Axoneme

Axoneme Growth

De axoneme ontwikkelt zich uit een van de centriolenparen die aanvankelijk dicht bij het Golgi-gebied van de ronde spermatide liggen. De groei van het axonoom begint in de ronde spermatide vóór de cytoplasmatische reorganisatie het acrosoom in contact brengt met het celmembraan van de spermatide. Door de cytoplasmatische reorganisatie die in de pool van het spermatozoïde plaatsvindt, komt het ontluikende axonoom via een complex “scharnierpunt” aan de tegenovergestelde pool van de kern van het acrosoom terecht. Deze structuur wordt het verbindingsstuk genoemd en lijkt op een holle kegel, waarvan de basis scharniert met de caudale pool van de celkern. De zijkanten van de kegel bestaan uit negen gekruiste gestreepte kolommen die doorlopend verbonden zijn met de negen ODF’s, cytoskeletale elementen van de staart. In de kern van de hals verankert het overblijfsel van de distale centriool de staart aan de spermakop en vormt tevens het axiale filament, of axoneme, van de staart (9 + 2 rangschikking van microtubuli). De metgezel van de proximale centriool, die intact blijft, zit ook vast in de kegel, en zijn as ligt in een hoek van 90 graden ten opzichte van het axonoom (zie Fig. 136-10 en 136-11).

Het kern-axonoom bestaande uit twee centrale enkelvoudige microtubuli en negen perifere doublet microtubuli is geconserveerd in cilia en flagellen van algen tot mensen. Genen die coderen voor sleutelcomponenten die essentieel zijn voor motiliteit zijn gedefinieerd, en mutaties in deze genen vormen een ondubbelzinnige genetische basis voor onvruchtbaarheid en respiratoire dysfunctie die bekend staat als ciliaire dyskinesie.161,164 Andere kunnen een kleine maar belangrijke oorzaak zijn van mannelijke onvruchtbaarheid.165

Een aantal genen en hun gecodeerde eiwitten die de hals, de ODF’s, en de FS samenstellen zijn geïdentificeerd.166,167-169 De precieze functie van de ODF’s is onduidelijk, maar hun elastische eigenschappen en treksterkte kunnen integrale onderdelen zijn van de normale flagellaire motiliteit. De expressie van genen die coderen voor sommige van deze eiwitten vindt plaats in vroege ronde spermatiden en bereikt een piekniveau tijdens de acrosoomfase. Sommige ODF-eiwitten blijken te worden opgeslagen in korrelige lichaampjes in het cytoplasma van de spermatide voordat ze in proximale-distale richting langs het axonoom worden geassembleerd.166,167 In de spermatogenese bij de mens blijken deze eiwitten zich te binden aan een microtubulair kader dat een sjabloon vormt voor de ribachtige component van het hoofddeel.135 Immunogold-labelingstudies met anti-ODF-27 en anti-ODF-84 antilichamen hebben lokalisatie naar de hals van de staart aangetoond, en bevestigen daarmee dat de segmentale kolommen en de basale plaat cytoskelet-achtige eiwitten bevatten die vergelijkbaar zijn met die in het flagellum.167,168

De primaire componenten zijn de A-kinase verankeringseiwitten 3 en 4, en recente studies leggen een verband tussen het sperma-eiwit ROPN1 en ROPN1L en de ontwikkeling en functie van de buitenste dichte vezels. Muizen met een tekort aan beide genen hadden immotiel sperma en het dunner worden en versnipperen van het hoofddeel.170

Immunocytochemie heeft aangetoond dat FS-eiwitten in een distale-naar-proximale richting langs het axonoom worden geassembleerd, waarbij ze uiteindelijk de ODF-assemblage in het periaxonemale cytoplasmatische compartiment ontmoeten en overlappen.166 In tegenstelling tot de associatie van ODF’s binnen cytoplasmatische korrellichamen, worden FS-eiwitten willekeurig verdeeld in het cytoplasma van de caudale spermatide en vervolgens rechtstreeks langs de axoneem naar hun assemblageplaats geleid.

De axoneem ontwikkelt zich vanuit een van de centriolenparen die aanvankelijk dicht bij het Golgi-gebied van de ronde spermatide liggen. De groei van het axonoom begint in de ronde spermatide voordat de cytoplasmatische reorganisatie de centriool in contact brengt met de kern of het celmembraan van de spermatide. Dit lijkt in contrast te staan met de ontwikkeling van primaire cilia, die pas met de flagellaire groei beginnen nadat ze aan het celmembraan zijn vastgeklonken.171 Er zijn nog meer studies nodig om de ontwikkeling van het axonoom van spermatozoïden in detail te documenteren. Het ontluikende axonoom komt, door de cytoplasmatische reorganisatie die plaatsvindt, aan de tegenovergestelde pool van de kern aan het acrosoom vast te zitten door middel van een complexe ‘articulatie’, het verbindingsstuk dat eerder werd beschreven (zie Fig. 136-8).

