Скрытые структуры сперматозоидов дают новый ключ к пониманию мужской фертильности

Исследователи из VIB, VUB и Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований (Великобритания) обнаружили ранее незамеченную особенность человеческих сперматозоидов. Используя передовые методы визуализации, они нашли в ядре сперматозоидов специализированные отсеки, заполненные протеасомами — комплексами, отвечающими за расщепление и переработку белков. Результаты, опубликованные в журнале Nature Structural & Molecular Biology, дают беспрецедентный взгляд на организацию этих клеток и могут помочь в изучении мужской фертильности.

У человека ДНК в сперматозоидах упакована особенно плотно, но учёные показали, что ядро таких клеток не полностью заполнено генетическим материалом. В нём обнаруживаются небольшие полости, свободные от ДНК, которые служат как специализированные центры для протеасом — молекулярных «переработчиков», поддерживающих белковый гомеостаз и функциональность клетки.

С помощью криоэлектронной томографии, метода, позволяющего изучать клетки в близком к нативному состоянии с высоким разрешением, команда показала, что эти полости содержат скопления протеасом, организованных в отдельные кластеры. Интересно, что такие полости были замечены микроскопистами ещё ранее и назывались «лакунами», однако их содержимое и биологическая роль оставались во многом неизвестны.

«Мы были удивлены, обнаружив, что ядро сперматозоида человека содержит так много таких специализированных отсеков и что они заполнены протеасомами. Это открывает неожиданный уровень организации внутри головки сперматозоида и позволяет предположить, что эти структуры играют важную биологическую роль», — отметил один из авторов исследования.

Профессор Том Дендовен, Центр структурной биологии VIB-VUB

Команда не только картировала расположение этих молекул, но и определила их структуру с высокой точностью. Исследователи обнаружили уникальные черты, отличающие протеасомы сперматозоидов от протеасом в других тканях, включая ранее не описанный вариант компонента, по‑видимому специфичный для сперматозоидов.

Чтобы понять, на какой стадии развития появляются такие компартменты, учёные проанализировали ткани человеческих яичек. Они установили, что богатые протеасомами полости формируются на поздних стадиях сперматогенеза — в тот период, когда генетический материал клетки претерпевает сильную реорганизацию и уплотнение.

Такое совпадение по времени даёт основание предполагать, что протеасомы участвуют в организации ключевых этапов созревания сперматозоидов. Поскольку нарушения этих процессов могут влиять на фертильность, результаты закладывают основу для дальнейших исследований репродуктивного здоровья мужчин. Исследователи также отмечают, что эти протеасомы теоретически могут оставаться активными после проникновения сперматозоида в яйцеклетку и способствовать реконструкции отцовского генома на ранних стадиях эмбрионального развития.

«Эти результаты дают нам новую основу для изучения того, как развиваются сперматозоиды и что происходит сразу после оплодотворения, — говорит Дендовен. — Нам ещё предстоит многое узнать, но теперь мы можем изучать эти процессы с беспрецедентным уровнем детализации».

Объединив методы высокоразрешающей визуализации, структурную биологию и анализ человеческих тканей, авторы создали первую подробную карту организации протеасом внутри ядра сперматозоида человека. Исследование расширяет представления о биологии сперматозоидов и формирует основание для будущих работ в области фертильности, репродуктивного здоровья и раннего эмбрионального развития.