Axonéma

Axonéma növekedése

Az axonéma a centriolák egyikéből fejlődik, amelyek kezdetben a kerek spermatidák Golgi régiójának közelében helyezkednek el. Az axonéma növekedése a kerek spermatidában kezdődik, mielőtt a citoplazmatikus átrendeződés révén az akroszóma kapcsolatba kerülne a spermatid sejtmembránjával. A születő axonéma a spermium pólusán végbemenő citoplazmatikus átrendeződés révén a sejtmaggal ellentétes póluson, az akroszómával ellentétes póluson egy bonyolult “artikuláción” keresztül száll meg. Ezt a szerkezetet összekötő darabnak nevezik, és egy üreges kúphoz hasonlít, amelynek alapja a sejtmag caudalis pólusával artikulál. A kúp oldalai kilenc keresztcsíkos oszlopból állnak, amelyek folytonosak a kilenc ODF-fel, a farok citoszkeletális elemeivel. A nyak magjában a disztális centriol maradványa rögzíti a farkat a spermiumfejhez, és ez adja a farok axiális fonalát, vagy axonémáját is (mikrotubulusok 9 + 2 elrendeződése). A kísérő proximális centriol, amely épségben marad, szintén a kúpon belül helyezkedik el, és tengelye 90 fokban áll az axonémához képest (lásd a 136-10. és 136-11. ábrát).

A két központi szimpla mikrotubulusból és kilenc perifériás kettős mikrotubulusból álló mag axonéma konzerválódik a csillókban és a flagellákban az algáktól az emberig. Meghatározták a motilitáshoz nélkülözhetetlen kulcskomponenseket kódoló géneket, és e gének mutációi a ciliáris diszkinézia néven ismert meddőség és légzési diszfunkció egyértelmű genetikai alapját képezik.161,164 Mások a férfi meddőség egy kisebb, de jelentős fontos okát jelenthetik.165

A nyakat, az ODF-eket és az FS-t alkotó egyes géneket és az általuk kódolt fehérjéket azonosították.166,167-169 Az ODF-ek pontos funkciója nem világos, de rugalmas tulajdonságaik és szakítószilárdságuk a normális flagelláris motilitás szerves összetevői lehetnek. Az e fehérjék némelyikét kódoló gének expressziója a korai kerek spermatidákban jelentkezik, és az akroszóma fázisban éri el a csúcsszintet. Úgy tűnik, hogy néhány ODF fehérje granulált testekben tárolódik a spermatidák citoplazmájában, mielőtt az axonéma mentén proximális-disztális irányban összeszerelődnének.166,167 Az emberi spermatogenezisben úgy tűnik, hogy ezek a fehérjék egy mikrotubuláris vázhoz kötődnek, amely a fődarab bordaszerű komponensének sablonját képezi.135 Az anti-ODF-27 és anti-ODF-84 antitestekkel végzett immunogold-jelölési vizsgálatok kimutatták a farok nyakán történő lokalizációt, ezzel megerősítve, hogy a szegmentális oszlopok és a bazális lemez a flagellumhoz hasonló citoszkeleton típusú fehérjéket tartalmaznak.167,168

Az elsődleges komponensek az A-kináz horgonyzó fehérjék 3 és 4, és a legújabb vizsgálatok a ROPN1 és ROPN1L spermiumfehérjéket a külső sűrű rostok kialakulásához és működéséhez kapcsolják. A mindkét génben hiányos egereknél immotilis spermiumok és a principális-lemez elvékonyodása és feldarabolódása fordult elő.170

Az immuncitokémia kimutatta, hogy az FS fehérjék az axonéma mentén disztális- proximális irányban rakódnak össze, végül a periaxonemális citoplazmatikus kompartmentben találkoznak és átfedik az ODF összeszerelését.166 Az ODF-ek citoplazmatikus granuláris testeken belüli társulásával ellentétben az FS-fehérjék véletlenszerűen oszlanak el a caudalis spermatidák citoplazmájában, majd közvetlenül az axonéma mentén az összeszerelésük helyére irányulnak.

Az axonéma a centriolapár egyikéből fejlődik ki, amely kezdetben a kerek spermatidák Golgi régiójának közelében helyezkedik el. Az axonéma növekedése a kerek spermatidában kezdődik, mielőtt a citoplazmatikus átrendeződés a centriolát a sejtmaggal vagy a spermatid sejtmembránjával kapcsolatba hozná. Úgy tűnik, ez ellentétben áll a primer csillók fejlődésével, amelyek a sejtmembránhoz való dokkolás után kezdik meg a flagelláris növekedést.171 További vizsgálatok szükségesek a spermium axonéma fejlődésének részleteit dokumentálni. A kialakuló axonéma az éppen zajló citoplazmatikus átrendeződés révén egy összetett “artikuláción”, a korábban leírt összekötő darabon keresztül a sejtmaggal ellentétes póluson, az akroszómával szemben helyezkedik el (lásd a 136-8. ábrát).

