Introduzione
Molti dei misteri della riproduzione umana sono sepolti in profondità negli organi del nostro corpo. È il caso di come la cellula spermatica altamente specializzata si forma all’interno dei testicoli. Ogni cellula diventa snella e mobile per consegnare in modo efficiente il suo pacchetto di DNA strettamente avvolto a un ovocita in attesa. La formazione e la funzione degli spermatozoi sono fondamentali per la fertilità. Difetti nella quantità, qualità e motilità degli spermatozoi sono responsabili fino al 50% dei casi di infertilità e possono colpire fino al 7% di tutti gli uomini. Tuttavia, la nostra comprensione di base dello sviluppo e della funzione degli spermatozoi è carente, portando ad una scarsità di conoscenze su come sorgono i problemi che causano l’infertilità.
La formazione degli spermatozoi è accuratamente in diverse regioni dei testicoli. Gli spermatozoi umani si formano prima nei tubuli seminiferi, dove il DNA viene suddiviso e poi compattato strettamente; i componenti cellulari non necessari vengono eliminati e le cellule si differenziano. Questi cambiamenti formano un pacchetto compatto e protetto con un lungo flagello (Fig 1A). Tuttavia, questi spermatozoi non possono muoversi o fecondare. Essi acquisiscono queste capacità attraverso segnali che ricevono dall’esterno e che devono essere trasmessi attraverso la cellula senza trascrizione, che è spenta a causa della stretta compattazione del DNA spermatico. La motilità è abilitata mentre gli spermatozoi “maturano” attraversando l’epididimo, una rete di tubuli arrotolati che, quando sono distesi, misurano diversi metri di lunghezza (Fig 1A). All’interno di questi tubuli, gli spermatozoi sono immersi in fluidi che contengono segnali di maturazione che li preparano per la consegna alla femmina. Una volta consegnati, si attivano ulteriormente attraverso un processo chiamato capacitazione esponendo recettori importanti per la fertilità e diventando ipermotile. Purtroppo, l’inaccessibilità dei tessuti riproduttivi ha ostacolato la nostra comprensione della natura molecolare dei componenti che generano o trasmettono i segnali che contribuiscono a queste trasformazioni.
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(A) Nell’uomo, gli spermatozoi si formano durante la spermatogenesi nei tubuli seminiferi ma non sono mobili né competenti a fecondare. Durante il transito e la conservazione nell’epididimo, subiscono una maturazione per acquisire la capacità di muoversi. Al momento della consegna nel tratto riproduttivo femminile, gli spermatozoi diventano capaci di fecondare attraverso un processo chiamato capacitazione, che altera la membrana della testa dello spermatozoo per permettere la fusione della membrana e fa sì che lo spermatozoo diventi ipermotile. (B) In C. elegans, gli spermatozoi si formano durante la spermatogenesi sia negli ermafroditi che nei maschi. Quando i maschi si accoppiano con gli ermafroditi o quando gli ermafroditi passano alla formazione degli ovociti, gli spermatozoi si attivano. Questa attivazione causa la formazione dello pseudopodio che permette agli spermatozoi di strisciare.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
La necessità che gli spermatozoi maturino o si attivino durante un periodo di inattività trascrizionale è comune tra gli animali a riproduzione sessuale, anche quelli semplici con spermatozoi di aspetto molto diverso. Questi organismi meno complessi sono stati a lungo ideali per lo studio della fertilità maschile, in quanto consentono l’uso di metodi non facilmente realizzabili nell’uomo. Uno di questi organismi è il piccolo nematode Caenorhabditis elegans . C. elegans è trasparente; così, i ricercatori possono facilmente visualizzare la spermatogenesi nei maschi o negli ermafroditi e la fecondazione degli ovociti negli ermafroditi. Gli spermatozoi ameboidi di C. elegans, a differenza degli spermatozoi a propulsione flagellare dei mammiferi, strisciano utilizzando un’appendice chiamata pseudopode. Tuttavia, proprio come gli spermatozoi dei mammiferi, gli spermatozoi di C. elegans devono anche ricevere segnali per indicare la formazione del loro apparato di motilità, lo pseudopode, che diventa attivo non appena si forma (Fig 1B).
