Axonemul

Creșterea axonemului

Axonemul se dezvoltă de la una dintre perechile de centrioli care se află inițial aproape de regiunea Golgi a spermatidei rotunde. Creșterea axonemului începe în spermatozoidul rotund înainte ca reorganizarea citoplasmatică să aducă acrozomul în contact cu membrana celulară a spermatidei. Axonemul nou-născut, prin reorganizarea citoplasmatică care are loc la polul spermatozoizilor, se depune la polul opus al nucleului față de acrozom printr-o „articulație” complexă. Această structură se numește piesă de legătură și seamănă cu un con gol, a cărui bază se articulează cu polul caudal al nucleului. Părțile laterale ale conului sunt formate din nouă coloane cu striații încrucișate, continue cu cele nouă ODF, elementele citoscheletice ale cozii. În miezul gâtului, rămășița centriolului distal ancorează coada de capul spermatozoizilor și dă naștere, de asemenea, filamentului axial sau axonemului cozii (aranjament de 9 + 2 microtubuli). Centriolul proximal însoțitor, care rămâne intact, este, de asemenea, găzduit în interiorul conului, iar axa sa se află la 90 de grade față de axonem (a se vedea figurile 136-10 și 136-11).

Axonemul central care cuprinde doi microtubuli centrali simpli și nouă microtubuli periferici dubleți este conservat în cili și flageli, de la alge la oameni. Au fost definite genele care codifică componentele cheie esențiale pentru motilitate, iar mutațiile în aceste gene constituie o bază genetică fără echivoc pentru infertilitatea și disfuncția respiratorie cunoscută sub numele de discinezie ciliară.161,164 Altele pot reprezenta o cauză importantă minoră, dar semnificativă, a infertilității masculine.165

Au fost identificate unele gene și proteinele codificate de acestea care compun gâtul, ODF-urile și FS.166,167-169 Funcția precisă a ODF-urilor este neclară, dar proprietățile lor elastice și rezistența la tracțiune pot fi componente integrale ale motilității flagelare normale. Expresia genelor care codifică unele dintre aceste proteine apare în spermatozoizii rotunzi timpurii și atinge niveluri maxime în timpul fazei acrozomiale. Unele proteine ODF par să fie stocate în corpuri granulate în citoplasma spermatidelor înainte de asamblarea lor în direcția proximal-distal de-a lungul axonemului.166,167 În spermatogeneza umană, aceste proteine par să se lege de o structură microtubulară care formează un șablon pentru componenta asemănătoare coastelor din piesa principală.135 Studiile de marcare imunologică cu anticorpi anti-ODF-27 și anti-ODF-84 au arătat localizarea la gâtul cozii, confirmând astfel că coloanele segmentare și placa bazală conțin proteine de tip citoschelet asemănătoare cu cele din flagel.167,168

Componentele principale sunt proteinele de ancorare A-kinază 3 și 4, iar studii recente leagă proteinele spermatozoizilor ROPN1 și ROPN1L de dezvoltarea și funcția fibrelor dense externe. Șoarecii deficitari în ambele gene au avut spermatozoizi imobili și subțierea și mărunțirea piesei principale.170

Imunocitochimia a arătat că proteinele FS sunt asamblate într-o direcție de la distal la proximal de-a lungul axonemului, întâlnindu-se și suprapunându-se în cele din urmă cu ansamblul ODF în cadrul compartimentului citoplasmatic periaxonemal.166 Spre deosebire de asocierea ODF în cadrul corpurilor granulare citoplasmatice, proteinele FS sunt distribuite aleatoriu în citoplasma spermatidelor caudale și apoi direcționate direct de-a lungul axonemului către locul lor de asamblare.

Axonemul se dezvoltă de la una dintre perechile de centrioli care se află inițial în apropierea regiunii Golgi a spermatidelor rotunde. Creșterea axonemului începe în spermatozoidul rotund înainte ca reorganizarea citoplasmatică să aducă centriolul în contact cu nucleul sau cu membrana celulară a spermatidei. Acest lucru pare să contrasteze cu dezvoltarea ciliilor primari care încep creșterea flagelară după ce se ancorează la membrana celulară.171 Sunt necesare studii suplimentare pentru a documenta în detaliu modul în care se dezvoltă axonemul spermatozoizilor. Axonemul nou-născut, prin reorganizarea citoplasmatică care are loc, se depune la polul opus al nucleului față de acrozom printr-o „articulație” complexă, piesa de legătură descrisă anterior (a se vedea Fig. 136-8).

Dezvoltarea axonemului continuă în paralel cu alungirea și condensarea capului spermatozoizilor și se crede că implică un proces denumit transport intraflagelar (IFT).172 Din nou, deși cel mai bine explorat în cili primari, șoarecii care poartă mutații în genele IFT de bază sunt adesea/în mod obișnuit infertili, sugerând o conservare a funcției.173

Întinzându-se din gât, se află piesa mediană (∼5 μm lungime la spermatozoizii umani), care este compusă din axonemul înconjurat de nouă ODF și, în final, de învelișul mitocondrial. Unele proteine ODF par să fie stocate în corpuri granulate în citoplasma spermatidelor înainte de asamblarea lor în direcția proximal-distal de-a lungul axonemului.166,167 Studiile de marcare imunologică cu anticorpi ODF-27 și ODF-84 au arătat localizarea la gâtul cozii, confirmând astfel că coloanele segmentare și placa bazală conțin proteine de tip citoschelet asemănătoare cu cele din flagel.167,168 Piesa mediană se termină la annulus, care este o structură inelară care conține septine și care acționează ca o barieră pentru difuzia proteinelor.174 Defectele în formarea sau poziționarea annulusului au fost asociate cu infertilitatea umană și la șoareci.175,176

