Introduction
Monet ihmisen lisääntymisen mysteerit on haudattu syvälle kehomme elimiin. Tällainen on esimerkiksi se, miten erittäin erikoistunut siittiösolu muodostuu kiveksissä. Jokaisesta solusta tulee virtaviivainen ja liikkuva, jotta se voi tehokkaasti toimittaa tiukasti käärityn DNA-pakettinsa odottavalle munasolulle. Siittiöiden muodostuminen ja toiminta ovat ratkaisevan tärkeitä hedelmällisyyden kannalta – siittiöiden määrän, laadun ja liikkuvuuden puutteet ovat syynä jopa 50 prosenttiin hedelmättömyystapauksista, ja ne voivat vaikuttaa jopa 7 prosenttiin kaikista miehistä . Perusymmärryksemme siittiöiden kehityksestä ja toiminnasta on kuitenkin puutteellinen, minkä vuoksi meillä ei ole riittävästi tietoa siitä, miten hedelmättömyyttä aiheuttavat ongelmat syntyvät.
Sperman muodostuminen tapahtuu huolellisesti eri vaiheissa kivesten eri alueilla . Ihmisen siittiöt muodostuvat ensin siemennesteen tubuluksissa, joissa DNA jakautuu ja tiivistyy tiukasti, tarpeettomat solukomponentit poistuvat ja solut erilaistuvat. Nämä muutokset muodostavat tiiviin ja suojatun paketin, jossa on pitkä lippulaite (kuva 1A). Nämä siittiöt eivät kuitenkaan voi liikkua tai hedelmöittää. Ne saavat nämä kyvyt ulkoisesti saamiensa signaalien avulla, jotka on välitettävä solun läpi ilman transkriptiota, joka on pysäytetty siittiöiden DNA:n tiiviin tiivistymisen vuoksi. Liikkuvuus mahdollistuu, kun siittiöt ”kypsyvät” kulkemalla lisäkiveksen läpi, joka on kierrettyjen putkien verkosto, joka venytettynä on useita metrejä pitkä (kuva 1A). Näissä tubuluksissa siittiöt kylpevät nesteissä, jotka sisältävät kypsymissignaaleja, jotka valmistelevat niitä toimitettavaksi naaraaseen . Kun ne on toimitettu, ne aktivoituvat edelleen kapasitaatioksi kutsutun prosessin kautta paljastamalla hedelmällisyyden kannalta tärkeitä reseptoreita ja muuttumalla hypermotiliksi . Valitettavasti lisääntymiskudosten saavuttamattomuus on estänyt ymmärtämästä niiden komponenttien molekulaarista luonnetta, jotka tuottavat tai välittävät signaaleja, jotka edistävät näitä muutoksia.
- PowerPoint-dia
- suurempi kuva
- alkuperäinen kuva
(A) Ihmisellä siittiöitä muodostuu spermatogeneesin aikana siemennesteen tubuluksissa, mutta ne eivät ole liikkuvia eivätkä päteviä hedelmöittämään. Lisäkiveksissä tapahtuvan kuljetuksen ja varastoinnin aikana ne kypsyvät saadakseen kyvyn liikkua. Kun siittiöt toimitetaan naisen sukuelimiin, niistä tulee hedelmöityskykyisiä kapasitaatioksi kutsutun prosessin kautta, joka muuttaa siittiöiden pääkalvoa siten, että kalvojen sulautuminen on mahdollista, ja aiheuttaa siittiöiden hypermotiliteetin. (B) C. elegansissa siittiöitä muodostuu spermatogeneesin aikana sekä hermafrodiiteissa että uroksissa. Kun urokset parittelevat hermafrodiitteja tai kun hermafrodiitit siirtyvät munasolujen muodostukseen, siittiöt aktivoituvat. Tämä aktivoituminen aiheuttaa pseudopodin muodostumisen, joka mahdollistaa siittiöiden ryömimisen.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
