Introduction
Vele van de mysteries van de menselijke voortplanting liggen diep begraven in de organen van ons lichaam. Dat is het geval met hoe de zeer gespecialiseerde spermacel zich vormt in de testikels. Elke cel wordt gestroomlijnd en beweeglijk om zijn strak verpakte DNA-pakket efficiënt bij een wachtende eicel af te leveren. De vorming en de werking van zaadcellen zijn van cruciaal belang voor de vruchtbaarheid – defecten in de kwantiteit, kwaliteit en beweeglijkheid van zaadcellen zijn de oorzaak van tot 50% van de gevallen van onvruchtbaarheid en kunnen tot 7% van alle mannen treffen. Onze basiskennis van de ontwikkeling en functie van sperma ontbreekt echter, wat leidt tot een gebrek aan kennis over hoe problemen ontstaan die onvruchtbaarheid veroorzaken.
De vorming van sperma wordt zorgvuldig gefaseerd in verschillende regio’s van de testes . Menselijk sperma wordt eerst gevormd in de zaadbuizen, waar het DNA wordt opgedeeld en vervolgens stevig wordt samengeperst; onnodige celbestanddelen worden geëlimineerd; en cellen differentiëren. Deze veranderingen vormen een compact en beschermd pakket met een lang flagellum (Fig 1A). Deze zaadcellen kunnen zich echter niet verplaatsen of bevruchten. Zij verwerven deze vermogens door signalen die zij van buitenaf ontvangen en die door de cel moeten worden doorgegeven zonder transcriptie, die uitgeschakeld wordt door de strakke verdichting van het DNA van het sperma. De beweeglijkheid wordt mogelijk gemaakt terwijl de zaadcellen “rijpen” door de bijbal te doorkruisen, een netwerk van opgerolde tubuli die, wanneer ze uitgerekt zijn, enkele meters lang zijn (Fig 1A). In deze buisjes worden de zaadcellen ondergedompeld in vloeistoffen die rijpingssignalen bevatten die hen voorbereiden op de levering aan de vrouw. Eenmaal afgeleverd, worden ze verder geactiveerd via een proces dat capacitatie wordt genoemd, door receptoren die belangrijk zijn voor de vruchtbaarheid bloot te leggen en hypermotiel te worden. Helaas heeft de ontoegankelijkheid van reproductieve weefsels ons begrip belemmerd van de moleculaire aard van componenten die signalen genereren of overbrengen die bijdragen aan deze transformaties.
- PowerPoint slide
- grotere afbeelding
- originele afbeelding
(A) Bij de mens worden spermacellen gevormd tijdens de spermatogenese in de zaadbuizen, maar ze zijn niet beweeglijk en niet bevoegd tot bevruchting. Tijdens het transport en de opslag in de epididymis, ondergaan ze rijping om het vermogen om te bewegen te krijgen. Bij aflevering in het vrouwelijke voortplantingskanaal worden de spermacellen geschikt voor bevruchting door een proces dat capacitatie wordt genoemd, waardoor het membraan van de spermakop verandert, zodat membraanfusie mogelijk wordt en de spermacellen hypermotiel worden. (B) Bij C. elegans worden zowel bij hermafrodieten als bij mannetjes spermacellen gevormd tijdens de spermatogenese. Wanneer mannetjes paren met hermafrodieten of wanneer hermafrodieten overschakelen op de vorming van eicellen, worden spermacellen geactiveerd. Deze activering veroorzaakt de vorming van de pseudopod waarmee het sperma kan kruipen.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
De noodzaak voor sperma om te rijpen of te activeren tijdens een periode van transcriptionele inactiviteit is gebruikelijk bij seksueel-reproducerende dieren, zelfs bij eenvoudige met zeer verschillend uitziende spermacellen. Deze minder complexe organismen zijn lang ideaal geweest voor het bestuderen van de mannelijke vruchtbaarheid, omdat zij het gebruik van methoden mogelijk maken die bij de mens niet gemakkelijk uitvoerbaar zijn. Een van die organismen is de kleine nematode Caenorhabditis elegans. C. elegans is doorzichtig; onderzoekers kunnen dus gemakkelijk de spermatogenese bij mannetjes of hermafrodieten en de bevruchting van oöcyten bij hermafrodieten bekijken. C. elegans amoeboïde sperma, in tegenstelling tot de flagellaire voortbewogen sperma van zoogdieren, kruipen met behulp van een aanhangsel genaamd een pseudopod . Maar net als sperma van zoogdieren moeten spermacellen van C. elegans ook signalen ontvangen om de vorming van hun beweeglijkheidsapparaat, de pseudopod, op te wekken, die actief wordt zodra hij gevormd is (Fig 1B).
