Axoneemi

Axoneemin kasvu

Axoneemi kehittyy yhdestä sentrioliparista, joka aluksi sijaitsee lähellä pyöreän siittiöiden Golgin aluetta. Aksoneemin kasvu alkaa pyöreässä spermatidissa ennen kuin sytoplasman uudelleenjärjestäytyminen tuo akrosomin kosketukseen spermatidin solukalvon kanssa. Syntymässä oleva aksoneemi asettuu sytoplasmisen uudelleenjärjestäytymisen kautta siittiöiden napaan, joka sijaitsee ytimen vastakkaisella napalla akrosomiin nähden monimutkaisen ”niveltymisen” kautta. Tätä rakennetta kutsutaan liitoskappaleeksi, ja se muistuttaa onttoa kartiota, jonka pohja niveltyy ytimen kaudaaliseen napaan. Kartiokappaleen sivut koostuvat yhdeksästä poikkijuovaisesta pylväästä, jotka ovat jatkuvia yhdeksän ODF:n, hännän sytoskeletaalielementtien, kanssa. Kaulan ytimessä distaalisen sentriolin jäännös ankkuroi hännän siittiöiden päähän ja synnyttää myös hännän aksonaalisen filamentin eli aksonemeen (mikrotubulusten 9 + 2 -järjestely). Proksimaalinen sentrioli, joka säilyy ehjänä, on myös kiinnittynyt kartioon, ja sen aksoni on 90 asteen kulmassa aksonemeen nähden (ks. kuvat 136-10 ja 136-11).

Kahdesta keskimmäisestä yksittäisestä mikrotubuluksesta ja yhdeksästä perifeerisestä kaksoismikrotubuluksesta koostuva ydinaksonemi on säilynyt säilyneenä värekarvoissa ja lippuloissa levistä ihmisiin. Motiliteetin kannalta olennaisia avainkomponentteja koodaavia geenejä on määritelty, ja mutaatiot näissä geeneissä muodostavat yksiselitteisen geneettisen perustan hedelmättömyydelle ja hengityshäiriölle, joka tunnetaan nimellä sädekehän dyskinesia.161,164 Toiset geenit saattavat olla pienen mutta merkittävän tärkeän syyn miesten hedelmättömyyteen.165

Joitakin geenejä ja niiden koodaamia proteiineja, jotka muodostavat kaulan, ODF:t ja FS:n, on tunnistettu.166,167-169 ODF:ien tarkka tehtävä on epäselvä, mutta niiden kimmoisat ominaisuudet ja vetolujuus saattavat olla olennaisia komponentteja normaalissa lippulaivojen liikkuvuudessa. Joitakin näistä proteiineista koodaavien geenien ilmentyminen tapahtuu varhaisissa pyöreissä spermatideissa ja saavuttaa huippunsa akrosomivaiheen aikana. Jotkin ODF-proteiinit näyttävät varastoituvan spermatidien sytoplasmassa oleviin rakeisiin ennen niiden kokoamista proksimaalis-distaaliseen suuntaan aksonemea pitkin.166,167 Ihmisen spermatogeneesissä nämä proteiinit näyttävät sitoutuvan mikrotubulaariseen runkoon, joka muodostaa mallin pääkappaleen kylkiluun kaltaiselle komponentille.135 Immunogold-merkintätutkimukset anti-ODF-27- ja anti-ODF-84-vasta-aineilla ovat osoittaneet lokalisoitumista hännän kaulaan, mikä vahvistaa, että segmentaalipylväät ja tyvilevy sisältävät sytoskeletonityyppisiä proteiineja, jotka ovat samankaltaisia kuin flagellumissa olevat proteiinit.167,168

Ensisijaisia komponentteja ovat A-kinaasin ankkurointivalkuaiset proteiinit 3 ja 4, ja viimeaikaiset tutkimukset yhdistävät siittiöiden valkuaisaineiden valkuaisaineet ROPN1 ja ROPN1L uloimpien tiheiden kuitujen kehittymiseen ja toimintaan. Molempien geenien puutteellisilla hiirillä oli immotiilia spermaa ja pääkappaleen ohenemista ja silpoutumista.170

Immunosytokemia on osoittanut, että FS-proteiinit kerääntyvät distaalisesta proksimaaliseen suuntaan pitkin aksonemiaa, jolloin ne lopulta kohtaavat ODF-kokoonpanon ja menevät päällekkäin sen kanssa periaksonemaalisessa sytoplasmakompartimentissa.166 Toisin kuin ODF:ien assosiaatio sytoplasman granulaaristen kappaleiden sisällä, FS-proteiinit jakautuvat satunnaisesti kaudaalisen spermatidin sytoplasmassa ja suuntautuvat sitten suoraan aksonemea pitkin kokoontumispaikalleen.