Distal de piesa mediană este piesa principală (∼45 μm lungime la spermatozoizii umani) (vezi figurile 136-10 și 136-11). În această regiune, în exteriorul fiecărui dublet de microtubuli al axonemului, există un ODF modificat. Cu toate acestea, ODF-3 și ODF-8 sunt înlocuite de coloanele longitudinale ale FS. Aceste coloane sunt, la rândul lor, conectate prin nervurile transversale ale piesei principale. În mod colectiv, ODF și FS se conturează de-a lungul cozii spermatozoizilor și se termină la joncțiunea cu piesa principală. Piesa finală este compusă numai din axonemul înconjurat de membrana plasmatică.

Funcția ODF și a învelișului fibros rămâne să fie definită cu precizie; cu toate acestea, cel puțin, ele oferă rigiditate structurală pentru mișcarea cozii spermatozoizilor și protecție împotriva forțelor de forfecare,177 iar în cazul învelișului fibros, ca o platformă alternativă pentru producerea de ATP pentru funcția axonemului.178 Absența proteinelor glicolitice specifice FS, cel puțin la șoarece, duce la sterilitate caracterizată prin astenozoospermie.179,180 Numeroase studii au arătat că dependența spermatozoizilor de ATP generat de glicoliza din teaca fibroasă și de fosforilarea oxidativă de către mitocondrii variază semnificativ între specii.181 Este interesant faptul că ODF, ca și axonemul, se dezvoltă într-o direcție de la proximal la distal, în timp ce FS se dezvoltă de la vârful cozii spermatozoizilor în creștere spre piesa de legătură,166 sugerând că cel puțin mecanismele de transport al proteinelor sunt implicate în cadrul formării cozii spermatozoizilor.

În plus față de rolul său în modelarea capului spermatozoizilor, manșeta este din ce în ce mai mult implicată ca o autostradă de transport pentru proteinele implicate în dezvoltarea cozii spermatozoizilor. Acest proces a fost denumit transport intramanchette,151,182 iar defectele în acest proces, evidențiate prin formarea defectuoasă a microtubulilor din manchette, tind să ducă la dezvoltarea anormală a cozii spermatozoizilor.151,183

Citoplasma spermatidelor aflate la maturitate conține multe organite necaracterizate în mare parte.136 Corpul cromatoid s-a impus, totuși, recent ca un determinant major al fertilității masculine. Corpul cromatoid este un tip de nuage care apare în spermatozoizi sub forma unui singur granule perinuclear, lobulat, care migrează pentru a da naștere la mai multe corpuri granulare în jurul piesei de legătură și, de asemenea, formează în cele din urmă un inel în jurul cozii spermatozoizilor în curs de dezvoltare, chiar distal față de annulus.184 Datele confirmă opinia conform căreia corpul cromatoid este implicat în stocarea și procesarea microARN-urilor transcrise din genomul haploid185 și, prin intermediul proteinei motor kinezină KIF17b, este mobil și implicat în metabolismul ARN-ului. La fel de important, corpul cromatoid, împreună cu alte tipuri de nuage din celulele germinale, s-a dovedit a fi un loc major pentru procesarea ARN-urilor mici, inclusiv a miARN-urilor și a piARN-urilor.186-188

Cu puțin timp după sfârșitul spermiogenezei, spermații suferă procesul de spermiere și, în cele din urmă, de desprindere de celula Sertoli de susținere. Acesta este un proces complex și în mai multe etape care are loc pe o perioadă de câteva zile (de exemplu, ∼82 ore la șobolan).189 Spermiația începe la șobolan și la șoarece la începutul etapei VII a ciclului seminifer și în etapa II la om, moment în care spermatidele alungite sunt aliniate de-a lungul lumenului tubului seminifer. Perioadele critice ale spermiei sunt (1) îndepărtarea specializării ectoplasmatice puse în aplicare pentru a ancora capul spermatozoidului de celula Sertoli, (2) dezvoltarea și dizolvarea finală a complexelor tubulobulbare care au roluri propuse atât în ancorarea celulelor germinale, cât și în îndepărtarea citoplasmei celulelor germinale, (3) formarea corpului rezidual care conține excesul de organite și citoplasmă a celulelor germinale și (4) dezlipirea finală a spermatozoizilor de epiteliul seminifer. Fiecare dintre aceste etape este în sine extrem de complexă, implicând stabilirea și eliminarea a numeroase molecule de adeziune celulă-celulă, modificări ale membranei și eliminarea unor cantități mari de citoplasmă. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că acest proces este adesea perturbat atât la om, cât și la modelele animale. De exemplu, spermiația pare să fie cel mai sensibil aspect al spermatogenezei la retragerea FSH și a androgenilor atât la rozătoare, cât și la om.190-193 Spermiația este adesea perturbată ca urmare a expunerii la substanțe toxice de mediu și a ablației genice la șoarece.189

.