Forscher haben die Auswirkungen von Zinkionenmangel und -überschuss auf die periodische Freisetzung von Kalziumionen, bekannt als Kalziumoszillationen, detailliert beschrieben – ein Prozess, der für die ordnungsgemäße Aktivierung der Eizelle während der Befruchtung und den letztendlichen Erfolg des resultierenden Embryos von entscheidender Bedeutung ist.
Die heute veröffentlichte Studie an Mäusen als eLife Der überprüfte Vorabdruck liefert, was die Herausgeber als überzeugenden Beweis bezeichnen, dass Zinkionen die Kalziumschwingungen regulieren, indem sie den Kalziumkanal IP3R1 direkt modulieren.
Die Erkenntnisse könnten als Grundlage für die Entwicklung verbesserter IVF-Behandlungsmethoden für Frauen dienen, die sich einer künstlichen Befruchtung oder nicht-hormonellen Verhütungsmaßnahmen unterziehen.
Bei Säugetieren sind Kalziumschwingungen ein charakteristisches Signal für die Aktivierung und Befruchtung von Eizellen. Sie bestehen aus periodischen Kalziumionenerhöhungen, die das Fortschreiten zur nächsten Stufe der Embryonalentwicklung fördern. Die Produktion des Signalmoleküls IP3, das dann an den zugehörigen Rezeptor IP3R1 auf der Eizelle bindet, führt zur Freisetzung von Kalziumionen aus dem Hauptkalziumreservoir der Eizelle.
Während der Reifung der Eizelle (die Bezeichnung für eine unreife Eizelle) vor der Befruchtung steigt der Zinkionenspiegel in der Eizelle dramatisch an, was auch für die nächsten Schritte der Embryonalentwicklung von entscheidender Bedeutung ist. Nach der Befruchtung und der Einleitung von Kalziumoszillationen werden etwa 10–20 % der Zinkionen in einem als „Zinkfunken“ bekannten Vorgang ausgestoßen – ein Prozess, der sowohl bei Wirbeltieren als auch bei wirbellosen Arten auftritt.
„Die Befruchtung beruht auf Kalziumoszillationen, und Zinkfunken sind ein Ei-Aktivierungsereignis, das nach der Kalziumfreisetzung stattfindet. Dadurch wird eine funktionelle Verbindung zwischen den beiden Ionen hergestellt, die weiter wächst“, erklärt Co-Hauptautorin Emily Lopes, Ph.D. Kandidat in der Abteilung für Veterinär- und Tierwissenschaften und im Graduiertenprogramm für Molekular- und Zellbiologie der University of Massachusetts Amherst.
„Frühere Studien haben die Bedeutung von Zinkionen für den erfolgreichen Abschluss der Befruchtung gezeigt“, sagt Co-Hauptautor Hiroki Akizawa, Postdoktorand am Department of Veterinary and Animal Sciences der University of Massachusetts Amherst. „Es ist jedoch nicht bekannt, ob es zu einer Überlagerung zwischen den Ionen kommt oder ob der Zinkspiegel die Kalziumfreisetzung während der Befruchtung beeinflusst.“
Um dies weiter zu untersuchen, nutzte das Team verschiedene Methoden, um den Zinkspiegel in Mäuseeiern zu erhöhen und zu senken und gleichzeitig die Kalziumschwingungen nach Routineverfahren anzuregen. Anschließend überwachten sie die resultierenden Kalziumschwingungen während der Eiaktivierung mithilfe verschiedener etablierter Methoden zur Kalziummessung.
Das Team entdeckte, dass die Kalziumoszillationen aufhörten, wenn Zink durch die Bindung mit einer Verbindung namens TPEN nicht mehr verfügbar war, ohne dass der Vorrat an Kalziumionen im Reservoir des Eies, die Produktion von IP3 oder die Lebensfähigkeit des Eies selbst verringert wurden. Dies geschah unabhängig von der Verbindung, die zur Stimulierung der Eizellenaktivierung, einschließlich der Befruchtung, verwendet wurde. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein Zinkmangel die Funktion des IP3R1-Rezeptors, des einzigen gemeinsamen Moleküls aller aktivierenden Reize, beeinträchtigte und seine Fähigkeit, die Freisetzung von Kalziumionen zu erleichtern, verringerte.
Das Team stellte fest, dass die Wiederherstellung des Zinkspiegels die Kalziumoszillationen wiederherstellte. Eine zu starke Erhöhung des Zinkspiegels störte jedoch erneut die Kalziumschwingungen und verhinderte die Eiaktivierung. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Zink eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Kalziumspiegels während der Befruchtung spielt und dass eine optimale Zinkmenge erforderlich ist, damit Kalziumschwankungen auftreten.
Das Team festigte diese Erkenntnis weiter, indem es untersuchte, wie Zink den IP3R1-Rezeptor beeinflusst. Sie verwendeten eine Verbindung namens Thapsigargin, um die SERCA-Pumpe des Rezeptors zu hemmen – was die Freisetzung von Kalziumionen erleichtert. Dies führte dazu, dass Kalzium aus dem IP3R1-Rezeptor austrat. Als das Team jedoch TPEN hinzufügte, verlangsamte sich der Kalziumaustritt, was zu einer verzögerten und verminderten Kalziumfreisetzung führte. Dies deutet auch darauf hin, dass Zink aufgrund seiner Rolle bei der Funktion der IP3R1-Rezeptoren für das Auftreten von Kalziumoszillationen notwendig ist.
„Unsere Studie zeigt, dass sich Kalzium- und Zinkionen während der Befruchtung aktiv gegenseitig beeinflussen und dass durch die Befruchtung hervorgerufene Kalziumoszillationen auf der optimierten Funktion der IP3R1-Rezeptoren beruhen, die teilweise durch ideale Zinkionenspiegel hervorgerufen wird“, schließt der leitende Autor Rafael Fissore, Professor in die Abteilung für Veterinär- und Tierwissenschaften der University of Massachusetts Amherst. „Dies ebnet den Weg für zukünftige Studien, um zu untersuchen, ob eine künstliche Veränderung des Zinkspiegels die fruchtbare Lebensdauer von Eizellen verlängern, die Zuverlässigkeit der Eizellenentwicklung verbessern oder als nicht-hormonelle Verhütungsmethode wirken kann.“
Mehr Informationen:
Hiroki Akizawa et al., Zn2+ ist essentiell für Ca2+-Oszillationen in Mäuseeiern, eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.88082.1