Русский

Введение

При оплодотворении млекопитающих сперма вызывает серию колебаний кальция в яйцеклетке, которые вызывают активацию яйцеклетки и раннее эмбриональное развитие
[
1
Essential Role of Sperm-Specific PLC-Zeta in Egg Activation and Male Factor Infertility: An Update

A. Saleh, J. Kashir, A. Thanassoulas, B. Safieh-Garabedian, F. Lai, M. Nomikos

Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2020, 8, None

]
. Фосфолипаза C (PLC) ζ — это специфичный для сперматозоидов белок, способный вызывать высвобождение Ca2+ из внутриклеточных хранилищ
[
2
Broad, ectopic expression of the sperm protein PLCZ1 induces parthenogenesis and ovarian tumours in mice

N. Yoshida, M. Amanai, T. Fukui, E. Kajikawa, M. Brahmajosyula, A. Iwahori, Y. Nakano, S. Shoji, J. Diebold, H. Hessel, R. Huss, A. Perry

Development. 2007, 134, 3941-3952

]
. PLCζ — это фермент, который катализирует реакцию гидролиза фосфатидилинозитол-4,5-фосфата (PIP2) на инозитол-3-фосфат (IP3) и диацилглицерол (DAG). Он присутствует в акросоме и цитозоле сперматозоидов, но не оказывает значительного влияния на их метаболизм. Однако после слияния сперматозоидов и яйцеклетки его активность увеличивается, поскольку PLC ζ начинает связывать мембраны яйцеклетки и генерировать IP3
. PLC ζ может также инициировать колебания кальция в ооцитах без сперматозоидов, если его экспрессия в ооците искусственно активирована
[
2
Broad, ectopic expression of the sperm protein PLCZ1 induces parthenogenesis and ovarian tumours in mice

N. Yoshida, M. Amanai, T. Fukui, E. Kajikawa, M. Brahmajosyula, A. Iwahori, Y. Nakano, S. Shoji, J. Diebold, H. Hessel, R. Huss, A. Perry

Development. 2007, 134, 3941-3952

]
. Некоторые яйцеклетки, оплодотворенные PLCζ-нулевой спермой, могут развиваться, хотя и со значительно меньшей эффективностью, и после значительной временной задержки
.
Один из основных вопросов о PLC ζ - причина отсутствия его активности в сперматозоидах и клетках других типов, таких как клетки яичников китайского хомячка (CHO)
[
5
Divergent effect of mammalian PLCζ in generating Ca2+ oscillations in somatic cells compared with eggs

S. Phillips, Y. Yu, A. Rossbach, M. Nomikos, V. Vassilakopoulou, E. Livaniou, B. Cumbes, F. Lai, C. George, K. Swann

Biochemical Journal. 2011, 438, 545-553

]
. Несколько гипотез объясняют причину активности PLCζ исключительно в ооцитах (рис. 1). Одна из них предполагает наличие неизвестного кофактора, активирующего PLC ζ (рис. 1А). Этот кофактор может находится в цитозоле ооцита
. Альтернативное объяснение предполагает, что в сперматозоиде PLC ζ связан с каким-то ингибитором (рис. 1B), и после слияния с ооцитом комплекс с ингибитором растворяется. Эта гипотеза частично противоречит данным
[
5
Divergent effect of mammalian PLCζ in generating Ca2+ oscillations in somatic cells compared with eggs

S. Phillips, Y. Yu, A. Rossbach, M. Nomikos, V. Vassilakopoulou, E. Livaniou, B. Cumbes, F. Lai, C. George, K. Swann

Biochemical Journal. 2011, 438, 545-553

]
, где продемонстрировано, что при экспрессии в клетках яичников китайского хомячка PLCζ не оказывает значительного влияния на концентрацию кальция. Ни одна из этих гипотез не подтверждается прямыми доказательствами.
Альтернативная гипотеза основана на наличии везикул, богатых PIP2, в ооцитах (Fig. 1C, D). Эти везикулы имеют гораздо большее относительное поверхностное пространство, нежели мембрана, и было продемонстрировано, что большая часть PLC ζ связывается с этими везикулами
[
5,
Divergent effect of mammalian PLCζ in generating Ca2+ oscillations in somatic cells compared with eggs

