Axoneme

Axonemets tillväxt

Axonemet utvecklas från ett av de par centrioler som till en början ligger nära Golgiregionen i den runda spermatiden. Axonemets tillväxt börjar i den runda spermatiden innan den cytoplasmatiska omorganisationen gör att akrosomet kommer i kontakt med spermatidens cellmembran. Det framväxande axonemet, genom den cytoplasmatiska omorganiseringen som äger rum spermiernas pol, lägger sig vid kärnans motsatta pol till akrosomet genom en komplex ”artikulation”. Denna struktur kallas för anslutningsstycket och liknar en ihålig kon, vars bas artikulerar med kärnans kaudala pol. Sidorna av konen består av nio tvärstrimmiga kolumner som är kontinuerliga med de nio ODF:erna, svansens cytoskeletala element. I halsens kärna förankrar resterna av den distala centriolen svansen till spermiehuvudet och ger också upphov till svansens axiella filament, eller axonem, (9 + 2 arrangemang av mikrotubuli). Den proximala centriolen, som förblir intakt, är också förankrad i konen och dess axel ligger i 90 grader i förhållande till axonemet (se figurerna 136-10 och 136-11).

Den centrala axonemet som består av två centrala enkla mikrotubuli och nio perifera dubblettmikrotubuli finns bevarad i cilier och flageller från alger till människor. Gener som kodar för nyckelkomponenter som är viktiga för motilitet har definierats, och mutationer i dessa gener utgör en otvetydig genetisk grund för infertilitet och respiratorisk dysfunktion som kallas ciliär dyskinesi.161,164 Andra kan stå för en mindre men ändå betydande viktig orsak till manlig infertilitet.165

Vissa gener och deras kodade proteiner som utgör halsen, ODF:erna och FS har identifierats.166,167-169 ODF:ernas exakta funktion är oklar, men deras elastiska egenskaper och dragstyrka kan vara integrerade komponenter i normal flagellär motilitet. Uttryck av gener som kodar för några av dessa proteiner sker i tidiga runda spermatider och når toppnivåer under akrosomfasen. Vissa ODF-proteiner tycks lagras i granulerade kroppar i spermatidcytoplasman innan de samlas i en proximal till distal riktning längs axonemet.166,167 I mänsklig spermatogenes tycks dessa proteiner binda till ett mikrotubulärt ramverk som bildar en mall för den ribbliknande komponenten i huvudstycket.135 Immunogold-märkningsstudier med anti-ODF-27- och anti-ODF-84-antikroppar har visat lokalisering till svanshalsen, vilket bekräftar att segmentkolumnerna och basalplattan innehåller proteiner av cytoskelett-typ som liknar dem i flagellen.167,168

De primära komponenterna är A-kinasets förankringsproteiner 3 och 4, och nyligen genomförda studier kopplar spermaproteinerna ROPN1 och ROPN1L till utvecklingen och funktionen av de yttre täta fibrerna. Möss med brist på båda generna hade immotila spermier och gallring och strimling av huvudstycket.170

Immunocytokemi har visat att FS-proteinerna monteras i en distal till proximal riktning längs axonemet, för att så småningom möta och överlappa ODF-monteringen inom det periaxonemala cytoplasmatiska kompartmentet.166 Till skillnad från associeringen av ODF:er inom cytoplasmatiska granulära kroppar fördelas FS-proteinerna slumpmässigt i cytoplasman i den kaudala spermatidcytoplasman och riktas sedan direkt längs axonemet till sin samlingsplats.

Axonemet utvecklas från ett av paret centrioler som till en början ligger nära Golgiregionen i den runda spermatiden. Axonemets tillväxt börjar i den runda spermatiden innan den cytoplasmatiska omorganisationen gör att centriolen kommer i kontakt med spermatidens kärna eller cellmembran. Detta tycks stå i kontrast till utvecklingen av primära cilier som påbörjar flagellartillväxten efter att ha dockat till cellmembranet.171 Det krävs ytterligare studier för att dokumentera i detalj hur spermiernas axonem utvecklas. Det framväxande axonemet, genom den cytoplasmatiska omorganisation som äger rum, lägger sig vid kärnans motsatta pol till akrosomet genom en komplex ”artikulation”, den förbindningsdel som beskrevs tidigare (se fig. 136-8).

