Axoneme

Axoneme Growth

O axoneme desenvolve-se a partir de um dos centríolos que inicialmente se encontram perto da região do espermatóide redondo do Golgi. O crescimento do axonêmico começa na espermatida redonda antes da reorganização citoplasmática que coloca o acrossoma em contato com a membrana celular da espermatida. O axonêmico nascente, através da reorganização citoplasmática que está ocorrendo no pólo do esperma, aloja-se no pólo oposto do núcleo ao acrossomo através de uma complexa “articulação”. Esta estrutura é chamada de peça de ligação e assemelha-se a um cone oco, cuja base se articula com o pólo caudal do núcleo. Os lados do cone consistem em nove colunas cruzadas contínuas com os nove ODFs, elementos citoesqueléticos da cauda. No núcleo do colo, o remanescente do centríolo distal ancora a cauda à cabeça do espermatozóide e também dá origem ao filamento axial, ou axoneme, da cauda (9 + 2 arranjos de microtubos). O centriol proximal companheiro, que permanece intacto, também está alojado dentro do cone, e seu eixo se encontra a 90 graus do axoneme (ver Figs. 136-10 e 136-11).

O axoneme central, composto por dois microtubos centrais simples e nove microtubos periféricos duplos, é conservado em cílios e flagelos de algas para humanos. Genes que codificam componentes-chave essenciais para a motilidade foram definidos, e mutações nestes genes constituem uma base genética inequívoca para infertilidade e disfunção respiratória conhecida como discinesia ciliar.161.164 Outros podem ser responsáveis por uma causa menor, porém importante, de infertilidade masculina.165

alguns genes e suas proteínas codificadas que compõem o pescoço, os ODFs e os FS foram identificados.166,167-169 A função precisa dos ODFs não é clara, mas suas propriedades elásticas e resistência à tração podem ser componentes integrais da motilidade flagelar normal. A expressão dos genes que codificam algumas dessas proteínas ocorre em espermatids redondos precoces e atinge níveis de pico durante a fase acrossômica. Algumas proteínas ODF parecem ser armazenadas em corpos granulados no citoplasma da espermatida antes de sua montagem na direção proximal a cristal ao longo do axônio.166,167 Na espermatogênese humana, estas proteínas parecem se ligar a uma estrutura microtubular que forma um molde para o componente tipo costela da peça principal.135 Estudos imunográficos com anticorpos anti-ODF-27 e anti-ODF-84 mostraram localização no pescoço da cauda, confirmando assim que as colunas segmentares e a placa basal contêm proteínas do tipo citoesqueleto semelhantes às do flagelo.167,168

Os componentes primários são as proteínas de ancoragem A-kinase 3 e 4, e estudos recentes ligam a proteína espermática ROPN1 e ROPN1L ao desenvolvimento e função das fibras densas externas. Ratos deficientes em ambos os genes tinham espermatozóides imunes e desbaste e trituração da peça principal.170

Immunocytochemistry mostrou que as proteínas FS são montadas em uma direção distal a proximal ao longo do axoneme, eventualmente encontrando-se e sobrepondo-se ao conjunto ODF dentro do compartimento citoplasmático periaxonemal.166 Ao contrário da associação de ODFs dentro de corpos granulares citoplasmáticos, as proteínas FS são distribuídas aleatoriamente no citoplasmatide do espermatide caudal e então direcionadas diretamente ao longo do axoneme para seu local de montagem.

O axoneme se desenvolve a partir de um dos centríolos que inicialmente se encontram próximos à região de Golgi do espermatide redondo. O crescimento do axonêmico começa na espermátida redonda antes da reorganização citoplasmática, trazendo o centríolo em contato com o núcleo ou a membrana celular da espermátida. Isto parece contrastar com o desenvolvimento de cílios primários que iniciam o crescimento flagelar após o acoplamento à membrana celular.171 Mais estudos são necessários para documentar os detalhes de como o espermatozóide axonêmico se desenvolve. O axonêmico nascente, através da reorganização citoplasmática que está ocorrendo, aloja-se no pólo oposto do núcleo ao acrossomo através de uma complexa “articulação”, a peça de conexão descrita anteriormente (ver Fig. 136-8).

