Axoném

Růst axonému

Axoném se vyvíjí z jednoho z páru centriol, které zpočátku leží v blízkosti Golgiho oblasti kulaté spermie. Růst axonému začíná v kulaté spermatidě dříve, než dojde k cytoplazmatické reorganizaci, která přivede akrozom do kontaktu s buněčnou membránou spermatidy. Vznikající axoném se díky cytoplazmatické reorganizaci, která probíhá na pólu spermie, uloží na opačném pólu jádra než akrozom prostřednictvím složitého „kloubu“. Tato struktura se nazývá spojovací část a připomíná dutý kužel, jehož základna se skloubí s kaudálním pólem jádra. Strany kužele se skládají z devíti příčně pruhovaných sloupců navazujících na devět ODF, cytoskeletálních prvků ocasu. V jádře krčku zbytek distálního centriolu ukotvuje ocásek k hlavičce spermie a dává také vzniknout axiálnímu vláknu neboli axonému ocásku (9 + 2 uspořádání mikrotubulů). Doprovodná proximální centriola, která zůstává neporušená, je rovněž uložena v kuželu a její osa leží v úhlu 90 stupňů k axonému (viz obr. 136-10 a 136-11).

Jádro axonému sestávající ze dvou centrálních jednoduchých mikrotubulů a devíti periferních dvojitých mikrotubulů je zachováno u řasinek a bičíků od řas po člověka. Byly definovány geny kódující klíčové složky nezbytné pro pohyblivost a mutace v těchto genech představují jednoznačný genetický základ neplodnosti a respirační dysfunkce známé jako ciliární dyskineze.161,164 Jiné mohou být příčinou menší, ale významné významné příčiny mužské neplodnosti.165

Byly identifikovány některé geny a jimi kódované proteiny, které tvoří krček, ODF a FS.166,167-169 Přesná funkce ODF je nejasná, ale jejich elastické vlastnosti a pevnost v tahu mohou být nedílnou součástí normální pohyblivosti bičíků. Exprese genů kódujících některé z těchto proteinů se objevuje v časných kulatých spermatidách a dosahuje maximální úrovně během akrozomální fáze. Zdá se, že některé proteiny ODF jsou uloženy v granulovaných tělískách v cytoplazmě spermatid před jejich sestavením v proximálním až distálním směru podél axonemu.166,167 V lidské spermatogenezi se tyto proteiny zřejmě vážou na mikrotubulární kostru, která tvoří předlohu pro žebrovitou složku hlavního dílu.135 Studie imunogoldového značení s protilátkami anti-ODF-27 a anti-ODF-84 prokázaly lokalizaci v krčku ocásku, čímž potvrdily, že segmentální sloupce a bazální destička obsahují proteiny cytoskeletového typu podobné těm v bičíku.167,168

Primární složkou jsou kotvící proteiny A-kinázy 3 a 4 a nedávné studie spojují spermatický protein ROPN1 a ROPN1L s vývojem a funkcí vnějších hustých vláken. U myší s nedostatkem obou genů došlo k imobilitě spermií a ke ztenčení a roztřepení principálu.170

Imnocytochemie ukázala, že proteiny FS se shromažďují ve směru od distálního k proximálnímu podél axonemu, přičemž se nakonec setkávají a překrývají sestavu ODF v periaxonemálním cytoplazmatickém kompartmentu.166 Na rozdíl od asociace ODF v rámci cytoplazmatických granulárních tělísek jsou proteiny FS náhodně rozmístěny v cytoplazmě kaudální spermatidy a poté směřují přímo podél axonemy do místa svého sestavení.

Axonema se vyvíjí z jednoho z dvojice centriolů, které zpočátku leží v blízkosti Golgiho oblasti kulaté spermatidy. Růst axonemu začíná v kulaté spermatidě dříve, než se díky cytoplazmatické reorganizaci dostane centriola do kontaktu s jádrem nebo buněčnou membránou spermatidy. To se zdá být v kontrastu s vývojem primárních řasinek, které zahajují růst bičíků až po připojení k buněčné membráně.171 K dokumentaci detailů vývoje axonému spermie jsou nutné další studie. Vznikající axoném se díky probíhající cytoplazmatické reorganizaci ukládá na opačném pólu jádra než akrozom prostřednictvím složitého „kloubu“, dříve popsané spojovací části (viz obr. 136-8).