Axonemutvecklingen fortsätter parallellt med spermiehuvudets förlängning och kondensering och tros involvera en process som kallas intraflagellär transport (IFT).172 Återigen, även om den bäst utforskas i primära cilier, är möss som bär på mutationer i centrala IFT-gener ofta/oftast infertila, vilket tyder på ett bevarande av funktionen.173

Utdraget från halsen är mittstycket (∼5 μm långt i mänsklig sperma), som består av axonemet som omges av nio ODF:er och slutligen mitokondriehöljet. Vissa ODF-proteiner verkar lagras i granulerade kroppar i spermatidcytoplasman innan de samlas i en proximal till distal riktning längs axonemet.166,167 Immunogold-märkningsstudier med ODF-27- och ODF-84-antikroppar har visat lokalisering till svanshalsen, vilket bekräftar att de segmentala kolumnerna och basalplattan innehåller proteiner av cytoskelett-typ som liknar dem i flagellen.167,168 Mittstycket avslutas vid annulus, som är en septininnehållande ringliknande struktur som fungerar som en barriär för proteindiffusion.174 Defekter i annulusbildning eller -placering har förknippats med infertilitet hos människor och möss.175,176

Distal till mittstycket är huvudstycket (∼45 μm långt i mänsklig sperma) (se fig. 136-10 och 136-11). I detta område, utanför varje mikrotubuldubbel i axonemet, finns en modifierad ODFs. ODF-3 och ODF-8 är dock ersatta av de longitudinella kolumnerna i FS. Dessa kolumner är i sin tur förbundna med tvärgående ribbor i huvudstycket. Sammantaget smalnar ODF och FS av längs spermiesvansens längd och avslutas i korsningen med ändstycket. Slutstycket består enbart av axonemet omgivet av plasmamembran.

Funktionen hos ODF och det fibrösa höljet är fortfarande inte exakt definierad, men åtminstone ger de strukturell styvhet för spermiesvansens rörelse och skydd mot skjuvkrafter,177 och när det gäller det fibrösa höljet, som en alternativ plattform för produktion av ATP för axonemets funktion.178 Frånvaron av de FS-specifika glykolytiska proteinerna, åtminstone hos musen, resulterar i sterilitet som kännetecknas av astenozoospermi.179,180 Ett flertal studier har visat att spermiernas beroende av ATP som genereras av glykolys i det fibrösa höljet och oxidativ fosforylering av mitokondrier varierar avsevärt mellan olika arter181 . Intressant nog utvecklas ODF, liksom axonemet, i en proximal till distal riktning, medan FS utvecklas från den växande spermiesvansens spets mot anslutningsstycket,166 vilket tyder på att åtminstone proteintransportmekanismer är involverade i bildandet av spermiesvansens formning.

Förutom sin roll i spermiehuvudets formning, blir manchetten alltmer inblandad som transportväg för proteiner som är involverade i spermiesvansens utveckling. Denna process har benämnts intramanchette transport,151,182 och defekter i denna process, vilket framgår av defekt manchette mikrotubulibildning, tenderar att resultera i onormal spermiesvansutveckling.151,183

Cytoplasman i mognande spermatider innehåller många i stort sett okarakteriserade organeller.136 Kromatoidkroppen har dock nyligen etablerat sig som en viktig bestämningsfaktor för manlig fertilitet. Den kromatoida kroppen är en typ av nuage som uppträder i spermatider som en enda, lobulerad, perinukleär granula som migrerar för att ge upphov till flera granulära kroppar runt anslutningsstycket och som också i slutändan bildar en ring runt den framväxande spermastjärten precis distalt från ringmuskeln.184 Uppgifter bekräftar uppfattningen att den kromatoida kroppen är involverad i lagringen och bearbetningen av mikroRNA:er som transkriberats från den haploida arvsmassan185 och att den genom kinesinmotorproteinet KIF17b är rörlig och involverad i RNA-metabolismen. Lika viktigt är att kromatoidkroppen, tillsammans med de andra typerna av nuage i könsceller, har visat sig vara en viktig plats för bearbetning av små RNA, inklusive miRNA och piRNA.186-188

Till slutet av spermiogenesen genomgår spermatiderna spermiationsprocessen och i slutändan frigörandet från den stödjande Sertoli-cellen. Detta en komplex process i flera steg som sker under flera dagar (t.ex. ∼82 timmar hos råttan).189 Spermiation börjar hos råttan och musen i början av stadium VII av den seminifera cykeln och stadium II hos människan, då de långsträckta spermatiderna är uppradade längs lumen i den seminifera tubulären. De kritiska perioderna under spermiationen är (1) avlägsnande av den ektoplasmatiska specialisering som införts för att förankra spermiehuvudet i Sertoli-cellen, (2) utveckling och slutgiltig upplösning av tubulobulbära komplex som har föreslagits ha en roll i både förankring av könsceller och avlägsnande av könscellscytoplasma, (3) bildande av restkroppen som innehåller överskott av könscellens organeller och cytoplasma, och (4) den slutgiltiga frigörelsen av spermatozoerna från det seminiferiska epitelet. Vart och ett av dessa steg är i sig självt mycket komplext och innebär att många cellcellsadhesionsmolekyler etableras och avlägsnas, att membranen modifieras och att stora mängder cytoplasma avlägsnas. Det är därför inte förvånande att denna process ofta störs hos både människor och djurmodeller. Spermiation verkar till exempel vara den mest känsliga aspekten av spermatogenesen för FSH- och androgenuttag hos både gnagare och människor.190-193 Spermiation störs ofta till följd av exponering för miljögifter och genablation hos musen.189

.