O desenvolvimento do oxoneme continua em paralelo com o alongamento e condensação da cabeça do esperma e pensa-se que envolve um processo referido como transporte intraflagelar (IFT).172 Novamente, enquanto melhor explorado em cílios primários, ratos portadores de mutações nos genes do núcleo do IFT são frequentemente/usualmente inférteis, sugerindo uma conservação da função.173

Extendendo-se do pescoço, é a peça intermediária (∼5 μm longo em esperma humano), que é composto do axoneme circundado por nove ODFs e finalmente a bainha mitocondrial. Algumas proteínas ODF parecem ser armazenadas em corpos granulados no citoplasma espermatiforme antes de sua montagem no sentido proximal a cristal ao longo do axoneme.166,167 Estudos imunográficos com anticorpos ODF-27 e ODF-84 mostraram localização no colo da cauda, confirmando que as colunas segmentares e a placa basal contêm proteínas do tipo citoesqueleto semelhantes às do flagelo.167,168 A peça central termina no anel, que é uma estrutura em forma de anel contendo septino que atua como barreira à difusão de proteínas.174 Defeitos na formação ou posicionamento do anel foram associados à infertilidade humana e do rato.175,176

Distal à peça central é a peça principal (∼45 μm comprimento no esperma humano) (ver Figs. 136-10 e 136-11). Nesta região, externa a cada duplo microtubo do axoneme, existe um ODF modificado. Entretanto, os ODF-3 e ODF-8 são substituídos pelas colunas longitudinais dos FS. Estas colunas são, por sua vez, ligadas por nervuras transversais da peça principal. Coletivamente, o ODF e o cone do FS ao longo do comprimento da cauda do esperma e terminam na junção com a peça final. A peça final é composta exclusivamente do axoneme circundado pela membrana plasmática.

A função do ODF e da bainha fibrosa permanecem por definir com precisão, porém, no mínimo, proporcionam rigidez estrutural ao movimento da cauda espermática e proteção contra forças de cisalhamento,177 e no caso da bainha fibrosa, como plataforma alternativa para a produção de ATP para a função axoneme.178 A ausência das proteínas glicolíticas específicas do FS, pelo menos no rato, resulta em esterilidade caracterizada por astenozoospermia.179,180 Numerosos estudos têm mostrado que a dependência de esperma em ATP gerado por glicólise na bainha fibrosa e fosforilação oxidativa por mitocôndria varia significativamente entre as espécies.181 Curiosamente, o ODF, assim como o axoneme, desenvolve-se na direção proximal a distal, enquanto o FS se desenvolve da ponta da cauda do esperma em crescimento em direção à peça de conexão,166 sugerindo que pelo menos mecanismos de transporte de proteínas estão envolvidos na formação da cauda do esperma.

Além de seu papel na formação da cabeça do esperma, a manchette está cada vez mais sendo implicada como uma via de transporte de proteínas envolvidas no desenvolvimento da cauda do esperma. Este processo tem sido chamado de transporte intramanchette,151.182 e defeitos neste processo, como evidenciado pela formação defeituosa do microtubo manchette, tendem a resultar no desenvolvimento anormal da cauda do esperma.151.183

O citoplasma de esperma maduro contém muitas organelas em grande parte não caracterizadas.136 O corpo cromatóide, no entanto, recentemente se estabeleceu como um determinante importante da fertilidade masculina. O corpo cromatóide é um tipo de nuage que aparece nos espermatideos como um único grânulo perinuclear, lobulado, que migra para dar origem a vários corpos granulares ao redor da peça de ligação e também acaba por formar um anel ao redor da cauda do esperma em desenvolvimento apenas distal ao anel.184 Dados confirmam a visão de que o corpo cromatóide está envolvido no armazenamento e processamento de microRNAs transcritos do genoma haplóide185 e, através da proteína Kinesina motora KIF17b, é móvel e está implicado no metabolismo do RNA. Igualmente importante, o corpo cromatóide, juntamente com os outros tipos de nuagem nas células germinativas, provou ser um local importante para o processamento de pequenos RNA, incluindo miRNAs e piRNAs.186-188

Para o fim da espermiogénese, os espermatideos são submetidos ao processo de espermação e, em última instância, ao desengate da célula de Sertoli de suporte. Este é um processo complexo e multifásico que ocorre durante um período de vários dias (por exemplo, ∼82 horas no rato).189 A espermação começa no rato e no rato no início do estágio VII do ciclo seminífero e do estágio II no humano, pelo qual os espermatids alongados são alinhados ao longo da luz do túbulo seminífero. Os períodos críticos da espermação são (1) a remoção da especialização ectoplásmica colocada no lugar para ancorar a cabeça do espermatozóide à célula de Sertoli, (2) o desenvolvimento e dissolução final dos complexos tubulobulbar que propuseram papéis tanto na ancoragem das células germinativas como na remoção do citoplasma das células germinativas, (3) a formação do corpo residual que contém excesso de organelas de células germinativas e citoplasma, e (4) o desengajamento final dos espermatozóides do epitélio seminífero. Cada uma destas etapas é em si altamente complexa envolvendo o estabelecimento e remoção de numerosas moléculas de adesão celular, modificações de membranas e remoção de grandes quantidades de citoplasma. Não surpreende, portanto, que este processo seja frequentemente perturbado tanto em modelos humanos como em modelos animais. Por exemplo, a espermação parece ser o aspecto mais sensível da espermatogênese à FSH e à retirada do androgênio tanto em roedores quanto em humanos.190-193 A espermação é freqüentemente perturbada como resultado da exposição a tóxicos ambientais e da ablação do gene no rato.189