Используя передовые технологии, которые они разработали, исследователи первыми сделали изображения этих молекулярных фейерверков и точно определили происхождение цинковых искр: крошечные богатые цинком упаковки прямо под поверхностью яйца.
Колебания цинка играют центральную роль в регулировании биохимических процессов, которые обеспечивают здоровый переход от яйца к эмбриону, и эта новая беспрецедентная количественная информация должна быть полезна для улучшения методов экстракорпорального оплодотворения.
«Количество цинка, выделяемого яйцом, может быть отличным маркером для определения высококачественного оплодотворенного яйца, чего мы не можем сделать сейчас», — сказала Тереза К. Вудрафф, эксперт по биологии яичников и один из двух авторов исследования. "Если мы сможем определить лучшие яйца, во время лечения бесплодия потребуется переносить меньше эмбрионов.
Наши выводы помогут нам приблизиться к этой цели."
Вудрафф — Томас Дж.
Мемориал Уоткинса, профессор акушерства и гинекологии и директор Научно-исследовательского института женского здоровья Медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета.
Исследование, которое будет опубликовано в декабре.
15 журнала Nature Chemistry, предоставляет первые количественные физические измерения локализации цинка в отдельных клетках млекопитающих.
Исследовательская группа, в которую входят специалисты из США.S.
Усовершенствованный источник фотонов (APS) Министерства энергетики разработал набор из четырех физических методов, чтобы определить, сколько цинка содержится в яйце и где он находится во время оплодотворения и в течение двух часов сразу после. Чувствительные методы визуализации позволили исследователям увидеть и подсчитать отдельные атомы цинка в яйцеклетках и визуализировать искровые волны цинка в трех измерениях.
После изобретения нового жизненно важного флуоресцентного сенсора для отслеживания содержания цинка в живых клетках ученые обнаружили в яйце около 8000 отсеков, каждое из которых содержит около миллиона атомов цинка. Эти пакеты высвобождают свой цинковый груз одновременно в согласованном процессе, сродни высвобождению нейромедиаторов в головном мозге или высвобождению инсулина в поджелудочной железе.
Эти результаты были дополнительно подтверждены химическими методами, которые улавливают клеточные хранилища цинка и позволяют картировать цинк в нанометровом масштабе в специально разработанном электронном микроскопе, разработанном для этого проекта при финансировании W.M. Фонд Кека. Дополнительные эксперименты по визуализации высокоэнергетических рентгеновских лучей на синхротроне APS в Аргоннской национальной лаборатории позволили ученым точно нанести на карту расположение атомов цинка в двух и трех измерениях.
«По сигналу, во время оплодотворения, мы видим, как яйцо выпускает тысячи пакетов, каждая из которых сбрасывает миллион атомов цинка, а затем становится тихо», — сказал Томас В. О’Халлоран, другой автор-корреспондент. "Затем есть еще один всплеск выброса цинка. В каждом яйце есть четыре или пять таких периодических искр.
Приятно видеть, оркестрованный так же, как симфония. Мы знали, что яйцо выделяет цинк в огромных количествах, но понятия не имели, как яйцо это делает."
О’Халлоран — Чарльз Э. и Эмма Х. Моррисон, профессор химии в Вайнбергском колледже искусств и наук и директор Северо-западного института химии жизненных процессов.
Исследование устанавливает, как яйца разделяются и распределяют цинк, чтобы контролировать процессы развития, которые позволяют яйцеклетке стать здоровым эмбрионом. Цинк является частью главного переключателя, который контролирует решение вырасти и превратиться в совершенно новый генетический организм.
Исследования, опубликованные в журнале Nature Chemistry, являются кульминацией шестилетней работы и основаны на предыдущих открытиях, сделанных лабораториями Вудраффа и О’Халлорана с использованием данных из работ, выполненных в Northwestern и APS.
В предыдущих исследованиях яиц мышей эта исследовательская группа обнаружила огромную потребность яйца в цинке для достижения зрелости. Кроме того, исследователи определили, что яйцеклетка теряет 10 миллиардов из 60 миллиардов атомов цинка при оплодотворении в серии из четырех или пяти волн, называемых «цинковыми искрами»."Искры цинка из яйца необходимы для формирования эмбриона в течение двух часов после оплодотворения.
«Яйцо сначала должно накапливать цинк, а затем должно высвободить некоторое количество цинка, чтобы успешно пройти процесс созревания, оплодотворения и начала эмбриогенеза», — сказал О’Халлоран. "Но сколько именно цинка участвует в этом замечательном процессе и где он находится в клетке? Нам нужны были данные, чтобы лучше понять молекулярные механизмы, которые работают, когда яйцо становится новым организмом."
Одним из основных препятствий, с которыми столкнулись О’Халлоран и Вудрафф, было отсутствие чувствительных методов измерения цинка в отдельных ячейках. Чтобы решить эту проблему, они сформировали совместную команду с другими исследователями из Северо-Западного института химии жизненных процессов, чтобы разработать необходимые инструменты.
Ключевыми членами команды были Винаяк П. Дравид, профессор материаловедения и инженерии Абрахама Харриса в Школе инженерии и прикладных наук Маккормика, и Стефан Фогт, физик и руководитель группы микроскопии в Advanced Photon Source.
Дравид и Фогт являются соавторами статьи.
«Нам пришлось разработать множество методов, чтобы убедиться, что мы видим то, что нужно», — сказал О’Халлоран. "Наука — это проверка и повторная проверка идей.
Все наши дополнительные результаты указывают на один и тот же вывод: цинк образуется в пакетах, называемых везикулами, вблизи поверхности клетки."
В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы выяснить, могут ли они соотнести искры цинка с качеством яиц, информация, которая будет иметь ключевое значение для улучшения лечения бесплодия.
Эти новые методы визуализации не только важны для описания цинковой искры, они могут быть применены к другим клеткам, которые, вероятно, используют цинк аналогичным образом, но работа которых остается неуловимой из-за отсутствия чувствительных и специфических инструментов.
Это исследование закладывает основу для понимания того, как потоки цинка могут регулировать события во многих биологических системах за пределами яйца, включая нейротрансмиссию от обогащенных цинком нейронов в головном мозге и высвобождение инсулина в поджелудочной железе.