Bevezetés
Az emberi reprodukció számos rejtélye mélyen a testünk szerveiben van eltemetve. Ilyen például az, hogy hogyan alakul ki a magasan specializált spermiumsejt a herékben. Minden sejt áramvonalassá és mozgékonnyá válik, hogy szorosan becsomagolt DNS-csomagját hatékonyan eljuttassa a várakozó petesejthez. A spermiumok képződése és működése kritikus fontosságú a termékenység szempontjából – a spermiumok mennyiségének, minőségének és mozgékonyságának hibái a meddőségi esetek akár 50%-áért is felelősek, és az összes férfi akár 7%-át is érinthetik. A spermiumok fejlődésének és működésének alapvető ismeretei azonban hiányosak, ami a meddőséget okozó problémák kialakulásának hiányos ismeretéhez vezet.
A spermiumok kialakulása a herék különböző régióiban gondosan lépcsőzetes . Az emberi spermiumok először a szeminiferosus tubulusokban alakulnak ki, ahol a DNS felosztásra kerül, majd szorosan tömörül; a felesleges sejtkomponensek eltávolításra kerülnek; és a sejtek differenciálódnak. Ezek a változások egy kompakt és védett csomagot alkotnak hosszú flagellummal (1A ábra). Ezek a spermiumok azonban nem képesek mozogni vagy megtermékenyíteni. Ezeket a képességeket külsőleg kapott jelek révén szerzik meg, amelyeket a sejten keresztül kell továbbítani a transzkripció nélkül, amely a spermiumok DNS-ének szoros tömörítése miatt leáll . A mozgékonyságot a spermiumok “érése” során a mellékhere, a tekervényes csövek hálózata teszi lehetővé, amely kinyújtva több láb hosszúságú (1A. ábra). Ezekben a tubulusokban a spermiumok olyan folyadékokban fürdenek, amelyek érési jeleket tartalmaznak, amelyek felkészítik őket a nőstényhez való eljuttatásra. A szállítást követően a spermiumok a kapacitációnak nevezett folyamat révén tovább aktiválódnak, mivel a termékenység szempontjából fontos receptorokat fednek fel, és hipermotilissá válnak . Sajnos a reproduktív szövetek hozzáférhetetlensége akadályozta az ezen átalakulásokhoz hozzájáruló jeleket létrehozó vagy közvetítő komponensek molekuláris természetének megértését.
- PowerPoint dia
- nagyobb kép
- eredeti kép
(A) Emberben a spermiumok a spermatogenezis során a szemcsetubulusokban képződnek, de nem mozgékonyak és nem kompetensek a megtermékenyítésre. Az epididimuszban történő tranzit és tárolás során érésen mennek keresztül, hogy mozgásképessé váljanak. A női reproduktív traktusba kerülve a spermiumok a megtermékenyítésre alkalmassá válnak egy kapacitációnak nevezett folyamat révén, amely megváltoztatja a spermiumfej membránját, hogy lehetővé tegye a membránfúziót, és a spermiumok hipermotilissá válnak. (B) A C. elegansban a spermiumok a spermatogenezis során mind a hermafroditákban, mind a hímekben kialakulnak. Amikor a hímek hermafroditákkal párosodnak, vagy amikor a hermafroditák átváltanak petesejtképzésre, a spermiumok aktiválódnak. Ez az aktiváció okozza a pszeudopod kialakulását, amely lehetővé teszi a spermiumok kúszását.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
A spermiumok érésének vagy aktiválódásának szükségessége a transzkripciós inaktivitás időszakában gyakori az ivarosan szaporodó állatok körében, még az egyszerű, nagyon különböző kinézetű spermiumokkal rendelkező állatoknál is. Ezek a kevésbé összetett élőlények már régóta ideálisak a hímek termékenységének tanulmányozására, mivel olyan módszerek alkalmazását teszik lehetővé, amelyeket embereken nem könnyű elvégezni. Az egyik ilyen szervezet a kis fonálféreg Caenorhabditis elegans . A C. elegans átlátszó; így a kutatók könnyen megtekinthetik a hímek vagy hermafroditák spermatogenezisét és a hermafroditákon belüli petesejtek megtermékenyítését. A C. elegans amőboid spermiumai, ellentétben az emlősök flagelláris meghajtású spermiumaival, egy pszeudopodnak nevezett függelék segítségével kúsznak. Az emlősök spermiumaihoz hasonlóan azonban a C. elegans spermiumoknak is jeleket kell kapniuk a mozgási apparátusuk, a pszeudopod kialakításához, amely a kialakulását követően azonnal aktívvá válik (1B ábra).
