Funktion von Zona Pellucida Proteinen

Befruchtung ist ein grundlegender und zentraler Prozess in der Biologie höherer Lebewesen. Um zur Eizelle zu gelangen müssen die Spermatozoen von Wirbeltieren zunächst an eine dicke, die Eizelle umgebende Schicht, die Zona pellucida oder Perivitellinmembran, binden und diese dann durchdringen. Diese Schicht ist nicht nur die initiale Andockstation für Spermatozoen, sondern ist auch an der Kontrolle der Artspezifität der Befruchtung, der Auslösung der Akrosomreaction (bei der für die Fusion von Eizelle und Sperma wichtige Enzyme freigesetzt werden), sowie beim Blocken der Bindung zusätzlicher Spermatozoen beteiligt. Forschung auf diesem Gebiet ist aus ethischen, aber auch aus technischen Gründen schwierig, da die Zona pellucida von lebenden Tieren gewonnen werden muss und nur geringe Mengen dieser extrazellulären Matrix zu Verfügung stehen. Um diese Probleme zu minimieren, versuchen wir, molekulare Mechanismen der Befruchtung im Huhn zu studieren. Biochemische Analyse der Perivitellinmembran (die in Vögeln der Zona pellucida von Säugern äquivalent ist) kann relativ leicht an gelegten Hühnereiern durchgeführt werden. Eine zentrale Bedeutung für unser Projekt hat unsere Fähigkeit, große Mengen der Proteinbausteine der Perivitelliamembran zu gewinnen und zu untersuchen. Dies erlaubt uns, detaillierte Fragen über die Biosynthese und die weitere Prozessierung dieser Moleküle zu beantworten. Da die Struktur dieser Moleküle, so wie die Zusammensetzung der Zona pellucida durch die Evolution sehr konserviert ist, erwarten wir, dass unsere Ergebnisse auch für andere Organismen von Bedeutung sein werden. Zusätzlich wollen wir die Funktion von in verschiedenen Geweben sowohl beim Huhn als auch beim Menschen exprimierten Zona pellucida-Proteinen studieren, die sich jedoch nicht in Zona pellucida nachweisen lassen.

Die Eizellen aller Wirbeltiere werden von einer Schicht extrazellulären Materials umhüllt, die in Menschen und anderen Säugern Zona Pellucida (zp) genannt wird, während sie in Vögeln Perivitellinmembran (pvm) heißt. Der erste Kontakt zwischen Sperm und Ei erfolgt an dieser Schicht. Wegen der offensichtlichen Schwierigkeiten beim Experimentieren mit menschlichen Eizellen werden üblicherweise Modelltiere wie Mäuse eingesetzt. In diesem speziellen Fall sind Resultate, die mit Mausmaterial gewonnen wurden, schwer zu interpretieren, da sie Maus-zp eine andere Zusammensetzung hat als die Menschen-zp. Wir verenden Hühner-pvm, was einige Vorteile bietet:die Eier sind groß, sodaß große Mengen an pvm-Bestandteilen gewonnen werden können und für viele Versuch ist es nicht nötig, Tiere zu töten, da die gelegten Eier als Versuchsmaterial dienen können. Wir habe gezeigt, dass dieHühner-pvm in zwei Schritten niedegelegt wird. Zunächst produziert die Eizelle die Bestandteile einer "frühen pvm". Dann, wenn Eiwachstum rasch zunimmt, synthetisieren die Zellen, welche die Eizelle umgeben, sowie die Leber die Komponenten der reifen pvm. Diese Prozesse sind Hormon-verursacht. Alle beteiligten Proteine haben ein Sequenzmotif gemeinsam, die zp Domäne, welche an Protein-Protein- Wechselwirkungen teilnehmen kann. Wir haben jetzt schon 8 ovarielle zp-Proteine in der Henneidentifiziert (gegenüber 2 am Beginn der Studie). Die in der Leber produzierte Komponente, ZP1, gelangt über die Blutbahn zum Ovar. Gleichzeitig wird in Hähnen ein anderes zp-Protein, genannt ZP4, an der Spitze des Spermienkopfes abgelagert. Ei-ZP1 kann mit Sperm-ZP4 interagieren und so Sperm-Ei-Erkennung erleichtern. Nach Sperm- bindung kommt es zu einem schnellen Abbau von ZP1, was sich im Auftreten von Löchern in der pvm manifestiert. Außer ZP1 wird noch ein anderes zp Protein in der Leber hergestellt: ZPAY. Diese hat aber einen nahen Verwandten, der im Ovar produziert wird, nämlich ZPAX. So wie bei ZP1 hängt die ZPAY-Synthese von einem genügenden Östrogenspielgel ab und das Protein findet sich dann im Blut. Interessanterweise kann es aber nicht im Ovar detektiert werden, sondern vielmehr in tubulären Strukturen in der Niere, in Arterien und in Blutgefäßen im Gehirn. Das deutet auf eine spezielle Verstärkung dieser Strukturen im Huhn, wo die Hennengroße Mengen Lipoproteine im Blut transportieren, um den für die Kükenentwicklung unerläßlichen Dotter zu produzieren.