Важным компонентом каждой эукариотической клетки является цитоскелет. Микротрубочки, крошечные трубки, состоящие из белка, называемого тубулином, являются частью этого скелета клеток. Реснички и жгутики, которые представляют собой антенные структуры, выступающие из большинства клеток нашего тела, содержат много микротрубочек. Примером жгутика является хвост сперматозоида, который необходим для мужской фертильности и, следовательно, для полового размножения. Жгутик должен биться очень точно и скоординированно, чтобы позволить прогрессирующему плаванию спермы. Невыполнение этого требования может привести к мужскому бесплодию.

Исследователи из Института Кюри в Париже, Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка (MPI-CBG) в Дрездене, Центра передовых европейских исследований и исследований (caesar) в Бонне вместе с Боннским университетом, Институтом Кочина в Париже и Технополисом человека в Милане теперь показывают, что одна конкретная ферментативная модификация белка тубулина, называемая глицилированием, необходима для того, чтобы сперматозоиды плавали по прямой линии. Эти результаты предполагают, что возмущение этой модификации может лежать в основе некоторых форм мужского бесплодия у людей.

Клетки нашего тела используют нашу библиотеку ДНК для извлечения чертежей, содержащих инструкции по построению структур и молекулярных машин, называемых белками. Но на этом история не заканчивается: белки могут быть модифицированы другими белками, называемыми ферментами. То, что такие модификации происходят, известно уже давно, но, как ни удивительно, их функция во многих случаях неизвестна. Прекрасным примером отсутствия у нас глубоких знаний является роль модификаций тубулина, белка, образующего микротрубочки. Это длинные нити, которые используются для создания каркасов в клетках. Хотя микротрубочки очень похожи во всех клетках нашего организма, они выполняют самые разнообразные функции. Одна из наиболее специализированных функций микротрубочек находится в хвосте сперматозоида или жгутике. Жгутики сперматозоидов необходимы для мужской фертильности и, следовательно, для полового размножения. Они должны бить очень точно и скоординированно, чтобы позволить прогрессирующему плаванию сперматозоидов, и неспособность сделать это может привести к мужскому бесплодию. Чтобы сперматозоиды плавали по прямой линии, необходима модификация белка тубулина ферментами. Одна модификация называется глицилированием и до сих пор была одной из наименее изученных модификаций тубулина.

Ученые Института Кюри в Париже, Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка (MPI-CBG) в Дрездене и Центра передовых европейских исследований и исследований (Caesar) в Бонне вместе с Боннским университетом, Институтом Кочина в Париже и человеческим Технополем в Милане внимательно изучили глицилирование. Они обнаружили, что в отсутствие этой модификации тубулина способ биения жгутиков нарушается, в результате чего сперматозоиды в основном плавают кругами. Первый автор исследования Сударшан Гададхар из Института Кюри объясняет: "ядро жгутика спермы состоит из микротрубочек, наряду с десятками тысяч крошечных молекулярных двигателей, называемых динеинами,которые позволяют ритмично изгибать эти микротрубочки, чтобы производить волны для движения и управления. Активность этих моторных белков динеина должна быть строго скоординирована. В отсутствие глицилирования они стали нескоординированными, и в результате мы внезапно увидели, как сперматозоиды плавают кругами."

Чтобы выяснить это, авторы исследования создали мышиную линию, в которой отсутствуют генетические чертежи ферментов, глицилирующих микротрубочки. "Мы наблюдали функциональные дефекты в сперме мышей, лишенных глицилирования, что привело к снижению фертильности. Поскольку мыши как модельная система, как известно, имеют устойчивую фертильность, подобный дефект у людей может привести к мужскому бесплодию", - говорит Карстен Янке, исследователь CNRS (французского Национального центра научных исследований) из Института Кюри и один из координаторов исследования.Чтобы выяснить, почему отсутствие глицилирования приводит к нарушению подвижности сперматозоидов и мужской субфертильности, команда использовала криоэлектронную микроскопию для визуализации молекулярной структуры жгутика и его молекулярных двигателей. Анализ мутантных жгутиков сперматозоидов показал, что жгутики были правильно построены, но мутация мешала скоординированной деятельности аксонемных динеинов—двигателей, приводящих в действие биение жгутика. Это объясняет, почему плавание сперматозоидов нарушено.

Почему это открытие так важно? Другие координирующие авторы, Гайя Пигино из MPI-CBG и Human Technopole, и Луис Альварес из Института Цезаря, резюмируют: "это исследование, которое показывает, насколько важно глицилирование для контроля динеиновых двигателей жгутика, является ярким примером того, как модификации микротрубочек непосредственно влияют на функцию других белков в клетках. Наши результаты дают прямое доказательство того, что микротрубочки играют активную роль в регуляции фундаментальных биологических процессов с помощью кода модификаций тубулина. Кроме того, это исследование указывает на новый механизм, лежащий в основе мужского бесплодия. Поскольку жгутики сперматозоидов являются одним из многих типов ресничек в нашем организме, мы ожидаем, что подобные модификации тубулина будут важны в различных функциях, связанных с ресничками. Таким образом, наша работа открывает путь к более глубокому пониманию многих заболеваний, таких как нарушения развития, рак, заболевания почек или нарушения дыхания и зрения."

ИСТОЧНИК