Wenn ein Spermium auf eine Eizelle trifft, beginnt einer der faszinierendsten Prozesse der Biologie. Seit Jahren ist bekannt, dass zwei Proteine bei der Befruchtung eine Schlüsselrolle spielen – Izumo1 auf dem Spermium und Juno auf der Eizelle. Doch wie genau diese beiden Moleküle miteinander interagieren, war bislang erstaunlich unklar. Ein kürzlich im Journal 'Nature Communications' erschienenes Paper von Boult et al. (2025) liefert eine spektakuläre neue Perspektive: Die Bindung der beiden Proteine ist mechanisch hochkomplex, extrem belastbar und besitzt Eigenschaften, die man bisher vor allem aus Bakterien oder Muskelproteinen kannte [1].
Der molekulare Handschlag der Befruchtung
Die Bindung von Izumo1 und Juno ist für die Verschmelzung der Gameten absolut unverzichtbar. Ohne diesen Kontakt kann ein Spermium die Eizelle nicht erkennen, nicht binden und somit nicht befruchten. Obwohl die Struktur der Proteine schon länger bekannt war, blieb unklar, wie die Bindung mechanisch funktioniert – besonders unter den realen Kräften, die im weiblichen Körper wirken. Denn Spermien schwimmen nicht sanft. Schon auf ihrem Weg zur Eizelle wirken Kräfte von über 100 pN, was die meisten Proteinbindungen zum Reißen bringen würde.
Das Forschungsteam aus Zürich und Basel zeigte nun erstmals, wie Izumo1 und Juno diesen Kräften standhalten und sie sogar verstärken.
Multi-State-Catch-Bond: Je stärker der Zug, desto stabiler die Bindung
Eine der wichtigsten Entdeckungen ist, dass Izumo1 und Juno einen sogenannten "Catch Bond" bilden. Anders als die meisten Bindungen, die unter Zugkraft schwächer werden ("Slip Bonds"), zeigen Catch Bonds das Gegenteil: Die Bindung wird stärker, je mehr Kraft darauf wirkt.
Die Forscher fanden konkret drei verschiedene mechanische Zustände (P0, P1, P2), zwischen denen die Bindung unter Last wechseln kann. Bei höheren Kräften entstehen stabilere Konformationen, die erst bei extremen Kräften jenseits von 600 pN aufbrechen – Werte, die für eukaryotische Proteine extrem ungewöhnlich sind. Diese dreistufige Mechanik ermöglicht es dem Spermium, auch unter den kräftigen Schlägen der eigenen Geißel stabil an der Eizelle zu haften.
Mittels Single-Molecule-Force-Spektroskopie und Molekulardynamiksimulationen konnte das Forschungsteam zeigen, dass das Izumo1:Juno-Modul sich unter Kraft strukturell reorganisiert. Dabei treten vorher unbekannte Kontaktflächen in Aktion, die neue Atombindungen erzeugen. Es bildet sich ein sekundäres Bindungsinterface, das im Kraftzustand stabilisiert wird und bisher in strukturellen Analysen nicht sichtbar war. Dieses Interface könnte ein neues pharmakologisches Ziel für Verhütungsmittel und Fertilitätstherapien darstellen.
Die Ergebnisse legen nahe, dass Izumo1:Juno unter zwei biologischen Szenarien optimiert wurde:
Erstkontakt eines frei schwimmenden Spermiums
Hier wirken Kräfte um ~40 pN – genau der Bereich, in dem der Catch Bond besonders stabil ist.
Verankerung vor der eigentlichen Fusion
Hier erzeugt die Geißel Querkraftspitzen von 100–130 pN – ein Bereich, in dem die höheren mechanischen Zustände für Robustheit sorgen.
Der Mechanismus unterstützt demnach sowohl erfolgreiche Annäherung als auch die Vorbereitung auf die Membranfusion.
Bestimmte Juno-Mutation kann unfruchtbar machen
Die Forscher untersuchten außerdem eine mit Unfruchtbarkeit assoziierte Mutation: Juno H177Q. Obwohl diese Mutation die Grundbindung von Juno an Izumo1 kaum schwächt, bricht unter mechanischer Belastung ein entscheidender Mechanismus weg. Die Mutante kann den hochstabilen Catch-Bond-Zustand nicht mehr zuverlässig ausbilden. Unter den Kräften, die im Körper auftreten, hält die Bindung dann nicht lange genug, was erklären könnte, warum Frauen mit dieser Mutation ein höheres Risiko für idiopathische Infertilität haben. Damit liefert die Studie eine seltene direkte Verbindung zwischen molekularer Mechanobiologie und echter klinischer Problematik.
Fazit
Die Arbeit von Boult et al. (2025) revolutioniert unser Verständnis der Befruchtung. Die Begegnung von Spermium und Eizelle ist nicht nur biochemisch, sondern auch biomechanisch hochreguliert. Dass Izumo1 und Juno ein derart kraftabhängiges, mehrstufiges Catch-Bond-System bilden, zeigt, wie fein aufeinander abgestimmt und robust die Natur diesen ersten Schritt des Lebens gestaltet hat. Die Entdeckung eines sekundären Kraft-bindenden Interfaces und der Nachweis mechanischer Schwäche bei einer realen Unfruchtbarkeitsmutation eröffnen zudem neue Perspektiven für innovative Verhütungsmethoden bis hin zur Diagnostik und Therapie von Fertilitätsproblemen.
Quellen
[1] Boult, S., Pacak, P., Yang, B. et al. Multi-state catch bond formed in the Izumo1:Juno complex that initiates human fertilization. Nat Commun 16, 7952 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62427-0
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