Axoneme

Crescita dell’assonema

L’assoneme si sviluppa da una delle coppie di centrioli che inizialmente si trovano vicino alla regione del Golgi dello spermatide rotondo. La crescita dell’assonema inizia nello spermatide rotondo prima che la riorganizzazione citoplasmatica porti l’acrosoma a contatto con la membrana cellulare dello spermatide. L’assonema nascente, attraverso la riorganizzazione citoplasmatica che sta avvenendo al polo dello spermatozoo, alloggia al polo opposto del nucleo all’acrosoma attraverso una complessa “articolazione”. Questa struttura è chiamata articolazione e assomiglia a un cono cavo, la cui base si articola con il polo caudale del nucleo. I lati del cono sono costituiti da nove colonne incrociate continue con i nove ODF, elementi citoscheletrici della coda. Nel nucleo del collo, il residuo del centriolo distale àncora la coda alla testa dello spermatozoo e dà anche origine al filamento assiale, o assonema, della coda (9 + 2 disposizioni di microtubuli). Il centriolo prossimale compagno, che rimane intatto, è anche alloggiato all’interno del cono, e il suo asse si trova a 90 gradi rispetto all’assoneme (vedi Figg. 136-10 e 136-11).

L’assoneme centrale che comprende due microtubuli singoli centrali e nove microtubuli doppi periferici è conservato nelle ciglia e nei flagelli dalle alghe all’uomo. I geni che codificano i componenti chiave essenziali per la motilità sono stati definiti, e le mutazioni in questi geni costituiscono una base genetica inequivocabile per l’infertilità e la disfunzione respiratoria nota come discinesia ciliare.161,164 Altri possono rappresentare una causa minore ma significativa dell’infertilità maschile.165

Sono stati identificati alcuni geni e le loro proteine codificate che compongono il collo, le ODF e le FS.166,167-169 La funzione precisa delle ODF non è chiara, ma le loro proprietà elastiche e la resistenza alla trazione possono essere componenti integranti della normale motilità flagellare. L’espressione dei geni che codificano alcune di queste proteine si verifica nei primi spermatidi rotondi e raggiunge livelli massimi durante la fase acrosoma. Alcune proteine ODF sembrano essere immagazzinate in corpi granulari nel citoplasma dello spermatide prima del loro assemblaggio in direzione prossimale-distale lungo l’assonema.166,167 Nella spermatogenesi umana, queste proteine sembrano legarsi a una struttura microtubulare che forma un modello per la componente costale del pezzo principale.135 Studi di immunogold-labeling con anticorpi anti-ODF-27 e anti-ODF-84 hanno mostrato la localizzazione al collo della coda, confermando così che le colonne segmentali e la piastra basale contengono proteine di tipo citoscheletrico simili a quelle del flagello.167,168

I componenti primari sono le proteine di ancoraggio A-kinasi 3 e 4, e studi recenti collegano le proteine spermatiche ROPN1 e ROPN1L allo sviluppo e alla funzione delle fibre dense esterne. Topi carenti di entrambi i geni avevano spermatozoi immotili e assottigliamento e triturazione del pezzo principale.170

Immunocitochimica ha dimostrato che le proteine FS si assemblano in direzione distale-proximale lungo l’assonema, incontrando e sovrapponendosi infine all’assemblaggio ODF all’interno del compartimento citoplasmatico periaxonemale.166 A differenza dell’associazione delle ODF all’interno dei corpi granulari citoplasmatici, le proteine FS sono distribuite in modo casuale nel citoplasma dello spermatide caudale e poi vengono indirizzate direttamente lungo l’assonema al loro sito di assemblaggio.

L’assonema si sviluppa da una delle coppie di centrioli che inizialmente si trovano vicino alla regione del Golgi dello spermatide rotondo. La crescita dell’assonema inizia nello spermatide rotondo prima che la riorganizzazione citoplasmatica porti il centriolo a contatto con il nucleo o la membrana cellulare dello spermatide. Questo sembra contrastare con lo sviluppo delle cilia primarie che iniziano la crescita flagellare dopo l’aggancio alla membrana cellulare.171 Sono necessari ulteriori studi per documentare i dettagli di come si sviluppa l’assonema spermatico. L’assonema nascente, attraverso la riorganizzazione citoplasmatica che sta avvenendo, alloggia al polo opposto del nucleo all’acrosoma attraverso una complessa “articolazione”, il pezzo di collegamento descritto in precedenza (vedi Fig. 136-8).

Lo sviluppo dell’assonema continua in parallelo con l’allungamento e la condensazione della testa dello spermatozoo e si pensa che coinvolga un processo chiamato trasporto intraflagellare (IFT).172 Anche in questo caso, sebbene sia meglio esplorato nelle ciglia primarie, i topi che portano mutazioni nei geni IFT del nucleo sono spesso/di solito infertili, suggerendo una conservazione della funzione.173