In de jaren 1970 en 1980 voerden onderzoekers van C. elegans massale genetische screeningen uit die tientallen genen identificeerden die defecten vertoonden in spermatogenese (spe) of bevruchting (fer) wanneer ze gemuteerd waren. Een voorbeeld is het spe-8 gen dat codeert voor een proteïne tyrosine kinase, waarvan de familieleden cellulaire informatie doorgeven via fosforylering. Verscheidene andere SPE-eiwitten functioneren ook samen met SPE-8, en vormen zo de SPE-8-signaalroute die, hoewel actief in beide geslachten, in hermafrodieten essentieel is voor de vorming van pseudopoden en beweeglijkheid. Recenter genetisch onderzoek heeft ook een afzonderlijke activeringsroute voor mannelijk sperma aan het licht gebracht, die in gang wordt gezet door een protease dat door de mannetjes samen met het sperma wordt toegediend. Er blijven echter belangrijke hiaten in ons begrip van de SPE-8 hermafrodiet signaalroute. Dit omvat onder meer hoe deze weg wordt geactiveerd en hoe het signaal wordt verspreid binnen cellen om sperma beweeglijk te maken. Onderzoekers hebben mutanten uitgekamd die door vruchtbaarheidsonderzoeken zijn geïdentificeerd om deze ontbrekende schakels te vinden, maar hebben nog niet alle stukjes samengebracht om de volledige route te definiëren.
Een verrassend kandidaat-lid van de route – zink – werd gevonden door een in vitro methode om onrijp sperma van C. elegans te isoleren en bloot te stellen aan verbindingen. Hoge niveaus van extracellulair zink of de activering van de SPE-8 pathway veroorzaakten een herverdeling van intracellulaire zinkniveaus. Deze studies suggereerden dat zink de SPE-8 signaalcascade kan initiëren of binnen de cascade kan functioneren om sperma te activeren. De moleculaire details van hoe zink precies werkt in een signaleringsroute – als het initiërende signaal of als een signaalverspreider – waren echter onduidelijk.
De verhalen kwamen samen toen drie onderzoeksgroepen zich realiseerden dat zij werkten aan hetzelfde eiwit – een zinktransporter. De laboratoria van Kornfeld en Ellis waren op zoek naar eiwitten die lijken op de zeer evolutionair geconserveerde ZIP-eiwitten, die zijn vernoemd naar de Zrt- en Irt-achtige zinktransporters van gist. Zij ontdekten dat deletie van een van deze homologe eiwitten, zipt-7.1, steriliteit veroorzaakte. Intussen was het Singson-laboratorium op zoek naar een spermaactiveringssignaal door te screenen op vruchtbaarheidsmutanten. Zij vonden een mutant met een beschadiging in hetzelfde gen dat was ontdekt in een van de oorspronkelijke vruchtbaarheidsonderzoeken, bekend onder de naam hc130. Sequencing van hc130 dieren bevestigde dat zij een mutatie in het zipt-7.1 gen dragen.
De laboratoria werkten samen om te bepalen hoe zink en de zinktransporter ZIPT-7.1 passen in een signaleringsroute die nodig is voor vruchtbaarheid: Is zink een extern signaal voor activering of een interne boodschapper van het signaal? Eén aanwijzing voor de functie van ZIPT-7.1 is dat dit transmembraaneiwit gelokaliseerd is in vroeg ontwikkelende spermacellen, wat wijst op een mogelijke functie op interne membranen. Bovendien, wanneer C. elegans zipt-7.1 tot expressie wordt gebracht in zoogdiercellen, lokaliseert het zich ook in gebieden die overlappen met intracellulaire organellen. De auteurs tonen aan dat ZIPT-7.1 functioneert in het reguleren van zink niveaus in cellen: C. elegans mutanten zonder zipt-7.1 hebben lagere niveaus van intern zink, dat wordt opgeslagen in interne organellen, en zoogdiercellen die C. elegans zipt-7.1 tot expressie brengen vertonen een verhoogde zinkopnamesnelheid in aanwezigheid van extern toegevoegd gelabeld zink.
