Introdução
Muitos dos mistérios da reprodução humana estão enterrados nas profundezas dos órgãos do nosso corpo. Tal é o caso de como se formam as células espermáticas altamente especializadas dentro dos testículos. Cada célula torna-se aerodinâmica e motil para entregar eficientemente o seu pacote de ADN bem embrulhado a um oócito à espera. A formação e a função dos espermatozóides são críticos para os defeitos de fertilização na quantidade, qualidade e motilidade dos espermatozóides, sendo responsáveis por até 50% dos casos de infertilidade e podem afectar até 7% de todos os homens. No entanto, falta a nossa compreensão básica do desenvolvimento e função dos espermatozóides, levando a uma falta de conhecimento sobre como surgem os problemas que causam infertilidade.
A formação dos espermatozóides é cuidadosamente encenada em diferentes regiões dos testículos . Os espermatozóides humanos são primeiro formados em túbulos seminíferos, onde o DNA é dividido e depois compactado firmemente; os componentes celulares desnecessários são eliminados; e as células se diferenciam. Estas alterações formam uma embalagem compacta e protegida com um longo flagelo (Fig. 1A). No entanto, estes espermatozóides não se podem mover ou fertilizar. Eles adquirem estas habilidades através de sinais que recebem externamente que devem ser transmitidos através da célula sem transcrição, que é desligada devido à compactação apertada do DNA do esperma. A motilidade é habilitada enquanto os espermatozóides “amadurecem” ao atravessar o epidídimo, uma rede de túbulos enrolados que, quando esticados, medem vários pés de comprimento (Fig. 1A). Dentro destes túbulos, os espermatozóides são banhados em fluidos que contêm sinais de maturação que os preparam para o parto à fêmea . Uma vez entregues, eles são ativados através de um processo chamado capacitação, expondo receptores importantes para a fertilidade e tornando-se hiper-móteis. Infelizmente, a inacessibilidade dos tecidos reprodutivos tem dificultado a nossa compreensão da natureza molecular dos componentes que geram ou transmitem sinais que contribuem para essas transformações.
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(A) Em humanos, os espermatogênese são formados durante a espermatogênese nos túbulos seminíferos, mas não são móveis nem competentes para fertilizar. Durante o trânsito e armazenamento no epidídimo, eles sofrem maturação para ganhar a capacidade de se mover. Após o parto no trato reprodutivo feminino, os espermatozóides tornam-se capazes de fertilização através de um processo chamado capacitação, que altera a membrana da cabeça do espermatozóide para permitir a fusão da membrana e faz com que os espermatozóides se tornem hipermotis. (B) Em C. elegans, os espermatozóides são formados durante a espermatogênese tanto em hermafroditas como em machos. Quando os machos acasalam com hermafroditas ou quando os hermafroditas mudam para a formação de oócitos, os espermatozóides tornam-se activados. Esta activação provoca a formação do pseudopod que permite ao esperma rastejar.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
A necessidade de os espermatozóides amadurecerem ou se activarem durante um período de inactividade transcripcional é comum entre os animais que se reproduzem sexualmente, mesmo os simples com espermatozóides de aspecto muito diferente. Estes organismos menos complexos são ideais há muito tempo para o estudo da fertilidade masculina, pois permitem o uso de métodos não facilmente conduzidos em humanos. Um desses organismos é o pequeno nematódeo Caenorhabditis elegans . C. elegans é transparente; assim, os pesquisadores podem facilmente ver a espermatogênese em machos ou hermafroditas e a fertilização de oócitos dentro de hermafroditas . C. elegans amoeboid sperm, ao contrário dos espermatozóides de mamíferos de propulsão flagelar, rastejam usando um apêndice chamado pseudopod . Entretanto, assim como os espermatozóides de mamíferos, C. elegans também deve receber sinais para indicar a formação de seu aparelho de motilidade, o pseudopod, que se torna ativo assim que é formado (Fig 1B).
