Onderzoekers vinden verborgen 'recyclehubs' in kern van spermacellen

Het DNA in een menselijke spermacel is extreem strak opgevouwen, strakker dan bijna nergens anders in de natuur. Onderzoekers van VIB, de Vrije Universiteit Brussel (VUB) en het Britse Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology dachten dat de kern van sperma daardoor vrijwel volledig gevuld is met DNA. Nieuw onderzoek, gepubliceerd in Nature Structural & Molecular Biology, laat iets anders zien: verspreid door de kern zitten kleine, DNA-vrije holtes die functioneren als verzamelplek voor proteasomen. Dat zijn eiwitcomplexen die oude of beschadigde eiwitten afbreken en recyclen, een proces dat bekendstaat als eiwitdegradatie.

Deze holtes waren al decennia geleden gezien door microscopisten, die ze 'lacunae' noemden. Wat erin zat en waarvoor ze dienden, bleef echter onbekend. Met behulp van cryo-elektronentomografie, een techniek waarmee cellen in hun natuurlijke, bevroren toestand tot in extreem detail bekeken kunnen worden, ontdekte het team dat de holtes grote aantallen proteasomen bevatten, netjes georganiseerd in clusters.

Een verrassend georganiseerde kern

"We waren verrast dat de kern van menselijk sperma zoveel van deze gespecialiseerde compartimenten bevat, en dat ze vol zaten met proteasomen," zegt professor Tom Dendooven van het VIB-VUB Centrum voor Structurele Biologie. Volgens hem wijst de mate van organisatie erop dat deze structuren een belangrijke biologische functie hebben. Het onderzoeksteam bracht niet alleen in kaart wáár de proteasomen zitten, maar ontrafelde ook hun bouw tot in detail. Daarbij vonden de wetenschappers een tot dusver onbekende variant van een eiwitonderdeel die uniek is voor sperma, en die de spermaproteasomen onderscheidt van proteasomen elders in het lichaam.

Verband met de rijping van sperma

Om te achterhalen wanneer deze structuren ontstaan, onderzochten de wetenschappers weefsel uit menselijke testikels. Daaruit bleek dat de proteasoomrijke holtes verschijnen in de laatste fase van de spermaontwikkeling, precies wanneer het erfelijk materiaal in de cel drastisch wordt gereorganiseerd en samengeperst. Dat tijdstip suggereert dat de proteasomen een rol spelen bij het aansturen van die rijping. Omdat afwijkingen in dit proces de vruchtbaarheid kunnen aantasten, leveren de bevindingen een nieuw uitgangspunt op voor onderzoek naar mannelijke vruchtbaarheidsproblemen. De onderzoekers vermoeden bovendien dat de proteasomen actief blijven nadat het sperma de eicel binnendringt, en mogelijk helpen bij het herprogrammeren van het vaderlijke genoom vlak na de bevruchting.

"Deze bevindingen geven ons een nieuw kader om te bestuderen hoe spermacellen zich ontwikkelen en wat er direct na bevruchting gebeurt," aldus Dendooven. Door beeldvorming, structurele biologie en weefselanalyse te combineren, leverden de onderzoekers de eerste gedetailleerde kaart op van hoe proteasomen georganiseerd zijn in de kern van menselijk sperma. Daarmee ligt er een nieuwe basis voor toekomstig onderzoek naar vruchtbaarheid, voortplantingsgezondheid en de vroegste fase van embryo-ontwikkeling.