Wie sich Eizelle und Spermium so stark aneinander festhalten

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Eizelle und Spermium sind bei der Befruchtung unter anderem über zwei
bestimmte Proteine miteinander verbunden.
Diese Verbindung ist speziell, wie Forschende nun zeigten. Denn wenn man
die Verbindung mit Zugkräften belastet, wird sie entgegen der Intuition
nicht schwächer, sondern stärker.
Eine bestimmte Ursache von Unfruchtbarkeit geht einher mit einer
Veränderung in einem dieser Proteine.

Neue Einblicke könnten nun helfen, Diagnostiktests und
Unfruchtbarkeitsbehandlungen zu entwickeln.

Eine Eizelle und ein Spermium müssen sich im Eileiter fest
aneinanderhalten, damit sie verschmelzen können und als Folge davon ein
neues Lebewesen entsteht. Eine zentrale Rolle spielen dabei das Protein
Juno auf der Zellmembran der Eizelle und das Protein Izumo auf dem
Spermium. Forschende der ETH Zürich und der Universität Basel konnten nun
zeigen: Die Verbindung der beiden Proteine ist speziell – und eine der
stärksten, die in der Welt der vielzelligen Lebewesen bisher bekannt ist.

Damit es ein Spermium überhaupt bis zur Zellmembran der Eizelle schafft,
muss es kräftig arbeiten. Angetrieben von seinem Flagellum, dem
rotierenden peitschenähnlichen Fortsatz, kämpft es sich zunächst durch
zwei Schutzschichten, die die Eizelle umgeben.

Hat das Spermium das geschafft und ist es an der Zellmembran der Eizelle
angekommen, geht es darum, sich dort festzuhalten und Zeit zu gewinnen.
Diese wird benötigt, weil die Membranen von Eizelle und Spermium
umorganisiert werden müssen, sodass sie flexibler werden und miteinander
verschmelzen können. Ausserdem müssen für die Fusion wichtige
Membranproteine am richten Ort zusammengebracht werden. Während Minuten
schlägt hinten am Spermium das Flagellum wild umher, und vorne sorgt das
Proteinpaar Juno–Izumo mit seiner starken Verbindung dafür, dass sich das
Spermium nicht wieder von der Eizelle löst.

Fingerhakeln im Nanomassstab

Forschende aus Zürich und Basel haben die beiden Proteine Juno und Izumo
genauer unter die Lupe genommen. Sie taten dies losgelöst von Eizelle und
Spermium: Im Labor spannten sie je ein Juno- und ein Izumo-Protein in ein
Rasterkraftmikroskop und massen so, wie gut sich die beiden aneinander
festhalten können, wenn man an ihnen zieht. Das Messprinzip ist ähnlich,
wie wenn zwei Menschen den Mittelfinger einhakeln und dann ziehen, bis die
Verbindung reisst.

Die Wissenschaftler:innen zeigten auf diese Weise: Juno und Izumo
verhalten sich anders als die Mehrheit der bekannten Proteinpaare, die
nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip eine Verbindung eingehen. Solche
Proteinverbindungen halten grundsätzlich nicht ewig. Und bei den meisten
ist es so, dass sie kürzer halten, je stärker daran gezogen wird.

Bei Juno und Izumo ist es anders. «Unter Zugkräften, wie sie vom Spermium
erzeugt werden können, wird die Bindung nicht etwa weniger stabil, sondern
stabiler», erklärt Viola Vogel, Professorin am Departement für
Gesundheitswissenschaften und Technologie der ETH Zürich. «Die Bindung
hält somit unter Zugkraft sogar länger als ohne Krafteinwirkung.» Die
Forschenden sprechen in diesem Fall auf Englisch von einer Catch Bond –
einer durch Zugkraft verstärkten Verbindung.

Vogel und ihre Mitarbeitenden führten ihre Studie zusammen mit der Gruppe
von Michael Nash durch, Professor am Departement für Biosysteme der ETH
Zürich in Basel und an der Universität Basel.

Eine der stärksten Verbindungen

Durch Modellrechnungen am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum CSCS in
Lugano konnten die Forschenden ausserdem zeigen, wie der Catch-Bond-
Mechanismus der beiden Proteine funktioniert: Wenn die Proteine
auseinandergezogen werden, reissen zwar einige Verbindungen zwischen
Atomen auf dem einen Protein mit Atomen auf dem anderen Protein.
Gleichzeitig drehen sich die beiden Proteine durch das Auseinanderziehen
aber relativ zueinander – das Protein Juno vollzieht eine Vierteldrehung.
Dadurch entstehen neue Atom-Atom-Bindungen. Sie verlängern die Zeit, in
der die beiden Proteine miteinander verbunden bleiben.

Die Messungen der Forschenden zeigten: Unter Zug ist die Verbindung von
Juno und Izumo sogar eine der stärksten, die es im Reich der mehrzelligen
Organismen gibt. Ähnlich starke Verbindungen gibt es zwischen Proteinen in
Muskelfasern, die verhindern, dass die Muskelfasern reissen. Auch andere
Zellen, die im Körper an Oberflächen anhaften müssen, tun dies mit
Proteinen, die Catch Bonds bilden. So etwa Immunzellen, die sich an der
Innenseite von Blutgefässen festhalten, oder bei der Wundheilung
neugebildete Hautzellen, die sich an Fasern der Wundumgebung festhalten.

Bekannte Mutation schwächt die Protein-Verbindung

Schliesslich untersuchten die Forschenden auch die Folgen einer bekannten
genetischen Mutation, von denen weltweit jede 600ste Frau betroffen ist.
Bei diesen Frauen ist sowohl das Juno-Gen als auch das Juno-Protein in
einem Baustein verändert. Die Mutation steht im Verdacht, die
Fruchtbarkeit zu reduzieren.

Die Wissenschaftler:innen untersuchten im Labor und mit
Computersimulationen auch entsprechend veränderte Proteine und konnten
zeigen: Bei Zugkräften, wie sie beim Flagellenschalg des Spermiums
vorkommen, bricht eine Verbindung mit einem veränderten Protein schneller
auf. «Das gibt dem Spermium und der Eizelle nicht ausreichend Zeit, um
ihre Fusion und somit eine Befruchtung einzuleiten», erklärt Vogel.

Da der bisher vermutete Zusammenhang dieser Mutation mit Unfruchtbarkeit
nun über einen Mechanismus erhärtet wurde, könnten als nächstes
entsprechende Gentests entwickelt werden, um diese Unfruchtbarkeits-
Ursache diagnostizieren zu können. Ausserdem könnten die Ergebnisse die
Entwicklung von Therapien begünstigen, um Paaren den Kinderwunsch
erfüllen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Viola Vogel, ETH Zürich, viola.vogel(at)hest.ethz.ch

Originalpublikation:
Boult S, Pacak P, Yang B, Liu H, Vogel V, Nash MA: Force-dependent
reorganization and mechanostability of the Izumo1:Juno complex involved in
human fertilization. Nature Communications 2025, doi:
10.1038/s41467-025-62427-0 [https://doi.org/10.1038/s41467-025-62427-0]