Aksoneme

Aksonemets vækst

Aksonemet udvikles fra et af de par centrioler, der oprindeligt ligger tæt på Golgi-regionen i den runde spermatoden. Axonemets vækst begynder i den runde spermatid, før den cytoplasmatiske reorganisering bringer akrosomet i kontakt med spermatidens cellemembran. Det spirende axoneme sætter sig gennem den cytoplasmatiske reorganisering, der finder sted i sædcellens pol, fast på den modsatte pol af kernen i forhold til akrosomet gennem en kompleks “artikulation”. Denne struktur kaldes forbindelsesstykket og ligner en hul kegle, hvis base artikulerer med kernekernens kaudale pol. Keglens sider består af ni tværstribede søjler, der er sammenhængende med de ni ODF’er, som er haleens cytoskeletale elementer. I halsens kerne forankrer resterne af den distale centriole halen til sædhovedet og giver også anledning til halens aksiale filament eller axoneme (9 + 2 arrangement af mikrotubuli). Den ledsagende proximale centriole, som forbliver intakt, er også anbragt i keglen, og dens akse ligger i 90 grader i forhold til axoneme (se fig. 136-10 og 136-11).

Det centrale axoneme bestående af to centrale enkeltmikrotubuli og ni perifere dobbeltmikrotubuli er bevaret i cilier og flageller fra alger til mennesker. Gener, der koder for nøglekomponenter, som er afgørende for motilitet, er blevet defineret, og mutationer i disse gener udgør et utvetydigt genetisk grundlag for infertilitet og respiratorisk dysfunktion kendt som ciliær dyskinesi.161,164 Andre kan være årsag til en mindre, men dog væsentlig vigtig årsag til mandlig infertilitet.165

Der er identificeret nogle gener og deres kodede proteiner, som udgør halsen, ODF’erne og FS.166,167-169 Den præcise funktion af ODF’erne er uklar, men deres elastiske egenskaber og trækstyrke kan være integrerende komponenter i normal flagellar motilitet. Ekspression af gener, der koder for nogle af disse proteiner, forekommer i tidlige runde spermatider og når et maksimalt niveau under akrosomfasen. Nogle ODF-proteiner synes at blive lagret i granulerede legemer i spermatidcytoplasmaet, før de samles i en proximal-til-distal retning langs axonemet.166,167 I den menneskelige spermatogenese synes disse proteiner at binde sig til en mikrotubulær ramme, der danner en skabelon for den ribbenlignende komponent i hovedstykket.135 Immunogold-mærkningsundersøgelser med anti-ODF-27- og anti-ODF-84-antistoffer har vist lokalisering til halehalsen, hvilket bekræfter, at de segmentale søjler og basalpladen indeholder cytoskeletlignende proteiner svarende til dem i flagellum.167,168

De primære komponenter er A-kinase-forankringsproteinerne 3 og 4, og nyere undersøgelser forbinder sædcellernes proteiner ROPN1 og ROPN1L med udviklingen og funktionen af de ydre tætte fibre. Mus med mangel på begge gener havde umotil sæd og udtynding og sønderdeling af hovedstykket.170

Immunocytokemi har vist, at FS-proteinerne samles i en distal-til-proximal retning langs axoneme, og til sidst møder og overlapper ODF-samlingen inden for det periaxonemale cytoplasmatiske rum.166 I modsætning til foreningen af ODF’er inden for cytoplasmatiske granulære legemer er FS-proteiner tilfældigt fordelt i cytoplasmaet i den caudale spermatid og derefter målrettet direkte langs axoneme til deres samlingssted.

Axoneme udvikler sig fra et af de par centrioler, der oprindeligt ligger tæt på Golgi-regionen i den runde spermatid. Axonemets vækst begynder i den runde spermatid, inden den cytoplasmatiske reorganisering bringer centriolen i kontakt med spermatidens kerne eller cellemembran. Dette synes at stå i kontrast til udviklingen af primære cilier, der påbegynder flagelvækst efter at have docket til cellemembranen.171 Der er behov for yderligere undersøgelser for at dokumentere detaljerne i, hvordan sædcellernes axoneme udvikler sig. Det spirende axonem sætter sig gennem den cytoplasmatiske reorganisering, der finder sted, fast på den modsatte pol af kernen i forhold til akrosomet gennem en kompleks “artikulation”, det forbindelsesstykke, der er beskrevet tidligere (se fig. 136-8).