Om verder aan te tonen dat ZIPT-7.1 in de cellen functioneert, bepaalden de auteurs waar ZIPT-7.1 functioneert binnen de SPE-8 pathway. Zij ontdekten dat ZIPT-7.1 stroomafwaarts van een lid van de pathway functioneert – SPE-6, waarvan bekend is dat het binnen de cel functioneert – en interageert met een ander lid, SPE-4 genaamd, dat ook op interne membranen gelokaliseerd is. Dit plaatst ZIPT-7.1 aan het eind van de SPE-8 route om het vrijkomen van zink in het cytoplasma vanuit interne voorraden te reguleren om het activeringssignaal te verspreiden. De auteurs konden niet uitsluiten dat zink ook een rol speelt in extracellulaire signalering, maar stellen dat hoge niveaus van extracellulair zink intracellulaire afgifte kunnen nabootsen, waarbij een groot deel van de SPE-8 route wordt omzeild. Aangezien zink en ZIPT-7.1 echter duidelijk intracellulaire rollen spelen, is het waarschijnlijk dat het activerende signaal van de SPE-8 pathway nog moet worden opgehelderd.
Het model voor deze pathway plaatst het ZIPT-7.1 eiwit op de membranen van interne organellen die zink opslaan in inactief sperma. Wanneer sperma het nog steeds mysterieuze signaal ontvangt dat de SPE-8 pathway activeert, wordt ZIPT-7.1 actief en geeft het zink vrij uit intracellulaire organellen in het cytosol. Hoge concentraties cytoplasmatisch zink activeren vermoedelijk zink-gereguleerde eiwitten die motiliteitsstructuren ontwikkelen in afwezigheid van transcriptie (Fig. 2). Dit plaatst zink als een belangrijke “tweede boodschapper” die het activeringssignaal doorgeeft aan intracellulaire eiwitten die de motiliteitsacquisitie moduleren.
- PowerPoint slide
- grotere afbeelding
- originele afbeelding
Na activering door de SPE-8 signaalweg, wordt zink vrijgegeven in het cytoplasma van intracellulaire opslag organellen via ZIPT-7.1. Hoge cytoplasmatische zinkconcentraties activeren nog niet geïdentificeerde zinkbindende eiwitten die de fysiologische veranderingen in gang zetten voor de ontwikkeling van motiliteitsstructuren. SPE-8, spermatogenese defect; ZIPT-7.1, Zrt- en Irt-like Protein Transporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
De bevindingen van dit artikel zijn nieuw omdat ze aantonen dat zink een aparte rol speelt als een tweede boodschapper in een welbepaalde biologische signaalroute die van vitaal belang is voor de vruchtbaarheid. Zink, een essentieel mineraal, heeft een bewezen rol in het stabiliseren van de structuur en enzymatische activiteit van specifieke klassen van zink-bindende eiwitten, zoals transcriptiefactoren. Het ontbreken van transcriptie in deze fase van de sperma-ontwikkeling maakt het echter onwaarschijnlijk dat zink de transcriptie bevordert. In plaats daarvan onthult deze studie hoe zinkniveaus door de cel worden gecontroleerd en afgelezen. (1) Het zinkgehalte in de cel is sterk gereguleerd omdat het de activiteit van cellulaire eiwitten bepaalt. (2) Zinktransporters zijn cruciaal voor de regulering van zinkniveaus in de cel, wat erop wijst dat zij de vrijgave van zink uit interne voorraden in het cytoplasma kunnen reguleren, en niet alleen de invoer van zink uit de externe omgeving. (3) Mannelijke vruchtbaarheid is afhankelijk van tweede boodschappers zoals zink om fysiologische veranderingen in sperma te induceren tijdens een kritieke periode waarin transcriptie niet actief is.
Deze studie geeft aan dat de rol van zink en zinktransporteurs in signalering belangrijk kan zijn om te onderzoeken in de ontwikkeling en functie van menselijk sperma. Hoewel calcium al lang bekend is als een signaalcomponent die belangrijk is voor de vruchtbaarheid, duiken er andere rapporten op over zink dat in verschillende contexten een signaalfunctie speelt. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat zink vrijkomt uit oöcyten in de extracellulaire ruimte, een zogenaamde zinkvonk, die optreedt bij de bevruchting wanneer de eicellen worden geactiveerd. Intracellulair zink kan ook de afgifte van calcium in hartcellen reguleren. Voor de mannelijke vruchtbaarheid zijn de zinkniveaus hoog in de testes, en zinktransporters komen tot expressie in verschillende regio’s van de epididymis. Verder is zinktekort gecorreleerd met verminderde mannelijke vruchtbaarheid. Omdat zink zo overvloedig aanwezig is in het labyrint van testiculaire tubuli, moet de rol van zink in de mannelijke vruchtbaarheid nog worden ontrafeld. Deze studies tonen echter aan dat het onderzoeken van de rol van intracellulair zink bij ontwikkelingstransformaties een belangrijk onderzoekspad zal zijn voor talrijke processen in een breed scala van soorten.