Introduktion
Många av mysterierna kring mänsklig reproduktion är begravda djupt inne i kroppens organ. Så är fallet med hur den högt specialiserade spermiecellen bildas i testiklarna. Varje cell blir strömlinjeformad och rörlig för att på ett effektivt sätt leverera sitt tätt insvepta DNA-paket till en väntande äggcell. Spermabildning och -funktion är avgörande för fertiliteten – defekter i spermiekvantitet, -kvalitet och -motilitet står för upp till 50 % av infertilitetsfallen och kan påverka upp till 7 % av alla män . Vår grundläggande förståelse av spermiernas utveckling och funktion är dock bristfällig, vilket leder till bristande kunskap om hur problem uppstår som orsakar infertilitet.
Spermabildningen sker noggrant i olika regioner av testiklarna . Mänskliga spermier bildas först i de seminifera tubuli, där DNA delas upp och sedan komprimeras hårt, onödiga cellkomponenter elimineras och celler differentieras. Dessa förändringar bildar ett kompakt och skyddat paket med en lång flagell (figur 1A). Dessa spermier kan dock inte röra sig eller befrukta. De får dessa förmågor genom signaler som de får utifrån och som måste överföras genom cellen utan transkription, som stängs av på grund av den täta komprimeringen av spermiernas DNA . Motilitet möjliggörs medan spermier ”mognar” genom att ta sig igenom epididymis, ett nätverk av spiralformade rör som, när de är utsträckta, är flera meter långa (fig. 1A). I dessa rör badar spermierna i vätskor som innehåller mognadssignaler som förbereder dem för leverans till honan . När de väl har levererats aktiveras de ytterligare genom en process som kallas kapacitering genom att exponera receptorer som är viktiga för fertiliteten och bli hypermotila . Tyvärr har otillgängligheten till reproduktiva vävnader hindrat vår förståelse av den molekylära karaktären hos de komponenter som genererar eller förmedlar signaler som bidrar till dessa omvandlingar.
- PowerPoint-bild
- större bild
- originalbild
(A) Hos människor bildas spermier under spermatogenesen i de seminifera tubulerna, men de är varken motila eller kompetenta att befrukta. Under transit och lagring i epididymis genomgår de en mognad för att få förmågan att röra sig. När spermier levereras till kvinnans könsorgan blir de kapabla till befruktning genom en process som kallas kapacitering, som ändrar spermiernas huvudmembran för att möjliggöra membranfusion och får spermierna att bli hypermotila. (B) I C. elegans bildas spermier under spermatogenesen hos både hermafroditer och hanar. När hanar parar sig med hermafroditer eller när hermafroditer övergår till oocytbildning aktiveras spermierna. Denna aktivering orsakar bildandet av pseudopoden som gör att spermierna kan krypa.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001
Behovet av att spermierna mognar eller aktiveras under en period av transkriptionell inaktivitet är vanligt förekommande bland sexuellt reproducerande djur, även enkla djur med mycket olika utseende spermier. Dessa mindre komplexa organismer har länge varit idealiska för att studera manlig fertilitet, eftersom de tillåter användning av metoder som inte är lätta att genomföra på människor. En sådan organism är den lilla nematoden Caenorhabditis elegans . C. elegans är genomskinlig och forskarna kan därför lätt se spermatogenesen hos hanar eller hermafroditer och befruktningen av oocyter hos hermafroditer . C. elegans amöboida spermier, till skillnad från däggdjurens spermier som drivs av flageller, kryper med hjälp av ett bihang som kallas pseudopod . Men precis som spermier från däggdjur måste C. elegans spermier också ta emot signaler som ger signal till bildandet av deras rörelseapparat, pseudopoden, som blir aktiv så snart den bildas (fig 1B).