S. Phillips, Y. Yu, A. Rossbach, M. Nomikos, V. Vassilakopoulou, E. Livaniou, B. Cumbes, F. Lai, C. George, K. Swann

Biochemical Journal. 2011, 438, 545-553

]
.
Ранее с помощью компьютерного моделирования было успешно показан механизма инициации кальциевой сигнализации как в сперматозоидах, так и в яйцеклетках
, однако работы по регуляции активности PLC ζ отсутствуют. В этой работе математическое моделирование будет использовано для исследования механизмов регуляции активности PLC ζ в сперматозоидах и яйцеклетках.
Основные гипотезы, объясняющие активность PLC ζ в ооците. (А) Первая гипотеза состоит в том, что PL ζ приобретает способность расщеплять мембранный PIP2 ооцита (〖PIP2〗 _m) и продуцировать IP3 при активации неопределенным активатором присутствующим в ооцитах. (B) Вторая гипотеза: наличие неуточненного ингибитора PLC ζ во всех типах клеток, кроме яиц (C, D). Третья гипотеза предполагает, что ооциты млекопитающих содержат везикулы с более высоким содержанием PIP2 (〖PIP2〗 _v), а PLC ζ направляется на поверхность этих везикул.
Figure 1. Основные гипотезы, объясняющие активность PLC ζ в ооците. (А) Первая гипотеза состоит в том, что PL ζ приобретает способность расщеплять мембранный PIP2 ооцита (〖PIP2〗 _m) и продуцировать IP3 при активации неопределенным активатором присутствующим в ооцитах. (B) Вторая гипотеза: наличие неуточненного ингибитора PLC ζ во всех типах клеток, кроме яиц (C, D). Третья гипотеза предполагает, что ооциты млекопитающих содержат везикулы с более высоким содержанием PIP2 (〖PIP2〗 _v), а PLC ζ направляется на поверхность этих везикул.

Материалы и методы

Построение и интегрирование компьютерной модели

Для изучения активности PLCζ в яйцах млекопитающих была разработана компьютерная модель. Сначала были построены обыкновенные дифференциальные уравнения на основе законов химической кинетики (закона действия масс, кинетики Генри-Михаэлиса-Ментена, уравнения Хилла). Параметры кинетического уравнения были взяты из литературы или оценены на основе имеющихся экспериментальных данных. Окончательная модель состояла из 18 уравнений с двумя неизвестными параметрами. Модель решалась методом LSODA.

Результаты и обсуждение

Математическая модель активности PLCζ

Прежде чем проверять вышеописанные гипотезы была разработана математическая модель активации PLCζ, способная описать существующие экспериментальные данные
. По мнению многих авторов (
), уникальной особенностью PLCζ является его высокая кооперативность для связывания Ca2+, которая осуществляется её четырьмя EF-доменами. Коэффициент Хилла для данного белка варьируется от 3.8 до 4.3 (
[
5,
Divergent effect of mammalian PLCζ in generating Ca2+ oscillations in somatic cells compared with eggs

S. Phillips, Y. Yu, A. Rossbach, M. Nomikos, V. Vassilakopoulou, E. Livaniou, B. Cumbes, F. Lai, C. George, K. Swann

Biochemical Journal. 2011, 438, 545-553

9,
Human PLC  exhibits superior fertilization potency over mouse PLC  in triggering the Ca2+ oscillations required for mammalian oocyte activation

M. Nomikos, M. Theodoridou, K. Elgmati, D. Parthimos, B. Calver, L. Buntwal, G. Nounesis, K. Swann, F. Lai

Molecular Human Reproduction. 2014, 20, 489-498

10,
Recombinant Phospholipase Cζ Has High Ca2+ Sensitivity and Induces Ca2+ Oscillations in Mouse Eggs

