Kemotaxi av spermier
Spermakemotaxi är en form av spermiestyrning , där spermier ( spermatozoer ) följer en koncentrationsgradient av ett kemoattraktant som utsöndras från oocyten och därigenom når oocyten.
Bakgrund
Sedan upptäckten av spermier attraktion till kvinnliga könsceller i ormbunkar för över ett sekel sedan, har spermievägledning i form av spermiekemotaxi etablerats i en stor mängd olika arter Även om spermiekemotaxi är utbredd i hela Metazoa- riket , från marina arter med extern befruktning såsom sjöborrar och koraller , till människor, mycket av den aktuella informationen om spermier kemotaxi härrör från studier av marina ryggradslösa djur, främst sjöborre och sjöstjärnor . I själva verket, tills för inte alltför länge sedan, var dogmen att, hos däggdjur, var vägledning av spermier till oocyten onödig. Detta berodde på den vanliga uppfattningen att, efter utlösning i det kvinnliga könsorganet, ett stort antal spermier "racer" mot oocyten och tävlar om att befrukta den.
Forskning under 1980-talet ledde till att denna övertygelse togs isär när det stod klart att endast ett fåtal av de ejakulerade spermier – hos människor, endast ~1 av varje miljon spermier – lyckas komma in i äggledarna (äggledarna) och när nyare studier visade att Spermatozoer från däggdjur svarar kemotaktiskt.
Kemotaxi av spermier hos icke-däggdjursarter
Vid spermiekemotaxi utsöndrar oocyten en kemoattraktant , som, när den diffunderar bort, bildar en koncentrationsgradient : en hög koncentration nära ägget och en gradvis lägre koncentration när avståndet från oocyten ökar. Spermatozoer kan känna av denna kemoattraherande substans och orientera sin simriktning uppför koncentrationsgradienten mot oocyten. Kemotaxi av spermier påvisades i ett stort antal icke-däggdjursarter, från marina ryggradslösa djur till grodor.
Kemoattraherande medel
Spermiernas kemoattraktanter hos icke-däggdjursarter varierar i stor utsträckning. Några exempel visas i tabell 1. Hittills är de flesta kemoattraherande spermier som har identifierats i icke-däggdjursarter peptider eller lågmolekylära proteiner (1–20 kDa ), som är värmestabila och känsliga för proteaser . Undantag från denna regel är spermier kemoattraktanter från koraller, ascidianer , växter som ormbunkar och alger (tabell 1).
Tabell 1. Vissa kemoattraherande spermier hos icke-däggdjursarter*
| Arter | Kemoattraherande medel | Referenser |
|---|---|---|
| Alger | Omättade feromoner med låg molekylvikt med cyklisk eller linjär struktur (till exempel 532 Da pentosylerad hydrokinon i fallet Chlamydomonas allensworthii ) | |
| Amfibier | Allurin - ett 21 kDa protein (för Xenopus ) | |
| Ascidians | SAAF - en sulfaterad steroid: 3,4,7,26-tetrahydroxikolestan-3,26-disulfat (för Ciona savignyi och intestinalis ) | |
| Koraller | En lipidliknande långkedjig fettalkohol CH 3 -(CH 2 ) 8 -CH=CH-CH=CH-CH 2 OH (för Montipora digitata ) | |
| Ormbunkar | Dikarboxylsyror, till exempel äppelsyra i sin delvis joniserade form (för Pteridium aquilinum ) | |
| Mollusker | SepSAP — en 6-rester peptidamid med sekvensen PIDPGV-CONH2 (för Sepia officinalis ) | |
| Sjöborrar | Resact — en peptid med 14 rester med sekvensen CVTGAPGCVGGGRL-NH2 (för Arbacia punctulata ) | |
| Sjöstjärna | Startrak — ett 13 kDa värmestabilt protein (för Pycnopodia helianthoides ) |
- Taget från referens.
Artspecificitet
Mångfalden av kemoattraktanter väcker frågan om artspecificitet med avseende på den kemoattraktiva identiteten. Det finns ingen enskild regel för kemoattraktantrelaterad specificitet. I vissa grupper av marina ryggradslösa djur (t.ex. hydromedusae och vissa ophiuroider ) är specificiteten mycket hög; i andra (t.ex. sjöstjärnor) är specificiteten på familjenivå och inom familjen finns det ingen specificitet. Hos blötdjur verkar det inte finnas någon specificitet alls. På samma sätt, i växter, kan en unik enkel förening [t.ex. fukoserraten - en linjär, omättad alken (1,3-trans 5-cis-oktatrien)] vara en kemoattraktant för olika arter.