På 1970- och 1980-talen genomförde C. elegans-forskare massgenomgångar som identifierade dussintals gener som var defekta i spermatogenes (spe) eller befruktning (fer) när de var muterade . Ett exempel är spe-8-genen som kodar för ett proteintyrosinkinas, vars familjemedlemmar förmedlar cellulär information via fosforylering . Flera andra SPE-proteiner fungerar också tillsammans med SPE-8 och bildar SPE-8-signalvägen som, även om den är aktiv hos båda könen, är väsentlig hos hermafroditer för bildning av pseudopoder och motilitet . Nyare genetisk screening har också identifierat en distinkt aktiveringsväg för manliga spermier som utlöses av ett proteas som levereras av hanar tillsammans med spermier . Det finns dock fortfarande betydande luckor i vår förståelse av SPE-8-signalvägen för hermafroditer. Detta inkluderar hur denna väg aktiveras och hur signalen sprids i cellerna för att göra spermier rörliga. Forskare har kammat igenom mutanter som identifierats genom fertilitetsundersökningar för att hitta dessa saknade länkar, men har ännu inte satt ihop alla bitar för att definiera hela vägen.
En överraskande kandidatmedlem i vägen – zink – hittades genom en in vitro-metod för att isolera omogna spermier från C. elegans och utsätta dem för föreningar . Höga nivåer av extracellulärt zink eller aktivering av SPE-8-vägen ledde till att intracellulära zinknivåer omfördelades. Dessa studier tyder på att zink kan initiera SPE-8-signalkaskaden eller fungera inom kaskaden för att aktivera spermier. De molekylära detaljerna för exakt hur zink agerar i en signalväg – som initieringssignal eller som signalförmedlare – var dock oklara.
Historierna konvergerade när tre forskargrupper insåg att de arbetade med samma protein – en zinktransportör . Kornfelds och Ellis labb letade efter proteiner som liknar de mycket evolutionärt bevarade ZIP-proteinerna, som är uppkallade efter jästens Zrt- och Irt-liknande proteiner zinktransportörer . De fann att borttagning av en av dessa homologer, zipt-7.1, orsakade sterilitet. Under tiden letade Singsons labb efter en signal för aktivering av spermier genom att screena för fertilitetsmutanter. De hittade en mutant med en skada i samma gen som upptäcktes i en av de ursprungliga fertilitetsundersökningarna och som kallas hc130. Sekvensering av hc130-djuren bekräftade att de har en mutation i zipt-7.1-genen.
Laboratorierna arbetade tillsammans för att fastställa hur zink och zinktransportören ZIPT-7.1 passar in i en signalväg som krävs för fertilitet: Är zink en extern signal för aktivering eller en intern budbärare av signalen? En ledtråd om ZIPT-7.1-funktionen är att detta transmembranprotein är lokaliserat i spermier under tidig utveckling, vilket tyder på en möjlig funktion på inre membran. När zipt-7.1 från C. elegans uttrycks i däggdjursceller lokaliseras det dessutom till regioner som överlappar med intracellulära organeller. Författarna visar att ZIPT-7.1 fungerar i regleringen av zinknivåerna i cellerna: C. elegans-mutanter utan zipt-7.1 har lägre nivåer av internt zink, som lagras i interna organeller, och däggdjursceller som uttrycker C. elegans zipt-7.1 uppvisar en ökad zinkupptagshastighet i närvaro av externt tillsatt märkt zink.
För att ytterligare visa att ZIPT-7.1 fungerar inuti cellerna fastställde författarna var ZIPT-7.1 fungerar inom SPE-8-vägen. De fann att ZIPT-7.1 fungerar nedströms en medlem av vägen – SPE-6, känd för att fungera inom cellen – och interagerar med en annan medlem kallad SPE-4, som också lokaliseras till inre membran. Detta placerar ZIPT-7.1 i slutet av SPE-8-vägen för att reglera frisättningen av zink till cytoplasman från interna lager för att sprida aktiveringssignalen. Författarna kunde inte utesluta att zink också spelar någon roll i den extracellulära signaleringen, men antar att höga nivåer av extracellulärt zink kan efterlikna intracellulär frisättning och kringgå en stor del av SPE-8-vägen. Eftersom zink och ZIPT-7.1 uppenbarligen har intracellulära roller är det dock troligt att den aktiverande signalen i SPE-8-vägen ännu inte är klarlagd.