Nos anos 70 e 80, os pesquisadores de C. elegans conduziram telas genéticas de massa que identificaram dezenas de genes que eram defeituosos na espermatogênese (spe) ou fertilização (fer) quando mutantes. Um exemplo é o gene spe-8 que codifica uma proteína tirosina quinase, cujos membros da família transmitem informações celulares via fosforilação. Várias outras proteínas SPE também funcionam com SPE-8, formando a via de sinalização SPE-8 que, embora ativa em ambos os sexos, é essencial nos hermafroditas para a formação de pseudopodas e motilidade . O rastreio genético mais recente também identificou uma via distinta de activação do esperma masculino, desencadeada por uma protease fornecida pelos machos juntamente com os espermatozóides . No entanto, lacunas significativas permanecem em nosso entendimento do caminho de sinalização hermafrodita SPE-8. Isto inclui como esta via é activada e como o sinal é propagado dentro das células para tornar os espermatozóides móveis. Pesquisadores têm penteado através de mutantes identificados por telas de fertilidade para encontrar esses elos em falta, mas ainda precisam juntar todas as peças para definir o caminho completo.
Um surpreendente candidato a membro do caminho – o zinco – foi encontrado por um método in vitro de isolar o esperma C. elegans imaturo e expô-los a compostos . Altos níveis de zinco extracelular ou a ativação do caminho SPE-8 fizeram com que os níveis de zinco intracelular fossem redistribuídos. Estes estudos sugeriram que o zinco pode iniciar a cascata de sinalização SPE-8 ou funcionar dentro da cascata para ativar o esperma. Entretanto, os detalhes moleculares de exatamente como o zinco está agindo em um caminho de sinalização – como o sinal de iniciação ou como um propagador de sinal – não estavam claros.
As histórias convergiram quando três grupos de pesquisa perceberam que estavam trabalhando na mesma proteína – um transportador de zinco. Os laboratórios Kornfeld e Ellis estavam à procura de proteínas que se assemelham às proteínas ZIP altamente conservadas evolutivamente, as quais receberam o nome dos transportadores de Zrt- e Irt-proteína de zinco tipo levedura. Eles descobriram que a exclusão de um desses homólogos, zipt-7.1, causou esterilidade. Enquanto isso, o laboratório Singson procurava um sinal de ativação de esperma através da triagem de mutantes de fertilidade. Eles encontraram um mutante com uma lesão no mesmo gene descoberto em uma das telas de fertilidade original conhecida como hc130. A sequência de animais hc130 confirmou que eles abrigavam uma mutação no gene zipt-7.1.
Os laboratórios trabalharam juntos para determinar como o zinco e o transportador de zinco ZIPT-7.1 se encaixavam em um caminho de sinalização necessário para a fertilidade: O zinco é um sinal externo para ativação ou um mensageiro interno do sinal? Uma pista sobre a função do ZIPT-7.1 é que esta proteína transmembrana está localizada dentro das células espermáticas em desenvolvimento precoce, indicando uma possível função nas membranas internas. Além disso, quando C. elegans zipt-7.1 é expresso em células de mamíferos, ele também se localiza em regiões que se sobrepõem com organelas intracelulares. Os autores mostram que o ZIPT-7.1 funciona na regulação dos níveis de zinco nas células: C. elegans mutantes sem zipt-7.1 têm níveis mais baixos de zinco interno, que é armazenado em organelas internas, e células de mamíferos expressando o C. elegans zipt-7.1 mostram uma maior taxa de absorção de zinco na presença de zinco rotulado externamente.
