Axonem

Wachstum des Axonems

Das Axonem entwickelt sich aus einer der beiden Zentriolen, die zunächst in der Nähe der Golgi-Region der runden Spermatide liegen. Das Wachstum des Axonems beginnt in der runden Spermatide, bevor die zytoplasmatische Umstrukturierung das Akrosom in Kontakt mit der Zellmembran der Spermatide bringt. Das entstehende Axonem lagert sich durch die zytoplasmatische Umstrukturierung, die am Pol des Spermiums stattfindet, am dem Akrosom gegenüberliegenden Pol des Zellkerns durch ein komplexes „Gelenk“ an. Diese Struktur wird als Verbindungsstück bezeichnet und ähnelt einem Hohlkegel, dessen Basis mit dem kaudalen Pol des Zellkerns verbunden ist. Die Seiten des Kegels bestehen aus neun quer gestreiften Säulen, die mit den neun ODFs, den Zytoskelettelementen des Schwanzes, zusammenhängen. Im Kern des Halses verankert der Rest der distalen Zentriole den Schwanz am Spermienkopf und bildet auch das axiale Filament oder Axonem des Schwanzes (9 + 2 Anordnung der Mikrotubuli). Die dazugehörige proximale Zentriole, die intakt bleibt, ist ebenfalls im Kegel untergebracht, und ihre Achse liegt in einem Winkel von 90 Grad zum Axonem (siehe Abb. 136-10 und 136-11).

Das Kernaxonem, das aus zwei zentralen Einzelmikrotubuli und neun peripheren Doppelmikrotubuli besteht, ist in Zilien und Geißeln von Algen bis zum Menschen konserviert. Gene, die für wichtige Komponenten der Motilität kodieren, wurden definiert, und Mutationen in diesen Genen stellen eine eindeutige genetische Grundlage für Unfruchtbarkeit und Atemstörungen dar, die als ziliare Dyskinesie bekannt sind.161,164 Andere Gene könnten eine geringfügige, aber bedeutende Ursache für männliche Unfruchtbarkeit darstellen.165

Einige Gene und die von ihnen kodierten Proteine, die den Hals, die ODFs und die FS bilden, wurden identifiziert.166,167-169 Die genaue Funktion der ODFs ist unklar, aber ihre elastischen Eigenschaften und ihre Zugfestigkeit könnten integrale Bestandteile der normalen Geißelbewegung sein. Die Expression von Genen, die für einige dieser Proteine kodieren, findet in frühen runden Spermatiden statt und erreicht während der Akrosom-Phase Spitzenwerte. Einige ODF-Proteine scheinen in granulierten Körpern im Zytoplasma der Spermatiden gespeichert zu werden, bevor sie sich entlang des Axonems von proximal nach distal zusammenfügen.166,167 In der menschlichen Spermatogenese scheinen diese Proteine an ein mikrotubuläres Gerüst zu binden, das eine Vorlage für die rippenartige Komponente des Hauptstücks bildet.135 Immunogold-Labeling-Studien mit Anti-ODF-27- und Anti-ODF-84-Antikörpern haben eine Lokalisierung am Schwanzhals gezeigt und damit bestätigt, dass die Segmentalspalten und die Basalplatte Proteine vom Typ des Zytoskeletts enthalten, die denen des Flagellums ähneln.167,168

Die Hauptkomponenten sind die A-Kinase-Ankerproteine 3 und 4, und neuere Studien bringen die Spermaproteine ROPN1 und ROPN1L mit der Entwicklung und Funktion der äußeren dichten Fasern in Verbindung. Bei Mäusen, denen beide Gene fehlten, kam es zu unbeweglichen Spermien und zu einer Ausdünnung und Zerkleinerung des Hauptstücks.170

Die Immunzytochemie hat gezeigt, dass die FS-Proteine in einer Richtung von distal nach proximal entlang des Axonems zusammengebaut werden und schließlich im periaxonemalen zytoplasmatischen Kompartiment auf den ODF-Aufbau treffen und ihn überlappen.166 Im Gegensatz zur Assoziation der ODFs innerhalb der zytoplasmatischen Granularkörper werden die FS-Proteine zufällig im Zytoplasma der kaudalen Spermatide verteilt und dann direkt entlang des Axonems zu ihrem Montageort geleitet.

