Acrosome reaktion

Akrosomreaktion på en sjöborrecell

Under befruktningen måste en spermie först smälta samman med plasmamembranet och sedan penetrera den kvinnliga äggcellen för att befrukta den. Att smälta ihop med äggcellen orsakar vanligtvis små problem, medan det kan vara svårare att penetrera genom äggets hårda skal eller extracellulära matris. Därför går spermieceller igenom en process som kallas akrosomreaktionen , vilket är den reaktion som sker i spermiernas akrosom när den närmar sig ägget.

Akrosomen är en membranbunden organell av Golgi-apparatursprung, vanligen belägen i spetsen av huvudet på mogen spermatozoon. Det kallades en gång för "apikal kropp" på grund av dess läge, eller "perforatorium" under antagandet att det kan hjälpa spermierna att borra in i ägget.

Akrosomal reaktion

När spermierna närmar sig äggets zona pellucida , vilket är nödvändigt för att initiera akrosomreaktionen, smälter membranet som omger akrosomen samman med plasmamembranet i spermiernas huvud och exponerar innehållet i akrosomen. Innehållet inkluderar ytantigener som är nödvändiga för att binda till äggets cellmembran, och många enzymer som är ansvariga för att bryta igenom äggets sega beläggning och tillåta befruktning.

Variationer mellan arter

Det finns betydande artvariationer i morfologin och konsekvenserna av akrosomreaktionen. Hos flera arter har utlösaren för akrosomreaktionen identifierats i ett lager som omger ägget.

Tagghudingar

Hos vissa lägre djurarter bildas en utbuktning (den akrosomala processen) i spetsen av spermiehuvudet, uppburen av en kärna av aktinmikrofilament. Membranet i spetsen av den akrosomala processen smälter samman med äggets plasmamembran.

I vissa tagghudingar, inklusive sjöstjärnor och sjöborrar , innehåller en betydande del av det exponerade akrosomala innehållet ett protein som tillfälligt håller spermierna på äggets yta.

Däggdjur

Hos däggdjur frisätter akrosomreaktionen hyaluronidas och akrosin ; deras roll i befruktningen är ännu inte klarlagd. Den akrosomala reaktionen börjar inte förrän spermierna kommer i kontakt med oocytens zona pellucida . När de kommer i kontakt med zona pellucida börjar de akrosomala enzymerna lösas upp och aktinfilamentet kommer i kontakt med zona pellucida. När de två träffas inträffar ett kalciuminflöde, vilket orsakar en signalkaskad. De kortikala granulerna inuti oocyten smälter sedan samman med det yttre membranet, och en snabb snabb blockeringsreaktion inträffar.

Det ändrar också en del av befintligt spermaplasmamembran så att det kan smälta samman med äggplasmamembranet.

En spermiepenetrationsanalys inkluderar ett akrosomreaktionstest som bedömer hur väl en spermie kan prestera under befruktningsprocessen. Spermier som inte kan gå igenom akrosomreaktionen ordentligt kommer inte att kunna befrukta ett ägg. Detta problem uppstår dock bara hos cirka 5 % av männen som har testet. Detta test är ganska dyrt och ger begränsad information om en mans fertilitet.

I andra fall, såsom i skogsmusen Apodemus sylvaticus , har för tidiga akrosomreaktioner visat sig orsaka ökad motilitet i aggregat av spermatozoer som främjar befruktning.

Processen

Den akrosomala reaktionen sker vanligtvis i äggledarens ampull (befruktningsplatsen) när spermierna penetrerar den sekundära oocyten . Några händelser föregår den faktiska akrosomreaktionen . Spermicellen får ett "hyperaktivt motilitetsmönster" genom vilket dess flagellum producerar kraftiga piskliknande rörelser som driver spermierna genom livmoderhalskanalen och livmoderhålan tills den når äggledarens näs. Spermierna närmar sig ägget i äggledarens ampulla med hjälp av olika mekanismer, inklusive kemotaxi . Glykoproteiner på den yttre ytan av spermierna binder sedan med glykoproteiner på zona pellucida i ägget.

Spermier som inte initierade akrosomreaktionen innan de nådde zona pellucida kan inte penetrera zona pellucida. Eftersom akrosomreaktionen redan har inträffat kan spermier sedan penetrera zona pellucida på grund av svansens mekaniska verkan, inte på grund av själva akrosomreaktionen.

Det första steget är penetreringen av corona radiata, genom att frigöra hyaluronidas från akrosomen för att smälta cumulusceller som omger oocyten och exponera akrosin fäst vid spermiernas inre membran. Cumuluscellerna är inbäddade i en gelliknande substans gjord av främst hyaluronsyra, och utvecklas i äggstocken med ägget och stödjer det när det växer . Akrosomreaktionen måste inträffa innan spermien når zona pellucida.

Acrosin smälter zona pellucida och membranet i oocyten. En del av spermiernas cellmembran smälter sedan samman med äggcellens membran, och huvudets innehåll sjunker ner i ägget. Hos musen har det visat sig att ZP3, ett av proteinerna som utgör zona pellucida, binder till en partnermolekyl (till β1,4-galaktosyltransferasreceptorerna) på spermierna. Denna lås-och-nyckel-mekanism är artspecifik och förhindrar att spermier och ägg från olika arter smälter samman. Zona pellucida frigör också Ca-granulat för att förhindra att andra spermier binds. Det finns vissa bevis för att denna bindning är det som utlöser akrosomen att frigöra de enzymer som gör att spermierna smälter samman med ägget. En liknande mekanism förekommer sannolikt hos andra däggdjur, men mångfalden av zonaproteiner över arter betyder att det relevanta proteinet och receptorn kan skilja sig åt.

