto jajna ćelija oslobađa mnogo jona cinka odmah nakon oplodnje u takozvanoj „cinkovoj iskri“. Poznato je da ova poplava cinka sprečava dalje prodiranje sperme u jajnu ćeliju što bi inače izazvalo aberantni razvoj.
„Ovako nešto možemo saznati samo uz pomoć simulacija. Nalazi koje iz njih izvodimo teško da bi bili mogući na osnovu statičnih kristalnih struktura proteina“, naglašava Vogel. „Izuzetno dinamičan proces oplodnje odvija se daleko od ravnoteže. Kako dostupne strukture proteina pokazuju da su ugrađene u kristal, resursi kao što su oni u CSCS-u su od suštinskog značaja za hvatanje i razumevanje ove dinamike interakcije.“
Zahvaljujući simulacijama, istraživači su uspeli da razotkriju i još jednu misteriju: kako se folati koji se javljaju u prirodi i njihovi sintetički ekvivalenti, folne kiseline, vezuju za JUNO protein. Budućnim majkama se generalno preporučuje da uzimaju suplemente folne kiseline pre planirane trudnoće i tokom prva tri meseca kako bi podržali zdrav nervni razvoj fetusa.
Međutim, laboratorijski eksperimenti su pokazali da se JUNO protein ne vezuje za folat u vodenom rastvoru, iako je sam JUNO receptor folata. Simulacije molekularne dinamike su sada pokazale da je vezivanje folata moguće kada se IZUMO1 veže za JUNO. Tek tada folat može ući u pretpostavljeni džep JUNO-a koji vezuje folat.
Ova nova otkrića nisu samo od fundamentalnog interesa za strukturnu biologiju. Oni takođe pružaju detaljnu osnovu za razvoj aktivnih farmaceutskih sastojaka.
Prema istraživačima, dekodirani dinamički mehanizmi interakcije između proteina JUNO i IZUMO1 mogli bi da ukažu na nove načine lečenja neplodnosti, razvoj nehormonskih metoda kontracepcije zasnovanih na lekovima i poboljšanje tehnologije vantelesne oplodnje.
