Уроки сперматозоида

Теперь я вам объясню что. Благодаря этому кончику – и только ему – сперматозоид получает способность «сваривать» свою оболочку (мембрану) с оболочкой яйцеклетки. А это «сваривание» ему необходимо, чтобы та (отцовская) ДНК, которая хранится в его головке, проникла внутрь яйцеклетки, спаровалась там с материнской ДНК, создала таким образом геном будущего потомка и дала начало его развитию. И на этой (последней) стадии своей недолгой жизни сперматозоид обнаруживает еще один аспект, еще одну свою сторону, которая объединяет его «сваривание» (фьюжн) и проникновение в клетку (эндоцитоз) с аналогичными явлениями, которые обнаруживаются у всех видов клеток и во всех видах клеток. Знаете ли вы, сколько десятков книг, сколько сотен и тысяч статей посвящены этим двум явлениям в самых разных разделах биологии? И знаете ли вы, сколько сотен разных вариантов этого сваривания и эндоцитоза с участием разных белков и прочих молекул существует в природе? Нет, лучше вам этого не знать, не то вас постигнет судьба героев Хойла.

Я ограничусь лишь крохотной цитатой из одной такой (обзорной) книги, поскольку она (цитата) имеет прямое отношение к тому, о чем я собираюсь рассказать. Авторы Мартенс и Мак-Магон пишут: «Несмотря на важность сваривания сперматозоида с яйцеклеткой, удивительно мало известно до сих пор, какие белки посредничают в этом процессе. Самыми вероятными кандидатами являются CD9 на поверхности яйцеклетки и IZUMO, часть которого выходит на поверхность кончика сперматозоидной головки. Любопытно, что CD9 локализован на микроворсинках на поверхности яйцеклетки, то есть в районах предельной кривизны клеточной мембраны, которые в силу этой кривизны являются в высшей степени вероятными кандидатами на места сваривания мембран».

Я думаю, вы вздрогнули, почуяв, какие глубины кроются под этой «поверхностью кончика сперматозоидной головки»? Не впадайте в панику. Я не буду увлекать вас в эти глубины. Мне хотелось привести эту цитату по той простой причине, что открытие, о котором я хочу рассказать, как раз связано с вопросом о том, какие еще белки могут способствовать свариванию сперматозоида с яйцеклеткой. Достаточно прочесть его краткое изложение: «Доктор Александр Травис и его коллеги из Корнелльского ветеринарного института (США) сообщили в феврале 2014 года в журнале Developmental Cell, что при сближении сперматозоида и яйцеклетки белок GM1 на мембране сперматозоида открывает специфический кальциевый канал на кончике головки сперматозоида, пропуская внутрь нее небольшое количество ионов кальция. Исследователи обнаружили, что этот небольшой приток кальция необходим для того, чтобы из головки выделились те белки-ферменты, которые помогут ей свариться с мембраной яйцеклетки. Это выделение ферментов, именуемое «акросомным экзоцитозом», является необходимым предварительным условием оплодотворения».

Извините, кое-что все-таки придется объяснить.

Если вы представите себе клетку, увеличенную, скажем, в миллион раз (ее диаметр при этом станет около метра), то, вглядываясь сквозь ее мембрану, легко сможете разглядеть в ней целый ряд отдельных участков, окруженных собственными мембранами. Это, во-первых, клеточное ядро, где спрятан геном клетки, вокруг него – некое складчатое образование, частично охватывающее ядра. В этих складках, как вы разглядите, находятся «станки» (рибосомы), на которых производится сборка необходимых клетке белков (все белки в клетке, отработав некоторое время, отправляются в мусор, поэтому их необходимо производить снова и снова). Рядом вы увидите еще одно складчатое образование, поменьше, здесь некоторые белки проходят «доводку». Там и сям в клетке разбросаны небольшие «мусорные корзины» (лизосомы) для отработанных белков и других отходов. А между всем этим видны продолговатые цилиндры «энергетических фабрик» клетки – митохондрий. И все вышеперечисленное охвачено своими мембранами.

Проследим за каким-нибудь белком, который только что сошел со «станка». Этому белку уготован дальнейший путь внутрь клетки, на положенную работу или обработку. Но он не выходит из складок просто так. Чтобы выйти из складок, он должен пройти через их мембрану. Он давит на нее. Она вспучивается в этом месте, и белок протискивается в эту выпуклость. Он давит дальше, пока кусок мембраны не оторвется под его напором. Поскольку мембрана жировая и избегает воды, этот кусочек тут же замыкается сам на себя, проще говоря - свертывается в сферическую мембрану, образуя крохотный пузырек, (везикулу), внутри которой оказался теперь наш белок. В таких везикулах в клетке перевозятся, хранятся про запас или отправляются в мусор все белки. Проследим за одной из них, груз которой предназначен для «доводки». Она движется по волокну, которое тянется от одного складчатого образования до другого, и приближается к его мембране. Теперь белок должен войти внутрь. Для этого мембрана везикулы должна плотно прильнуть в каком-то месте к мембране второго складчатого образования, затем в этом месте в обеих мембранах должно образоваться отверстие, и тогда наш белок проскользнет сквозь него внутрь. А мембрана везикулы просто сольется с мембраной второго складчатого образования.