Dal collo si estende la parte centrale (∼5 μm di lunghezza nello sperma umano), che è composta dall’assonema circondato da nove ODF e infine dalla guaina mitocondriale. Alcune proteine ODF sembrano essere immagazzinate in corpi granulati nel citoplasma degli spermatidi prima del loro assemblaggio in direzione prossimale-distale lungo l’assonema.166,167 Studi di immunomarcatura con anticorpi ODF-27 e ODF-84 hanno mostrato la localizzazione al collo della coda, confermando così che le colonne segmentali e la piastra basale contengono proteine di tipo citoscheletrico simili a quelle del flagello.167,168 Il pezzo centrale termina con l’anello, che è una struttura ad anello contenente septina che agisce come barriera alla diffusione delle proteine.174 Difetti nella formazione o nel posizionamento dell’anello sono stati associati all’infertilità umana e murina.175,176

Distalmente al pezzo centrale si trova il pezzo principale (∼45 μm di lunghezza nello sperma umano) (vedi fig. 136-10 e 136-11). In questa regione, esterna ad ogni doppietto di microtubuli dell’assonema, c’è un ODF modificato. Tuttavia, ODF-3 e ODF-8 sono sostituite dalle colonne longitudinali della FS. Queste colonne sono a loro volta collegate da nervature trasversali del pezzo principale. Collettivamente, l’ODF e la FS si assottigliano lungo la lunghezza della coda dello sperma e terminano alla giunzione con il pezzo finale. La parte terminale è composta unicamente dall’assonema circondato dalla membrana plasmatica.

La funzione dell’ODF e della guaina fibrosa rimane da definire con precisione; tuttavia, come minimo, forniscono rigidità strutturale al movimento della coda spermatica e protezione contro le forze di taglio,177 e, nel caso della guaina fibrosa, come piattaforma alternativa per la produzione di ATP per la funzione dell’assonema.178 L’assenza delle proteine glicolitiche FS-specifiche, almeno nel topo, risulta in una sterilità caratterizzata da astenospermia.179,180 Numerosi studi hanno dimostrato che la dipendenza degli spermatozoi dall’ATP generato dalla glicolisi nella guaina fibrosa e dalla fosforilazione ossidativa dei mitocondri varia significativamente tra le specie.181 È interessante notare che l’ODF, come l’assonema, si sviluppa in una direzione da prossimale a distale, mentre la FS si sviluppa dalla punta della coda spermatica in crescita verso il pezzo di collegamento,166 suggerendo che almeno i meccanismi di trasporto delle proteine sono coinvolti nella formazione della coda spermatica.

In aggiunta al suo ruolo nella formazione della testa spermatica, la manchette è sempre più implicata come un’autostrada di trasporto per le proteine coinvolte nello sviluppo della coda spermatica. Questo processo è stato chiamato trasporto intramanchette,151,182 e i difetti in questo processo, come evidenziato dalla formazione difettosa dei microtubuli della manchette, tendono a provocare uno sviluppo anormale della coda dello sperma.151,183

Il citoplasma degli spermatidi in maturazione contiene molti organelli in gran parte non caratterizzati.136 Il corpo cromatoide si è, tuttavia, recentemente affermato come un importante determinante della fertilità maschile. Il corpo cromatoide è un tipo di nuage che appare negli spermatidi come un singolo granulo perinucleare lobulato che migra per dare origine a diversi corpi granulari intorno al pezzo di collegamento e che alla fine forma anche un anello intorno alla coda dello spermatozoo in via di sviluppo appena distale all’anulus.184 I dati confermano l’opinione che il corpo cromatoide è coinvolto nell’immagazzinamento e nell’elaborazione dei microRNA trascritti dal genoma aploide185 e, attraverso la proteina motore kinesina KIF17b, è mobile e implicato nel metabolismo dell’RNA. Altrettanto importante, il corpo cromatoide, insieme agli altri tipi di nuage nelle cellule germinali, ha dimostrato di essere un sito importante per l’elaborazione di piccoli RNA, compresi i miRNA e i piRNA.186-188

Verso la fine della spermiogenesi, gli spermatidi subiscono il processo di spermiazione e infine il distacco dalla cellula di Sertoli di supporto. Si tratta di un processo complesso e multistep che si verifica in un periodo di diversi giorni (ad esempio, ∼82 ore nel ratto).189 La spermiazione inizia nel ratto e nel topo all’inizio dello stadio VII del ciclo seminifero e dello stadio II nell’uomo, a questo punto gli spermatidi allungati sono allineati lungo il lume del tubulo seminifero. I periodi critici della spermiazione sono (1) la rimozione della specializzazione ectoplasmatica messa in atto per ancorare la testa dello spermatozoo alla cellula Sertoli, (2) lo sviluppo e la dissoluzione finale dei complessi tubulobulbari che hanno proposto ruoli sia nell’ancoraggio delle cellule germinali che nella rimozione del citoplasma delle cellule germinali, (3) la formazione del corpo residuo che contiene organelli e citoplasma delle cellule germinali in eccesso, e (4) il disimpegno finale degli spermatozoi dall’epitelio seminifero. Ognuno di questi passaggi è di per sé molto complesso e comporta l’istituzione e la rimozione di numerose molecole di adesione cellula-cellula, modifiche di membrana e rimozione di grandi quantità di citoplasma. Non sorprende quindi che questo processo sia spesso perturbato sia negli esseri umani che nei modelli animali. Per esempio, la spermiazione sembra essere l’aspetto più sensibile della spermatogenesi al ritiro dell’FSH e degli androgeni sia nei roditori che nell’uomo.190-193 La spermiazione è spesso interrotta come risultato dell’esposizione a tossici ambientali e dell’ablazione di geni nel topo.189