Tarve siittiöiden kypsymiselle tai aktivoitumiselle transkriptionaalisen inaktiivisuuden aikana on yleistä sukupuolisesti lisääntyvillä eläimillä, jopa yksinkertaisilla eläimillä, joilla on hyvin erinäköisiä siittiöitä. Nämä vähemmän monimutkaiset organismit ovat jo pitkään olleet ihanteellisia urosten hedelmällisyyden tutkimiseen, koska ne mahdollistavat sellaisten menetelmien käytön, joita ei ole helppo toteuttaa ihmisillä. Yksi tällainen organismi on pieni sukkulamato Caenorhabditis elegans . C. elegans on läpinäkyvä, joten tutkijat voivat helposti tarkastella urosten tai hermafrodiittien spermatogeneesiä ja hermafrodiittien munasolujen hedelmöittymistä. C. elegansin amoeboidiset siittiöt, toisin kuin nisäkkäiden lippusolujen avulla liikkuvat siittiöt, ryömivät pseudopodiksi kutsutun lisäkkeen avulla. Nisäkkäiden siittiöiden tapaan myös C. elegansin siittiöiden on kuitenkin saatava signaaleja, jotka ohjaavat niiden liikkuvuuslaitteen, pseudopodin, muodostumista, joka aktivoituu heti sen muodostuttua (kuva 1B).
1970- ja 1980-luvuilla C. elegansin tutkijat suorittivat geneettisiä massaseulontoja, joiden avulla tunnistettiin kymmeniä geenejä, jotka mutatoituneina viallisina häiritsivät siemennesteen muodostumista (spe) tai hedelmöittymistä (fer) . Yksi esimerkki on spe-8-geeni, joka koodaa proteiinityrosiinikinaasia, jonka perheenjäsenet välittävät solutietoa fosforylaation kautta . Useat muut SPE-proteiinit toimivat myös SPE-8:n kanssa muodostaen SPE-8-signalointireitin, joka on aktiivinen molemmissa sukupuolissa, mutta joka on olennainen hermafrodiiteissa pseudopodin muodostumisen ja liikkuvuuden kannalta . Tuoreemmassa geneettisessä seulonnassa tunnistettiin myös erillinen urospuolisten siittiöiden aktivoitumisreitti, jonka käynnistää urosten siittiöiden mukana toimittama proteaasi . SPE-8:n hermafrodiitin signaalireitin ymmärtämisessä on kuitenkin edelleen merkittäviä puutteita. Tämä koskee muun muassa sitä, miten tämä reitti aktivoituu ja miten signaali leviää solujen sisällä, jotta siittiöistä tulee liikkuvia. Tutkijat ovat haravoineet hedelmällisyysseulonnoissa tunnistettuja mutantteja löytääkseen nämä puuttuvat linkit, mutta he eivät ole vielä saaneet koottua kaikkia palasia yhteen koko reitin määrittelemiseksi.
Yllättävä ehdokas reitin jäseneksi – sinkki – löydettiin in vitro -menetelmällä, jossa epäkypsät C. elegansin siittiöt eristetään ja altistetaan yhdisteille . Korkeat solunulkoisen sinkin tasot tai SPE-8-reitin aktivointi aiheuttivat solunsisäisten sinkkitasojen uudelleen jakautumisen. Nämä tutkimukset viittasivat siihen, että sinkki voi käynnistää SPE-8-signalointikaskadin tai toimia sen sisällä siittiöiden aktivoimiseksi. Molekulaariset yksityiskohdat siitä, miten sinkki tarkalleen ottaen toimii signaalireitillä – aloitussignaalina tai signaalin levittäjänä – olivat kuitenkin epäselviä.
