Нехватка цинка может стать причиной бесплодия

Микроэлементы, такие как железо, медь и цинк, очень важны для жизнедеятельности клетки. Но чтобы досконально выяснить их роль, нужно научиться регистрировать внутриклеточное потребление элементов. Подобная методика помогла ученым из Северо-Западного университета (Northwestern University) в Чикаго установить, что для созревания яйцеклеток, а также для начальной стадии развития эмбриона необходимо усиленное потребление цинка.

Развитие яйцеклеток удобнее всего изучать на лягушачьей икре. Но между этим процессом у амфибий и млекопитающих есть принципиальные различия: у первых яйцеклетки развиваются во внешней среде, а у вторых – внутри организма самки. Поэтому Тереза Вудруф (Teresa Woodruff) и ее коллеги работали на мышиной модели. Они аккуратно извлекли из яичников мыши незрелые яйцеклетки – овоциты, и продолжили их созревание в культуре. Чтобы овоциты стали яйцеклетками, они должны пройти редукционное клеточное деление с уменьшением вдвое количества хромосом – мейоз. Это основной процесс созревания женских половых клеток – овогенеза.

Мейоз занимает 12-14 часов и завершается овуляцией – выходом яйцеклетки из яичника. Точнее, выходит еще не зрелая яйцеклетка, а овоцит 2-го порядка. Завершается мейоз в маточной трубе и только в том случае, если яйцеклетка оплодотворяется.

В яйцеклетках пересчитали атомы

Чтобы определить содержание металлов в мышиных овоцитах, ученые применили синхротронную рентгеновскую флуоресцентную микроскопию. Этим методом они вычисляли количество атомов элементов -- железа, меди и цинка -- в одной клетке по мере ее созревания.

Количество цинка в ооцитах более чем в восемь раз превышало количество железа и меди. Перед началом мейоза в клетке содержалось примерно 4х10¹⁰ атомов цинка, в течение мейоза она поглощала еще 2х10¹⁰ атомов, и примерно половину из этого теряла с началом развития эмбриона. Для сравнения, количество атомов железа и меди не превышало 0,5х10¹⁰ и практически не менялось в течение развития яйцеклетки. Это показывает исключительную важность цинка при переходе от яйцеклетки к эмбриону.

Ученые устроили овоцитам дефицит цинка. Для этого они ввели в культуру клеток вещество, которое образует хелатные связи с тяжелыми металлами. И стали наблюдать за клеточным делением.

Без цинка не делится…

Оказалось, что у цинк-дефицитных овоцитов нарушается характерная для овогенеза асимметричность деления. В ходе каждого нормального (I и II) мейотического деления нормальная клетка делится неравномерно: образуется полноценный овоцит и недоразвитая клетка, называемая редукционным тельцем, которая в дальнейшем рассасывается. У цинк-дефицитных овоцитов асимметричное деление сохранялось только в трети случаев, причем редукционное тельце увеличилось в размере.

Кроме того, мейоз при недостатке цинка останавливался на телофазе I (последняя стадия первого деления) и не переходил к метафазе II (второе деление). Хромосомы в клетках находились на полюсах, но в неконденсированном состоянии (не плотно упакованные, как им полагается при делении), а форма веретена деления нарушалась. В таком состоянии клетки застывали. Изменения оказались обратимыми: добавка цинка в среду снова запустила нормальное деление клеток.

...и не развивается

Биологи попробовали оплодотворить недоразвитые цинк-дефицитные овоциты сперматозоидами мыши. Как ни странно, оплодотворение состоялось. Но ничего хорошего из этого все равно не вышло.

Контрольные яйцеклетки в течение 24 часов претерпели первое деление и дали начало двуклеточным эмбрионам. А цинк-дефицитные остались одноклеточными. Через двое суток нормальные эмбрионы состояли уже из четырех клеток, но только некоторые из цинк-дефицитных приступили к первому делению. Через 120 часов нормальные эмбрионы образовали бластоцисту (двуслойную сферу), но ни один из цинк-дефицитных не дошел до этой стадии.

Биологи считают, что полученные ими результаты помогут разобраться в некоторых случаях бесплодия. Знание условий для нормального развития яйцеклетки необходимо и для того, чтобы при необходимости проводить его «в пробирке». Например, в случае раковой опухоли репродуктивных органов у пациентки можно взять у нее незрелые клетки и правильно дорастить их до нужного состояния.

Статья о роли цинка в развитии яйцеклеток и эмбриона опубликована в журнале Nature Chemical Biology.