Das Axonem entwickelt sich aus einem der beiden Zentriolen, die anfangs in der Nähe der Golgi-Region der runden Spermatide liegen. Das Wachstum des Axonems beginnt in der runden Spermatide, bevor die zytoplasmatische Reorganisation die Zentriole in Kontakt mit dem Zellkern oder der Zellmembran der Spermatide bringt. Dies scheint im Gegensatz zur Entwicklung der primären Zilien zu stehen, die nach dem Andocken an die Zellmembran mit dem Geißelwachstum beginnen.171 Weitere Studien sind erforderlich, um die Entwicklung des Spermienaxonoms im Detail zu dokumentieren. Das entstehende Axonem lagert sich durch die stattfindende zytoplasmatische Reorganisation am Gegenpol des Zellkerns zum Akrosom durch ein komplexes „Gelenk“, das zuvor beschriebene Verbindungsstück, an (siehe Abb. 136-8).

Die Entwicklung der Axoneme verläuft parallel zur Verlängerung und Kondensation des Spermienkopfes, und man nimmt an, dass daran ein Prozess beteiligt ist, der als intraflagellarer Transport (IFT) bezeichnet wird.172 Auch hier gilt, dass Mäuse, die Mutationen in zentralen IFT-Genen tragen, oft/meistens unfruchtbar sind, was darauf hindeutet, dass die Funktion erhalten bleibt, auch wenn dies am besten an primären Zilien untersucht wurde.173

Vom Hals ausgehend befindet sich das Mittelstück (∼5 μm lang in menschlichen Spermien), das aus dem Axonem besteht, das von neun ODFs und schließlich der Mitochondrienhülle umgeben ist. Einige ODF-Proteine scheinen in granulierten Körpern im Zytoplasma der Spermatiden gespeichert zu werden, bevor sie sich entlang des Axonems von proximal nach distal anordnen.166,167 Immunogold-Markierungsstudien mit ODF-27- und ODF-84-Antikörpern haben eine Lokalisierung am Hals des Schwanzes gezeigt und damit bestätigt, dass die segmentalen Säulen und die Basalplatte Proteine vom Typ des Zytoskeletts enthalten, die denen des Flagellums ähnlich sind.167,168 Das Mittelstück endet am Annulus, einer Septin-enthaltenden ringförmigen Struktur, die als Barriere für die Proteindiffusion fungiert.174 Defekte in der Annulusbildung oder -positionierung wurden mit Unfruchtbarkeit bei Mensch und Maus in Verbindung gebracht.175,176

Distal zum Mittelstück befindet sich das Hauptstück (∼45 μm lang in menschlichen Spermien) (siehe Abb. 136-10 und 136-11). In diesem Bereich, außerhalb jedes Mikrotubuli-Doubletts des Axonems, befindet sich eine modifizierte ODFs. Allerdings werden ODF-3 und ODF-8 durch die Längssäulen der FS ersetzt. Diese Säulen sind wiederum durch Querrippen des Hauptstücks verbunden. Insgesamt verjüngen sich die ODF und FS über die Länge des Spermienschwanzes und enden an der Verbindung mit dem Endstück. Das Endstück besteht ausschließlich aus dem Axonem, das von der Plasmamembran umgeben ist.

Die Funktion der ODF und der faserigen Hülle muss noch genau definiert werden; zumindest aber bieten sie strukturelle Steifigkeit für die Bewegung des Spermienschwanzes und Schutz gegen Scherkräfte,177 und im Falle der faserigen Hülle als alternative Plattform für die Produktion von ATP für die Funktion des Axonems.178 Das Fehlen der FS-spezifischen glykolytischen Proteine führt zumindest bei der Maus zu Sterilität, die durch Asthenozoospermie gekennzeichnet ist.179,180 Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Abhängigkeit der Spermien von ATP, das durch die Glykolyse in der Faserscheide und die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien erzeugt wird, je nach Spezies sehr unterschiedlich ist.181 Interessanterweise entwickelt sich die ODF wie das Axonem in einer Richtung von proximal nach distal, während sich die FS von der Spitze des wachsenden Spermienschwanzes in Richtung des Verbindungsstücks entwickelt,166 was darauf hindeutet, dass zumindest Proteintransportmechanismen an der Bildung des Spermienschwanzes beteiligt sind.