Z. Kouchi, K. Fukami, T. Shikano, S. Oda, Y. Nakamura, T. Takenawa, S. Miyazaki

Journal of Biological Chemistry. 2004, 279, 10408-10412

11
Role of Phospholipase C-ζ Domains in Ca2+-dependent Phosphatidylinositol 4,5-Bisphosphate Hydrolysis and Cytoplasmic Ca2+ Oscillations

M. Nomikos, L. Blayney, M. Larman, K. Campbell, A. Rossbach, C. Saunders, K. Swann, F. Lai

Journal of Biological Chemistry. 2005, 280, 31011-31018

]
) по разным источникам. Однако, как показано ниже, такое высокое значение коэффициента Хилла несовместимо с данными, представленными в этих статьях. Поэтому коэффициент Хилла рассчитывался двумя разными методами. Было показано, что его значение, по данным
[
10
Recombinant Phospholipase Cζ Has High Ca2+ Sensitivity and Induces Ca2+ Oscillations in Mouse Eggs

Z. Kouchi, K. Fukami, T. Shikano, S. Oda, Y. Nakamura, T. Takenawa, S. Miyazaki

Journal of Biological Chemistry. 2004, 279, 10408-10412

]
, близко к 1.1.
Была создана простая математическая модель, которая могла предсказать зависимость активности PLCζ от кальция при его физиологически значимых концентрациях \( \left(10^{-8}-10^{-6} M\right) \)). Модель была основана на уравнении Клотца (1) и гипотезе о том, что каждый следующий ион кальция связывается с коэффициентом равновесия, равным предыдущему, умноженным на константу кооперативностиa (2-5) \begin{equation} B=\frac{\left[P L C z_{-} C a\right]+2 *\left[P L C z_{-} 2 C a\right]+3 *\left[P L C z_{-} 3 C a\right]+4 *\left[P L C z_{-} 4 C a\right]}{P L Ctotal} = \\ = \frac{K e q *[C a]+2 * a * K e q^{2} *[C a]^{2}+3 * a^{3} * K e q^{3} *[C a]^{3}+4 * a^{6} * K e q^{4} *[C a]^{4}}{1+K e q *[C a]+a * K e q^{2} *[C a]^{2}+a^{3} * K e q^{3} *[C a]^{3}+a^{6} * K e q^{4} *[C a]^{4}}\tag{1}\end{equation}
 
\begin{equation} K 2=K 1 * a\tag{2}\end{equation} \begin{equation} K 3=K 1 * a^{2}\tag{3}\end{equation} \begin{equation} K 4=K 1 * a^{3}\tag{4}\end{equation} \begin{equation} K r=K 1 / K e q\tag{5}\end{equation}

здесь K1 - константа для связывания первого иона кальция, K2 - для связывания второго иона кальция, K3 - для третьего, K4 - для четвертого, Keq - константа равновесия для первой реакции связывания иона кальция, Kr - константа обратной реакции для каждого шага, a - константа кооперативности, \( \left[P L C z_{-} C a\right] \) - концентрация PLCζ, связанного с одним ионом Ca2+ в установившемся состоянии, \( \left[P L C z_{-} 2 C a\right] \) - концентрация PLCζ, связанного с двумя ионами Ca2+ в установившемся состоянии, \( \left[P L C z_{-} 3 C a\right] \) - с тремя, \( \left[P L C z_{-} 4 C a\right] \) - с четырьмя. \( \text { PLCtotal } \)— это суммарная концентрация всех форм PLCζ. B - параметр в уравнении Клотца, представляющий молярное соотношение общего PLCζ и связанного с ним кальция.
Используя уравнения 2-5, была разработана математическая модель, основанная на законе действия масс. Концентрация кальция в этой модели была фиксированной, а переменные представляют динамику PLCζ, связанного с различным количеством ионов кальция: \begin{equation} \frac{d[P L C z]}{d t}=-K 1 *[\mathrm{Ca}] *[P L C z]+K r *\left[P L C z_{-} \mathrm{Ca}\right]\tag{6}\end{equation}  
 