Axoneme-udviklingen fortsætter parallelt med sædhovedets forlængelse og kondensering og menes at involvere en proces, der kaldes intraflagellar transport (IFT).172 Igen, selv om det bedst undersøges i primære cilia, er mus, der bærer mutationer i centrale IFT-gener, ofte/almindelig infertile, hvilket tyder på en bevarelse af funktionen.173

I forlængelse af halsen er midterstykket (∼5 μm langt i menneskelig sæd), som består af axoneme omkranset af ni ODF’er og endelig mitokondrieskeden. Nogle ODF-proteiner synes at blive lagret i granulerede legemer i spermatidcytoplasmaet, før de samles i en proximal-til-distal retning langs axonemet.166,167 Immunogold-mærkningsundersøgelser med ODF-27- og ODF-84-antistoffer har vist lokalisering til halens hals, hvilket bekræfter, at de segmentale søjler og basalpladen indeholder proteiner af cytoskelet-typen svarende til dem i flagellum.167,168 Midterstykket afsluttes ved annulus, som er en septin-holdig ringlignende struktur, der fungerer som en barriere for proteindiffusion.174 Defekter i annulusdannelse eller -placering er blevet associeret med infertilitet hos mennesker og mus.175,176

Distal til midterstykket er hovedstykket (∼45 μm langt i menneskelig sæd) (se figur 136-10 og 136-11). I dette område, uden for hver mikrotubuli-dublet af axoneme, er der en modificeret ODFs. ODF-3 og ODF-8 er imidlertid erstattet af de langsgående søjler af FS. Disse søjler er igen forbundet af tværgående ribber i hovedstykket. Samlet set tilspidser ODF og FS sig langs sædstykkets længde og slutter ved sammenstødet med hovedstykket. Slutstykket består udelukkende af axonemet omgivet af plasmamembran.

Funktionen af ODF og den fibrøse kappe er endnu ikke præcist defineret; men som minimum giver de dog strukturel stivhed til sædhalens bevægelse og beskyttelse mod forskydningskræfter,177 og i tilfælde af den fibrøse kappe som en alternativ platform for produktion af ATP til axonemets funktion.178 Fraværet af de FS-specifikke glykolytiske proteiner resulterer, i det mindste hos musen, i sterilitet karakteriseret ved asthenozoospermi.179,180 Talrige undersøgelser har vist, at sædcellernes afhængighed af ATP genereret af glykolyse i den fibrøse kappe og oxidativ fosforylering af mitokondrier varierer betydeligt fra art til art.181 Det er interessant, at ODF ligesom axoneme udvikler sig i en proximal til distal retning, mens FS udvikler sig fra spidsen af den voksende sædhale mod forbindelsesstykket,166 hvilket tyder på, at i det mindste proteintransportmekanismer er involveret i dannelsen af sædhalen.

Ud over sin rolle i formningen af sædhovedet bliver manchetten i stigende grad impliceret som en transportvej for proteiner, der er involveret i sædhaleudviklingen. Denne proces er blevet kaldt intramanchette-transport,151,182 og defekter i denne proces, som det fremgår af defekt manchette-mikrotubulusdannelse, har tendens til at resultere i unormal udvikling af sædhaler.151,183

Cytoplasmaet i modnende spermatider indeholder mange stort set ukarakteriserede organeller.136 Det kromatoide legeme har imidlertid for nylig etableret sig som en vigtig determinant for mandlig fertilitet. Det kromatoide legeme er en type nuage, der optræder i spermatider som en enkelt, lobuleret, perinukernisk granulat, der migrerer og giver anledning til flere granulære legemer omkring forbindelsesstykket og i sidste ende også danner en ring omkring den udviklende sædhale lige distalt for annulus.184 Data bekræfter det synspunkt, at det kromatoide legeme er involveret i lagring og behandling af mikroRNA’er, der er transskriberet fra det haploide genom185 , og gennem kinesinmotorproteinet KIF17b er mobilt og involveret i RNA-metabolismen. Lige så vigtigt har kromatoidlegemet, sammen med de andre typer af nuage i kønsceller, vist sig at være et vigtigt sted for behandling af små RNA’er, herunder miRNA’er og piRNA’er.186-188

Til sidst i spermiogenesen gennemgår sædcellerne processen med spermiation og i sidste ende løsrivelsen fra den understøttende Sertoli-celle. Dette en kompleks og flertrins proces, der sker over en periode på flere dage (f.eks. ∼82 timer hos rotte).189 Spermiation begynder hos rotte og mus i begyndelsen af stadium VII af den seminiferiske cyklus og stadium II hos mennesket, hvorefter de forlængede spermatider er rettet op langs lumen af den seminiferiske tubulus. De kritiske perioder i spermiationen er (1) fjernelse af den ektoplasmatiske specialisering, der er indført for at forankre sædhovedet til Sertoli-cellen, (2) udvikling og endelig opløsning af tubulobulbære komplekser, der har foreslået roller i både kimcelleforankring og fjernelse af kimcellecytoplasma, (3) dannelse af restlegemet, der indeholder overskydende kimcelleorganeller og cytoplasma, og (4) den endelige løsrivelse af sædcellerne fra det seminiferiske epitel. Hvert af disse trin er i sig selv meget komplekse og omfatter etablering og fjernelse af talrige celle-celleadhæsionsmolekyler, membranmodifikationer og fjernelse af store mængder cytoplasma. Det er derfor ikke overraskende, at denne proces ofte er forstyrret i både mennesker og dyremodeller. For eksempel synes spermiation at være det mest følsomme aspekt af spermatogenese for tilbagetrækning af FSH og androgener hos både gnavere og mennesker.190-193 Spermiation er ofte forstyrret som følge af eksponering for miljøgifte og genablation hos mus.189