Zusätzlich zu ihrer Rolle bei der Formung des Spermienkopfes wird die Manchette zunehmend als Transportweg für Proteine angesehen, die an der Entwicklung des Spermienschwanzes beteiligt sind. Dieser Prozess wird als Intramanchettentransport151,182 bezeichnet, und Defekte in diesem Prozess, die sich in einer gestörten Bildung von Mikrotubuli in der Manchette zeigen, führen in der Regel zu einer abnormalen Entwicklung des Spermienschwanzes.151,183

Das Zytoplasma heranreifender Spermatiden enthält viele weitgehend uncharakterisierte Organellen.136 Der Chromatoidkörper hat sich jedoch in jüngster Zeit als eine wichtige Determinante der männlichen Fruchtbarkeit etabliert. Der Chromatoidkörper ist eine Art Nuage, die in Spermatiden als einzelnes, gelapptes, perinukleäres Körnchen erscheint, das wandert und mehrere Körnchen um das Verbindungsstück herum entstehen lässt und schließlich einen Ring um den sich entwickelnden Spermienschwanz knapp distal des Ringes bildet.184 Die Daten bestätigen die Ansicht, dass der Chromatoidkörper an der Speicherung und Verarbeitung der vom haploiden Genom185 transkribierten mikroRNAs beteiligt ist und über das Kinesin-Motorprotein KIF17b beweglich und am RNA-Stoffwechsel beteiligt ist. Ebenso wichtig ist, dass sich der Chromatoidkörper zusammen mit den anderen Arten von Nuagen in Keimzellen als wichtiger Ort für die Verarbeitung von kleinen RNAs, einschließlich miRNAs und piRNAs, erwiesen hat.186-188

Am Ende der Spermiogenese durchlaufen die Spermatiden den Prozess der Spermiation und schließlich die Ablösung von der unterstützenden Sertoli-Zelle. Dies ist ein komplexer und mehrstufiger Prozess, der sich über einen Zeitraum von mehreren Tagen erstreckt (z. B. ∼82 Stunden bei der Ratte).189 Die Spermienbildung beginnt bei der Ratte und der Maus zu Beginn des Stadiums VII des Samenzyklus und beim Menschen im Stadium II, in dem die verlängerten Spermatiden entlang des Lumens des Hodenkanals ausgerichtet sind. Die kritischen Phasen der Spermienbildung sind (1) die Beseitigung der ektoplasmatischen Spezialisierung, die zur Verankerung des Spermienkopfes an der Sertoli-Zelle eingerichtet wurde, (2) die Entwicklung und letztendliche Auflösung der tubulobulbären Komplexe, die sowohl bei der Keimzellenverankerung als auch bei der Beseitigung des Keimzellenzytoplasmas eine Rolle spielen, (3) die Bildung des Restkörpers, der überschüssige Keimzellenorganellen und Zytoplasma enthält, und (4) die letztendliche Loslösung der Spermatozoen vom Spermienepithel. Jeder dieser Schritte ist an und für sich hochkomplex und beinhaltet die Bildung und Entfernung zahlreicher Zell-Zell-Adhäsionsmoleküle, Membranmodifikationen und die Entfernung großer Mengen an Zytoplasma. Es überrascht daher nicht, dass dieser Prozess sowohl bei Menschen als auch bei Tiermodellen häufig gestört ist. Beispielsweise scheint die Spermienbildung der empfindlichste Aspekt der Spermatogenese gegenüber dem Entzug von FSH und Androgenen sowohl bei Nagetieren als auch bei Menschen zu sein.190-193 Die Spermienbildung wird häufig durch die Exposition gegenüber Umweltgiften und durch Genablation bei der Maus gestört.189