\begin{equation} \frac{d\left[P L C z_{-} C a\right]}{d t}=K 1 *[C a] *[P L C z]-K r *\left[P L C z_{-} C a\right] - \\ - K 2 *[C a] *\left[P L C z_{-} C a\right] +K r *\left[P L C z_{-} 2 C a\right]\tag{7}\end{equation} 
 
\begin{equation} \frac{d[PLCz_{-} 2Ca]}{dt} = K2 * [Ca] * [PLCz_{-}Ca] - K r * [PLCz_{-}2Ca] - \\ - K3 * [Ca] * [PLCz_{-}2Ca] + K r * [PLCz_{-}3Ca]\tag{8}\end{equation} 
 
\begin{equation} \frac{d[PLCz_{-} 3Ca]}{dt} = K3 * [Ca] * [PLCz_{-}2Ca] - K r * [PLCz_{-}3Ca] - \\ - K4 * [Ca] * [PLCz_{-}3Ca] + K r * [PLCz_{-}4Ca]\tag{9}\end{equation} 
 
\begin{equation} \frac{d[PLCz_{-}4Ca]}{dt} = K4 * [Ca] * [PLCz_{-}3Ca] - K r * [PLCz_{-}4Ca]\tag{10}\end{equation}

здесь K1 - константа для связывания первого иона Ca2+, K2 - для второго, K3 - для третьего, K4 - для четвертого, Keq - константа равновесия для первой реакции связывания иона Ca2+, Kr - константа обратной реакции для каждого шага, a - константа кооперативности, \( [P L C z] \). Концентрация PLCζ, \( \left[P L C z_{-} C a\right] \) — это концентрация PLCζ, связанного с одним ионом Ca2+ в установившемся состоянии, \( \left[P L C z_{-} 2 C a\right] \) - концентрация PLCζ, связанного с двумя ионами Ca2+ в установившемся состоянии, \( \left[P L C z_{-} 3 C a\right] \) - с тремя, \( \left[P L C z_{-} 4 C a\right] \) - с четырьмя.
Исследование стационарного состояния модели приведено на рисунке S1.
% активной PLCζ рассчитывался как: \begin{equation} \frac{0.03 * [PLCz_{-}2Ca] + 0.22 * [PLCz_{-}3Ca] + [PLCz_{-}4Ca]}{PLCtotal} = \% \ of\ activity\tag{11}\end{equation} 
Этот параметр зависит от концентраций форм PLCζ, связанных с двумя, тремя или четырьмя ионами кальция. Коэффициенты для пересчета активности концентраций этих форм взяты из данных о максимальной активности PLCζ с удалением одной или двух EF-рук
[
12
The Role of EF-hand Domains and C2 Domain in Regulation of Enzymatic Activity of Phospholipase Cζ

Z. Kouchi, T. Shikano, Y. Nakamura, H. Shirakawa, K. Fukami, S. Miyazaki

Journal of Biological Chemistry. 2005, 280, 21015-21021

]
. Для PLCζ, связанного с тремя ионами кальция, использовали данные о PLCζ с одной делецией EF-hand (в данном случае активность составляла 22% от активности нативной формы фермента). Для PLCζ, связанного с двумя ионами кальция, использовали данные о PLCζ с двумя делециями EF-hand (в данном случае активность составляла 0,03% от активности нативной формы фермента).
Подбор параметров модели проводился с использованием генетического алгоритма. Экспериментальная активность фермента по отношению к максимуму (% активности) была получена из литературных данных.
Модель предсказала константу равновесия Keq = 8,3 * 108 M-1 и константу кооперативности a = 0.33. Используя эти значения, была построена зависимость активности PLCζ от концентрации кальция (рис. 2А).