Beteendemekanism
Inte heller här finns det en enda regel. Hos vissa arter (till exempel i hydroider som Campanularia eller manteldjur som Ciona ) ändras spermatozoernas simriktning abrupt mot kemoattraktantkällan. I andra (till exempel i sjöborre, hydromedusa, ormbunke eller fisk som japanska bitterlingar) är tillvägagångssättet till kemoattraherande källa indirekt och rörelsen sker genom upprepade slingor med små radier. Hos vissa arter (till exempel sill eller ascidian Ciona) föregår aktivering av motilitet kemotaxi. Vid kemotaxi kan celler antingen känna av en tidsgradient av kemoattraktanten, jämföra beläggningen av dess receptorer vid olika tidpunkter (liksom bakterier ), eller så kan de detektera en rumslig gradient, jämföra beläggningen av receptorer på olika platser längs cellen ( liksom leukocyter ). Hos den bäst studerade arten, sjöborre, känner spermatozoerna en tidsgradient och svarar på den med en övergående ökning av flagellär asymmetri. Resultatet är en sväng i simbanan, följt av en period av rak simning, vilket leder till de observerade epicykloidliknande rörelserna riktade mot kemoattraktantkällan. Den speciella mekanismen genom vilken sjöborres spermier känner av den temporala gradienten har nyligen identifierats som en naturlig implementering av den välkända adaptiva styrenheten känd som extremum seeking.
Molekylär mekanism
Den molekylära mekanismen för spermiekemotaxi är fortfarande inte helt känd. Den nuvarande kunskapen baseras huvudsakligen på studier i sjöborren Arbacia punctulata , där bindning av kemoattraktanten reagerar (Tabell 1) till dess receptor, ett guanylylcyklas , aktiverar cGMP- syntes (Figur 1). Den resulterande ökningen av cGMP aktiverar möjligen K + -selektiva jonkanaler . Den åtföljande hyperpolariseringen aktiverar hyperpolarisationsaktiverade och cykliska nukleotidstyrda (HCN) kanaler. Den depolariserande inåtriktade strömmen genom HCN-kanaler aktiverar möjligen spänningsaktiverade Ca2 + -kanaler, vilket resulterar i förhöjning av intracellulär Ca2 + . Denna ökning leder till flagellär asymmetri och följaktligen en svängning av spermierna.
En modell av signaltransduktionsvägen under spermiekemotaxi hos sjöborren Arbacia punctulata . Bindning av en kemoattraktant (ligand) till receptorn - ett membranbundet guanylylcyklas (GC) - aktiverar syntesen av cGMP från GTP. Cyklisk GMP öppnar möjligen cykliska nukleotidstyrda (CNG) K + -selektiva kanaler, vilket därigenom orsakar hyperpolarisering av membranet. cGMP-signalen avslutas genom hydrolys av cGMP genom fosfodiesteras (PDE) aktivitet och inaktivering av GC. Vid hyperpolarisering tillåter hyperpolarisationsaktiverade och cykliska nukleotidstyrda (HCN) kanaler inflöde av Na + som leder till depolarisering och därigenom orsakar ett snabbt Ca 2+ inträde genom spänningsaktiverade Ca 2+ kanaler (Ca v ), Ca 2+ joner interagerar med okända mekanismer med flagellets axoneme och orsakar en ökning av asymmetrin hos flagellartat slag och så småningom en sväng eller böjning i simbanan. Ca 2+ avlägsnas från flagellumet genom en Na + /Ca 2+ -utbytesmekanism. (Tat från ref.)
Kemotaxi av spermier hos däggdjur
Efter upptäckten att mänskliga spermier ackumuleras i follikulär vätska och att det finns en anmärkningsvärd korrelation mellan denna in vitro-ackumulering och oocytbefruktning, bevisades kemotaxi som orsaken till denna ackumulering. Kemotaxi påvisades senare även hos möss och kaniner. Dessutom påvisades ackumulering av spermier i follikulär vätska (men utan att bevisa att det verkligen speglar kemotaxi) hos hästar och grisar. En nyckelfunktion för spermiekemotaxi hos människor är att denna process är begränsad till kapaciterade celler - de enda cellerna som har förmågan att penetrera oocyten och befrukta den. Detta gav upphov till möjligheten att kemotaxi hos däggdjur inte bara är en vägledningsmekanism utan också en mekanism för spermieselektion. Viktigt är att andelen kapaciterade (och följaktligen kemotaktiskt känsliga) spermier är låg (~10% hos människor), livslängden för det kapaciterade/kemotaktiska tillståndet är kort (1–4 timmar hos människor), en sperma kan vara vid detta tillstånd endast en gång under sin livstid, och spermieindivider blir kapaciterade/kemotaktiska vid olika tidpunkter, vilket resulterar i kontinuerlig ersättning av kapaciterade/kemotaktiska celler inom spermiepopulationen, dvs förlängd tillgänglighet av kapaciterade celler. Dessa spermieegenskaper gav upphov till möjligheten att förlängning av tidsperioden, under vilken kapaciterade spermier kan hittas i det kvinnliga könsorganet, är en mekanism, utvecklad hos människor, för att kompensera för bristen på koordination mellan insemination och ägglossning.
