Struktur und Funktion

Die Zona pellucida stellt sich bei den meisten Säugetieren als eine im Lichtmikroskop amorphe azelluläre Matrix dar (Übersichten: WASSARMAN und MORTILLO 1991, PRASAD et al. 2000).

Im Elektronenmikroskop zeigt sich die Zona pellucida der meisten Säugetieren als eine aus Fibrillen fadenartig zusammengefügte Struktur, die sich allerdings mit der Entwicklung von der Oozyte bis zum Embryo verändert (WASSARMAN 1988, WASSARMAN u. MORTILLO 1991, RIDDELL et al. 1993, STEYER 1994, VANROOSE et al. 2000).

Die Zona pellucida ist am besten bei der Maus erforscht. Man hat aber in den mei-sten vergleichenden Studien sehr ähnliche Ergebnisse bei anderen Säugetieren er-halten (Übersicht: PRASAD et al. 2000, DENKER 2000, HERRLER et al. 2002). Die Zona besteht aus Glykoproteinen, die in drei verschiedene Proteinfamilien (ZPA bis C) unterteilt werden können (BLEIL et al. 1981, NOGUCHI et al. 1994, BERCEGEAY et al. 1995, RANKIN et al. 1999, GUPTA et al. 2004). Die Proteinstruktur, die Amino-säuresequenzen, das Molekulargewicht und einige weitere Parameter wurden für alle drei Proteinfamilien (ZPA bis C) bei den verschiedenen Säugetieren bereits unter-sucht (Maus: BLEIL et al. 1981, Rind: FLORMAN u. FIRST 1988, TOPPER et al.

1997, YONEZAWA et al. 2001, Übersicht: PRASAD et al. 2000).

Das bisher am besten erforschte Glykoprotein ist das ZP3-Molekül. Seine Hauptauf-gabe ist es, als ein Rezeptor für die speziesspezifische Spermienbindung an der

Zo-na pellucida zu wirken (BURKS et al. 1995, TOPPER et al. 1997). Zudem soll es als Rezeptormolekül an der Auslösung der Akrosomreaktion beteiligt sein (WASSARMAN und MORTILLO 1991, BURKS et al. 1995, TOPPER et al. 1997, HANNA et al. 2004).

Durch Veränderungen des ZP2-Proteins soll der Polyspermieblock ausgelöst wer-den, um eine polysperme Befruchtung zu verhindern. Bei dieser so genannten Zona-Reaktion wird die Zona pellucida ganz oder teilweise modifiziert, so dass Spermien sie nicht mehr penetrieren können (MOLLER und WASSARMAN 1988, WASSARMAN 1988, HINSCH et al. 2003).

Über das größte Glykoprotein (ZP1) wird im internationalen Schrifttum berichtet, dass es als strukturelle Verbindung dient und dass ohne dieses Protein keine einheitliche Struktur der Zona pellucida möglich sei (GREVE et al. 1982, WASSSARMAN 1988, RANKIN et al. 1999, IKEDA et al. 2002). Dies wird mit den von dem ZP-1 ausgebilde-ten Disulfidbrücken, die bei der Maus nachgewiesen wurden, erklärt (HINSCH et al.

1999). Beim Rind (TOPPER et al. 1997, YONEZAWA et al. 2001) wie auch beim Schwein (NOGUCHI et al. 1994) kann zudem von zwei Komponenten der ZP1-Protein-Famlie ausgegangen werden. Eine Beteiligung der ZP1-Protein-Familie an der Spermienbindung an die Zona pellucida wird des weiteren diskutiert (IWAMOTO et al. 1999, RANKIN et al. 1999, SKINNER et al. 1999).

Die Funktionen der Zona pellucida sind ebenso komplex wie vielfältig.

Direkt nach ihrer Entstehung übernimmt sie die Rolle einer zusätzlichen Membran zwischen Follikelzellen und der nicht ovulierten Oozyte, die es verschiedenen Mole-külen nicht mehr erlaubt, zu passieren (WOLGEMUTH et al. 1984, Übersicht:

HERRLER und BEIER 2000).