Аппроксимация активности PLCζ с помощью уравнения Хилла


В качестве альтернативного подхода к описанию активности PLCζ мы использовали уравнение Хилла. Уравнение Хилла для фермента имеет следующий вид: \begin{equation} \frac{E}{Emax} = \frac{[Ca]^n}{[EC50]^n + [Ca]^n}\tag{12}\end{equation}
E - активность PLCζ, \( \text { Emax } \) - максимальная активность PLCζ, EC50 - концентрация кальция, необходимая для 50% активности, [Ca] - концентрация кальция, n - коэффициент Хилла.
Если мы возьмем коэффициент Хилла из
[
11
Role of Phospholipase C-ζ Domains in Ca2+-dependent Phosphatidylinositol 4,5-Bisphosphate Hydrolysis and Cytoplasmic Ca2+ Oscillations

M. Nomikos, L. Blayney, M. Larman, K. Campbell, A. Rossbach, C. Saunders, K. Swann, F. Lai

Journal of Biological Chemistry. 2005, 280, 31011-31018

]
, (n = 4.3), будет получена кальциевая зависимость, которую можно наблюдать на рис. 2В. Данная зависимость аппроксимирует экспериментальные данные с гораздо большим стандартным отклонением, нежели наша модель, описанная в (6) - (10). То же верно и для коэффициента Хилла, полученного из
[
12
The Role of EF-hand Domains and C2 Domain in Regulation of Enzymatic Activity of Phospholipase Cζ

Z. Kouchi, T. Shikano, Y. Nakamura, H. Shirakawa, K. Fukami, S. Miyazaki

Journal of Biological Chemistry. 2005, 280, 21015-21021

]
(n = 0.9).
Коэффициент Хилла можно оценить по данным о концентрации кальция при различных активностях (ЕС90 и ЕС10 - 90% и 10% от максимальной активности соответственно). \begin{equation} n=\frac{\log 10(81)}{\log 10(E C 90 / E C 10)}\tag{13}\end{equation}
Для активности PLCζ, предсказанной нашей моделью, EC90 составляет \( 2.7 * 10^{-7} M \), а EC10 \( 5.3 * 10^{-9} M \). Используя уравнение (13), мы можем найти, что коэффициент Хилла для PLCζ равен до 1.12.
Аналогично были исследованы данные из
[
11
Role of Phospholipase C-ζ Domains in Ca2+-dependent Phosphatidylinositol 4,5-Bisphosphate Hydrolysis and Cytoplasmic Ca2+ Oscillations

M. Nomikos, L. Blayney, M. Larman, K. Campbell, A. Rossbach, C. Saunders, K. Swann, F. Lai

Journal of Biological Chemistry. 2005, 280, 31011-31018

]
. Для PLCζ EC90 составляет \( 4.3 * 10^{-7} M \), а EC10 - \( 8 * 10^{-9} M \). Используя то же уравнение (13), мы можем найти, что фактический экспериментальный коэффициент Хилла для PLCζ приблизительно равен равно 1.1, что хорошо соответствует предсказаниям нашей модели.
Проверка моделей. (A) Подтверждение нашей модели связывания кальция с экспериментальными данными из [10]. (B) Сравнение уравнения Хилла для n = 4.3 с экспериментальными данными из [10]. (C) Сравнение уравнения Хилла для n = 0.9 с экспериментальными данными из [10]. (D) Сравнение уравнения Хилла для n = 1.1 с экспериментальными данными из [10].
Figure 2. Проверка моделей. (A) Подтверждение нашей модели связывания кальция с экспериментальными данными из [10]. (B) Сравнение уравнения Хилла для n = 4.3 с экспериментальными данными из [10]. (C) Сравнение уравнения Хилла для n = 0.9 с экспериментальными данными из [10]. (D) Сравнение уравнения Хилла для n = 1.1 с экспериментальными данными из [10].