Negli anni ’70 e ’80, i ricercatori di C. elegans hanno condotto schermi genetici di massa che hanno identificato decine di geni che erano difettosi nella spermatogenesi (spe) o fecondazione (fer) quando mutati. Un esempio è il gene spe-8 che codifica una proteina tirosina chinasi, i cui membri della famiglia trasmettono informazioni cellulari tramite fosforilazione. Diverse altre proteine SPE funzionano anche con SPE-8, formando la via di segnalazione SPE-8 che, anche se attiva in entrambi i sessi, è essenziale negli ermafroditi per la formazione di pseudopodi e la motilità. Uno screening genetico più recente ha anche identificato una distinta via di attivazione dello sperma maschile innescata da una proteasi consegnata dai maschi insieme allo sperma. Tuttavia, rimangono lacune significative nella nostra comprensione del percorso di segnalazione degli ermafroditi SPE-8. Questo include come questo percorso viene attivato e come il segnale viene propagato all’interno delle cellule per rendere gli spermatozoi mobili. I ricercatori hanno setacciato i mutanti identificati da schermi di fertilità per trovare questi collegamenti mancanti, ma devono ancora mettere insieme tutti i pezzi per definire l’intero percorso.
Un sorprendente candidato membro del percorso – lo zinco – è stato trovato con un metodo in vitro di isolamento degli spermatozoi immaturi di C. elegans ed esponendoli a composti. Alti livelli di zinco extracellulare o l’attivazione del percorso SPE-8 hanno causato una ridistribuzione dei livelli di zinco intracellulare. Questi studi hanno suggerito che lo zinco può avviare la cascata di segnalazione SPE-8 o funzionare all’interno della cascata per attivare lo sperma. Tuttavia, i dettagli molecolari di come esattamente lo zinco agisca in una via di segnalazione – come segnale di inizio o come propagatore del segnale – non erano chiari.
Le storie convergevano quando tre gruppi di ricerca si resero conto che stavano lavorando sulla stessa proteina – un trasportatore di zinco. I laboratori Kornfeld e Ellis erano alla ricerca di proteine che assomigliano alle proteine ZIP, altamente conservate dal punto di vista evolutivo, che prendono il nome dal lievito Zrt- e Irt-like protein zinc transporters. Hanno trovato che la delezione di uno di questi omologhi, zipt-7.1, ha causato sterilità. Nel frattempo, il laboratorio di Singson stava cercando un segnale di attivazione dello sperma attraverso lo screening di mutanti di fertilità. Hanno trovato un mutante con una lesione nello stesso gene scoperto in uno degli schermi originali di fertilità conosciuto come hc130. Il sequenziamento degli animali hc130 ha confermato che essi ospitano una mutazione nel gene zipt-7.1.
I laboratori hanno lavorato insieme per determinare come lo zinco e il trasportatore di zinco ZIPT-7.1 si inseriscono in una via di segnalazione necessaria per la fertilità: Lo zinco è un segnale esterno per l’attivazione o un messaggero interno del segnale? Un indizio sulla funzione di ZIPT-7.1 è che questa proteina transmembrana è localizzata all’interno delle cellule spermatiche in via di sviluppo, indicando una possibile funzione sulle membrane interne. Inoltre, quando C. elegans zipt-7.1 è espresso in cellule di mammifero, si localizza anche in regioni che si sovrappongono con organelli intracellulari. Gli autori dimostrano che ZIPT-7.1 funziona nella regolazione dei livelli di zinco nelle cellule: I mutanti di C. elegans senza zipt-7.1 hanno livelli più bassi di zinco interno, che è immagazzinato negli organelli interni, e le cellule dei mammiferi che esprimono il C. elegans zipt-7.1 mostrano un aumento del tasso di assorbimento dello zinco in presenza di zinco etichettato aggiunto esternamente.