Az akszonéma fejlődése a spermiumfej megnyúlásával és kondenzációjával párhuzamosan folytatódik, és feltehetően egy intraflagelláris transzportnak (IFT) nevezett folyamatot foglal magában.172 Ismétlem, bár a legjobban primer csillókon vizsgálható, az IFT központi génjeinek mutációit hordozó egerek gyakran/általában terméketlenek, ami a funkció megőrzésére utal.173

A nyakból nyúlik ki a középső rész (∼5 μm hosszú az emberi spermiumokban), amely a kilenc ODF által körülvett axonémből és végül a mitokondriális hüvelyből áll. Úgy tűnik, hogy néhány ODF-fehérje granulált testekben tárolódik a spermiumok citoplazmájában, mielőtt az axonéma mentén proximális-disztális irányban összeállnának.166,167 Az ODF-27 és ODF-84 antitestekkel végzett immunogold-jelölési vizsgálatok a farok nyakán való lokalizációt mutatták ki, ezzel megerősítve, hogy a szegmentális oszlopok és a bazális lemez a flagellumban lévőhöz hasonló citoszkeleton típusú fehérjéket tartalmaznak.167,168 A középrész az annulusban végződik, amely egy szeptint tartalmazó gyűrűszerű struktúra, amely gátként működik a fehérjék diffúziója előtt.174 Az annulus kialakulásának vagy elhelyezkedésének hibáit kapcsolatba hozták az emberi és egér meddőséggel.175,176

Distalisan a középrészhez található a fődarab (∼45 μm hosszú az emberi spermiumokban) (lásd a 136-10. és 136-11. ábrát). Ebben a régióban, az axonéma minden egyes mikrotubuluskettősén kívül, egy módosított ODFs található. Az ODF-3 és ODF-8 helyét azonban az FS hosszanti oszlopai veszik át. Ezeket az oszlopokat viszont a fődarab keresztirányú bordái kötik össze. Az ODF és az FS együttesen a spermium farka hosszában elvékonyodik, és a végdarabbal való találkozásnál végződik. A végdarabot kizárólag a plazmamembránnal körülvett axonéma alkotja.

Az ODF és a rostos burok funkciója még pontosan meghatározásra vár, azonban legalábbis strukturális merevséget biztosítanak a spermiumfarok mozgásához és védelmet a nyíróerőkkel szemben,177 a rostos burok esetében pedig alternatív platformként szolgálnak az axonéma működéséhez szükséges ATP termeléséhez.178 Az FS-specifikus glikolitikus fehérjék hiánya, legalábbis az egérben, aszthenozoospermiával jellemezhető sterilitást eredményez.179,180 Számos tanulmány kimutatta, hogy a spermiumok függősége a rostos burokban történő glikolízis és a mitokondriumokban történő oxidatív foszforiláció által termelt ATP-től jelentősen eltér a fajok között.181 Érdekes módon az ODF, az axonémához hasonlóan, proximális-disztális irányban fejlődik, míg az FS a növekvő spermiumfarok csúcsától a csatlakozó darab felé fejlődik,166 ami arra utal, hogy a spermiumfarok kialakításában legalábbis fehérjetranszport mechanizmusok vesznek részt.

A spermiumfej alakításában betöltött szerepe mellett a manchette egyre inkább a spermiumfarok fejlődésében szerepet játszó fehérjék transzportútjaként is felmerül. Ezt a folyamatot intramanchette transzportnak nevezik,151,182 és ennek a folyamatnak a hibái, amint azt a manchette mikrotubulusok hibás kialakulása bizonyítja, általában rendellenes spermium farok fejlődéshez vezetnek.151,183

Az érő spermatidák citoplazmája számos, nagyrészt nem jellemzett organellumot tartalmaz.136 A kromatoid test azonban a közelmúltban a férfi termékenység egyik fő meghatározó tényezőjének bizonyult. A kromatoid test a nuagulák egy típusa, amely a spermatidákban egyetlen, lobulált, perinukleáris szemcseként jelenik meg, amely vándorol, hogy több szemcsés testet hozzon létre a csatlakozó darab körül, és végül egy gyűrűt is alkot a fejlődő spermium farka körül, közvetlenül a gyűrűtől distalisan.184 Az adatok megerősítik azt a nézetet, hogy a kromatoid test részt vesz a haploid genomból átírt mikroRNS-ek tárolásában és feldolgozásában185 , és a KIF17b kinesin motorfehérje révén mobil és részt vesz az RNS-anyagcserében. Ugyanilyen fontos, hogy a kromatoid test, az ivarsejtek más nuagytípusaival együtt, a kis RNS-ek, köztük a miRNS-ek és a piRNS-ek feldolgozásának egyik fő helyszínének bizonyult.186-188

A spermiogenezis vége felé a spermatidák a spermiáció folyamatán és végül a támogató Sertoli-sejtről való leváláson mennek keresztül. Ez egy összetett és többlépcsős folyamat, amely több nap alatt zajlik (pl. ∼82 óra patkányban).189 A spermiáció patkányban és egérben a szeminifériás ciklus VII. szakaszának kezdetén, emberben pedig a II. szakasz elején kezdődik, amikorra a megnyúlt spermatidák a szeminifériás tubulus lumene mentén igazodnak. A spermiáció kritikus időszakai a következők: (1) a spermiumfejnek a Sertoli-sejthez való rögzítése céljából létrehozott ektoplazmatikus specializáció eltávolítása, (2) a tubulobulbaris komplexek kialakulása és végső feloldódása, amelyeknek javasolt szerepe van mind az ivarsejtek rögzítésében, mind az ivarsejtek citoplazmájának eltávolításában, (3) a maradéktest kialakulása, amely a felesleges ivarsejtorganellákat és citoplazmát tartalmazza, és (4) a spermiumok végső leválása a szeminiferus epitheliumról. E lépések mindegyike önmagában is rendkívül összetett, és számos sejt-sejt adhéziós molekula létrehozását és eltávolítását, membránmódosulásokat és nagy mennyiségű citoplazma eltávolítását foglalja magában. Nem meglepő tehát, hogy ez a folyamat emberekben és állati modellekben egyaránt gyakran zavart szenved. Úgy tűnik például, hogy a spermiatizáció a spermatogenezis legérzékenyebb aspektusa az FSH és az androgén megvonására mind rágcsálókban, mind emberekben.190-193 A spermiatizáció gyakran megzavarodik környezeti toxikus expozíció és génabláció eredményeként egérben.189

.