 

Полная модель активности фосфолипазы С в сперматозоидах и яйцеклетках млекопитающих


Была разработана полная модель активности PLCζ в яйцеклетках (рис. 3A) и на мембранах сперматозоидов (рис. 3B). Для сперматозоидов и яйцеклеток использовались два похожих набора реакций. PLCζ могла независимо связывать кальций и доступные плазматические мембраны, но только форма, которая была связана как с мембраной, так и с четырьмя ионами кальция, могла производить IP3. IP3 удалялся из системы с постоянной скоростью. Различия между двумя моделями заключались в следующем: яйцеклетка содержит везикулы, богатые фосфоинозитидами, а сперматозоиды - нет. Все реакции, происходящие на мембране везикул, дублируют реакции, происходящие на плазмалемме. Константы реакции между схемами не различались, за исключением наличия отдельной константы для связывания PLC с везикулами в модели ооцита и константы скорости деградации инозитол-3-фосфата.
С использованием схем, описанных выше, были созданы две модели: модель активности PLCζ в ооците (рис. 3, А) и в сперматозоидах (рис. 3, В). Уравнения моделей описаны в S2. Подробная информация о параметрах моделей представлена в Таблице S1.
Схема полной модели. (A) Реакции в ооците. PLCζ - бескальциевый PLCζ, PLCζ_Ca - PLCζ, связанный с одним ионом кальция, PLCζ_2Ca - PLCζ, связанный с двумя ионами кальция, PLCζ_3Ca - с тремя, PLCζ_4Ca - с четырьмя. PLCζ_m - PLCζ, связанный с клеточной мембраной, PLCζ_ (Ca m) - PLCζ, связанный с клеточной мембраной и одним ионом кальция, PLCζ_ (2Ca m) - PLCζ, связанный с клеточной мембраной и двумя ионами кальция, PLCζ_ (3Ca m) - с клеточной мембраной и тремя ионами кальция, PLCζ_ (4Ca m) - с клеточной мембраной и четырьмя ионами кальция. PIP2 и PIP2_v - фосфатидилинозитол-4,5 - бис-фосфат на мембране клеток и везикул соответственно. DAG и DAG_v - диацилглицерол на клеточной мембране и везикулах соответственно. IP3 - инозитол-3-фосфат. PLCζ_v - PLCζ, связанный с везикулами, PLCζ_ (Ca v) - PLCζ, связанный с везикулами и одним ионом кальция, PLCζ_ (2Ca v) - PLCζ, связанный с везикулами и двумя ионами кальция, PLCζ_ (3Ca v) - с везикулами и тремя ионы кальция, PLCζ_ (4Ca v) - с везикулами и четырьмя ионами кальция. (B) Модель сперматозоидов идентична модели ооцита, за исключением отсутствия везикул.
Figure 3. Схема полной модели. (A) Реакции в ооците. PLCζ - бескальциевый PLCζ, PLCζ_Ca - PLCζ, связанный с одним ионом кальция, PLCζ_2Ca - PLCζ, связанный с двумя ионами кальция, PLCζ_3Ca - с тремя, PLCζ_4Ca - с четырьмя. PLCζ_m - PLCζ, связанный с клеточной мембраной, PLCζ_ (Ca m) - PLCζ, связанный с клеточной мембраной и одним ионом кальция, PLCζ_ (2Ca m) - PLCζ, связанный с клеточной мембраной и двумя ионами кальция, PLCζ_ (3Ca m) - с клеточной мембраной и тремя ионами кальция, PLCζ_ (4Ca m) - с клеточной мембраной и четырьмя ионами кальция. PIP2 и PIP2_v - фосфатидилинозитол-4,5 - бис-фосфат на мембране клеток и везикул соответственно. DAG и DAG_v - диацилглицерол на клеточной мембране и везикулах соответственно. IP3 - инозитол-3-фосфат. PLCζ_v - PLCζ, связанный с везикулами, PLCζ_ (Ca v) - PLCζ, связанный с везикулами и одним ионом кальция, PLCζ_ (2Ca v) - PLCζ, связанный с везикулами и двумя ионами кальция, PLCζ_ (3Ca v) - с везикулами и тремя ионы кальция, PLCζ_ (4Ca v) - с везикулами и четырьмя ионами кальция. (B) Модель сперматозоидов идентична модели ооцита, за исключением отсутствия везикул.
 
