Wprowadzenie
Wiele tajemnic ludzkiej reprodukcji jest zakopanych głęboko w organach naszego ciała. Tak jest w przypadku tego, jak wysoce wyspecjalizowana komórka plemnikowa tworzy się w jądrach. Każda komórka staje się opływowa i ruchliwa, aby skutecznie dostarczyć swój ściśle owinięty pakiet DNA do oczekującej komórki jajowej. Tworzenie i funkcjonowanie plemników ma kluczowe znaczenie dla płodności – defekty w ilości, jakości i ruchliwości plemników stanowią do 50% przypadków niepłodności i mogą dotyczyć nawet 7% wszystkich mężczyzn. Jednak nasze podstawowe zrozumienie rozwoju i funkcji plemników jest brak, co prowadzi do braku wiedzy o tym, jak powstają problemy, które powodują niepłodność.
Tworzenie plemników jest starannie etapy w różnych regionach jąder . Ludzkie plemniki są najpierw formowane w kanalikach nasiennych, gdzie DNA jest dzielone, a następnie ściśle zagęszczane; niepotrzebne składniki komórkowe są eliminowane; a komórki różnicują się. Zmiany te tworzą zwarty i chroniony pakiet z długą flagellum (ryc. 1A). Plemniki te nie potrafią się jednak poruszać ani zapładniać. Zdolności te nabywają dzięki sygnałom otrzymywanym z zewnątrz, które muszą być przekazywane przez komórkę bez transkrypcji, która jest wyłączona z powodu ścisłego zagęszczenia DNA plemników. Ruchliwość jest możliwa, gdy plemniki „dojrzewają”, przemierzając najądrze – sieć zwiniętych kanalików, które po rozciągnięciu mierzą kilka stóp długości (ryc. 1A). Wewnątrz tych kanalików plemniki są kąpane w płynach zawierających sygnały dojrzewania, które przygotowują je do dostarczenia do samicy. Po dostarczeniu plemniki ulegają dalszej aktywacji w procesie zwanym kapacytacją, w którym odsłaniają receptory ważne dla płodności i stają się hipermotylne. Niestety, niedostępność tkanek rozrodczych utrudniła nam zrozumienie molekularnej natury komponentów, które generują lub przekazują sygnały przyczyniające się do tych przemian.
- slajd PowerPoint
- większy obraz
- obraz oryginalny
(A) U człowieka plemniki powstają podczas spermatogenezy w kanalikach nasiennych, ale nie są ruchliwe ani kompetentne do zapłodnienia. Podczas transportu i przechowywania w najądrzu, przechodzą one dojrzewanie, aby uzyskać zdolność do ruchu. Po dostarczeniu do dróg rodnych samicy, plemniki stają się zdolne do zapłodnienia w procesie zwanym kondensacją, który zmienia błonę główki plemnika, umożliwiając połączenie błon i powoduje, że plemniki stają się hipermotywne. (B) U C. elegans plemniki powstają podczas spermatogenezy zarówno u hermafrodytów, jak i u samców. Gdy samce łączą się w pary z hermafrodytami lub gdy hermafrodyty przechodzą na tworzenie oocytów, plemniki ulegają aktywacji. Aktywacja ta powoduje powstawanie pseudopodiów, które umożliwiają plemnikom pełzanie.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
Potrzeba dojrzewania lub aktywacji plemników w okresie braku aktywności transkrypcyjnej jest powszechna wśród zwierząt rozmnażających się płciowo, nawet tych prostych z bardzo różnie wyglądającymi plemnikami. Te mniej złożone organizmy od dawna są idealne do badania męskiej płodności, ponieważ pozwalają na zastosowanie metod, które nie są łatwe do przeprowadzenia u ludzi. Jednym z takich organizmów jest mały nicień Caenorhabditis elegans . C. elegans jest przezroczysty, dzięki czemu badacze mogą z łatwością obserwować spermatogenezę u samców lub hermafrodytów oraz zapłodnienie oocytów u hermafrodytów. Ameboidalne plemniki C. elegans, w przeciwieństwie do plemników ssaków napędzanych flagellarnie, pełzają za pomocą wyrostka zwanego pseudopodem. Jednakże, podobnie jak plemniki ssaków, plemniki C. elegans muszą również otrzymywać sygnały, aby zachęcić do tworzenia ich aparatu ruchowego, pseudopoda, który staje się aktywny, gdy tylko zostanie utworzony (ryc. 1B).