Az 1970-es és 1980-as években a C. elegans kutatók tömeges genetikai szűréseket végeztek, amelyek több tucat olyan gént azonosítottak, amelyek mutáció esetén hibásak voltak a spermatogenezisben (spe) vagy a megtermékenyítésben (fer) . Az egyik példa a spe-8 gén, amely egy fehérje-tirozinkinázt kódol, amelynek családtagjai foszforiláció útján továbbítják a sejtinformációkat . Számos más SPE-fehérje is az SPE-8-mal együtt működik, az SPE-8 jelátviteli útvonalat alkotva, amely bár mindkét nemben aktív, a hermafroditákban elengedhetetlen a pszeudopódiumképződéshez és a motilitáshoz . Újabb genetikai szűrővizsgálatok egy különálló hím spermiumaktivációs útvonalat is azonosítottak, amelyet a hímek által a spermiumokkal együtt szállított proteáz vált ki . Az SPE-8 hermafrodita jelátviteli útvonalának megértésében azonban továbbra is jelentős hiányosságok vannak. Ez magában foglalja azt is, hogy ez az útvonal hogyan aktiválódik, és hogyan terjed a jel a sejteken belül, hogy a spermiumok mozgathatóvá váljanak. A kutatók átfésülték a termékenységi szűrések során azonosított mutánsokat, hogy megtalálják ezeket a hiányzó láncszemeket, de még nem tudták összerakni az összes darabot a teljes útvonal meghatározásához.
Az útvonal egy meglepő jelölt tagját – a cinket – egy olyan in vitro módszerrel találták meg, amely az éretlen C. elegans spermiumok izolálására és vegyületeknek való kitételére irányul . Az extracelluláris cink magas szintje vagy az SPE-8 útvonal aktiválása az intracelluláris cinkszintek átrendeződését okozta. Ezek a vizsgálatok azt sugallták, hogy a cink kezdeményezheti az SPE-8 jelátviteli kaszkádot, vagy a kaszkádon belül működhet a spermiumok aktiválásában. Azonban annak molekuláris részletei, hogy a cink pontosan hogyan viselkedik a jelátviteli útvonalban – mint a kezdeményező jel vagy mint jelterjesztő – nem voltak világosak.
A történetek akkor futottak össze, amikor három kutatócsoport rájött, hogy ugyanazon a fehérjén dolgoznak – egy cink transzporteren. A Kornfeld és Ellis laboratóriumok olyan fehérjéket kerestek, amelyek hasonlítanak az evolúciósan konzervált ZIP fehérjékhez, amelyek az élesztő Zrt- és Irt-szerű fehérje cink transzporterekről kapták a nevüket . Azt találták, hogy az egyik ilyen homológ, a zipt-7.1 deléciója sterilitást okozott. Eközben a Singson laboratórium termékenységi mutánsok szűrésével spermiumaktiváló jelet keresett. Találtak egy mutánst, amelynek sérülése ugyanabban a génben volt, amelyet a hc130 néven ismert eredeti termékenységi szűrések egyikében fedeztek fel. A hc130-as állatok szekvenálása megerősítette, hogy a zipt-7.1 gén mutációját hordozzák.
A laboratóriumok együtt dolgoztak annak meghatározásán, hogy a cink és a ZIPT-7.1 cink transzporter hogyan illeszkedik a termékenységhez szükséges jelátviteli útvonalba: A cink külső jel az aktiváláshoz vagy a jel belső hírvivője? A ZIPT-7.1 működésével kapcsolatban az egyik támpont az, hogy ez a transzmembránfehérje a korai fejlődő spermiumsejtekben lokalizálódik, ami arra utal, hogy a belső membránoknál lehetséges a funkciója. Továbbá, amikor a C. elegans zipt-7.1-et emlős sejtekben expresszálják, szintén olyan régiókba lokalizálódik, amelyek átfedésben vannak az intracelluláris organellumokkal. A szerzők azt mutatják, hogy a ZIPT-7.1 a sejtek cinkszintjének szabályozásában játszik szerepet: A zipt-7.1 nélküli C. elegans mutánsok alacsonyabb belső cinkszintet mutatnak, amely a belső organellumokban tárolódik, és a C. elegans zipt-7.1-et expresszáló emlőssejtek megnövekedett cinkfelvételi sebességet mutatnak külsőleg hozzáadott, jelölt cink jelenlétében.