Зависимость концентрации IP3 от концентрации PIP2 на различных мембранах показана на рис. 4. В обеих моделях существовало только одно стационарное состояние. Стационарная концентрация IP3 в сперматозоиде составляла приблизительно 50-60 нМ, а в ооците концентрация IP3 составляла около 200 нМ (что выше порога ответа 130 нМ
для рецепторов IP3, присутствующих как в сперматозоидах, так и в ооцитах
). Таким образом, согласно точечной модели, активности одной только PLCζ должно быть достаточно, чтобы инициировать колебания кальция в ооците.

В сперматозоиде конечная концентрация инозитол-3-фосфата, в зависимости от концентрации PIP2, достигает плато задолго до достижения даже половины пороговой концентрации (130 нМ).
Снижение концентрации фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата на поверхности везикул в 10 раз снизит конечную концентрацию инозитол-3-фосфата примерно до 20-30 нМ и исключит возможность кальциевых колебаний в ооците, вызванных исключительно PLCζ (рис. 4B). Это объясняет как отсутствие колебаний при инициации экспрессии PLCζ в соматических клетках
[
2
Broad, ectopic expression of the sperm protein PLCZ1 induces parthenogenesis and ovarian tumours in mice

N. Yoshida, M. Amanai, T. Fukui, E. Kajikawa, M. Brahmajosyula, A. Iwahori, Y. Nakano, S. Shoji, J. Diebold, H. Hessel, R. Huss, A. Perry

Development. 2007, 134, 3941-3952

]
, так и отсутствие колебаний в аналогичных условиях на ранних стадиях созревания ооцитов до образования везикул, богатых фосфатидилинозитол-4,5-бис-фосфатом
[
16
Calcium oscillations in mammalian eggs triggered by a soluble sperm protein

J. Parrington, K. Swann, V. Shevchenko, A. Sesay, F. Lai

Nature. 1996, 379, 364-368

]
.
Результаты полной модели. (A) Зависимость концентрации IP3 от содержания PIP2 в мембране сперматозоидов. (B) Зависимость концентрации IP3 от содержания PIP2 в везикулах ооцитов.
Figure 4. Результаты полной модели. (A) Зависимость концентрации IP3 от содержания PIP2 в мембране сперматозоидов. (B) Зависимость концентрации IP3 от содержания PIP2 в везикулах ооцитов.

Заключение

Здесь мы построили математическую модель активности PLC ζ в яйцеклетках и сперматозоидах млекопитающих и проверили ее на существующих экспериментальных данных. Теоретически было показано, что активность PLCζ в сперматозоидах недостаточна для синтеза IP3 в количествах, достаточных для инициации кальциевых колебаний. Благодаря везикулам в яйцеклетках PLCζ может наработать общую концентрацию IP3, близкую к 200 нМ, что выше граничного значения для инициирования колебаний Са.
Полученные результаты подтверждают гипотезу о том, что фосфоинозитидный состав везикул яйцеклеток является основным фактором эффективности PLC ζ как инициатора кальциевых колебаний. Они исключают возможность кальциевых колебаний в сперматозоиде, что согласуется со всеми имеющимися в настоящее время экспериментальными данными.

Библиографические ссылки статьи:

  1. Essential Role of Sperm-Specific PLC-Zeta in Egg Activation and Male Factor Infertility: An Update

    A. Saleh, J. Kashir, A. Thanassoulas, B. Safieh-Garabedian, F. Lai, M. Nomikos

    Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2020, 8,

  2. Broad, ectopic expression of the sperm protein PLCZ1 induces parthenogenesis and ovarian tumours in mice

    N. Yoshida, M. Amanai, T. Fukui, E. Kajikawa, M. Brahmajosyula, A. Iwahori, Y. Nakano, S. Shoji, J. Diebold, H. Hessel, R. Huss, A. Perry

    Development. 2007, 134, 3941-3952

  3. Phospholipase C zeta and calcium oscillations at fertilisation: The evidence, applications, and further questions

    J. Kashir, M. Nomikos, F. Lai

    Advances in Biological Regulation. 2018, 67, 148-162

  4. PLCζ is the physiological trigger of the Ca2+ oscillations that induce embryogenesis in mammals but offspring can be conceived in its absence.