W latach 70. i 80. ubiegłego wieku badacze C. elegans przeprowadzili masowe badania genetyczne, które zidentyfikowały dziesiątki genów, które po zmutowaniu były wadliwe w spermatogenezie (spe) lub zapłodnieniu (fer). Jednym z przykładów jest gen spe-8, który koduje białkową kinazę tyrozynową, której członkowie rodziny przekazują informacje komórkowe poprzez fosforylację. Kilka innych białek SPE działa również z SPE-8, tworząc szlak sygnałowy SPE-8, który, choć aktywny u obu płci, jest niezbędny u hermafrodytów do tworzenia pseudopodiów i ruchliwości. Nowsze badania genetyczne zidentyfikowały również odrębny szlak aktywacji plemników męskich, uruchamiany przez proteazę dostarczaną przez samce wraz z plemnikami. Jednakże w naszym rozumieniu szlaku sygnalizacyjnego SPE-8 dla hermafrodytów nadal istnieją istotne luki. Dotyczy to sposobu, w jaki szlak ten jest aktywowany i jak sygnał jest propagowany wewnątrz komórek, aby uczynić plemniki ruchliwymi. Naukowcy przeczesują mutanty zidentyfikowane przez ekrany płodności, aby znaleźć te brakujące ogniwa, ale nie udało im się jeszcze zebrać wszystkich kawałków razem, aby zdefiniować cały szlak.
Zaskakujący kandydat na członka szlaku – cynk – został znaleziony dzięki metodzie in vitro izolowania niedojrzałych plemników C. elegans i wystawiania ich na działanie związków chemicznych. Wysoki poziom cynku zewnątrzkomórkowego lub aktywacja szlaku SPE-8 spowodowały redystrybucję wewnątrzkomórkowych poziomów cynku. Badania te sugerowały, że cynk może inicjować kaskadę sygnałową SPE-8 lub funkcjonować w obrębie kaskady w celu aktywacji plemników. Jednak szczegóły molekularne dotyczące dokładnego działania cynku w szlaku sygnalizacyjnym – jako sygnału inicjującego lub propagatora sygnału – były niejasne.
Historie te zbiegły się w czasie, gdy trzy grupy badawcze zdały sobie sprawę, że pracują nad tym samym białkiem – transporterem cynku. Laboratoria Kornfelda i Ellisa poszukiwały białek, które przypominałyby wysoce ewolucyjnie konserwowane białka ZIP, nazwane tak na cześć drożdżowych transporterów cynku Zrt- i Irt-podobnych białek. Stwierdzili, że delecja jednego z tych homologów, zipt-7.1, powoduje bezpłodność. W międzyczasie laboratorium Singsona poszukiwało sygnału aktywującego plemniki, badając mutanty odpowiedzialne za płodność. Znaleźli mutanta z uszkodzeniem tego samego genu, który odkryto w jednym z oryginalnych badań płodności, znanego jako hc130. Sekwencjonowanie zwierząt hc130 potwierdziło, że są one nosicielami mutacji w genie zipt-7.1.
Laboratoria pracowały razem, aby określić, w jaki sposób cynk i transporter cynku ZIPT-7.1 pasują do ścieżki sygnalizacyjnej wymaganej dla płodności: Czy cynk jest zewnętrznym sygnałem do aktywacji, czy wewnętrznym posłańcem sygnału? Jedn± ze wskazówek dotycz±cych funkcji ZIPT-7.1 jest fakt, że to transmembranowe białko jest zlokalizowane we wcze¶nie rozwijaj±cych się komórkach plemników, co wskazuje na możliwo¶ć jego działania w błonach wewnętrznych. Co więcej, kiedy ZIPT-7.1 z C. elegans ulega ekspresji w komórkach ssaków, lokalizuje się również w regionach, które pokrywaj± się z organellami wewn±trzkomórkowymi. Autorzy wykazali, że ZIPT-7.1 funkcjonuje w regulacji poziomu cynku w komórkach: mutanty C. elegans pozbawione zipt-7.1 mają niższy poziom wewnętrznego cynku, który jest przechowywany w organellach wewnętrznych, a komórki ssaków wyrażające C. elegans zipt-7.1 wykazują zwiększone tempo wychwytu cynku w obecności zewnętrznie dodanego znakowanego cynku.
Aby dodatkowo wykazać, że ZIPT-7.1 funkcjonuje wewnątrz komórek, autorzy określili, gdzie ZIPT-7.1 funkcjonuje w ramach szlaku SPE-8. Stwierdzili, że ZIPT-7.1 funkcjonuje poniżej członka szlaku – SPE-6, o którym wiadomo, że funkcjonuje wewnątrz komórki – i oddziałuje z innym członkiem, zwanym SPE-4, który również lokalizuje się w błonach wewnętrznych. To umieszcza ZIPT-7.1 na końcu szlaku SPE-8, aby regulować uwalnianie cynku do cytoplazmy z wewnętrznych magazynów w celu propagacji sygnału aktywacji. Autorzy nie mogli wykluczyć, że cynk odgrywa również pewną rolę w sygnalizacji zewnątrzkomórkowej, ale twierdzą, że wysoki poziom cynku zewnątrzkomórkowego może naśladować uwalnianie wewnątrzkomórkowe, omijając znaczną część ścieżki SPE-8. Jednakże, z cynku i ZIPT-7.1 wyraźnie mają wewnątrzkomórkowe role, jest prawdopodobne, że sygnał aktywujący ścieżkę SPE-8 jest jeszcze do wyjaśnienia.