Tarinat lähenivät toisiaan, kun kolme tutkimusryhmää huomasi, että ne työskentelivät saman proteiinin parissa – sinkinkuljettajan . Kornfeldin ja Ellisin laboratoriot etsivät proteiineja, jotka muistuttavat evolutiivisesti hyvin konservoituneita ZIP-proteiineja, jotka on nimetty hiivan Zrt- ja Irt-like-proteiinien sinkkikuljettajien mukaan . He havaitsivat, että yhden näistä homologeista, zipt-7.1:n, poistaminen aiheutti steriiliyttä. Samaan aikaan Singsonin laboratorio etsi siittiöiden aktivointisignaalia seulomalla hedelmällisyysmutantteja. He löysivät mutantin, jossa oli vaurio samassa geenissä, joka löydettiin yhdessä alkuperäisessä hedelmällisyysseulonnassa nimellä hc130. Sekvensoimalla hc130-eläimet vahvistettiin, että niissä oli mutaatio zipt-7.1 -geenissä.
Laboratoriot työskentelivät yhdessä selvittääkseen, miten sinkki ja ZIPT-7.1-sinkkikuljettaja sopivat hedelmällisyyteen tarvittavaan signaalireittiin: Onko sinkki ulkoinen aktivointisignaali vai signaalin sisäinen viestinviejä? Yksi vihje ZIPT-7.1:n toiminnasta on se, että tämä transmembraaniproteiini on lokalisoitunut varhaisessa kehitysvaiheessa oleviin siittiöihin, mikä viittaa mahdolliseen toimintaan sisäisillä kalvoilla. Lisäksi kun C. elegansin zipt-7.1:tä ilmentyy nisäkässoluissa, se myös lokalisoituu alueille, jotka ovat päällekkäisiä solunsisäisten organellien kanssa. Kirjoittajat osoittavat, että ZIPT-7.1 toimii solujen sinkkitasojen säätelyssä: C. elegans -mutaatioilla, joissa ei ole zipt-7.1:tä, on alhaisemmat sisäisen sinkin tasot, joka varastoituu sisäisiin organelleihin, ja nisäkässoluissa, jotka ilmentävät C. elegansin zipt-7.1:tä, on havaittavissa lisääntynyttä sinkin ottoa ulkoisesti lisätyn merkityn sinkin läsnä ollessa.
Tekijät osoittivat lisäksi, että ZIPT-7.1 toimii solujen sisällä, ja määrittivät, missä ZIPT-7.1 toimii SPE-8-reitillä. He havaitsivat, että ZIPT-7.1 toimii solun sisällä tunnetusti toimivan reitin jäsenen SPE-6:n jälkeen ja on vuorovaikutuksessa toisen SPE-4-nimisen jäsenen kanssa, joka myös lokalisoituu sisäisiin kalvoihin . Tämä asettaa ZIPT-7.1:n SPE-8-reitin päähän säätelemään sinkin vapautumista sytoplasmaan sisäisistä varastoista aktivointisignaalin levittämiseksi. Kirjoittajat eivät voineet sulkea pois sitä, että sinkillä on jonkinlainen rooli myös solunulkoisessa signaloinnissa, mutta he katsovat, että korkea solunulkoisen sinkin määrä voi jäljitellä solunsisäistä vapautumista, jolloin suuri osa SPE-8-reitistä ohitetaan. Koska sinkillä ja ZIPT-7.1:llä on kuitenkin selvästi solunsisäisiä rooleja, on todennäköistä, että SPE-8-reitin aktivoivaa signaalia ei ole vielä selvitetty.
Tämän reitin mallissa ZIPT-7.1-proteiini sijoitetaan sellaisten sisäisten organellien kalvoille, jotka varastoivat sinkkiä inaktiivisessa spermassa. Kun siittiöt saavat vielä salaperäisen signaalin, joka aktivoi SPE-8-reitin, ZIPT-7.1 aktivoituu ja vapauttaa sinkin solunsisäisistä organelleista sytosoliin. Suuret sytoplasman sinkkipitoisuudet aktivoivat oletettavasti sinkin säätelemiä proteiineja, jotka kehittävät liikkuvuusrakenteita ilman transkriptiota (kuva 2). Tämä asettaa sinkin tärkeäksi ”toiseksi lähettilääksi”, joka välittää aktivointisignaalin solunsisäisille proteiineille, jotka moduloivat motiliteetin hankintaa.