Kemoattraherande medel
Hos människor finns det åtminstone två olika ursprung för spermier kemoattraktanter. Den ena är cumuluscellerna som omger oocyten, och den andra är den mogna oocyten själv. Kemoattraktanten som utsöndras från cumuluscellerna är steroiden progesteron , som har visat sig vara effektiv i picomolarområdet. Kemoattraktanten som utsöndras från oocyten är ännu mer potent. Det är en hydrofob icke-peptidmolekyl som, när den utsöndras från oocyten, är i komplex med ett bärarprotein. Ytterligare föreningar har visat sig fungera som kemoattraherande medel för däggdjursspermatozoer. De inkluderar kemokinet CCL20 , atrial natriuretisk peptid (ANP), specifika luktämnen , natriuretisk peptid typ C (NPPC) och allurin, för att nämna några. Det är rimligt att anta att inte alla är fysiologiskt relevanta.
Artspecificitet
Artspecificitet detekterades inte i experiment som jämförde den kemotaktiska känsligheten hos mänskliga och kaninspermatozoer för follikulära vätskor eller äggkonditionerade media erhållna från människa, nötkreatur och kanin. De efterföljande fynden att cumulusceller från både människa och kanin (och troligen också från andra däggdjur) utsöndrar det kemoattraktiva progesteronet är tillräckliga för att förklara bristen på specificitet i det kemotaktiska svaret hos däggdjursspermatozoer.
Beteendemekanism
Däggdjursspermatozoer, liksom sjöborrespermatozoer, verkar känna av kemoattraktantgradienten temporärt (jämför receptorbeläggning över tid) snarare än rumsligt (jämför receptorbeläggning över rymden). Detta beror på att etableringen av en tidsgradient i frånvaro av rumslig gradient, uppnådd genom att blanda mänskliga spermier med en kemoattraktant eller genom fotofrisättning av en kemoattraktant från dess inkapslade förening, resulterar i fördröjda övergående förändringar i simbeteende som involverar ökad frekvens av svängar och hyperaktiveringshändelser . På grundval av dessa observationer och upptäckten att nivån av hyperaktiveringshändelser minskar när kemotaktiskt känsliga spermier simmar i en spatial kemoattraktantgradient, föreslogs att vändningar och hyperaktiveringshändelser undertrycks när kapaciterade spermier simmar upp en kemoattraktantgradient, och vice versa när de simmar nerför en lutning. Med andra ord, mänskliga spermier närmar sig kemoattraktanter genom att modulera frekvensen av vändningar och hyperaktiveringshändelser, på samma sätt som Escherichia coli- bakterier.
Molekylär mekanism
Liksom i icke-däggdjursarter är slutsignalen i kemotaxi för att ändra simriktningen Ca 2+ . Upptäckten av progesteron som ett kemoattraherande medel ledde till identifieringen av dess receptor på spermieytan - CatSper , en Ca 2+ -kanal som uteslutande finns i svansen på däggdjursspermatozoer. (Observera dock att progesteron endast stimulerar mänsklig CatSper men inte mus CatSper. Konsekvent hittades inte spermiekemotaxi till progesteron hos möss.) De molekylära stegen efter CatSper-aktivering av progesteron är dock oklara, även om inblandningen av transmembranet adenylylcyklas , cAMP och proteinkinas A såväl som lösligt guanylylcyklas , cGMP , inositoltrisfosfatreceptor och butiksopererad Ca2 + -kanal föreslogs.
Fysiologi
Kemotaxi är en kortdistansstyrningsmekanism. Som sådan kan den endast styra spermier för korta avstånd, uppskattningsvis i storleksordningen millimeter. Man tror därför att hos däggdjur förekommer spermiekemotaxi i äggledaren, nära oocyten. Första spermier kan styras kemotaktiskt till oocyt-cumulus-komplexet genom gradienten av progesteron, som utsöndras från cumuluscellerna. Dessutom kan progesteron inåt styra spermier, som redan finns i periferin av cumulus oophorus. Spermatozoer som redan finns djupt inuti cumulus oophorus kan känna av den mer potenta kemoattraktanten som utsöndras från oocyten och kemotaktisk styra sig till oocyten enligt gradienten för denna kemoattraktant. Man bör dock komma ihåg att detta scenario kan vara en alltför förenkling. Med tanke på det ökande antalet olika kemoattraktanter som upptäcks, kan fysiologin för kemotaxi in vivo vara mycket mer komplex.
Vidare läsning
- Michael Eisenbach (med bidrag från Joseph W Lengeler) (2004). "Kemotaxi." Imperial College Press, London.
- Michael Eisenbach och Laura Cecilia Giojalas (2006). "Spermievägledning hos däggdjur - en obanad väg till ägget". Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7, 276-285.
- Alvarez, L., Friedrich, BM, Gompper, G., Kaupp. UB (2013). "Den beräkningsspermacellen". Trender inom Cell Biol.