Des scientifiques parviennent à simuler le complexe protéique à l'origine de la fécondation

Qui n'a jamais vu au microscope un spermatozoïde pénétrant dans un ovule et le fécondant? Cette étape fondamentale de la procréation se déroule de manière dynamique et apparemment sans problème. Cependant, si l'on examine de plus près les processus qui se déroulent lors de la fécondation au niveau moléculaire, ils deviennent extrêmement complexes et il n'est donc pas surprenant que 15% des couples dans le monde aient du mal à concevoir un enfant. Aucun microscope, aussi moderne soit-il, ne peut éclairer les innombrables interactions entre les protéines impliquées. Par conséquent, le déclenchement exact du processus de fécondation et les événements moléculaires qui se déroulent juste avant la fusion du spermatozoïde et de l'ovule sont restés obscurs - jusqu'à présent.

À l'aide de simulations sur Piz Daint, le superordinateur du Centre national suisse de calcul (CSCS), une équipe de recherche dirigée par Viola Vogel, professeure à l'ETH Zurich, a rendu visible pour la première fois la dynamique de ces processus cruciaux dans la fécondation d'un ovule humain. Selon leur étude, récemment publiée dans la revue Scientific Reports, les simulations des chercheuses et chercheurs ont réussi à révéler d'importants secrets.

Un complexe protéique spécial permet le processus de fusion

On savait auparavant que la première connexion physique spécifique entre les deux cellules germinales est une interaction de deux protéines : la JUNO, qui est située sur la membrane externe de l'ovule femelle, et l'IZUMO1 à la surface du spermatozoïde mâle. «On supposait que la combinaison des deux protéines en un complexe initiait le processus de reconnaissance et d'adhésion entre les cellules germinales, permettant ainsi leur fusion», explique Paulina Pacak, chercheuse postdoctorale dans le groupe de Viola Vogel et première autrice de l'étude. Cependant, sur la base de la structure cristalline, les scientifiques n'avaient pas encore été en mesure de décrire clairement le mécanisme.

L'équipe de recherche de l'ETH Zurich y est finalement parvenue dans ses dernières simulations. Afin de créer un environnement réaliste dans l'expérience in silico, les chercheurs et chercheuses ont dû simuler JUNO et IZUMO1 dans une solution aqueuse. Or, dans l'eau, la protéine se déplace et les interactions avec les molécules d'eau modifient à la fois la façon dont les protéines se lient les unes aux autres et, dans certains cas, la fonction des protéines elles-mêmes. «Cela rend les simulations beaucoup plus complexes, notamment parce que l'eau seule a déjà une structure très complexe», explique Viola Vogel, «mais les simulations fournissent une image plus détaillée de la dynamique des interactions».

Les simulations sur Piz Daint ont duré 200 nanosecondes chacune et ont montré que le complexe JUNO-IZUMO1 est stabilisé par un réseau de plus de 30 contacts de courte durée - les liaisons individuelles ont duré moins de 50 nanosecondes chacune. Selon les scientifiques, une compréhension plus approfondie de la dynamique de ces réseaux, de la formation et de la rupture rapide des liaisons individuelles, offre de nouvelles possibilités pour le développement de contraceptifs, ainsi que pour mieux comprendre les mutations qui affectent la fertilité.

Les ions zinc régulent la force d'adhérence

Après avoir mis en évidence la dynamique de ces réseaux, les chercheuses et chercheurs ont étudié comment ces liaisons protéiques vitales pouvaient être déstabilisées. Les ions zinc (Zn²⁺) jouent un rôle important à cet égard : S'ils sont présents, IZUMO1 se plie en une structure en forme de boomerang comme le montrent les simulations et, par conséquent, IZUMO1 ne peut plus se lier fermement à la protéine JUNO. Selon les scientifiques, cela pourrait expliquer pourquoi l'ovule libère de nombreux ions zinc immédiatement après la fécondation, dans ce que l'on appelle une étincelle de zinc. Cet afflux de zinc est connu pour empêcher d'autres spermatozoïdes de pénétrer dans l'ovule, ce qui entraînerait un développement aberrant.

«Nous ne pouvons découvrir une telle chose qu'à l'aide de simulations. Les conclusions que nous en tirons seraient difficilement réalisables sur la base des structures cristallines statiques des protéines», souligne Viola Vogel. «Le processus hautement dynamique de la fécondation se déroule loin de l'équilibre. Comme les structures de protéines disponibles les montrent intégrées dans le cristal, des ressources telles que celles du CSCS sont essentielles pour capturer et comprendre cette dynamique d'interaction».

Liaison de l'acide folique par IZUMO1

Grâce aux simulations, les scientifiques ont pu élucider un autre mystère : la manière dont les folates naturels et leurs équivalents synthétiques, les acides foliques, se lient à la protéine JUNO. Il est généralement recommandé aux futures mères de prendre des suppléments d'acide folique avant une grossesse planifiée et pendant les trois premiers mois afin de favoriser un développement neuronal sain chez le fœtus. Cependant, des expériences en laboratoire ont montré que la protéine JUNO ne se lie pas au folate en solution aqueuse, bien que JUNO soit elle-même un récepteur de folate. Les simulations de dynamique moléculaire ont maintenant montré que la liaison du folate est possible une fois que IZUMO1 se lie à JUNO. Ce n'est qu'à ce moment-là que le folate peut entrer dans la poche présumée de liaison au folate de JUNO.

Ces nouvelles découvertes ne présentent pas seulement un intérêt fondamental pour la biologie structurale. Elles fournissent également une base détaillée pour le développement d'ingrédients pharmaceutiques actifs. Selon les chercheurs et chercheuses, les mécanismes dynamiques décodés de l'interaction entre les protéines JUNO et IZUMO1 pourraient ouvrir la voie à de nouvelles méthodes de traitement de l'infertilité, au développement de méthodes contraceptives non hormonales à base de médicaments et à l'amélioration de la technologie de la fécondation in vitro.