Per dimostrare ulteriormente che ZIPT-7.1 funziona all’interno delle cellule, gli autori hanno determinato dove ZIPT-7.1 funziona nel percorso SPE-8. Hanno scoperto che ZIPT-7.1 funziona a valle di un membro del percorso SPE-6, noto per funzionare all’interno della cellula, e interagisce con un altro membro chiamato SPE-4, che si localizza anche alle membrane interne. Questo pone ZIPT-7.1 alla fine del percorso SPE-8 per regolare il rilascio di zinco nel citoplasma dai depositi interni per propagare il segnale di attivazione. Gli autori non possono escludere che lo zinco abbia anche un ruolo nella segnalazione extracellulare, ma ritengono che alti livelli di zinco extracellulare possano imitare il rilascio intracellulare, bypassando gran parte della via SPE-8. Tuttavia, con lo zinco e ZIPT-7.1 che hanno chiaramente ruoli intracellulari, è probabile che il segnale di attivazione della via SPE-8 sia ancora da chiarire.
Il modello di questa via pone la proteina ZIPT-7.1 sulle membrane degli organelli interni che immagazzinano lo zinco nello sperma inattivo. Quando gli spermatozoi ricevono il segnale ancora misterioso che attiva il percorso SPE-8, ZIPT-7.1 diventa attivo e rilascia lo zinco dagli organelli intracellulari nel citosol. Alti livelli di zinco citoplasmatico presumibilmente attivano proteine regolate dallo zinco che sviluppano strutture di motilità in assenza di trascrizione (Fig 2). Questo pone lo zinco come un importante “secondo messaggero” che rilancia il segnale di attivazione alle proteine intracellulari che modulano l’acquisizione della motilità.
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Su attivazione da parte della via di segnalazione SPE-8, lo zinco viene rilasciato nel citoplasma da organelli di stoccaggio intracellulari tramite ZIPT-7.1. Alti livelli di zinco citoplasmatico attivano proteine leganti lo zinco ancora da identificare che innescano i cambiamenti fisiologici per sviluppare strutture di motilità. SPE-8, spermatogenesi difettosa; ZIPT-7.1, Zrt- e Irt-like Protein Transporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
I risultati di questo articolo sono nuovi perché mostrano che lo zinco ha un ruolo distinto come secondo messaggero in una via di segnalazione biologica definita vitale per la fertilità. Lo zinco, un minerale essenziale, ha ruoli consolidati nella stabilizzazione della struttura e dell’attività enzimatica di specifiche classi di proteine legate allo zinco, come i fattori di trascrizione. Tuttavia, la mancanza di trascrizione in questa fase dello sviluppo dello sperma rende improbabile che lo zinco agisce per promuovere la trascrizione. Invece, questo studio rivela come i livelli di zinco sono controllati e letti dalla cellula. (1) I livelli di zinco all’interno della cellula sono altamente regolati perché i livelli sono letti per cambiare l’attività delle proteine cellulari. (2) I trasportatori di zinco sono fondamentali per regolare i livelli di zinco all’interno della cellula, indicando che possono regolare il rilascio di zinco dai depositi interni nel citoplasma, non solo l’importazione di zinco dall’ambiente esterno. (3) La fertilità maschile dipende da secondi messaggeri come lo zinco per indurre cambiamenti fisiologici nello sperma durante un periodo critico in cui la trascrizione non è attiva.
Questo studio indica che il ruolo dello zinco e dei trasportatori di zinco nella segnalazione può essere importante da indagare nello sviluppo e nella funzione dello sperma umano. Anche se il calcio è stato a lungo conosciuto per funzionare come un componente di segnalazione importante per la fertilità, altri rapporti stanno emergendo di zinco che gioca ruoli di segnalazione in vari contesti. Per esempio, è stato dimostrato che un rilascio di zinco dagli ovociti nello spazio extracellulare, indicato come una scintilla di zinco, si verifica al momento della fecondazione quando le uova si attivano. Lo zinco intracellulare può anche regolare il rilascio di calcio nelle cellule cardiache. Per la fertilità maschile, i livelli di zinco sono elevati nei testicoli, e i trasportatori di zinco sono espressi in diverse regioni dell’epididimo. Inoltre, la carenza di zinco è correlata alla diminuzione della fertilità maschile. Poiché lo zinco è così abbondante nel labirinto dei tubuli testicolari, i ruoli per lo zinco nella fertilità maschile deve ancora essere districato. Tuttavia, questi studi dimostrano che indagare i ruoli per lo zinco intracellulare che media le trasformazioni dello sviluppo sarà una strada importante da esplorare per numerosi processi in una vasta gamma di specie.