Introducere
Multe dintre misterele reproducerii umane sunt îngropate adânc în organele corpului nostru. Așa este cazul modului în care se formează spermatozoizii extrem de specializați în testicule. Fiecare celulă devine aerodinamică și mobilă pentru a livra în mod eficient pachetul său de ADN strâns înfășurat la un ovocit în așteptare. Formarea și funcționarea spermatozoizilor sunt esențiale pentru fertilitate – defectele în ceea ce privește cantitatea, calitatea și motilitatea spermatozoizilor reprezintă până la 50% din cazurile de infertilitate și pot afecta până la 7% din toți bărbații . Cu toate acestea, înțelegerea noastră de bază a dezvoltării și funcției spermatozoizilor lipsește, ceea ce duce la o lipsă de cunoștințe despre modul în care apar problemele care cauzează infertilitatea.
Formarea spermatozoizilor este atent etapizată în diferite regiuni ale testiculelor . Spermatozoizii umani se formează mai întâi în tubulii seminiferi, unde ADN-ul este compartimentat și apoi strâns compactat; componentele celulare inutile sunt eliminate; și celulele se diferențiază. Aceste modificări formează un pachet compact și protejat cu un flagel lung (Fig 1A). Cu toate acestea, acești spermatozoizi nu se pot deplasa sau fertiliza. Ei dobândesc aceste abilități prin semnale pe care le primesc din exterior și care trebuie să fie transmise prin celulă fără transcriere, care este oprită din cauza compactării strânse a ADN-ului spermatozoizilor . Motilitatea este permisă în timp ce spermatozoizii se „maturizează” prin traversarea epididimului, o rețea de tubuli încolăciți care, atunci când sunt întinși, măsoară câțiva metri în lungime (Fig 1A). În cadrul acestor tubuli, spermatozoizii sunt scăldați în fluide care conțin semnale de maturizare care îi pregătesc pentru livrarea către femelă . Odată livrați, aceștia se activează în continuare printr-un proces numit capacitare, expunând receptorii importanți pentru fertilitate și devenind hipermotili . Din păcate, inaccesibilitatea țesuturilor reproductive a împiedicat înțelegerea naturii moleculare a componentelor care generează sau transmit semnale care contribuie la aceste transformări.
- diapozitiv PowerPoint
- imagine mai mare
- imagine originală
(A) La om, spermatozoizii se formează în timpul spermatogenezei în tubulii seminiferi, dar nu sunt mobili și nici nu sunt competenți pentru fertilizare. În timpul tranzitului și depozitării în epididimis, aceștia suferă o maturizare pentru a dobândi capacitatea de a se mișca. La livrarea în tractul reproducător feminin, spermatozoizii devin capabili de fertilizare printr-un proces numit capacitare, care modifică membrana capului spermatozoizilor pentru a permite fuziunea membranară și face ca spermatozoizii să devină hipermotili. (B) La C. elegans, spermatozoizii se formează în timpul spermatogenezei atât la hermafrodiți, cât și la masculi. Atunci când masculii se împerechează cu hermafrodiții sau când hermafrodiții trec la formarea ovocitelor, spermatozoizii se activează. Această activare determină formarea pseudopodului care permite spermatozoizilor să se târască.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
Necesitatea ca spermatozoizii să se maturizeze sau să se activeze în timpul unei perioade de inactivitate transcripțională este comună în rândul animalelor care se reproduc sexual, chiar și a celor simple, cu spermatozoizi cu aspect foarte diferit. Aceste organisme mai puțin complexe au fost mult timp ideale pentru studierea fertilității masculine, deoarece permit utilizarea unor metode care nu sunt ușor de realizat la om. Un astfel de organism este micul nematod Caenorhabditis elegans . C. elegans este transparent; astfel, cercetătorii pot vizualiza cu ușurință spermatogeneza la masculi sau hermafrodiți și fertilizarea ovocitelor în cadrul hermafrodiților . Spermatozoizii amoeboizi din C. elegans, spre deosebire de spermatozoizii de mamifere propulsați prin flagelare, se târăsc cu ajutorul unui apendice numit pseudopod . Cu toate acestea, la fel ca și spermatozoizii de mamifere, spermatozoizii din C. elegans trebuie să primească semnale pentru a indica formarea aparatului lor de motilitate, pseudopodul, care devine activ imediat ce se formează (Fig 1B).
