Lorsqu’un spermatozoïde a atteint un ovule pour le féconder, les deux doivent se tenir fermement l’un à l’autre. Cela se fait par le biais d’une liaison protéique qui compte parmi les plus fortes de la biologie - et qui est en outre unique.
Un ovule et un spermatozoïde doivent se tenir fermement l’un à l’autre dans la trompe de Fallope pour pouvoir fusionner et donner naissance à un nouvel être vivant. La protéine Juno sur la membrane cellulaire de l’ovule et la protéine Izumo sur le spermatozoïde jouent un rôle central dans ce processus. Des chercheurs de l’EPF de Zurich et de l’Université de Bâle ont pu montrer que la protéine Juno est un élément essentiel de la cellule : La combinaison des deux protéines est particulière - et l’une des plus fortes connues à ce jour dans le monde des êtres vivants multicellulaires.
Pour qu’un spermatozoïde parvienne jusqu’à la membrane cellulaire de l’ovule, il doit travailler dur. Poussé par son flagelle, l’appendice rotatif ressemblant à un fouet, il se fraie d’abord un chemin à travers les deux couches protectrices qui entourent l’ovule.
Une fois que le spermatozoïde y est parvenu et qu’il a atteint la membrane cellulaire de l’ovule, il s’agit de s’y accrocher et de gagner du temps. Ce temps est nécessaire car les membranes de l’ovule et du spermatozoïde doivent être réorganisées afin de devenir plus flexibles et de pouvoir fusionner. De plus, les protéines membranaires importantes pour la fusion doivent être réunies au bon endroit. Pendant des minutes, le flagelle à l’arrière du spermatozoïde s’agite frénétiquement, tandis qu’à l’avant, la paire de protéines Juno-Izumo veille, grâce à sa forte liaison, à ce que le spermatozoïde ne se détache pas de l’ovule.
Un crochetage des doigts à l’échelle nanométrique
Les chercheurs de Zurich et de Bâle ont examiné de plus près les deux protéines Juno et Izumo. Ils l’ont fait indépendamment de l’ovule et du spermatozoïde : en laboratoire, ils ont placé une protéine Juno et une protéine Izumo dans un microscope à force atomique et ont ainsi mesuré la capacité des deux protéines à s’accrocher l’une à l’autre lorsqu’on les tire. Le principe de mesure est similaire à celui de deux personnes qui s’accrochent le majeur et tirent jusqu’à ce que le lien se rompe.
Les scientifiques ont ainsi pu démontrer : Juno et Izumo se comportent différemment de la majorité des paires de protéines connues qui se lient selon le principe de la clé et de la serrure. De telles liaisons protéiques ne sont en principe pas éternelles. Et pour la plupart d’entre elles, plus on tire dessus, moins elles durent longtemps.
Pour Juno et Izumo, c’est différent. "Sous l’effet de forces de traction telles que celles générées par le spermatozoïde, la liaison ne devient pas moins stable, mais plus stable", explique Viola Vogel, professeure au département des sciences et technologies de la santé de l’ETH Zurich. "La liaison tient donc même plus longtemps sous l’effet de la traction que sans l’effet de la force" En anglais, les chercheurs parlent dans ce cas d’un catch bond - un lien renforcé par une force de traction.
Vogel et ses collaborateurs ont mené leur étude en collaboration avec le groupe de Michael Nash, professeur au Département des biosystèmes de l’ETH Zurich à Bâle et à l’Université de Bâle.
L’un des liens les plus forts
Grâce à des calculs de modélisation effectués au Centre national de calcul scientifique CSCS de Lugano, les chercheurs ont en outre pu montrer comment fonctionne le mécanisme de catch-bond des deux protéines : Lorsque les protéines sont séparées, certaines liaisons entre les atomes d’une protéine et les atomes de l’autre protéine se rompent. Mais en même temps, les deux protéines se tournent l’une par rapport à l’autre en se séparant - la protéine Juno effectue un quart de tour. De nouvelles liaisons atome-atome se forment ainsi. Elles prolongent le temps pendant lequel les deux protéines restent liées.
Les mesures effectuées par les chercheurs ont montré que sous l’effet de la traction, la liaison entre Juno et Izumo est même l’une des plus fortes qui existent dans le royaume des organismes multicellulaires. Il existe des liens tout aussi forts entre les protéines des fibres musculaires, qui empêchent ces dernières de se déchirer. D’autres cellules qui doivent adhérer à des surfaces dans le corps le font également avec des protéines qui forment des catch bonds. C’est le cas des cellules immunitaires qui s’accrochent à l’intérieur des vaisseaux sanguins ou des cellules de la peau nouvellement formées lors de la cicatrisation qui s’accrochent aux fibres de l’environnement de la plaie.
Une mutation connue affaiblit la liaison protéique
Enfin, les chercheurs ont également étudié les conséquences d’une mutation génétique connue, qui touche une femme sur 600 dans le monde. Chez ces femmes, un élément constitutif du gène Juno ainsi que de la protéine Juno est modifié. La mutation est soupçonnée de réduire la fertilité.
Les scientifiques ont également examiné en laboratoire et à l’aide de simulations par ordinateur les protéines modifiées en conséquence et ont pu démontrer qu’il s’agissait d’une mutation : En cas de force de traction, comme c’est le cas lors du flagelle du spermatozoïde, une liaison avec une protéine modifiée se rompt plus rapidement. "Cela ne laisse pas suffisamment de temps au spermatozoïde et à l’ovule pour amorcer leur fusion et donc une fécondation", explique Vogel.
Le lien supposé jusqu’ici entre cette mutation et l’infertilité étant désormais confirmé par un mécanisme, la prochaine étape pourrait être le développement de tests génétiques appropriés pour pouvoir diagnostiquer cette cause d’infertilité. En outre, ces résultats pourraient favoriser le développement de thérapies permettant aux couples de réaliser leur désir d’enfant.
Références bibliographiques
Boult S, Pacak P, Yang B, Liu H, Vogel V, Nash MA : Force-dependent reorganization and mechanostability of the Izumo1:Juno complex involved in human fertilization. Nature Communications 2025, doi : 10.1038/s41467-025-62427-0