Vývoj axonému pokračuje souběžně s prodlužováním a kondenzací hlavičky spermie a předpokládá se, že zahrnuje proces označovaný jako intraflagelární transport (IFT).172 Opět platí, že ačkoli je nejlépe prozkoumán u primárních řasinek, myši nesoucí mutace v základních genech IFT jsou často/obvykle neplodné, což naznačuje zachování funkce.173

Z krčku vychází střední část (∼5 μm dlouhá u lidských spermií), která se skládá z axonemu obklopeného devíti ODF a nakonec z mitochondriálního obalu. Zdá se, že některé proteiny ODF jsou uloženy v granulovaných tělískách v cytoplazmě spermatid před jejich sestavením ve směru od proximálního k distálnímu podél axonemu.166,167 Studie imunogoldového značení s protilátkami ODF-27 a ODF-84 prokázaly lokalizaci v krčku ocásku, čímž potvrdily, že segmentální sloupce a bazální destička obsahují proteiny typu cytoskeletu podobné těm v bičíku.167,168 Střední část je zakončena prstencem, což je prstencovitá struktura obsahující septiny, která funguje jako bariéra pro difuzi proteinů.174 Defekty v tvorbě nebo umístění prstence byly spojeny s neplodností u lidí a myší.175,176

Distálně od střední části je hlavní část (∼45 μm dlouhá u lidských spermií) (viz obr. 136-10 a 136-11). V této oblasti, vně každého mikrotubulárního dubletu axonemu, se nachází modifikovaný ODFs. ODF-3 a ODF-8 jsou však nahrazeny podélnými sloupci FS. Tyto sloupce jsou zase spojeny příčnými žebry hlavního kusu. Dohromady se ODF a FS zužují po celé délce ocasu spermie a končí na spojnici s hlavním kusem. Koncový díl je tvořen výhradně axonémem obklopeným plazmatickou membránou.

Funkce ODF a vláknitého obalu není dosud přesně definována; minimálně však zajišťují strukturální tuhost pro pohyb ocasu spermie a ochranu před střižnými silami,177 a v případě vláknitého obalu jako alternativní platformu pro produkci ATP pro funkci axonému.178 Absence glykolytických proteinů specifických pro FS, alespoň u myši, má za následek sterilitu charakterizovanou astenozoospermií.179,180 Četné studie ukázaly, že závislost spermií na ATP vytvářeném glykolýzou ve vláknitém obalu a oxidativní fosforylací v mitochondriích se u jednotlivých druhů výrazně liší.181 Zajímavé je, že ODF se stejně jako axoném vyvíjí ve směru od proximálního k distálnímu, zatímco FS se vyvíjí od špičky rostoucího ocásku spermie směrem ke spojovacímu kusu,166 což naznačuje, že v rámci tvorby ocásku spermie jsou zapojeny přinejmenším mechanismy transportu proteinů.

Kromě své role při utváření hlavičky spermie se manžeta stále více uplatňuje jako transportní dálnice pro proteiny zapojené do vývoje ocásku spermie. Tento proces se označuje jako intramanchetový transport,151,182 a defekty v tomto procesu, o čemž svědčí defektní tvorba mikrotubulů manchety, mají tendenci vést k abnormálnímu vývoji ocásku spermie.151,183

Citoplazma zrajících spermatid obsahuje mnoho z velké části nepopsaných organel.136 Chromatoidní tělísko se však nedávno prosadilo jako hlavní determinanta mužské plodnosti. Chromatoidní tělísko je typ nuage, který se u spermatid objevuje jako jediné, laločnaté, perinukleární granule, které migrují a dávají vzniknout několika granulárním tělískům kolem spojovacího článku a nakonec také vytvářejí prstenec kolem vyvíjejícího se ocásku spermie těsně distálně od prstence.184 Údaje potvrzují názor, že chromatoidní tělísko se podílí na ukládání a zpracování mikroRNA přepisovaných z haploidního genomu185 a prostřednictvím kinezinového motorického proteinu KIF17b je mobilní a podílí se na metabolismu RNA. Neméně důležité je, že chromatoidní tělísko se spolu s dalšími typy jadérek v zárodečných buňkách ukázalo být hlavním místem pro zpracování malých RNA, včetně miRNA a piRNA.186-188

Koncem spermiogeneze procházejí spermatidy procesem spermifikace a nakonec odpojením od podpůrné Sertoliho buňky. Jedná se o složitý a vícestupňový proces probíhající po dobu několika dnů (např. ∼82 hodin u potkana).189 Spermifikace začíná u potkana a myši na začátku VII. stadia semenotvorného cyklu a u člověka ve stadiu II, kdy jsou prodloužené spermatidy zarovnány podél lumen semenotvorného kanálku. Kritickými obdobími spermifikace jsou (1) odstranění ektoplazmatické specializace zavedené za účelem ukotvení hlavičky spermie k Sertoliho buňce, (2) vývoj a konečné rozpuštění tubulobulbárních komplexů, které mají předpokládanou roli jak v ukotvení zárodečných buněk, tak v odstranění cytoplazmy zárodečných buněk, (3) vytvoření zbytkového tělíska, které obsahuje přebytečné organely a cytoplazmu zárodečných buněk, a (4) konečné odpojení spermií od semenného epitelu. Každý z těchto kroků je sám o sobě velmi složitý a zahrnuje vytvoření a odstranění četných adhezních molekul mezi buňkami, modifikace membrán a odstranění velkého množství cytoplazmy. Není proto divu, že tento proces je často narušen jak u lidí, tak u zvířecích modelů. Například spermifikace se zdá být nejcitlivějším aspektem spermatogeneze na vysazení FSH a androgenů jak u hlodavců, tak u lidí.190-193 Spermifikace je často narušena v důsledku expozice toxickým látkám v životním prostředí a genové ablace u myší.189