Aksoneme kehittyy yhdestä sentrioliparista, joka aluksi sijaitsee lähellä pyöreän spermatidin Golgin aluetta. Aksoneemin kasvu alkaa pyöreässä spermatidissa ennen kuin sytoplasman uudelleenjärjestäytyminen tuo sentriolin kosketuksiin tuman tai spermatidin solukalvon kanssa. Tämä näyttää olevan ristiriidassa primaaristen värekarvojen kehityksen kanssa, jotka aloittavat flagellin kasvun sen jälkeen, kun ne ovat kiinnittyneet solukalvoon.171 Tarvitaan lisätutkimuksia, jotta voidaan dokumentoida yksityiskohtaisesti, miten siittiöiden aksonemi kehittyy. Syntymässä oleva aksoneemi asettuu tapahtuvan sytoplasman uudelleenjärjestäytymisen kautta tuman vastakkaiseen napaan akrosomiin nähden monimutkaisen ”niveltymisen”, aiemmin kuvatun liitoskappaleen, kautta (ks. kuva 136-8).

Aksonemien kehitys jatkuu rinnakkain siittiöiden pään pidentymisen ja tiivistymisen kanssa, ja sen uskotaan sisältävän prosessin, jota kutsutaan intraflagellariseksi kuljetukseksi (IFT).172 Jälleen kerran, vaikka sitä tutkitaan parhaiten primaarisissa värekarvoissa, hiiret, jotka kantavat mutaatioita keskeisissä IFT-geeneissä, ovat usein/yleensä hedelmättömiä, mikä viittaa toiminnan säilymiseen173.

Niskasta lähtee keskikappale (∼5 μm pitkä ihmisen siittiöissä), joka koostuu yhdeksän ODF:n ympäröimästä aksonemista ja lopuksi mitokondriotupesta. Jotkin ODF-proteiinit näyttävät varastoituvan granulaatiokappaleisiin spermatidin sytoplasmassa ennen niiden kokoamista proksimaalis-distaaliseen suuntaan aksonemea pitkin.166,167 Immunogoldimerkintätutkimukset ODF-27- ja ODF-84-vasta-aineilla ovat osoittaneet lokalisoitumista hännän kaulaan, mikä vahvistaa, että segmenttipylväät ja tyvilevy sisältävät sytoskeletonityyppisiä proteiineja, jotka muistuttavat flagellumin proteiineja.167,168 Keskikappale päättyy annulukseen, joka on septinejä sisältävä rengasmainen rakenne, joka toimii esteenä proteiinien diffuusiolle.174 Viat annuluksen muodostumisessa tai sijainnissa on yhdistetty ihmisen ja hiiren hedelmättömyyteen.175,176

Distal keskikappaleesta on pääkappale (∼45 μm pitkä ihmisen siittiöissä) (ks. kuvat 136-10 ja 136-11). Tällä alueella, aksonemeen jokaisen mikrotubulusdubletin ulkopuolella, on modifioitu ODFs. ODF-3 ja ODF-8 on kuitenkin korvattu FS:n pitkittäispylväillä. Nämä pylväät puolestaan liittyvät toisiinsa pääkappaleen poikittaisilla kylkiluilla. Yhdessä ODF ja FS kapenevat siittiöiden hännän pituutta pitkin ja päättyvät pääteosan liitoskohtaan. Pääteosa koostuu yksinomaan plasmamembraanin ympäröimästä aksoneemista.

ODF:n ja kuituisen vaipan tehtävä on vielä tarkkaan määrittelemättä, mutta ainakin ne tarjoavat rakenteellista jäykkyyttä siittiöiden hännän liikkeelle ja suojaa leikkaavilta voimilta,177 ja kuituisen vaipan tapauksessa vaihtoehtoisena alustana ATP:n tuotannolle aksoneemin toimintaa varten.178 FS-spesifisten glykolyyttisten proteiinien puuttuminen ainakin hiirellä johtaa steriliteettiin, jolle on ominaista asthenozoosospermia.179,180 Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että siittiöiden riippuvuus ATP:stä, jota tuotetaan glykolyysillä kuituvaipassa ja oksidatiivisella fosforylaatiolla mitokondrioissa, vaihtelee merkittävästi lajien välillä.181 . Mielenkiintoista on, että ODF, kuten aksonemi, kehittyy proksimaalisesta distaaliseen suuntaan, kun taas FS kehittyy kasvavan siittiöiden hännän kärjestä kohti liitoskappaletta,166 mikä viittaa siihen, että ainakin proteiinien kuljetusmekanismit ovat osallisena siittiöiden hännän muodostumisessa.