На наших глазах произошел внутренний эндоцитоз – передача материала из одной рабочей части клетки в другую. Точно так же переносится в «мусорные ящики» - лизосомы материал, предназначенный для уничтожения. Точно так же клетка посылает строительный материал к своей внешней мембране для починки случайно образовавшихся там повреждений. И всюду этот эндоцитоз включает в себя этап сварки каких-то мембран. Но дело этим не исчерпывается, потому что в клетке непрерывно идет еще и противоположный процесс – экзоцитоз, когда она отправляет наружу какой-то изготовленный ею материал – например, белки, гормоны, или нейротрансмиттеры. Все это посылается в везикулах, и все эти везикулы должны сплавить свои мембраны с внешней клеточной мембраной, чтобы в ней образовалось отверстие, через которое груз везикулы выйдет наружу. А снаружи в клетку в то же время поступает материал, необходимый ей для жизни: например, блоки будущих белков аминокислоты, которые приходят из переваренной желудком пищи. Они тоже в процессе прохождения через клеточную мембрану внутрь клетки обволакиваются везикулой, которая потом доставляет их в нужное место внутри клетки. Это уже, как вы понимаете, внешний эндоцитоз.

И вот тут-то мы возвращаемся к нашему сперматозоиду, потому что по отношению к яйцеклетке его ДНК – это тот материал, который должен быть доставлен внутрь нее и может быть доставлен только с помощью такого вот внешнего эндоцитоза. В сущности, головка сперматозоида, несущая в себе эту ДНК, - она и есть везикула, которой нужно теперь приварить свою мембрану к мембране яйцеклетки. А выброс этой ДНК внутрь яйцеклетки будет (с точки зрения сперматозоида) типичным примером экзоцитоза. Специфичен тут лишь конкретный механизм сваривания мембран. Оказывается, головка сперматозоида окружена спереди слоем белков, функция которых состоит как раз в том, чтобы разрыхлить мембрану яйцеклетки, облегчив сваривание и образование того отверстия, через которое отцовская ДНК проскользнет внутрь яйцеклетки. Этот слой называется акрозомой. Под ним скрыто ядро сперматозоида, где находится отцовский набор ДНК, а за ядром следует множество митохондрий, вырабатывающих энергию для биений хвостового жгутика, благодаря которым сперматозоид движется навстречу яйцеклетке.

Как только специальные белки на мембране яйцеклетки распознают соответствующие белки на поверхности акрозомы, они соединяются с ними и начинается сваривание мембран. (Заметим, однако, что если это будет сперматозоид какого-то другого млекопитающего, сваривание не произойдет и оплодотворение не случится. Кстати, все другие реакции эндоцитоза и экзоцитоза тоже предназначены для предотвращения такой опасности проникновения чего-то чужого. А вирусы проникают в клетку только потому, что их поверхностные белки успешно выдают себя за «своих».) Это сваривание начинается с того, что после сцепления с мембраной яйцеклетки белки акрозомы высвобождаются и приобретают такую форму, что могут, точно клинья, входить в жировую мембрану яйцеклетки, сваривая ее с мембраной сперматозоида, а потом проделывая в ней отверстие для прохождения своей ДНК. Почему так происходит – вот вопрос, над которым бьются многие исследователи. И вот теперь (возвращаюсь к началу) Травис и его коллеги на основе своего исследования предложили возможный ответ на него.

Травис и его руководительница Буттке уже в 2010 году занялись изучением роли белка GM1 в кончике головки сперматозоида - акрозоме. Этот белок встречается и в других клетках, и везде он встречается там, где происходит экзоцитоз (например, в нейронах, когда они выбрасывают везикулы с нейротрансмиттерами). Они выяснили, что, как и в других клетках, этот белок открывает путь в клетку - в данном случае в акрозому сперматозоида - ионам кальция, после чего и происходит высвобождение белков акрозомы. Теперь в работе 2014 года эти же ученые нашли тонкую, но важную деталь. Оказалось, что выполнение белком GM1 своей функции возможно только при условии его точного расположения в определенном месте кончика сперматозоидной головки – рядом с двумя белками, образующими кальциевый канал. Важность этой детали состоит в том, что если GM1 по каким-то причинам чуть сдвинут, кальциевый канал не откроется, белки акрозомы не освободятся, сваривание не произойдет и оплодотворение не случится. Так что неправильное расположение GM1 может быть причиной мужского бесплодия. Как видите, даже самое, казалось бы, эзотерическое научное исследование в конце концов может привести к важному практическому результату.

Окинем усталым взглядом все вышесказанное. Крохотный сперматозоид преподал нам несколько уроков. Прежде всего он показал нам, какие головокружительные сложности таит в себе любая из тысяч разного типа клеток нашего тела. Он показал нам далее, какова еще более головокружительная сложность процессов, происходящих в любой живой клетке. Снимем же уважительно шляпу перед этой нашей сложностью, которую природа пестовала почти три миллиарда лет подряд, и постараемся почаще о ней вспоминать.

Михаил Вартбург
"Окна", 10 апреля 2014