Nyare vetenskapliga bevis visar att den akrosomala reaktionen är nödvändig för att exponera ett protein som kallas IZUMO1 på spermierna: utan reaktionen kan spermier fortfarande penetrera genom zona pellucida till äggmembranet, men kan inte smälta samman. Som sett i musstudier, binder IZUMO1 till oocytproteinet JUNO och när de väl har bundits samman smälter spermierna och ägget ihop till två pronuklei. Dessa pronuclei förser zygoten med det genetiska material som är nödvändigt för bildandet av ett embryo. Dessutom, när sammansmältningen av spermierna och oocyten är fullständig, frisätts fosfolipas C zeta från spermierna.

Vid penetrering, om allt sker normalt, sker äggaktiveringsprocessen och oocyten sägs ha blivit aktiverad . Detta tros induceras av ett specifikt protein fosfolipas c zeta. Den genomgår sin sekundära meiotiska uppdelning, och de två haploida kärnorna (faderns och moderns) smälter samman för att bilda en zygot . För att förhindra polyspermi och minimera möjligheten att producera en triploid zygot, gör flera förändringar i äggets cellmembran dem ogenomträngliga kort efter att den första spermien kommer in i ägget (som den snabba förlusten av JUNO).

Spontan akrosomreaktion

Spermatozoer kan initiera den akrosomala reaktionen i god tid innan de når zona pellucida, såväl som in vitro i ett lämpligt odlingsmedium. Detta kallas spontan akrosomreaktion (SAR).

Det är nu känt att detta fenomen i en viss mening är fysiologiskt normalt för däggdjursarter. Akrosomreaktionen induceras genom passage genom cumulus oophorus -cellerna, medierad av hormonerna de utsöndrar (såsom progesteron , LPA , LPC ).

Den fysiologiska rollen av en verkligt spontan akrosomal reaktion, som inträffar långt före denna punkt i det kvinnliga fortplantningsorganet, eller in vitro , är ett separat fenomen.

Hos möss är det väl etablerat som fysiologiskt normalt och vanligt. Musspermier som har genomgått helt spontan akrosomreaktion kan fortfarande befrukta ägg. Dessutom är hastigheten för spontan akrosomreaktion högre hos mer promiskuösa arter såsom Apodemus sylvaticus , som möter en hög nivå av spermiekonkurrens.

Hos människor, å andra sidan, är det fortfarande omtvistat var exakt akrosomreaktionen initieras vid fysiologisk befruktning, på grund av experimentella begränsningar (till exempel kan djurstudier använda sig av transgena möss med fluorescerande spermier, medan humanstudier inte kan).

Studier har gjorts med avsikten att koppla in vitro SAR-frekvens i mänskliga spermier till spermiekvalitet och befruktningshastighet, men de övergripande resultaten är blandade och verkar inte vara kliniskt användbara från och med 2018.

Provrörsbefruktning _ _

Vid användning av intracytoplasmatisk spermieinjektion (ICSI) för IVF , är implantationshastigheten högre i oocyter injicerade med spermier som har genomgått en akrosomreaktion (~40 %) jämfört med de som injicerats med icke-reagerade spermier (~10 %) . Implantationshastigheten är ~25% när den injiceras med både reagerade och icke-reagerade spermier. Leveranshastigheten per cykel följer samma trend .

Akrosomreaktionen kan stimuleras in vitro av ämnen som en spermiecell kan stöta på naturligt, såsom progesteron eller follikulär vätska , såväl som den vanligare använda kalciumjonoforen A23187 .

bedömning

Dubbelbrytningsmikroskopi , flödescytometri eller fluorescensmikroskopi kan användas för att bedöma utsöndringen av akrosomen eller "akrosomreaktionen" av ett spermieprov. Flödescytometri och fluorescensmikroskopi görs vanligtvis efter färgning med ett fluoresceinerat lektin såsom FITC-PNA, FITC-PSA, FITC-ConA eller fluoresceinerad antikropp såsom FITC-CD46. Antikropparna/lektinerna har en hög specificitet för olika delar av den akrosomala regionen och binder endast till ett specifikt ställe (akrosomalt innehåll/inre/yttre membran). Om de är bundna till en fluorescerande molekyl kan regioner där dessa sönder har bundits visualiseras. Spermaceller med artificiellt inducerade akrosomreaktioner kan fungera som positiva kontroller.

För fluorescensmikroskopi görs ett utstryk av tvättade spermieceller, lufttorkas, permeabiliseras och färgas sedan. Ett sådant objektglas betraktas sedan under ljuset av en våglängd som gör att sonden fluorescerar om den är bunden till den akrosomala regionen. Minst 200 celler anses godtyckligt och klassificeras som antingen akrosom intakt (fluorescerande ljusgrön) eller akrosomreagerad (ingen sond närvarande, eller endast på ekvatorialområdet). Det uttrycks sedan som en procentandel av de räknade cellerna.

För bedömning med flödescytometri inkuberas de tvättade cellerna med den valda sonden, eventuellt passerade igen, och provtas sedan i en flödescytometer. Efter gating av cellpopulationen enligt framåt- och sidospridning, kan de resulterande data analyseras (t.ex. medelfluorescenser jämförda). Med denna teknik kan en sond för livsduglighet såsom propidiumjodid (PI) också inkluderas för att utesluta döda celler från akrosombedömningen, eftersom många spermieceller spontant kommer att förlora sin akrosom när de dör.

Se även

• Kortikal reaktion
• Hamster zonfritt äggtest
• ZP3

externa länkar

• Acrosome+reaction vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
• Nosek, Thomas M. "Sektion 5/5ch8/s5ch8_21" . Grunderna i mänsklig fysiologi . Arkiverad från originalet 2016-03-24.
• Animation på stanford.edu