Härte oder Stirb: Molekulare Prinzipien der Zona Pellucida Härtung

• Antragsteller: Dr. Dirk Fahrenkamp, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Reproduktionsmedizin, Urologie ; Strukturbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401763100

Für die Entstehung neuen Lebens muss ein Spermium die Zona Pellucida (ZP) penetrieren, eine Extrazellulärmatrix aus Glykoproteinen, die die Eizellen von Säugern umgibt. Nach der Befruchtung ist die ZP Veränderungen ausgesetzt, welche als Härtung bezeichnet werden. Die ZP Härtung ist durch eine Anzahl von korrelierenden Beobachtungen charakterisiert, zu denen eine verringerte Elastizität, eine Verdünnung, eine gesteigerte Resistenz gegenüber enzymatischem Verdau und der Verlust der Spermienbindung gezählt werden. Die Mechanismen dieser Prozesse sind ungeklärt, allerdings werden diese mit der Spaltung des ZP Proteins und Spermienrezeptors ZP2 in Verbindung gebracht. Die ZP Härtung schützt den sich entwickelnden Embryo vor äußeren Gefahren und Polyspermie.Im Jahr 2010 waren geschätzt 48,5 Millionen Paare von Infertilität betroffen, wobei die Ursachen oftmals ungeklärt bleiben. Infertilität wird häufig durch unterstützende Fortpflanzungstechnologien behandelt, welche jedoch nur eine Lebendgeburtenrate von lediglich 5-29% aufweisen. Dabei liegt eines der Hauptprobleme in der in vitro Kultivierung menschlicher Eizellen, durch die eine verfrühte ZP Härtung hervorgerufen wird. Fortschritte bei der Verhinderung dieser unerwünschten Härtung werden aber vor allem dadurch erschwert, dass die ihr zugrunde liegenden Mechanismen unbekannt sind.Ziel dieses Projektes ist es herauszufinden, wie die ZP2 Spaltung die ZP Härtung und die Spermienbindung reguliert. Die Spaltung von ZP2 zu ZP2f erfolgt in der zweiten Domäne (ZP2-N2) und es wird angenommen, dass diese durch die Protease Ovastacin verursacht wird, welche nach der Keimzellfusion freigesetzt wird. Bisher sind jedoch nur die Strukturen der Spermienbinde- (ZP2-N1) und der ZP-C Domäne des ZP2 aufgeklärt. Daher möchte ich rekombinantes ZP2 herstellen, das zumindest aus den ersten beiden Domänen besteht um zusammen mit rekombinantem Ovastacin die Spaltung von ZP2 in vitro zu ermöglichen. Hiernach plane ich die Proteinstrukturen von ZP2 und ZP2f mittels Röntgenstrukturanalyse aufzuklären.Zusätzlich möchte ich ZP2f in Interaktionsstudien einsetzen um herauszufinden ob ZP2f Wechselwirkungen mit entweder sich selbst, ZP2, oder den anderen ZP Proteinen eingeht, wodurch die ZP Härtung erklärbar würde. Diese Proteinkomplexe werden dann der Strukturaufklärung mittels Röntgenkristallographie oder Kryo-Elektronenmikroskopie unterzogen und durch Mutagenese funktionell charakterisiert um zu analysieren wie ZP2f die ZP Härtung verursacht. Um zu entschlüsseln wie die ZP2 Spaltung die globale Architektur der ZP transformiert, plane ich den Einsatz der Kryo-Elektronentomographie, wodurch Strukturinformationen der ZP mit einer Auflösung im Molekülbereich gewonnen werden können.Durch die strukturbiologische Aufklärung der Mechanismen mittels derer ZP2f die ZP Härtung ermöglicht und die Spermienbindung inhibiert, wird dieses Projekt neue Einblicke in die molekularen Grundlagen der Fertilisation von Säugern ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Schweden
• Gastgeber: Professor Dr. Luca Jovine