Schwerpunkt: „Reproduktionsmedizin“ - Tierärztliche Hochschule ...

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Institut für Reproduktionsmedizin der TiHo
Institut für Tierzucht der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft Mariensee (FAL)
Zentrum für Frauenheilkunde und Zentrum für Anatomie der Georg-August-Universität Göttingen
Edda Töpfer-Petersen, Detlef Rath, Hans-Wilhelm Michelmann, Dorothee von Witzendorff, Mahnaz Ekhlasi-Hundrieser,
Peter Schwartz, Erik Piehler, Silja Ebeling, Christiane Hettel, Birgit Sieg, Petra Westermann
Die Zona pellucida: Schutz- und Kommunikationsorgan
der Eizelle
Zusammenfassung
Die Zona pellucida (ZP) der Eizelle spielt für die Regulierung der
Befruchtung eine wesentliche Rolle. Voraussetzung für eine erfolgreiche
Befruchtung ist die Kohlenhydrat-vermittelte Erkennung
beider Gameten, die an dieser extrazellulären Matrix abläuft. Die
Untersuchung der beteiligten Kohlenhydrat-Rezeptorsysteme ist
daher schon lange ein Anliegen der Reproduktionsbiologie. In
einem gemeinsamen Projekt werden die Glykane der porzinen
ZP mittels moderner massenspektrometrischer Methoden (glycomics)
identifiziert, Veränderungen ihrer Struktur sowie die globalen
Veränderungen der dreidimensionalen Architektur der ZP
während der Oozytenreifung in Relation zu ihrer Funktionalität
untersucht. Die Kenntnis der Vorgänge, die bei der Reifung der
Zona pellucida ablaufen, sind von besonderem Interesse für die
Optimierung der In-vitro-Produktion von Schweineembryonen.
Die Befruchtungskaskade
Die Säugetiereizelle ist von einer hochorganisierten, dreidimensionalen
Matrix umgeben, die als Zona pellucida bezeichnet wird. Die
Zona pellucida schützt die wachsende Eizelle und den jungen –
noch nicht implantierten – Embryo vor mechanischen und anderen
äußeren Einflüssen und vermittelt, wie eine Mailbox, den Kontakt
zwischen Embryo und der mütterlichen Umgebung. Darüber hinaus
erkennt das befruchtungskompetente Spermatozoon über die Zona
pellucida seine Eizelle und nimmt den ersten Kontakt zu ihr auf. Im
Gegenzug dazu steuert die Zona pellucida die Funktion des Spermatozoons,
sodass es diese äußere Eihülle durchdringen und
schließlich die Eizelle befruchten kann.
Die Folge dieser verschiedenen Schritte der Befruchtungkaskade
sind in Abbildung 1 dargestellt. Zunächst müssen die Spermatozoen,
die nach der Insemination in den Eileiter gelangt sind, in einen
aktiven befruchtungsfähigen Zustand versetzt werden – eine
Sequenz äußerst komplizierter endogener Vorgänge, die unter dem
Begriff Kapazitation zusammengefasst werden. Das kapazitierte
Spermatozoon ist nun in der Lage, der ovulierten Eizelle zum Ort
der Befruchtung (der Übergang von Isthmus zur Ampulle des Eileiters)
entgegen zu schwimmen, die Eizelle an der Zona pellucida zu
erkennen und an diese zu binden. Bei dem gebundenen Spermatozoon
induziert die Zona pellucida nun über Signaltransduktionskaskaden
den massiven Influx von Kalziumionen in die Zelle; dieser
löst dann die so genannte Akrosomreaktion, die Exozytose des
Akrosoms, aus. Durch die Akrosomreaktion wird der enzymatische
Inhalt des Akrosoms, das einen Teil des Spermatozoonkopfes
umgibt (Abb. 1), ausgeschüttet, und trypsinähnliche Proteinasen,
wie beispielsweise das akrosomale Akrosin, hydrolisieren sehr lokal
Summary
The oocyte zona pellucida plays an essential role in the regulation
of fertilization. The carbohydrate-mediated recognition of
both gametes is a crucial step of the fertilization cascade and has
been one of the main topics of reproductive biology in the past
decade. The current project focus on the characterization of the
glycans of the porcine zona pellucida (glycomics), their structural
changes, as well as the global changes in the three-dimensional
architecture of the ZP during oocyte maturation in relation to zona
pellucida function. Knowledge of the maturation process of the
zona pellucida is of interest for optimizing the in-vitro production
of porcine embryos.
die Zona pellucida. Den sich bildenden Schlitz kann das Spermatozoon
nun mit Hilfe seiner eigenen Beweglichkeit durchdringen und
gelangt in den perivitellinen Raum. Das ist der Raum zwischen Zona
pellucida und der eigentlichen Eizelle. Es dockt im nächsten Schritt
an die Plasmamembran der Eizelle an, fusioniert mit dieser und
wird in das Zytoplasma der Eizelle gezogen, wobei der Kern des
Spermatozoons zu dekondensieren beginnt und den männlichen
Vorkern bildet. Bei der Fusion werden neben der Aktivierung der
Kernreifung und des embryonalen Entwicklungssystems auch
Mechanismen eingeleitet, die zum so genannten Polyspermieblock
führen. Dieser soll verhindern, dass mehr als ein Spermatozoon in
die Eizelle eindringen kann. Bei der reifen, befruchtungsfähigen
Eizelle sind unterhalb der Plasmamembran kleine Organellen – die
Abb. 1: Die Befruchtungskaskade. Das kapazitierte Spermatozoon (Akrosom:
rot) bindet an die Zona pellucida (grün). Die Akrosomreaktion wird ausgelöst und
das akrosom-reagierte Spermatozoon penetriert die Zona pellucida. Durch die
Fusion mit der Eizelle kommt es zur Exozytose der kortikalen Granulae (grau);
durch deren Inhalt die Zona Reaktion eingeleitet wird.