În anii 1970 și 1980, cercetătorii din C. elegans au efectuat ecrane genetice în masă care au identificat zeci de gene care erau defectuoase în spermatogeneză (spe) sau fertilizare (fer) atunci când au suferit mutații . Un exemplu este gena spe-8, care codifică o proteină tirozin kinază, ai cărei membri ai familiei transmit informații celulare prin fosforilare . Mai multe alte proteine SPE funcționează, de asemenea, cu SPE-8, formând calea de semnalizare SPE-8 care, deși este activă la ambele sexe, este esențială la hermafrodiți pentru formarea pseudopodului și motilitate . Un screening genetic mai recent a identificat, de asemenea, o cale distinctă de activare a spermei masculine declanșată de o protează livrată de masculi împreună cu sperma . Cu toate acestea, rămân lacune semnificative în înțelegerea noastră a căii de semnalizare a hermafrodiților SPE-8. Aceasta include modul în care această cale este activată și modul în care semnalul este propagat în interiorul celulelor pentru a face ca sperma să fie mobilă. Cercetătorii au răscolit mutanții identificați prin ecrane de fertilitate pentru a găsi aceste verigi lipsă, dar nu au reușit încă să pună toate piesele laolaltă pentru a defini întreaga cale.
Un membru candidat surprinzător al căii – zinc – a fost descoperit printr-o metodă in vitro de izolare a spermei imature de C. elegans și de expunere a acesteia la compuși . Nivelurile ridicate de zinc extracelular sau activarea căii SPE-8 au determinat o redistribuire a nivelurilor intracelulare de zinc. Aceste studii au sugerat că zincul poate iniția cascada de semnalizare SPE-8 sau poate funcționa în cadrul cascadei pentru a activa spermatozoizii. Cu toate acestea, detaliile moleculare ale modului exact în care acționează zincul într-o cale de semnalizare – ca semnal de inițiere sau ca propagator de semnal – erau neclare.
Poveștile au convergent atunci când trei grupuri de cercetare și-au dat seama că lucrau la aceeași proteină – un transportor de zinc . Laboratoarele Kornfeld și Ellis căutau proteine care seamănă cu proteinele ZIP, foarte conservate din punct de vedere evolutiv, care sunt denumite după transportatorii de zinc din drojdia Zrt- și Irt-like protein . Ei au descoperit că deleția unuia dintre acești omologi, zipt-7.1, a provocat sterilitate. Între timp, laboratorul Singson a căutat un semnal de activare a spermatozoizilor prin depistarea mutanților de fertilitate. Aceștia au găsit un mutant cu o leziune în aceeași genă descoperită într-unul dintre testele inițiale de fertilitate, cunoscută sub numele de hc130. Secvențierea animalelor hc130 a confirmat că acestea adăpostesc o mutație în gena zipt-7.1.
Laboratoarele au lucrat împreună pentru a determina modul în care zincul și transportatorul de zinc ZIPT-7.1 se încadrează într-o cale de semnalizare necesară pentru fertilitate: Este zincul un semnal extern pentru activare sau un mesager intern al semnalului? Un indiciu cu privire la funcția ZIPT-7.1 este faptul că această proteină transmembranară este localizată în celulele spermatozoizilor în curs de dezvoltare timpurie, ceea ce indică o posibilă funcție pe membranele interne. Mai mult, atunci când ZIPT-7.1 din C. elegans este exprimată în celule de mamifere, aceasta se localizează, de asemenea, în regiuni care se suprapun cu organitele intracelulare. Autorii arată că ZIPT-7.1 funcționează în reglarea nivelului de zinc din celule: Mutanții C. elegans fără zipt-7.1 au niveluri mai scăzute de zinc intern, care este stocat în organite interne, iar celulele de mamifere care exprimă zipt-7.1 din C. elegans prezintă o rată crescută de absorbție a zincului în prezența zincului marcat adăugat din exterior.