- PowerPoint-dia
- suurempi kuva
- alkuperäinen kuva
SPE-8-signalointireitin aktivoituessa sinkki vapautuu solunsisäisistä varastointiorganelleista sytoplasmaan ZIPT-7.1:n kautta. Korkeat sytoplasman sinkkipitoisuudet aktivoivat vielä tunnistamattomia sinkkiä sitovia proteiineja, jotka käynnistävät fysiologiset muutokset liikkuvuusrakenteiden kehittämiseksi. SPE-8, spermatogeneesivirhe; ZIPT-7.1, Zrt- and Irt-like Protein Transporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Tässä artikkelissa esitetyt havainnot ovat uudenlaisia, koska ne osoittavat, että sinkillä on selvä rooli toisena lähettiläänä määritellyssä biologisessa signaalireitissä, joka on elintärkeä hedelmällisyyden kannalta. Sinkillä, joka on välttämätön kivennäisaine, on vakiintunut rooli tiettyjen sinkkiä sitovien proteiiniluokkien, kuten transkriptiotekijöiden, rakenteen ja entsymaattisen aktiivisuuden vakauttamisessa. Koska transkriptiota ei kuitenkaan tapahdu siittiöiden kehityksen tässä vaiheessa, on epätodennäköistä, että sinkki edistäisi transkriptiota. Sen sijaan tämä tutkimus paljastaa, miten solu kontrolloi ja lukee sinkkitasoja. (1) Sinkkitasot solun sisällä ovat hyvin säänneltyjä, koska tasoja luetaan soluproteiinien aktiivisuuden muuttamiseksi. (2) Sinkkikuljettajat ovat kriittisiä solun sisäisten sinkkitasojen säätelyssä, mikä osoittaa, että ne voivat säädellä sinkin vapautumista sisäisistä varastoista sytoplasmaan, eivät vain sinkin tuontia ulkoisesta ympäristöstä. (3) Miehen hedelmällisyys on riippuvainen sinkin kaltaisista toisista sanansaattajista, jotka saavat aikaan fysiologisia muutoksia siittiöissä kriittisenä ajanjaksona, jolloin transkriptio ei ole aktiivista.
Tämä tutkimus osoittaa, että sinkin ja sinkkikuljettajien roolit viestinvälityksessä voivat olla tärkeitä tutkittavia ihmisen siittiöiden kehityksessä ja toiminnassa. Vaikka kalsiumin on jo pitkään tiedetty toimivan hedelmällisyyden kannalta tärkeänä signaalikomponenttina, on tullut esiin muitakin raportteja, joiden mukaan sinkillä on signaalitoimintoja eri yhteyksissä. Esimerkiksi sinkin vapautumisen munasoluista solunulkoiseen tilaan, jota kutsutaan sinkkikipinäksi, on osoitettu tapahtuvan hedelmöityksen yhteydessä, kun munasolut aktivoituvat. Solunsisäinen sinkki voi myös säädellä kalsiumin vapautumista sydänsoluissa . Miesten hedelmällisyyden kannalta sinkkipitoisuudet ovat korkeita kiveksissä, ja sinkkikuljettajia ilmentyy lisäkivesten eri alueilla . Lisäksi sinkin puute korreloi miesten heikentyneen hedelmällisyyden kanssa . Koska sinkkiä on niin runsaasti kivesten tubulusten labyrintissä, sinkin roolit miehen hedelmällisyydessä on vielä selvitettävä. Nämä tutkimukset osoittavat kuitenkin, että solunsisäisen sinkin roolien tutkiminen kehityssidonnaisten muutosten välittäjänä on tärkeä tie, jota on tutkittava lukuisissa prosesseissa useissa eri lajeissa.