Учени откриха как сперматозоидите пренасят РНК до ембриона

Сперматозоидите пренасят към бъдещия ембрион не само бащината ДНК, но и молекули РНК, които могат да участват в ранното му развитие.

Учени от Колумбийския университет в САЩ откриха неочакван механизъм, чрез който микроскопични белтъчни влакна в семенната течност помагат на тези молекули да проникнат в сперматозоидите и впоследствие да достигнат до ембриона.

Резултатите са публикувани в престижното научно списание Molecular Cell и разкриват нова функция на структури, известни като амилоидни фибрили. Те са най-познати с участието си в заболявания като Алцхаймер и Паркинсон, но новото изследване показва, че могат да изпълняват и полезни биологични задачи.

Откритието е дело на екип от Института „Цукерман“ към Колумбийския университет, ръководен от структурния биолог Антъни Фицпатрик и изследователя Уилям Малън.

„Това е невероятна биология“, коментира Фицпатрик. По думите му амилоидите обикновено се свързват с невродегенеративни заболявания, но учените все по-често откриват, че подобни структури имат важни функции и в други части на човешкото тяло.

Как белтъчните влакна пренасят РНК?

Изследователите се съсредоточават върху малък фрагмент от ензима простатна кисела фосфатаза (PAP), който се произвежда от простатата и присъства в семенната течност.

Този белтъчен фрагмент има положителен електрически заряд, докато РНК молекулите са отрицателно заредени. Когато се срещнат, те могат да се свържат и да образуват микроскопични структури, които постепенно се организират в амилоидни влакна.

Учените установяват нещо особено любопитно – самата РНК ускорява образуването на влакната, които впоследствие я пренасят.

Така молекулите не просто използват готов транспортен механизъм, а участват в изграждането му.

В проби от човешка семенна течност екипът открива малки РНК молекули, свързани с амилоидни структури. Значителна част от тях представляват фрагменти от транспортна РНК, която обикновено участва в синтеза на белтъци.

За да разберат дали влакната действително проникват в сперматозоидите, изследователите използват усъвършенствана триизмерна електронна микроскопия. Те маркират лабораторно произведените влакна с миниатюрни златни частици, което позволява да проследят движението им.

Изследванията с говежди сперматозоиди показват, че амилоидните влакна могат да преминат през клетъчната мембрана и да навлязат във вътрешността на сперматозоида. Допълнителни експерименти потвърждават способността на човешки и миши сперматозоиди също да приемат тези структури.

„Да видим амилоидните влакна вътре в сперматозоидите беше нещо изключително“, споделя Уилям Малън.

Още по-важното откритие идва при опитите с оплождане.

Учените използват миши сперматозоиди, предварително обработени с амилоидни влакна, натоварени с РНК. След лабораторно оплождане те установяват, че белтъчните фрагменти и пренасяните молекули могат да достигнат до ранните ембриони.

За да проверят дали доставената РНК е функционална, изследователите използват молекули с инструкции за производство на зелен флуоресцентен белтък.

Резултатът е показателен: ембрионите, получени от сперматозоиди, обработени с РНК и амилоидни влакна, произвеждат поне 10 пъти повече от този белтък в сравнение с ембрионите, при които РНК е добавена без влакната.

Това показва, че молекулите могат не само да бъдат транспортирани, но и да запазят способността си да участват в производството на белтъци.

Изследователите откриват още, че белтъкът кластерин може да подпомага освобождаването на РНК от амилоидните структури. Засега обаче не е установено дали същият механизъм действа по идентичен начин вътре в ембриона.

Откритието може да помогне за по-доброто разбиране на епигенетичното наследяване – процесите, чрез които активността на определени гени може да бъде повлияна, без да се променя самата последователност на ДНК.

Предишни изследвания при мишки показват, че някои метаболитни нарушения, включително свързани с инсулиновата резистентност, могат да се предават по бащина линия. Учените предполагат, че РНК молекулите в сперматозоидите може да участват в подобни процеси.

„Ако разберем по-добре как действат нарушенията, свързани с епигенетиката, ще се доближим до възможностите за тяхното предотвратяване или лечение“, обяснява Малън.

Откритието може да намери приложение и в разработването на нови методи за доставяне на РНК в клетките, включително при бъдещи генни терапии и технологии като CRISPR. Амилоидните структури биха могли да се използват като молекулярни носители, но тази възможност все още е на експериментален етап.

Изследователите подчертават, че резултатите не доказват същия ефект при естествено човешко оплождане. Експериментите с ембриони са проведени при мишки с лабораторно създадени влакна и добавена РНК. Не са изследвани човешки ембриони, нито е доказано, че естествено присъстващите амилоидни влакна променят развитието на бъдещото потомство.

Не е известно и какво се случва с тези структури, след като достигнат до ембриона – дали се разграждат, остават в клетките или участват в други процеси.

Въпреки ограниченията новото изследване разкрива непознат досега път за пренос на биологична информация от семенната течност към ембриона и показва, че ролята на сперматозоидите в ранното развитие може да е по-сложна, отколкото се смяташе досега.