    Hachem A, Godwin J, Ruas M, Lee HC, Buitrago MF, Ardestani G, et al.

    Development. 2017, ,

  5. Divergent effect of mammalian PLCζ in generating Ca2+ oscillations in somatic cells compared with eggs

    S. Phillips, Y. Yu, A. Rossbach, M. Nomikos, V. Vassilakopoulou, E. Livaniou, B. Cumbes, F. Lai, C. George, K. Swann

    Biochemical Journal. 2011, 438, 545-553

  6. Starting a new life: Sperm PLC-zeta mobilizes the Ca2+ signal that induces egg activation and embryo development

    M. Nomikos, K. Swann, F. Lai

    BioEssays. 2012, 34, 126-134

  7. A single-pool model for intracellular calcium oscillations and waves in the Xenopus laevis oocyte

    A. Atri, J. Amundson, D. Clapham, J. Sneyd

    Biophysical Journal. 1993, 65, 1727-1739

  8. A Model for the Acrosome Reaction in Mammalian Sperm

    J. Simons, L. Fauci

    Bulletin of Mathematical Biology. 2018, 80, 2481-2501

  9. Human PLC  exhibits superior fertilization potency over mouse PLC  in triggering the Ca2+ oscillations required for mammalian oocyte activation

    M. Nomikos, M. Theodoridou, K. Elgmati, D. Parthimos, B. Calver, L. Buntwal, G. Nounesis, K. Swann, F. Lai

    Molecular Human Reproduction. 2014, 20, 489-498

  10. Recombinant Phospholipase Cζ Has High Ca2+ Sensitivity and Induces Ca2+ Oscillations in Mouse Eggs

    Z. Kouchi, K. Fukami, T. Shikano, S. Oda, Y. Nakamura, T. Takenawa, S. Miyazaki

    Journal of Biological Chemistry. 2004, 279, 10408-10412

  11. Role of Phospholipase C-ζ Domains in Ca2+-dependent Phosphatidylinositol 4,5-Bisphosphate Hydrolysis and Cytoplasmic Ca2+ Oscillations

    M. Nomikos, L. Blayney, M. Larman, K. Campbell, A. Rossbach, C. Saunders, K. Swann, F. Lai

    Journal of Biological Chemistry. 2005, 280, 31011-31018

  12. The Role of EF-hand Domains and C2 Domain in Regulation of Enzymatic Activity of Phospholipase Cζ

    Z. Kouchi, T. Shikano, Y. Nakamura, H. Shirakawa, K. Fukami, S. Miyazaki

    Journal of Biological Chemistry. 2005, 280, 21015-21021

  13. A single-pool inositol 1,4,5-trisphosphate-receptor-based model for agonist-stimulated oscillations in Ca2+ concentration.

    G. De Young, J. Keizer

    Proceedings of the National Academy of Sciences. 1992, 89, 9895-9899

  14. Are there inositol 1,4,5-triphosphate (IP3) receptors in human sperm?

    Y. Kuroda, S. Kaneko, Y. Yoshimura, S. Nozawa, K. Mikoshiba

    Life Sciences. 1999, 65, 135-143

  15. Comparison of gating dynamics of different IP3R channels with immune algorithm searching for channel parameter distributions

    X. Cai, X. Li, H. Qi, F. Wei, J. Chen, J. Shuai

    Physical Biology. 2016, 13, 056005

  16. Calcium oscillations in mammalian eggs triggered by a soluble sperm protein

    J. Parrington, K. Swann, V. Shevchenko, A. Sesay, F. Lai

    Nature. 1996, 379, 364-368