Сможет ли цинк решить проблему бесплодия?

Команде исследователей с помощью нового подхода удалось подробнее рассмотреть, как оплодотворенная яйцеклетка выбрасывает ионы цинка, — этот процесс необходим для ее превращения в эмбрион («Nature Chemistry», 2015, 7, 130—139, doi: 10.1038/nchem.2133).

Цинк — один из необходимых кофакторов металлопротеинов (кофакторами называют небелковые компоненты ферментов). Он играет важную роль в мейозе — многостадийном процессе деления, при котором образуются половые клетки. В яичниках находятся незрелые яйцеклетки (ооциты), остановившиеся на первой стадии мейоза. С началом полового созревания яйцеклетки одна за другой выходят из яичника, причем мейоз продолжается. Яйцеклетка на заключительной стадии мейоза готова к оплодотворению. До момента оплодотворения повышение концентрации ионов цинка в яйцеклетке необходимо для ее созревания, а после оплодотворения происходит выброс цинка, который не менее важен для нормального перехода яйцеклетки в эмбрион.

Известно, что если при оплодотворении оставить содержание цинка высоким, то нарушается образование пронуклеусов (материнского и отцовского ядер внутри яйцеклетки; потом их оболочки растворятся, и начнется первое деление первой клетки нового организма). А если убрать цинк у зрелых ооцитов, обработав их хелатирующими агентами, то инициируется партеногенез — активация яйцеклеток без участия сперматозоида; развитие продолжается несколько дней, но жизнеспособного эмбриона не получается. И наоборот, если обработать яйцеклетки стимулятором партеногенеза, они выбрасывают цинк. Все это говорит о его ключевой регуляторной роли.

Ученые обычно исследуют ранние этапы развития эмбриона на яйцеклетках мышей. Мышиная яйцеклетка в процессе созревания накапливает 2⋅10¹⁰ атомов цинка — за несколько часов его содержание в клетке увеличивается на 50%. А оплодотворенная яйцеклетка теряет примерно 10¹⁰ атомов цинка.

Было известно, что после оплодотворения яйцеклетка выбрасывает ионы цинка во внеклеточное пространства несколькими залпами — «цинковыми вспышками». В предыдущих исследованиях эта же команда ученых установила, что яйцеклетка накапливает цинк с помощью мембранных белков-насосов, которые доставляют его внутрь через специальные каналы. Теперь ученые задались вопросом: как цинк покидает клетку?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужны достаточно чувствительные методы определения цинка, а их не было. Авторы статьи объединили несколько методов: специально разработанный чувствительный сенсор на цинк, который синтезировали на основе дипиррометена бора и полипиридина, просвечивающую растровую электронную микроскопию и энергодисперсионную спектроскопию, рентгенофлуоресцентный анализ для количественной оценки цинка внутри мембранных пузырьков, электронную 3D- томографию для количественного определения цинка в отдельной клетке.

Исследователи выделили яйцеклетки мыши на разных стадиях развития. Им удалось установить, что цинк выбрасывается из мембранных пузырьков, находящихся под поверхностью яйцеклетки. Давно было известно, что из таких пузырьков оплодотворенная яйцеклетка выпускает специальные вещества, предотвращающие проникновение второго сперматозоида; оказывается, тем же путем клетку покидает и цинк. Пузырьков около 8000, и в каждом по миллиону ионов Zn²⁺. Ученые предполагают, что значимо не только понижение концентрации цинка внутри клетки, но и ее повышение снаружи: например, цинк каким-то образом воздействует на сперматозоиды.

Теперь существует метод, который позволяет отслеживать содержание цинка в клетках и в околоклеточном пространстве, и это возможно поможет в решении проблемы бесплодия. «Количество цинка, выпущенного ооцитом, может быть показателем качества оплодотворенной яйцеклетки, — говорит Тереза Вудрафф, один из авторов работы. — Если мы сможем определить лучшие яйцеклетки, то будем терять меньше эмбрионов во время лечения бесплодия. Наши результаты помогут нам приблизиться к этой цели». Также с помощью этих методов можно исследовать функции цинка ив других клетках или тканях.

Цинк играет важную роль в жизни каждого млекопитающего — во всяком случае, в первые ее часы. Вверху — этапы развития яйцеклетки, ниже — перемещения внутриклеточных мембранных пузырьков, содержащих ионы Zn2+, внизу — гистограмма выбросов цинка