Para mostrar ainda mais que o ZIPT-7.1 funciona dentro das células, os autores determinaram onde o ZIPT-7.1 está funcionando dentro da via SPE-8. Eles descobriram que o ZIPT-7.1 funciona a jusante de um membro da via SPE-6, conhecido por funcionar dentro da célula – e interage com outro membro chamado SPE-4, que também se localiza nas membranas internas. Isto coloca o ZIPT-7.1 no final do caminho SPE-8 para regular a liberação de zinco no citoplasma de armazéns internos para propagar o sinal de ativação. Os autores não puderam descartar que o zinco também desempenha algum papel na sinalização extracelular, mas postulam que altos níveis de zinco extracelular podem imitar a liberação intracelular, contornando grande parte da via SPE-8. Entretanto, com o zinco e o ZIPT-7.1 claramente tendo papéis intracelulares, é provável que o sinal de ativação do caminho SPE-8 ainda esteja por ser elucidado.
O modelo para este caminho coloca a proteína ZIPT-7.1 nas membranas das organelas internas que armazenam o zinco em espermatozóides inativos. Quando os espermatozóides recebem o sinal ainda misterioso que ativa a via SPE-8, a ZIPT-7.1 torna-se ativa e libera o zinco das organelas intracelulares para o citosol. Níveis elevados de zinco citoplasmático presumivelmente activam proteínas reguladas por zinco que desenvolvem estruturas de motilidade na ausência de transcrição (Fig. 2). Isto coloca o zinco como um importante “segundo mensageiro” que retransmite o sinal de ativação para as proteínas intracelulares que modulam a aquisição de motilidade.
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A activação do componente pelo caminho de sinalização SPE-8, o zinco é libertado para o citoplasma a partir de organelas de armazenamento intracelular via ZIPT-7.1. Altos níveis de zinco citoplasmático ativam proteínas ainda não identificadas que ativam as mudanças fisiológicas para desenvolver estruturas de motilidade. SPE-8, espermatogênese defeituosa; ZIPT-7.1, Zrt- e Transportador de Proteínas tipo Irt 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Os resultados deste trabalho são novos porque mostram que o zinco tem um papel distinto como segundo mensageiro em uma via de sinalização biológica definida vital para a fertilidade. O zinco, um mineral essencial, tem papéis bem estabelecidos na estabilização da estrutura e atividade enzimática de classes específicas de proteínas de ligação ao zinco, como fatores de transcrição. Contudo, a falta de transcrição nesta fase de desenvolvimento do esperma torna improvável que o zinco actue para promover a transcrição. Em vez disso, este estudo revela como os níveis de zinco são controlados e lidos pela célula. (1) Os níveis de zinco dentro da célula são altamente regulados porque os níveis são lidos para alterar a actividade das proteínas celulares. (2) Os transportadores de zinco são críticos para a regulação dos níveis de zinco dentro da célula, indicando que eles podem regular a liberação de zinco das reservas internas para o citoplasma, e não apenas a importação de zinco do ambiente externo. (3) A fertilidade masculina depende de segundos mensageiros como o zinco para induzir alterações fisiológicas no esperma durante um período crítico onde a transcrição não está activa.
Este estudo indica que os papéis do zinco e dos transportadores de zinco na sinalização podem ser importantes para investigar o desenvolvimento e função do esperma humano. Embora o cálcio seja conhecido há muito tempo por funcionar como um componente de sinalização importante para a fertilidade, outros relatórios estão a emergir de papéis de sinalização do zinco em vários contextos. Por exemplo, uma libertação de zinco dos oócitos para o espaço extracelular, referida como faísca de zinco, tem demonstrado que ocorre aquando da fertilização à medida que os óvulos se activam. O zinco intracelular também pode regular a liberação de cálcio nas células cardíacas . Para a fertilidade masculina, os níveis de zinco são altos nos testículos, e os transportadores de zinco são expressos em diferentes regiões do epidídimo . Além disso, a deficiência de zinco está correlacionada com a diminuição da fertilidade masculina . Como o zinco é tão abundante no labirinto dos túbulos testiculares, os papéis do zinco na fertilidade masculina ainda devem ser desemparelhados. No entanto, estes estudos demonstram que a investigação de papéis para as transformações intracelulares mediadoras do desenvolvimento do zinco será um importante caminho a explorar para numerosos processos em uma ampla gama de espécies.