Sen lisäksi, että manchette on roolissaan siittiöiden pään muotoutumisessa, manchette-kuorta on yhä useammin alettu pitää siittiöiden hännän kehityksessä mukana olevien proteiinien kuljetusväylänä. Tätä prosessia on kutsuttu intramanchette-kuljetukseksi,151,182 ja viat tässä prosessissa, kuten viallinen manchette-mikrotubulusten muodostuminen osoittaa, johtavat yleensä siittiöiden hännän epänormaaliin kehitykseen.151,183

Valmistautuvien spermatidien sytoplasmassa on monia pitkälti luonnehtimattomia organelleja.136 Kromatoidirunko on kuitenkin viime aikoina vakiinnuttanut asemansa tärkeimpänä miespuolisen hedelmällisyyden määrittäjänä. Kromatoidirunko on eräänlainen nukleagityyppi, joka esiintyy spermatideissa yksittäisenä, lobulaarisena, perinukleaarisena rakeena, joka vaeltaa synnyttääkseen useita rakeisia runkoja liitoskappaleen ympärille ja muodostaa lopulta myös renkaan kehittyvän siittiöiden hännän ympärille juuri distaalisesti rengasmaisesta rengasmaisesta osasta.184 Tiedot vahvistavat näkemystä, jonka mukaan kromatoidirunko osallistuu haploidisesta genomista transkriboitujen mikroRNA:iden varastointiin ja prosessointiin185 ja on kinesiinimoottoriproteiini KIF17b:n välityksellä liikkuva ja mukana RNA-aineenvaihduntaan vaikuttava. Yhtä tärkeää on, että kromatoidirunko, yhdessä sukusolujen muiden nuagetyyppien kanssa, on osoittautunut tärkeäksi pienten RNA:iden, kuten miRNA:iden ja piRNA:iden, prosessointipaikaksi.186-188

Spermiogeneesin loppupuolella spermatidit läpikäyvät siittiöiden erilaistumisprosessin ja viime kädessä irrottautuvat tukevasta Sertoli-solusta. Tämä on monimutkainen ja monivaiheinen prosessi, joka kestää useita päiviä (esim. rotalla ∼82 tuntia).189 Spermiaatio alkaa rotalla ja hiirellä siemenkierron vaiheen VII alussa ja ihmisellä vaiheen II alussa, jolloin pitkänomaiset spermatidit ovat suuntautuneet siementiehyen luumenia pitkin. Spermioitumisen kriittiset vaiheet ovat (1) ektoplasmisen erikoistumisen poistuminen, joka on otettu käyttöön siittiöiden pään ankkuroimiseksi Sertoli-soluun, (2) sellaisten tubulobulbaaristen kompleksien kehittyminen ja lopullinen hajoaminen, joilla on ehdotettu olevan rooli sekä sukusolujen ankkuroitumisessa että sukusolujen sytoplasman poistumisessa, (3) ylimääräisiä sukusolujen organelleja ja sytoplasmaa sisältävän jäännöskappaleen muodostuminen ja (4) siemennesteen irtoaminen siemenjohtimen epiteelistä lopullisesti. Jokainen näistä vaiheista on itsessään hyvin monimutkainen, ja siihen liittyy lukuisten solusolujen adheesiomolekyylien muodostuminen ja poistuminen, kalvomuutokset ja suurten sytoplasmamäärien poistuminen. Siksi ei ole yllättävää, että tämä prosessi on usein häiriintynyt sekä ihmisillä että eläinmalleissa. Esimerkiksi spermiaatio näyttää olevan spermatogeneesin herkin osa-alue FSH:n ja androgeenin vetämiselle sekä jyrsijöillä että ihmisillä.190-193 Spermiaatio häiriintyy usein ympäristömyrkyille altistumisen ja geenien ablaation seurauksena hiirellä.189