Eiwitten die sleutelrol spelen bij voortbeweging spermacellen geïdentificeerd met elektronenmicroscopie

Door met elektronenmicroscopen in te zoomen tot bijna-atomair niveau, is het Tzviya Zeev-Ben-Mordehai en haar team gelukt de eiwitten te identificeren die de moleculaire machine vormen waarmee spermacellen zich voortbewegen. Van meer dan twintig van deze eiwitten was het nog niet bekend dat ze onderdeel waren van de ‘motor’ van de spermacel. Stuk voor stuk zijn deze eiwitten veelbelovende kandidaten voor toekomstig onderzoek naar onvruchtbaarheid. De resultaten leveren niet alleen belangrijke inzichten over hoe spermacellen bewegen en waarom ze mogelijk niet goed functioneren, maar ook over hoe ze zijn geëvolueerd. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Cell. Zeev-Ben-Mordehai: "We starten een nieuw tijdperk wat betreft het diagnosticeren van onvruchtbaarheid en de ontwikkeling van anticonceptiemiddelen voor mannen.”

Een spermacel is heel goed aangepast aan zijn ene taak: het genetisch materiaal van de man afleveren bij de eicel van de vrouw. Desondanks blijft de reis van een spermacel een uitdagende: zoogdierspermacellen moeten afstanden zwemmen van meer dan duizend keer hun eigen lengte, en dat ook nog eens in een stroperige omgeving. Als spermacellen zich op de een of andere manier minder goed kunnen voortbewegen, leidt dit tot onvruchtbaarheid bij mannen, een probleem dat wereldwijd toeneemt bij mensen.

De motor van spermacellen zit in hun staart: het is een 'moleculaire machine' die axoneem wordt genoemd. Het axoneem bestaat uit honderden verschillende eiwitten die verankerd zijn op cellulaire buisjes die microtubuli worden genoemd. Elk axoneem is opgebouwd uit negen dubbele microtubuli (zogenaamde doubletmicrotubuli) die rondom één centraal paar enkele microtubuli liggen.

Cryogene elektronenmicroscopie

Eerder werk van de groep van Zeev-Ben-Mordehai toonde al aan dat de buisjes van doubletmicrotubuli van zoogdierspermacellen gedeeltelijk gevuld zijn met eiwitten. Maar welke eiwitten dat precies zijn, bleef tot nu toe grotendeels onbekend.

Nu heeft de groep een manier gevonden om deze eiwitten te identificeren, zonder de buisjes en de structuren daarin kapot te hoeven maken. Ze gebruikten een methode die cryogene elektronenmicroscopie (cryo-EM) wordt genoemd. Hierbij worden monsters zoals spermacellen zeer snel ingevroren. Volgens Zeev-Ben-Mordehai is dat de beste manier is om monsters te behandelen, omdat ze zo hun oorspronkelijke staat het meest nauwkeurig behouden.

Bijna-atomair niveau

Om de eiwitten in de buisjes te kunnen identificeren, moesten de onderzoekers op de buisjes inzoomen met een nooit eerder vertoond detailniveau, bijna-atomair. Dit stelde ze in staat om alle individuele aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, te onderscheiden. Want als je eenmaal de volgorde van de aminozuren in een eiwit kent, weet je precies naar welk eiwit je kijkt.

Om dit hoge detailniveau te bereiken, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe manier om de monsters te behandelen voordat ze werden bevroren: ze verwijderden eerst de buitenste laag van de spermacellen, de celmembranen, en voegden vervolgens ATP toe, een molecuul dat cellen van energie voorziet. Dit molecuul zorgde ervoor dat de verschillende microtubuli ten opzichte van elkaar verschoven, waardoor ze van elkaar loskwamen. De twee buisjes van elk doublet bleven echter verbonden, net als alle eiwitten die aan de buisjes vastzaten. Dit maakte het mogelijk dat de onderzoekers in konden zoomen op individuele, intacte doubletten.

Meer dan 60 eiwitten

Zeev-Ben-Mordehai en haar team identificeerden zo meer dan zestig eiwitten in de doubletten van runderspermacellen. Minstens twintig van deze eiwitten komen alleen in spermacellen voor. Van meer dan tien van de eiwitten is bekend dat er een verband is met mannelijke onvruchtbaarheid. Deze verbanden werden ontdekt in eerdere onderzoeken waarbij het DNA van onvruchtbare mannen of mannelijke dieren geanalyseerd werd, maar tot nu toe was de precieze positie van deze eiwitten in spermacellen nog niet bekend. Zeev-Ben-Mordehai: "Het is ongelooflijk dat het dankzij cryo-EM nu mogelijk is om eiwitten in complexe structuren te identificeren. En we waren niet alleen in staat de overgrote meerderheid van de eiwitten in de doubletmicrotubuli van spermacellen te identificeren, we wisten ze ook heel precies in deze majestueuze structuren te plaatsen, wat voor het raamwerk zorgt waarmee we kunnen begrijpen wat hun functie is."

Opvallend is dat 28 van de gevonden eiwitten nog niet eerder experimenteel bestudeerd waren en daarom nog geen betekenisvolle naam hadden. Zeev-Ben-Mordehai wijst erop dat deze eiwitten goede kandidaten zouden zijn voor toekomstige genetische studies naar mannelijke onvruchtbaarheid en voor de ontwikkeling van nieuwe anticonceptiemiddelen voor mannen.

Evolutie

Om inzicht te krijgen in de evolutie van het axoneem, vergeleken de onderzoekers de doublet-microtubuli van runderspermacellen ook nog met die van zee-egelspermacellen die werden onderzocht door collega’s in de VS. Terwijl een van de buizen van de doubletten van runderen bijna volledig gevuld is met eiwitten, bleken bij zee-egels beide buizen relatief leeg te zijn. Zeev-Ben-Mordehai: "Zee-egels zijn externe bevruchters, wat betekent dat de eicellen in het water bevrucht worden. Het lijkt erop dat spermacellen van zoogdieren een aanzienlijke structurele versterking nodig hebben om te kunnen zwemmen in de veel complexere en stroperige omgeving van het vrouwelijke voortplantingskanaal."

Toekomstige studies

Zeev-Ben-Mordehai zal haar onderzoek naar spermacellen voortzetten in het door het ERC gefinancierde project GettinginShape. Hierin zal ze cryo-EM gebruiken om op moleculair niveau te doorgronden hoe spermacellen transformeren van ronde voorlopercellen, spermatiden genaamd, tot de zeer gespecialiseerde beweeglijke zaadcellen.