Úvod
Mnohá tajemství lidské reprodukce jsou ukryta hluboko v orgánech našeho těla. Tak je tomu i v případě toho, jak se ve varlatech tvoří vysoce specializovaná spermatická buňka. Každá buňka se zefektivní a stane se pohyblivou, aby mohla efektivně doručit svůj pevně zabalený balíček DNA čekajícímu oocytu. Tvorba a funkce spermií má zásadní význam pro plodnost – vady v množství, kvalitě a pohyblivosti spermií jsou příčinou až 50 % případů neplodnosti a mohou postihnout až 7 % všech mužů . Naše základní znalosti o vývoji a funkci spermií jsou však nedostatečné, což vede k nedostatku poznatků o tom, jak vznikají problémy, které způsobují neplodnost.
Tvorba spermií je pečlivě rozfázována v různých oblastech varlat . Lidské spermie se nejprve tvoří v semenných kanálcích, kde dochází k rozdělení DNA a následnému pevnému zhuštění, odstranění nepotřebných buněčných složek a diferenciaci buněk. Tyto změny vytvoří kompaktní a chráněný obal s dlouhým bičíkem (obr. 1A). Tyto spermie se však nemohou pohybovat ani oplodnit. Tyto schopnosti získávají díky signálům, které dostávají zvenčí a které musí být přenášeny buňkou bez transkripce, která je kvůli těsnému zhutnění DNA spermie vypnuta . Pohyblivost je umožněna v době, kdy spermie „dozrávají“ tím, že procházejí nadvarletem, sítí stočených kanálků, které po natažení měří na délku několik metrů (obr. 1A). V těchto kanálcích se spermie koupou v tekutinách, které obsahují signály zrání, jež je připravují na doručení samici . Po doručení se dále aktivují procesem zvaným kapacitace tím, že odhalí receptory důležité pro plodnost a stanou se hypermotilními . Bohužel nepřístupnost reprodukčních tkání nám brání v pochopení molekulární povahy složek, které vytvářejí nebo přenášejí signály přispívající k těmto přeměnám.
- Prezentace PowerPoint
- větší obrázek
- původní obrázek
(A) U člověka se spermie tvoří během spermatogeneze v semenných kanálcích, ale nejsou pohyblivé ani kompetentní k oplození. Během tranzitu a skladování v nadvarleti procházejí zráním, aby získaly schopnost pohybu. Po doručení do ženského pohlavního ústrojí se spermie stávají schopnými oplodnění díky procesu zvanému kapacitace, který mění membránu hlavičky spermie tak, aby umožňovala fúzi membrán, a způsobuje, že se spermie stávají hypermotilními. (B) U C. elegans se spermie tvoří během spermatogeneze jak u hermafroditů, tak u samců. Když se samci spáří s hermafrodity nebo když hermafroditi přejdou na tvorbu oocytů, spermie se aktivují. Tato aktivace způsobuje tvorbu pseudopodů, které umožňují spermiím plazit se.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
Potřeba spermií dozrát nebo se aktivovat během období transkripční nečinnosti je běžná u pohlavně se rozmnožujících živočichů, dokonce i u těch jednoduchých s velmi odlišně vypadajícími spermiemi. Tyto méně složité organismy jsou již dlouho ideální pro studium samčí plodnosti, protože umožňují použití metod, které není snadné provádět u lidí. Jedním z takových organismů je malý hlíst Caenorhabditis elegans . C. elegans je průhledný; výzkumníci tak mohou snadno sledovat spermatogenezi u samců nebo hermafroditů a oplození oocytů v hermafroditech . Améboidní spermie C. elegans se na rozdíl od spermií savců poháněných bičíky plazí pomocí přívěsku zvaného pseudopod . Stejně jako spermie savců však i spermie C. elegans musí přijímat signály, které jim dávají pokyn k vytvoření jejich pohybového aparátu, pseudopodu, který se stává aktivním, jakmile se vytvoří (obr. 1B).
V sedmdesátých a osmdesátých letech minulého století provedli výzkumníci C. elegans hromadné genetické screeningy, které identifikovaly desítky genů, které byly při mutaci defektní ve spermatogenezi (spe) nebo fertilizaci (fer) . Jedním z příkladů je gen spe-8, který kóduje protein tyrozinkinázu, jejíž členové rodiny přenášejí buněčné informace prostřednictvím fosforylace . Spolu s SPE-8 funguje také několik dalších proteinů SPE, které tvoří signální dráhu SPE-8, která je sice aktivní u obou pohlaví, ale u hermafroditů je nezbytná pro tvorbu pseudopodů a pohyblivost . Novější genetický screening také identifikoval odlišnou dráhu aktivace samčích spermií, kterou spouští proteáza dodávaná samci spolu se spermiemi . V našem chápání signální dráhy SPE-8 u hermafroditů však zůstávají značné mezery. To zahrnuje způsob, jakým je tato dráha aktivována a jak se signál šíří v buňkách, aby se spermie staly pohyblivými. Vědci procházejí mutanty identifikované pomocí screeningu plodnosti, aby našli tyto chybějící články, ale zatím se jim nepodařilo dát všechny kousky dohromady a definovat celou dráhu.
Překvapivý kandidátský člen dráhy – zinek – byl nalezen metodou in vitro, kdy byly izolovány nezralé spermie C. elegans a vystaveny působení sloučenin . Vysoké hladiny extracelulárního zinku nebo aktivace dráhy SPE-8 způsobily redistribuci intracelulární hladiny zinku. Tyto studie naznačují, že zinek může iniciovat signální kaskádu SPE-8 nebo fungovat v rámci této kaskády a aktivovat spermie. Molekulární detaily toho, jak přesně zinek působí v signální dráze – jako iniciační signál nebo jako šiřitel signálu – však byly nejasné.
Příběhy se sblížily, když si tři výzkumné skupiny uvědomily, že pracují na stejném proteinu – transportéru zinku . Laboratoře Kornfeld a Ellis hledaly proteiny, které se podobají vysoce evolučně konzervovaným proteinům ZIP, které jsou pojmenovány podle kvasinkových proteinů Zrt- a Irt-like protein zinc transporters . Zjistili, že delece jednoho z těchto homologů, zipt-7.1, způsobuje sterilitu. Mezitím Singsonova laboratoř hledala signál pro aktivaci spermií pomocí screeningu mutantů plodnosti. Nalezli mutanta s poškozením stejného genu, který byl objeven v jednom z původních screeningů plodnosti, známého jako hc130. Sekvenování zvířat hc130 potvrdilo, že nesou mutaci v genu zipt-7.1.
Laboratoře společně pracovaly na určení toho, jak zinek a zinkový transportér ZIPT-7.1 zapadají do signální dráhy potřebné pro plodnost: Je zinek vnějším signálem pro aktivaci, nebo vnitřním poslem signálu? Jedním z vodítek o funkci ZIPT-7.1 je skutečnost, že tento transmembránový protein je lokalizován v raně se vyvíjejících spermatických buňkách, což naznačuje možnou funkci na vnitřních membránách. Dále, když je zipt-7.1 z C. elegans exprimován v savčích buňkách, lokalizuje se také v oblastech, které se překrývají s intracelulárními organelami. Autoři ukazují, že ZIPT-7.1 funguje při regulaci hladiny zinku v buňkách:
Aby autoři dále prokázali, že ZIPT-7.1 funguje uvnitř buněk, určili, kde ZIPT-7.1 v rámci dráhy SPE-8 funguje. Zjistili, že ZIPT-7.1 funguje za členem dráhy – SPE-6, o němž je známo, že funguje uvnitř buňky – a interaguje s dalším členem zvaným SPE-4, který se rovněž lokalizuje na vnitřních membránách . Tím se ZIPT-7.1 dostává na konec dráhy SPE-8, kde reguluje uvolňování zinku z vnitřních zásob do cytoplazmy a šíří tak aktivační signál. Autoři nemohli vyloučit, že zinek hraje určitou roli i v extracelulární signalizaci, ale domnívají se, že vysoké hladiny extracelulárního zinku mohou napodobovat intracelulární uvolňování, čímž se z velké části obejde dráha SPE-8 . Nicméně vzhledem k tomu, že zinek a ZIPT-7.1 mají zjevně intracelulární úlohu, je pravděpodobné, že aktivační signál dráhy SPE-8 bude teprve objasněn.
Model této dráhy umisťuje protein ZIPT-7.1 na membrány vnitřních organel, které uchovávají zinek v neaktivních spermiích. Když spermie obdrží dosud záhadný signál, který aktivuje dráhu SPE-8, ZIPT-7.1 se aktivuje a uvolní zinek z nitrobuněčných organel do cytosolu. Vysoké hladiny cytoplazmatického zinku pravděpodobně aktivují proteiny regulované zinkem, které vyvíjejí pohybové struktury v nepřítomnosti transkripce (obr. 2). To staví zinek do role důležitého „druhého posla“, který předává aktivační signál intracelulárním proteinům, jež modulují získávání motility.
- Prezentace PowerPoint
- větší obrázek
- původní obrázek
Po aktivaci signální dráhou SPE-8 se zinek uvolňuje do cytoplazmy z intracelulárních zásobních organel prostřednictvím ZIPT-7.1. Vysoké hladiny cytoplazmatického zinku aktivují dosud neidentifikované proteiny vázající zinek, které spouštějí fyziologické změny vedoucí k rozvoji pohybových struktur. SPE-8, spermatogenesis defective; ZIPT-7.1, Zrt- and Irt-like Protein Transporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Zjištění tohoto článku jsou nová, protože ukazují, že zinek má odlišnou roli druhého posla v definované biologické signální dráze důležité pro plodnost. Zinek, esenciální minerál, má dobře zavedenou roli při stabilizaci struktury a enzymatické aktivity specifických tříd proteinů vázajících zinek, jako jsou transkripční faktory. Nedostatek transkripce v této fázi vývoje spermií však činí nepravděpodobným, že by zinek působil na podporu transkripce. Místo toho tato studie odhaluje, jak jsou hladiny zinku kontrolovány a čteny buňkou. (1) Hladiny zinku uvnitř buňky jsou vysoce regulovány, protože jejich hladina je čtena pro změnu aktivity buněčných proteinů. (2) Přenašeče zinku jsou pro regulaci hladin zinku uvnitř buňky rozhodující, což naznačuje, že mohou regulovat uvolňování zinku z vnitřních zásob do cytoplazmy, nejen import zinku z vnějšího prostředí. (3) Mužská plodnost závisí na druhých poslech, jako je zinek, který vyvolává fyziologické změny ve spermiích během kritického období, kdy transkripce není aktivní.
Tato studie naznačuje, že role zinku a zinkových transportérů v signalizaci může být důležitá pro zkoumání vývoje a funkce lidských spermií. Ačkoli je již dlouho známo, že vápník funguje jako signální složka důležitá pro plodnost , objevují se další zprávy o tom, že zinek hraje signální roli v různých souvislostech. Bylo například prokázáno, že při oplození dochází k uvolňování zinku z oocytů do extracelulárního prostoru, označovanému jako zinková jiskra, když se vajíčka aktivují . Intracelulární zinek může také regulovat uvolňování vápníku v srdečních buňkách . Pro mužskou plodnost je hladina zinku vysoká ve varlatech a transportéry zinku jsou exprimovány v různých oblastech nadvarlat . Dále je nedostatek zinku spojen se sníženou mužskou plodností . Vzhledem k tomu, že zinek se v labyrintu varletních kanálků vyskytuje v tak hojném množství, je třeba role zinku v mužské plodnosti ještě rozplést. Tyto studie však ukazují, že zkoumání rolí intracelulárního zinku zprostředkovávajícího vývojové proměny bude důležitou cestou ke zkoumání mnoha procesů napříč širokou škálou druhů.
.