De ontwikkeling van de articulatie verloopt parallel aan de verlenging en condensatie van de spermakop en wordt verondersteld gepaard te gaan met een proces dat intraflagellair transport (IFT) wordt genoemd.172 Ook hier geldt, hoewel dit het best onderzocht kan worden in primaire cilia, dat muizen met mutaties in de kern IFT genen vaak/altijd onvruchtbaar zijn, wat een behoud van functie suggereert.173

Uit de nek steekt het middenstuk (∼5 μm lang in menselijk sperma), dat bestaat uit het axonoom omgeven door negen ODF’s en tenslotte de mitochondriale schede. Sommige ODF-eiwitten lijken te worden opgeslagen in korrelige lichaampjes in het cytoplasma van de spermatide voordat ze zich in een proximale-naar-distale richting langs het axonoom verzamelen.166,167 Immunogold-labelingstudies met ODF-27 en ODF-84 antilichamen hebben lokalisatie in de hals van de staart aangetoond, wat bevestigt dat de segmentale kolommen en de basale plaat eiwitten van het cytoskelet-type bevatten die vergelijkbaar zijn met die in het flagellum.167,168 Het middenstuk eindigt in de annulus, een septine-bevattende ringvormige structuur die fungeert als barrière voor eiwitdiffusie.174 Defecten in de vorming of positionering van de annulus zijn in verband gebracht met onvruchtbaarheid bij mens en muis.175,176

Distaal van het middenstuk bevindt zich het hoofdstuk (∼45 μm lang in menselijk sperma) (zie Fig. 136-10 en 136-11). In dit gebied, aan de buitenkant van elk microtubuli doublet van het axonoom, bevindt zich een gemodificeerde ODFs. ODF-3 en ODF-8 zijn echter vervangen door de longitudinale kolommen van het FS. Deze kolommen zijn op hun beurt verbonden door transversale ribben van het hoofddeel. Tezamen lopen de ODF en de FS taps toe over de lengte van de spermastaart en eindigen bij de verbinding met het eindstuk. Het eindstuk bestaat uitsluitend uit het axoneem, omgeven door plasmamembraan.

De functie van de ODF en de vezelige schede moet nog nauwkeurig worden bepaald; maar op zijn minst bieden zij structurele stijfheid voor de beweging van de spermastaart en bescherming tegen schuifkrachten,177 en in het geval van de vezelige schede, als een alternatief platform voor de productie van ATP voor de functie van het axoneem.178 De afwezigheid van de FS-specifieke glycolytische proteïnen, althans bij de muis, resulteert in steriliteit die wordt gekenmerkt door asthenozoospermie.179,180 Talrijke studies hebben aangetoond dat de afhankelijkheid van sperma van ATP gegenereerd door glycolyse in de fibreuze schede en oxidatieve fosforylering door mitochondriën aanzienlijk varieert tussen soorten.181 Interessant is dat de ODF zich, net als het axonem, ontwikkelt in een proximale naar distale richting, terwijl de FS zich ontwikkelt van het uiteinde van de groeiende spermastaart naar het verbindingsstuk toe,166 wat suggereert dat ten minste eiwittransportmechanismen betrokken zijn bij de vorming van de spermastaart.

Naast zijn rol in de vorming van de kop van sperma, wordt de manchet steeds meer betrokken als een transportroute voor eiwitten die betrokken zijn bij de ontwikkeling van de spermastaart. Dit proces wordt intramanchette-transport genoemd,151,182 en defecten in dit proces, zoals blijkt uit defecte manchette-microtubulevorming, leiden vaak tot een abnormale ontwikkeling van de spermastaart.151,183

Het cytoplasma van rijpende spermatiden bevat veel grotendeels ongekarakteriseerde organellen.136 Het chromatoïde lichaam heeft zich echter onlangs gevestigd als een belangrijke determinant van de mannelijke vruchtbaarheid. Het chromatoïde lichaam is een type nuage dat in spermatiden verschijnt als een enkele, gelobuleerde, perinucleaire korrel die migreert en aanleiding geeft tot verschillende korrelvormige lichamen rond het verbindingsstuk en uiteindelijk ook een ring vormt rond de zich ontwikkelende spermastaart net distaal van de annulus.184 Gegevens bevestigen het standpunt dat het chromatoïde lichaam betrokken is bij de opslag en verwerking van microRNA’s die uit het haploïde genoom getranscribeerd zijn185 en dat het via het kinesinemotoreiwit KIF17b mobiel is en betrokken is bij het RNA-metabolisme. Even belangrijk is dat het chromatoïde lichaam, samen met de andere nuagetypen in kiemcellen, een belangrijke plaats blijkt te zijn voor de verwerking van kleine RNA’s, waaronder miRNA’s en piRNA’s.186-188

Tegen het einde van de spermiogenese ondergaan spermatiden het proces van spermiatie en uiteindelijk de ontkoppeling van de ondersteunende Sertoli cel. Dit is een complex proces in verschillende stappen, dat verscheidene dagen in beslag neemt (bv. ∼82 uur bij de rat).189 Bij de rat en de muis begint de spermiatie bij het begin van stadium VII van de zaadlozingscyclus en bij de mens in stadium II, wanneer de langgerekte spermatiden langs het lumen van de zaadbuis zijn gepositioneerd. De kritieke perioden van spermatisering zijn (1) het verdwijnen van de ectoplasmatische specialisatie die is aangebracht om de kop van het sperma aan de Sertoli cel te verankeren, (2) de ontwikkeling en uiteindelijke ontbinding van tubulobulbar complexen die een rol hebben gespeeld bij zowel de verankering van de kiemcellen als de verwijdering van kiemcelcytoplasma, (3) de vorming van het residu-lichaam dat overtollige kiemcelorganellen en cytoplasma bevat, en (4) de uiteindelijke loskoppeling van de spermatozoa van het epitheel van de zaadleider. Elk van deze stappen is op zichzelf al zeer complex en omvat de vorming en verwijdering van talrijke cel-cel-adhesiemoleculen, membraanmodificaties en verwijdering van grote hoeveelheden cytoplasma. Het is dan ook niet verwonderlijk dat dit proces vaak verstoord is, zowel bij mensen als bij diermodellen. Zo blijkt spermiatie het gevoeligste aspect van spermatogenese te zijn voor FSH- en androgeenonttrekking bij zowel knaagdieren als mensen.190-193 Spermiatie wordt vaak verstoord als gevolg van blootstelling aan giftige stoffen in het milieu en genablatie bij de muis.189