Nach der Ovulation dient sie als eine natürliche Barriere, die es der Eizelle ermög-licht, das entstandene Mikromilieu aufrecht zu halten (SUDIK et al. 1989). Hierfür spricht auch die Beobachtung von FLEMING et al. (1987). Sie zeigten unter In-vitro- Kultivierungsbedingungen, dass Mäuseembryonen, bei denen die Zona pellucida entfernt wurde, stärker auf suboptimale Medien reagierten und dabei eine verzögerte Entwicklung im Vergleich zu Embryonen mit intakter Zona eintrat.

Die Angaben, in welchem Größenbereich Moleküle die Zona passieren können, sind unterschiedlich und von der Spezies sowie dem Entwicklungsstadium der Oozyte abhängig (VANROOSE et al. 2000). WASSARMAN (1988) beschrieb, dass Enzyme, Glykoproteine und Immunglobuline die murine Zona durchdringen können.

VANROOSE et al. (1998), BIELANSKI et al. (2001) und WALDROP et al. (2004) er-hielten keine Anhaltspunkte für die Übertragung und/oder die Infektion von Embryo-nen mit Viren bei intakter Zona pellucida, obwohl sie eine Anhaftung der Viren nur durch Waschen mit Trypsin aufheben konnten (Übersicht: GUERIN et al. 1997). Die Ergebnisse der elektronenmikroskopischen Untersuchungen von RIDDELL et al.

(1993), STEYER (1994) und VANROOSE et al. (2000) zeigten allerdings, dass die Poren in der bovinen Zona pellucida in ihrer Größe variieren und diese auch vom Entwicklungsstadium der Oozyte/des Embryos abhängig sind. Der Durchmesser ist aber nach ihren Erkenntnissen immer deutlich kleiner als 1 µm.

Wichtig scheint nach derzeitigen Erkenntnissen die Ablagerung verschiedener Pro-teine, die vom Ovidukt oder dem Uterus gebildet werden, im perivitellinen Raum zu sein, nachdem sie die porzine, bovine oder equine Zona pellucida durchdrungen ha-ben. Diese Proteine sollen sowohl die Spermienbindung als auch die Penetration der Spermien beeinflussen (BUHI et al. 2000, DENKER 2000, Übersicht: HERRLER et al. 2000, 2002).

Während der Befruchtung der Eizelle ist die Zona pellucida für die speziesspezifische Spermienbindung, die Akrosomreaktion und den Polyspermieblock mit verantwortlich (TOPPER et al. 1997, HINSCH et al. 2003, SINOWATZ et al. 2003, LINDSAY und HEDRICK 2004)

Eine nicht zu vernachlässigende Funktion der Zona pellucida ist der Schutz der Ei-zelle bis zur Blastozyste während ihrer Wanderung vom Ovar über den Eileiter zur Gebärmutter (CHANGHUN et al. 2002, Übersicht: LETTERIE 1997).

Des weiteren wird der immunologische Schutz der Eizelle und des Embryos vor dem Muttertier beschrieben (PATANKAR et al. 1997, KAEOKET et al. 2002, Übersicht:

DENKER 2000). Allerdings sind aber auch autoimmune Reaktionen der Mutter ge-gen die Zonaproteine bekannt (KAMADA et al. 1992 und PATANKAR et al. 1997).

Die Autoren SUN et al. (1999), PATERSON et al. (2000) und GORMAN et al. (2002) nutzten diese Erkenntnisse und konnten durch eine Immunisierung von Muttertieren gegen die einzelnen Zonaproteine ein Ausbleiben der Befruchtung von Eizellen er-reichen. Allerdings gelang es bis jetzt nur unzureichend, auf diese Weise Schwan-gerschaften/Trächtigkeiten zu verhüten (LOU et al. 1996, Übersicht: DUNKBAR et al.

2001).

Somit bietet die Zona pellucida einen mechanischen Schutz zur Erhaltung des Zell-verbandes, in vitro einen Schutz vor Einflüssen der Kultivierung sowie einen immuno-logischen Schutz von Eizelle/Embryos vor der körpereigenen Abwehr des Muttertie-res.

Zudem scheinen die verschiedenen Proteine der Umgebung aus Eileiter und Uterus die Zona pellucida kontinuierlich für die gerade zu bewältigenden Aufgaben neu zu strukturieren oder sie in ihrer Funktion zu unterstützen (BUHI et al. 2000, O'DAY-BOWMAN et al. 2002).