Ny teknik gör det möjligt att bättre förklara samspelet mellan spermie och ägg hos däggdjur. Här används kryoelektronmikroskopi för att skapa en mer detaljerad bild av befruktningen. Forskningen har redan bidragit till en bättre förståelse av infertilitet.
Projektanslag 2018
Integrative Structural Biology of Mammalian Fertilization: Unveiling the Beginning of Life from Gametes to Atoms
Huvudsökande:
Professor Luca Jovine
Medsökande:
Scilifelab
Alexey Amunts
Umeå universitet
Linda Sandblad
Lärosäte:
Karolinska Institutet
Beviljat anslag:
29 400 000 kronor under fem år
Vetenskapsfotografen Lennart Nilsson kan vara den som bäst spridit kunskapen om hur barn blir till genom sina bilder tagna med hjälp av svepelektronmikroskop. Bilderna som togs på 1960-talet har varit en inspirationskälla för Luca Jovine sedan han var barn. Nu leder Jovine ett nytt projekt där forskarna zoomar in på det molekylära mötet mellan spermie och ägg.
– Efter att först ha tagit oss an detta biologiska mysterium med hjälp av röntgenkristallografi så är det dags att nå längre i att visualisera befruktningen med hjälp av kryoelektronmikroskopi. Om vi kan sluta kunskapsgapet mellan cell- och molekylnivå så kommer vi närmare ett svar på befruktningens gåta, säger Luca Jovine, professor i strukturbiologi.
Belyser flera steg i befruktningen
Forskningsprojektet följer spermiens väg från den första kontakten med äggcellens hölje till det att den smälter samman med äggcellens inre. Forskarna tar sig an uppgiften i två delar där den första är att öka förståelsen av hur spermien och ägghöljet känner igen varandra i början av befruktningen. I den delen är målet att bättre förstå vad som sker när de båda könscellerna smälter samman och bildar den första cellen i en ny individ: fostercellen.
Luca Jovines forskargrupp är bland de världsledande inom fältet. Redan 2010 var de först med att kartlägga den fullständiga tredimensionella strukturen av ZP3 – en proteinkomponent hos ryggradsdjurens äggceller dit spermien binder.
– Vi är den första forskargruppen i världen som har arbetat systematiskt för att förstå befruktningen med hjälp av strukturbiologi, säger han.
År 2017 visade de på atomnivå hur ett spermieprotein binder vid ett protein i äggets ytterhölje, vilket också är det första steget i befruktningsprocessen. Vid försöken jämfördes även två äggcellsproteiner från blötdjur och människa, vilket ledde till mycket överraskande resultat. Trots att mycket skilde dem åt i uppbyggnad så hade blötdjurets protein VERL samma tredimensionella struktur som människans motsvarighet ZP2.
– Det var häpnadsväckande att se med tanke på att 600 miljoner år av evolution skiljer däggdjur från blötdjur. Dock förstår vi fortfarande inte helt hur denna likartade struktur påverkar själva bindningen.
Ny teknik gör det möjligt
Tidigare har forskargruppen till största del använts sig av tekniken röntgenkristallografi. I det nya projektet ska de även använda flera former av kryoelektronmikroskopi tillsammans med mer traditionella biokemiska och cellulära metoder.
– Genom att kombinera olika tekniker hoppas vi kunna visa alla nivåer från högupplösta visualiseringar till vad som går att se i ett vanligt mikroskop.
Han menar att teknikutveckling gör att de olika fälten strukturbiologi och cellbiologi närmar sig varandra. Därför är tillgången till SciLifeLab viktig för att nå framåt. Samt samarbetet med Alexey Amunts forskargrupp som är experter inom kryoelektronmikroskopi.
– Det finns inte många platser i världen som på detta sätt kombinerar den toppmoderna utrustningen som krävs med rätt kunskap, säger Luca Jovine.
Projektet involverar även landets andra nationella nod inom kryoelektronmikroskopi: Umeå Core Facility Electron Microscopy (UCEM). Härifrån deltar mikroskopisten Linda Sandblad som även är föreståndare för anläggningen.
Nästa steg sammansmältning
Efter det att spermien penetrerat äggcellens ytterhölje så binder den till äggets plasmamembran och de två smälter samman.
Två av sammansmältningens nyckelproteiner, Juno and Izumo1, har kartlagts av Jovines grupp men även av andra grupper. Men fortfarande återstår att ta reda på vad som skapar själva fusionen.
– Vi vill försöka förstå det genom att visualisera även detta skeende. Men det är troligen en mycket kort process vilket kommer att göra det svårt.
Något som försvårar ytterligare är storleken på själva äggcellen.
– Äggcellen är kroppens största cell och det finns flera tekniska svårigheter vi måste övervinna när vi förbereder den för analys. Det är något enklare att studera hur spermien binder till ägghöljet eftersom det kan avlägsnas från äggcellen.
Ny kunskap bakom infertilitet
Forskningen som lett fram till projektet har redan fått praktisk betydelse i vården, berättar Luca Jovine.
– Vi har exempel på hur läkare använt våra resultat för att bättre förstå infertilitet hos kvinnor. Genom individuell gensekvensering har de sett mutationer hos samma proteiner i ägghöljet som vi kartlagt. Detta kan bli ett första steg mot att förstå varför vissa patienter är infertila.
Även om problemet med infertilitet ofta går att runda med hjälp av provrörsbefruktning, pekar studier hos möss på att den sortens mekaniska befruktning kan ge andra avvikelser.
– Ingen vet ännu om det även gäller hos människor. Bäst vore naturligtvis om vi kunde hitta sätt att bibehålla den naturliga befruktningsprocessen. Detta är mycket komplicerat och innehåller selektionsprocesser som vi fortfarande inte förstår.
Det nya forskningsprojektet kan även öppna vägar för att utveckla nya former av hormonfria preventivmedel. Proteinerna som är inblandade i befruktningsprocessen kan bli måltavlor för nya typer av behandlingar.
– Ännu vet vi inte vad vi kommer att upptäcka vilket också är det som gör projektet så spännande, säger Luca Jovine.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström
