Introduktion
Mange af mysterierne bag den menneskelige reproduktion er begravet dybt inde i kroppens organer. Det er f.eks. tilfældet med, hvordan den højt specialiserede sædcelle dannes i testiklerne. Hver celle bliver strømlinet og bevægelig for effektivt at levere sin tæt indpakkede DNA-pakke til en ventende ægcelle. Sædcellernes dannelse og funktion er afgørende for fertiliteten – fejl i mængden, kvaliteten og motiliteten af sædcellerne er årsag til op til 50 % af alle tilfælde af infertilitet og kan påvirke op til 7 % af alle mænd . Vores grundlæggende forståelse af sædets udvikling og funktion er imidlertid mangelfuld, hvilket fører til mangel på viden om, hvordan problemer opstår, der forårsager infertilitet.
Dannelsen af sædceller er omhyggeligt faseopdelt i forskellige regioner i testiklerne . Menneskets sædceller dannes først i de seminiferiske tubuli, hvor DNA opdeles og derefter komprimeres tæt; unødvendige cellekomponenter elimineres; og cellerne differentieres. Disse ændringer danner en kompakt og beskyttet pakke med en lang flagellum (fig. 1A). Disse sædceller kan dog ikke bevæge sig eller befrugte. De opnår disse evner gennem signaler, som de modtager udefra, og som skal overføres gennem cellen uden transkription, som er lukket ned på grund af den tætte komprimering af sædcellernes DNA . Motilitet bliver muliggjort, mens sædcellerne “modnes” ved at bevæge sig gennem bitestiklen, som er et netværk af sammenrullede rør, der, når de er strakt ud, måler flere meter i længden (fig. 1A). I disse rør er sædcellerne badet i væsker, der indeholder modningssignaler, som forbereder dem til at blive leveret til hunnen . Når de er leveret, aktiveres de yderligere gennem en proces kaldet kapacitation ved at udsætte receptorer, der er vigtige for frugtbarheden, og blive hypermotile . Desværre har utilgængeligheden af reproduktionsvæv hindret vores forståelse af den molekylære natur af komponenter, der genererer eller formidler signaler, som bidrager til disse transformationer.
- PowerPoint slide
- større billede
- originalbillede
(A) Hos mennesker dannes sædceller under spermatogenesen i de seminiferiske tubuli, men de er ikke mobile og ikke kompetente til at befrugte. Under transit og opbevaring i epididymis gennemgår de en modning for at opnå evnen til at bevæge sig. Når sædcellerne kommer ind i kvindens reproduktionskanal, bliver de i stand til at befrugte gennem en proces kaldet kapacitation, som ændrer sædhovedmembranen for at muliggøre membranfusion, og som får sædcellerne til at blive hypermotile. (B) I C. elegans dannes sædceller under spermatogenese hos både hermafroditter og hanner. Når hanner parrer sig med hermafroditter, eller når hermafroditter overgår til oocytdannelse, aktiveres sædcellerne. Denne aktivering medfører dannelsen af den pseudopod, der gør det muligt for sædcellerne at kravle.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
Behovet for, at sædcellerne modnes eller aktiveres i en periode med transkriptionel inaktivitet, er almindeligt blandt seksuelt reproducerende dyr, selv simple dyr med meget forskelligt udseende sædceller. Disse mindre komplekse organismer har længe været ideelle til undersøgelse af mandlig frugtbarhed, da de tillader brug af metoder, der ikke er lette at udføre på mennesker. En sådan organisme er den lille nematode Caenorhabditis elegans . C. elegans er gennemsigtig; forskerne kan derfor let se spermatogenese hos hanner eller hermafroditter og befrugtning af oocytter i hermafroditter . C. elegans amøboide sædceller, i modsætning til flagellar-drevne sædceller fra pattedyr, kravler ved hjælp af et vedhæng kaldet en pseudopod . Men ligesom pattedyrs sædceller skal C. elegans-sædcellerne også modtage signaler til dannelsen af deres bevægeapparat, pseudopoden, som bliver aktiv, så snart den er dannet (Fig 1B).
I 1970’erne og 1980’erne foretog C. elegans-forskere masse genetiske screeninger, der identificerede snesevis af gener, der var defekte i spermatogenese (spe) eller befrugtning (fer), når de var muteret . Et eksempel er spe-8-genet, der koder for en proteintyrosinkinase, hvis familiemedlemmer videregiver cellulær information via fosforylering . Flere andre SPE-proteiner fungerer også sammen med SPE-8 og danner SPE-8-signalvejen, der, selv om den er aktiv hos begge køn, er afgørende hos hermafroditter for pseudopodedannelse og motilitet . Nyere genetisk screening har også identificeret en særskilt aktiveringsvej for mandlige sædceller, som udløses af en protease, der leveres af hanner sammen med sædceller . Der er dog stadig betydelige huller i vores forståelse af SPE-8 hermafrodit-signalvejen. Dette omfatter, hvordan denne vej aktiveres, og hvordan signalet spredes i cellerne for at gøre sædcellerne mobile. Forskere har finkæmmet mutanter identificeret ved fertilitetsskærme for at finde disse manglende led, men har endnu ikke sat alle brikkerne sammen for at definere hele vejen.
Et overraskende kandidatmedlem af vejen – zink – blev fundet ved en in vitro-metode til isolering af umodne C. elegans-sædceller og eksponering af dem for forbindelser . Høje niveauer af ekstracellulær zink eller aktivering af SPE-8-vejen fik intracellulære zinkniveauer til at omfordele sig. Disse undersøgelser tyder på, at zink kan igangsætte SPE-8-signalkaskaden eller fungere inden for kaskaden for at aktivere sædceller. De molekylære detaljer om præcis hvordan zink virker i en signalvej – som initieringssignal eller som signaludbredder – var imidlertid uklare.
Historierne konvergerede, da tre forskningsgrupper indså, at de arbejdede på det samme protein – en zinktransportør . Kornfeld- og Ellis-laboratorierne ledte efter proteiner, der ligner de meget evolutionært bevarede ZIP-proteiner, som er opkaldt efter gærens Zrt- og Irt-lignende proteinzinktransportører . De fandt, at sletning af en af disse homologer, zipt-7.1, forårsagede sterilitet. I mellemtiden ledte Singson-laboratoriet efter et signal til aktivering af sædceller ved at screene for frugtbarhedsmutanter. De fandt en mutant med en læsion i det samme gen, som blev opdaget i en af de oprindelige fertilitetsscreeninger, kendt som hc130. Sekventering af hc130-dyrene bekræftede, at de har en mutation i zipt-7.1-genet.
Laboratorierne arbejdede sammen for at fastslå, hvordan zink og ZIPT-7.1-zinktransportøren passer ind i en signalvej, der er nødvendig for frugtbarhed: Er zink et eksternt signal til aktivering eller en intern budbringer af signalet? Et fingerpeg om ZIPT-7.1-funktionen er, at dette transmembranprotein er lokaliseret i sædceller under tidlig udvikling, hvilket indikerer en mulig funktion på interne membraner. Endvidere lokaliseres zipt-7.1 fra C. elegans, når det udtrykkes i pattedyrceller, også til regioner, der overlapper med intracellulære organeller. Forfatterne viser, at ZIPT-7.1 fungerer ved regulering af zinkniveauet i celler: C. elegans mutanter uden zipt-7.1 har lavere niveauer af intern zink, som lagres i interne organeller, og pattedyrceller, der udtrykker C. elegans zipt-7.1, viser en øget zinkoptagelseshastighed i tilstedeværelse af eksternt tilsat mærket zink.
For yderligere at vise, at ZIPT-7.1 fungerer inde i cellerne, har forfatterne bestemt, hvor ZIPT-7.1 fungerer inden for SPE-8-vejen. De fandt, at ZIPT-7.1 fungerer nedstrøms for et medlem af vejen – SPE-6, som er kendt for at fungere inden for cellen – og interagerer med et andet medlem kaldet SPE-4, som også lokaliseres til interne membraner . Dette placerer ZIPT-7.1 i slutningen af SPE-8-vejen for at regulere frigivelsen af zink i cytoplasmaet fra interne lagre for at udbrede aktiveringssignalet. Forfatterne kunne ikke udelukke, at zink også spiller en vis rolle i den ekstracellulære signalering, men antager, at høje niveauer af ekstracellulær zink kan efterligne intracellulær frigivelse og omgå en stor del af SPE-8-vejen. Men da zink og ZIPT-7.1 tydeligvis har intracellulære roller, er det sandsynligt, at det aktiverende signal i SPE-8-vejen stadig mangler at blive belyst.
Modellen for denne vej placerer ZIPT-7.1-proteinet på membranerne af interne organeller, der lagrer zink i inaktive sædceller. Når sædcellerne modtager det stadig mystiske signal, der aktiverer SPE-8-vejen, bliver ZIPT-7.1 aktivt og frigiver zinken fra de intracellulære organeller til cytosolen. Høje niveauer af cytoplasmatisk zink aktiverer formodentlig zinkregulerede proteiner, der udvikler motilitetsstrukturer i fravær af transkription (fig. 2). Dette placerer zink som en vigtig “anden budbringer”, der videresender aktiveringssignalet til intracellulære proteiner, der modulerer motilitetserhvervelse.
- PowerPoint slide
- større billede
- originalbillede
Ved aktivering af SPE-8-signalvejen frigives zink til cytoplasmaet fra intracellulære lagringsorganeller via ZIPT-7.1. Høje niveauer af cytoplasmatisk zink aktiverer endnu ikke identificerede zinkbindende proteiner, der udløser de fysiologiske ændringer for at udvikle motilitetsstrukturer. SPE-8, spermatogenese defekt; ZIPT-7.1, Zrt- og Irt-lignende proteintransporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Fundene i denne artikel er nye, fordi de viser, at zink har en særskilt rolle som en anden budbringer i en defineret biologisk signalvej, der er afgørende for frugtbarhed. Zink, et essentielt mineral, har en veletableret rolle i stabiliseringen af strukturen og den enzymatiske aktivitet af specifikke klasser af zinkbindende proteiner, som f.eks. transkriptionsfaktorer. Manglen på transkription på dette stadium af sædets udvikling gør det imidlertid usandsynligt, at zink virker for at fremme transkription. I stedet afslører denne undersøgelse, hvordan zinkniveauerne kontrolleres og aflæses af cellen. (1) Zinkniveauerne inde i cellen er stærkt regulerede, fordi niveauerne aflæses for at ændre aktiviteten af cellulære proteiner. (2) Zinktransportører er afgørende for reguleringen af zinkniveauerne inde i cellen, hvilket indikerer, at de kan regulere frigivelsen af zink fra interne lagre til cytoplasmaet og ikke kun importen af zink fra det eksterne miljø. (3) Mandlig fertilitet afhænger af sekundære budbringere som zink for at inducere fysiologiske ændringer i sædceller i en kritisk periode, hvor transkriptionen ikke er aktiv.
Denne undersøgelse viser, at roller for zink og zinktransportører i signalering kan være vigtige at undersøge i menneskelig sædudvikling og funktion. Selv om calcium længe har været kendt for at fungere som en signaleringskomponent, der er vigtig for frugtbarhed , dukker der andre rapporter op om zink, der spiller en signaleringrolle i forskellige sammenhænge. Det er f.eks. blevet påvist, at der ved befrugtning sker en frigivelse af zink fra oocytter til det ekstracellulære rum, kaldet en zinkgnisten, når æggene aktiveres . Intracellulær zink kan også regulere calciumfrigivelsen i hjerteceller . I forbindelse med mandlig fertilitet er zinkniveauet højt i testiklerne, og zinktransportører udtrykkes i forskellige regioner af epididymis . Endvidere er zinkmangel forbundet med nedsat fertilitet hos mænd . Da zink er så rigeligt til stede i labyrinten af testikelrørene, er det stadig nødvendigt at finde ud af, hvilken rolle zink spiller for den mandlige fertilitet. Disse undersøgelser viser imidlertid, at undersøgelse af roller for intracellulær zink, der formidler udviklingstransformationer, vil være en vigtig vej at udforske for mange processer på tværs af en bred vifte af arter.