A szerzők annak további bizonyítására, hogy a ZIPT-7.1 a sejteken belül működik, meghatározták, hogy a ZIPT-7.1 hol működik az SPE-8 útvonalon belül. Azt találták, hogy a ZIPT-7.1 az útvonal egyik tagjának – SPE-6, amelyről ismert, hogy a sejten belül működik – utána működik, és kölcsönhatásba lép egy másik taggal, az SPE-4-gyel, amely szintén a belső membránokhoz lokalizálódik . Ez a ZIPT-7.1-et az SPE-8 útvonal végére helyezi, hogy szabályozza a cinknek a citoplazmába való felszabadulását a belső raktárakból az aktivációs jel továbbítása érdekében. A szerzők nem tudták kizárni, hogy a cink az extracelluláris jelátvitelben is szerepet játszik, de úgy vélik, hogy a magas extracelluláris cinkszintek utánozhatják az intracelluláris felszabadulást, megkerülve az SPE-8 útvonal nagy részét. Mivel azonban a cinknek és a ZIPT-7.1-nek egyértelműen intracelluláris szerepe van, valószínű, hogy az SPE-8 útvonal aktiváló jelét még nem sikerült tisztázni.
Az útvonal modellje a ZIPT-7.1 fehérjét az inaktív spermiumokban cinket tároló belső organellumok membránjára helyezi. Amikor a spermiumok megkapják a még mindig rejtélyes jelet, amely aktiválja az SPE-8 útvonalat, a ZIPT-7.1 aktívvá válik, és felszabadítja a cinket az intracelluláris organellumokból a citoszolba. A citoplazmatikus cink magas szintje feltehetően aktiválja a cinkszabályozott fehérjéket, amelyek transzkripció hiányában motilitási struktúrákat alakítanak ki (2. ábra). Ez a cinket fontos “második hírvivőnek” helyezi, amely az aktivációs jelet továbbítja a motilitás megszerzését moduláló intracelluláris fehérjéknek.
- PowerPoint dia
- nagyobb kép
- eredeti kép
Az SPE-8 jelátviteli útvonal általi aktiváláskor a cink az intracelluláris tároló organellumokból a ZIPT-7.1-en keresztül a citoplazmába szabadul fel. A citoplazma magas cinkszintje aktiválja a még nem azonosított cinkkötő fehérjéket, amelyek kiváltják a motilitási struktúrák kialakulásához szükséges fiziológiai változásokat. SPE-8, spermatogenesis defective; ZIPT-7.1, Zrt- and Irt-like Protein Transporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
A cikk eredményei újszerűek, mert azt mutatják, hogy a cinknek mint második hírvivőnek határozott szerepe van egy meghatározott biológiai jelátviteli útvonalban, amely létfontosságú a termékenység szempontjából. A cink, egy esszenciális ásványi anyag, jól ismert szerepe van a cinket kötő fehérjék bizonyos osztályainak, például a transzkripciós faktoroknak a szerkezetének és enzimatikus aktivitásának stabilizálásában. A transzkripció hiánya a spermiumok fejlődésének ebben a szakaszában azonban valószínűtlenné teszi, hogy a cink az átírást elősegíti. Ehelyett ez a tanulmány feltárja, hogyan szabályozza és olvassa a cinkszintet a sejt. (1) A sejten belüli cinkszintek erősen szabályozottak, mivel a szintek leolvasása a sejtfehérjék aktivitásának megváltoztatására szolgál. (2) A cink transzporterek kritikus szerepet játszanak a sejten belüli cinkszint szabályozásában, ami azt jelzi, hogy képesek szabályozni a cink belső raktárakból a citoplazmába történő felszabadulását, nem csak a cink külső környezetből történő importját. (3) A férfi termékenység az olyan másodlagos hírvivőktől függ, mint a cink, hogy fiziológiai változásokat idézzenek elő a spermiumokban egy kritikus időszakban, amikor a transzkripció nem aktív.
Ez a tanulmány azt jelzi, hogy a cink és a cink transzporterek szerepe a jelátvitelben fontos lehet a humán spermiumok fejlődésében és működésében. Bár a kalciumról már régóta ismert, hogy a termékenység szempontjából fontos jelátviteli komponensként működik, más jelentések is felbukkannak arról, hogy a cink különböző összefüggésekben jelátviteli szerepet játszik. Például kimutatták, hogy a megtermékenyítéskor a petesejtek aktiválódásakor cink szabadul fel az extracelluláris térbe, amit cink szikrának neveznek. Az intracelluláris cink a szívsejtekben a kalcium felszabadulását is szabályozhatja . A férfi termékenység esetében a herékben magas a cinkszint, és a mellékhere különböző régióiban cink transzporterek fejeződnek ki . Továbbá a cinkhiány összefügg a férfiak csökkent termékenységével . Mivel a cink olyan bőséges a herék tubulusainak labirintusában, a cinknek a férfi termékenységben betöltött szerepét még ki kell bogozni. Ezek a tanulmányok azonban azt mutatják, hogy a fejlődési átalakulásokat közvetítő intracelluláris cink szerepének vizsgálata a fajok széles skáláján számos folyamat esetében fontos út lesz a feltárásra.