Model dla tej ścieżki umieszcza białko ZIPT-7.1 na błonach wewnętrznych organelli, które przechowują cynk w nieaktywnych plemnikach. Kiedy plemniki otrzymują wciąż tajemniczy sygnał, który aktywuje szlak SPE-8, ZIPT-7.1 staje się aktywny i uwalnia cynk z organelli wewnątrzkomórkowych do cytozolu. Wysokie poziomy cytoplazmatycznego cynku przypuszczalnie aktywuj± białka regulowane przez cynk, które rozwijaj± struktury ruchowe przy braku transkrypcji (ryc. 2). Stawia to cynk w roli ważnego „drugiego posłańca”, który przekazuje sygnał aktywacyjny do wewnątrzkomórkowych białek modulujących nabywanie ruchliwości.
- slajd PowerPoint
- większy obraz
- obraz oryginalny
Po aktywacji przez szlak sygnałowy SPE-8, cynk jest uwalniany do cytoplazmy z wewnątrzkomórkowych organelli magazynowych przez ZIPT-7.1. Wysoki poziom cytoplazmatycznego cynku aktywuje jeszcze niezidentyfikowane białka wiążące cynk, które uruchamiają fizjologiczne zmiany w celu rozwoju struktur ruchowych. SPE-8, spermatogenesis defective; ZIPT-7.1, Zrt- and Irt-like Protein Transporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Wyniki tej pracy są nowatorskie, ponieważ pokazują, że cynk ma odrębną rolę jako drugi posłaniec w określonej biologicznej ścieżce sygnalizacyjnej istotnej dla płodności. Cynk, niezbędny minerał, ma dobrze ugruntowan± rolę w stabilizacji struktury i aktywno¶ci enzymatycznej specyficznych klas białek wi±ż±cych cynk, takich jak czynniki transkrypcyjne. Jednakże brak transkrypcji na tym etapie rozwoju plemników czyni mało prawdopodobnym, że cynk działa w celu promowania transkrypcji. Zamiast tego, niniejsze badanie ujawnia, w jaki sposób poziom cynku jest kontrolowany i odczytywany przez komórkę. (1) Poziomy cynku wewnątrz komórki są wysoce regulowane, ponieważ poziomy te są odczytywane w celu zmiany aktywności białek komórkowych. (2) Transportery cynku mają kluczowe znaczenie dla regulacji poziomu cynku wewnątrz komórki, co wskazuje, że mogą one regulować uwalnianie cynku z wewnętrznych magazynów do cytoplazmy, a nie tylko import cynku ze środowiska zewnętrznego. (3) Męska płodność zależy od drugich posłańców, takich jak cynk, aby wywołać fizjologiczne zmiany w plemnikach w krytycznym okresie, w którym transkrypcja nie jest aktywna.
To badanie wskazuje, że role dla cynku i transporterów cynku w sygnalizacji mogą być ważne do zbadania w rozwoju i funkcji ludzkiej spermy. Chociaż od dawna wiadomo, że wapń funkcjonuje jako składnik sygnalizacji ważny dla płodności, pojawiają się inne doniesienia o cynku odgrywającym rolę w sygnalizacji w różnych kontekstach. Na przykład wykazano, że uwalnianie cynku z oocytów do przestrzeni pozakomórkowej, określane mianem iskry cynkowej, ma miejsce w momencie zapłodnienia, kiedy jaja ulegają aktywacji. Wewnątrzkomórkowy cynk może również regulować uwalnianie wapnia w komórkach mięśnia sercowego. W przypadku płodności męskiej, poziom cynku jest wysoki w jądrach, a transportery cynku ulegają ekspresji w różnych regionach najądrza. Ponadto, niedobór cynku jest skorelowany z obniżoną męską płodnością. Ponieważ cynk jest tak obficie obecny w labiryncie kanalików jądra, rola cynku w męskiej płodności musi zostać jeszcze wyjaśniona. Badania te pokazują jednak, że badanie roli wewnątrzkomórkowego cynku jako mediatora przemian rozwojowych będzie ważną drogą do poznania licznych procesów zachodzących u wielu gatunków.