Modellen för denna väg placerar ZIPT-7.1-proteinet på membranen hos interna organeller som lagrar zink i inaktiva spermier. När spermier tar emot den ännu mystiska signal som aktiverar SPE-8-vägen blir ZIPT-7.1 aktivt och frigör zink från intracellulära organeller till cytosolen. Höga nivåer av cytoplasmatiskt zink aktiverar förmodligen zinkreglerade proteiner som utvecklar motilitetsstrukturer i avsaknad av transkription (fig. 2). Detta placerar zink som en viktig ”andra budbärare” som vidarebefordrar aktiveringssignalen till intracellulära proteiner som modulerar motilitetsförvärvet.
- PowerPoint-bild
- större bild
- originalbild
När zink aktiveras av SPE-8-signalvägen frigörs zink till cytoplasman från intracellulära lagringsorganeller via ZIPT-7.1. Höga nivåer av cytoplasmatiskt zink aktiverar ännu inte identifierade zinkbindande proteiner som utlöser de fysiologiska förändringarna för att utveckla motilitetsstrukturer. SPE-8, spermatogenesedefekt; ZIPT-7.1, Zrt- och Irt-liknande proteintransportör 7.1.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002
Fynden i denna artikel är nya eftersom de visar att zink har en distinkt roll som andra budbärare i en definierad biologisk signalväg som är avgörande för fertiliteten. Zink, ett essentiellt mineral, har en väletablerad roll när det gäller att stabilisera strukturen och den enzymatiska aktiviteten hos specifika klasser av zinkbindande proteiner, t.ex. transkriptionsfaktorer. Avsaknaden av transkription i detta skede av spermieutvecklingen gör det dock osannolikt att zink verkar för att främja transkription. I stället avslöjar den här studien hur zinknivåerna kontrolleras och avläses av cellen. (1) Zinknivåerna inne i cellen är starkt reglerade eftersom nivåerna avläses för att ändra aktiviteten hos cellulära proteiner. (2) Zinktransportörer är kritiska för att reglera zinknivåerna inne i cellen, vilket tyder på att de kan reglera frisättningen av zink från interna lager till cytoplasman, inte bara importen av zink från den yttre miljön. (3) Manlig fertilitet är beroende av andra budbärare som zink för att inducera fysiologiska förändringar i spermier under en kritisk period då transkriptionen inte är aktiv.
Denna studie indikerar att roller för zink och zinktransportörer i signalering kan vara viktiga att undersöka i mänsklig spermieutveckling och funktion. Även om kalcium länge har varit känt för att fungera som en signalkomponent som är viktig för fertiliteten , dyker andra rapporter upp om att zink spelar en signalroll i olika sammanhang. Det har t.ex. visat sig att en frisättning av zink från oocyter till det extracellulära utrymmet, en så kallad zinkf gnista, sker vid befruktning när äggen aktiveras . Intracellulär zink kan också reglera kalciumfrisättning i hjärtceller . När det gäller manlig fertilitet är zinknivåerna höga i testiklarna, och zinktransportörer uttrycks i olika delar av epididymis . Vidare korrelerar zinkbrist med minskad fertilitet hos män . Eftersom zink är så rikligt förekommande i labyrinten av testikulära tubuli måste zinkets roll i den manliga fertiliteten fortfarande utredas. Dessa studier visar dock att utforskandet av roller för intracellulärt zink som medierar utvecklingsomvandlingar kommer att vara en viktig väg att utforska för många processer inom ett brett spektrum av arter.