Pentru a demonstra în continuare că ZIPT-7.1 funcționează în interiorul celulelor, autorii au determinat unde funcționează ZIPT-7.1 în cadrul căii SPE-8. Aceștia au descoperit că ZIPT-7.1 funcționează în aval de un membru al căii – SPE-6, despre care se știe că funcționează în interiorul celulei – și interacționează cu un alt membru numit SPE-4, care, de asemenea, se localizează în membranele interne . Acest lucru plasează ZIPT-7.1 la capătul căii SPE-8 pentru a regla eliberarea zincului în citoplasmă din depozitele interne pentru a propaga semnalul de activare. Autorii nu au putut exclude faptul că zincul joacă, de asemenea, un anumit rol în semnalizarea extracelulară, dar postulează că nivelurile ridicate de zinc extracelular pot mima eliberarea intracelulară, ocolind o mare parte din calea SPE-8. Cu toate acestea, având în vedere că zincul și ZIPT-7.1 au în mod clar roluri intracelulare, este probabil ca semnalul de activare a căii SPE-8 să nu fie încă elucidat.
Modelul pentru această cale plasează proteina ZIPT-7.1 pe membranele organitelor interne care stochează zinc în spermatozoizii inactivi. Atunci când spermatozoizii primesc semnalul încă misterios care activează calea SPE-8, ZIPT-7.1 devine activă și eliberează zincul din organitele intracelulare în citosol. Nivelurile ridicate de zinc citoplasmatic activează probabil proteinele reglate de zinc care dezvoltă structuri de motilitate în absența transcripției (Fig. 2). Acest lucru plasează zincul ca un important „al doilea mesager” care transmite semnalul de activare către proteinele intracelulare care modulează achiziția motilității.
- diapozitiv PowerPoint
- imagine mai mare
- imagine originală
După activarea de către calea de semnalizare SPE-8, zincul este eliberat în citoplasmă din organitele de stocare intracelulară prin ZIPT-7.1. Nivelurile ridicate de zinc citoplasmatic activează proteinele de legare a zincului, încă neidentificate, care declanșează modificările fiziologice pentru dezvoltarea structurilor de motilitate. SPE-8, spermatogeneză defectuoasă; ZIPT-7.1, Zrt- and Irt-like Protein Transporter 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Constatările din această lucrare sunt noi, deoarece arată că zincul are un rol distinct ca al doilea mesager într-o cale de semnalizare biologică definită, vitală pentru fertilitate. Zincul, un mineral esențial, are roluri bine stabilite în stabilizarea structurii și a activității enzimatice a unor clase specifice de proteine care se leagă de zinc, cum ar fi factorii de transcripție. Cu toate acestea, lipsa transcripției în acest stadiu al dezvoltării spermatozoizilor face puțin probabil ca zincul să acționeze pentru a promova transcripția. În schimb, acest studiu dezvăluie modul în care nivelurile de zinc sunt controlate și citite de către celulă. (1) Nivelurile de zinc din interiorul celulei sunt foarte bine reglementate, deoarece nivelurile sunt citite pentru a modifica activitatea proteinelor celulare. (2) Transportatorii de zinc sunt esențiali pentru reglarea nivelurilor de zinc din interiorul celulei, ceea ce indică faptul că aceștia pot regla eliberarea zincului din depozitele interne în citoplasmă, nu doar importul de zinc din mediul extern. (3) Fertilitatea masculină depinde de al doilea mesager, cum ar fi zincul, pentru a induce schimbări fiziologice în spermatozoizi în timpul unei perioade critice în care transcripția nu este activă.
Acest studiu indică faptul că rolurile zincului și ale transportatorilor de zinc în semnalizare pot fi importante de investigat în dezvoltarea și funcția spermei umane. Deși se știe de mult timp că calciul funcționează ca o componentă de semnalizare importantă pentru fertilitate , apar și alte rapoarte despre zinc care joacă roluri de semnalizare în diverse contexte. De exemplu, s-a demonstrat că o eliberare de zinc din ovocite în spațiul extracelular, denumită scânteie de zinc, are loc în momentul fertilizării, pe măsură ce ovulele se activează . Zincul intracelular poate regla, de asemenea, eliberarea de calciu în celulele cardiace . Pentru fertilitatea masculină, nivelurile de zinc sunt ridicate în testicule, iar transportatorii de zinc sunt exprimați în diferite regiuni ale epididimului . Mai mult, deficitul de zinc este corelat cu scăderea fertilității masculine . Deoarece zincul este atât de abundent în labirintul tuburilor testiculare, rolurile zincului în fertilitatea masculină trebuie încă să fie deslușite. Cu toate acestea, aceste studii demonstrează că investigarea rolurilor zincului intracelular care mediază transformările de dezvoltare va fi o cale importantă de explorat pentru numeroase procese la o gamă largă de specii.
.