Spermavägledning
Spermavägledning är den process genom vilken spermier ( spermier ) riktas till oocyten (ägget) i syfte att befruktas . När det gäller marina ryggradslösa djur sker vägledningen genom kemotaxi . När det gäller däggdjur verkar det ske genom kemotaxi , termotaxi och reotaxi .
Bakgrund
Sedan upptäckten av spermier attraktion till de kvinnliga könscellerna i ormbunkar för över ett sekel sedan, har spermievägledning i form av spermiekemotaxi etablerats i en stor mängd 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. Denna övertygelse togs isär när det stod klart att endast ett fåtal av de ejakulerade spermatozoerna - hos människor, endast ~1 av varje miljon spermier - lyckas komma in i äggledarna (Äggledarna) och när nyare studier visade att däggdjursspermier använder minst tre olika mekanismer, som var och en potentiellt kan fungera som en styrmekanism: kemotaxi, termotaxi och reotaxi.
Spermavägledning hos icke-däggdjursarter
Spermavägledning hos icke-däggdjursarter utförs genom kemotaxi. Oocyten utsöndrar 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.
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.
Figur 1. 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 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.]
Spermavägledning hos däggdjur
Tre olika styrmekanismer har föreslagits att förekomma i däggdjursäggledaren: termotaxi, reotaxi och kemotaxi. På grund av uppenbara begränsningar visades alla dessa mekanismer endast in vitro . Upptäckten av korrekt stimuli hos honan – en ägglossningsberoende temperaturgradient i äggledaren, post-coitus oviductal vätskeflöde i honmöss och spermier kemoattraktanter som utsöndras från oocyten respektive dess omgivande cumulusceller – tyder starkt på den ömsesidiga förekomsten av dessa mekanismer in vivo .
I. Kemotaxi
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 spermieackumulering 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 därmed 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.
Kemotaxi är en kortdistansstyrningsmekanism. Som sådan kan den endast styra spermier för korta avstånd, uppskattningsvis i storleksordningen millimeter.
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 kemoattraherande substans från dess inkapslade förening, resulterar i fördröjda övergående förändringar i simbeteende som involverar ökad frekvens av svängar och hyperaktiveringshändelser . På basis 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 däggdjursspermier. (Observera dock att progesteron endast stimulerar mänsklig CatSper men inte mus CatSper. Konsekvent hittades inte spermakemotaxi till progesteron hos möss.) De molekylära stegen efter CatSper-aktiveringen 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.
II. Termotaxi
Insikten att spermiekemotaxi kan vägleda spermier endast på korta avstånd, utlöste ett sökande efter potentiella långväga vägledningsmekanismer. Fynden att det, åtminstone hos kaniner och grisar, finns en temperaturskillnad inom äggledaren, och att denna temperaturskillnad etableras vid ägglossning hos kaniner på grund av ett temperaturfall i äggledaren nära förbindelsen med livmodern, vilket skapar en temperaturgradient mellan spermielagringsplatsen och befruktningsplatsen i äggledaren, ledde till en studie av huruvida däggdjursspermier kan svara på en temperaturgradient med termotaxis .
Att etablera termotax av spermier som en aktiv process
Termotaxis av spermier från däggdjur har hittills påvisats i tre arter: människor, kaniner och möss. Detta gjordes med två metoder. En involverade en Zigmond-kammare , modifierad för att göra temperaturen i varje brunn separat kontrollerbar och mätbar. En linjär temperaturgradient etablerades mellan brunnarna och simningen av spermier i denna gradient analyserades. En liten del av spermatozoerna (i storleksordningen ~10%), som visades vara de kapaciterade cellerna, förspände sin simriktning enligt gradienten och rörde sig mot den varmare temperaturen. Den andra metoden involverade separationsrör med två eller tre avdelningar placerade i en termoseparationsanordning som upprätthåller en linjär temperaturgradient. Spermieansamlingen vid den varmare änden av separationsröret var mycket högre än ackumuleringen vid samma temperatur men i frånvaro av en temperaturgradient. Denna gradientberoende spermieackumulering observerades över ett brett temperaturområde (29-41 °C). Eftersom temperatur påverkar nästan varje process, har mycket uppmärksamhet ägnats frågan om mätningarna, som nämnts ovan, verkligen visar termotaxis eller om de återspeglar en annan temperaturberoende process. Den mest uttalade effekten av temperatur i vätska är konvektion , vilket väckte oro för att det uppenbara termotaktiska svaret kunde ha varit en återspegling av en passiv drift i vätskeströmmen eller ett reotaktiskt svar på strömmen (snarare än på temperaturgradienten i sig) . Ett annat bekymmer var att temperaturen kunde ha ändrat det lokala pH-värdet för buffertlösningen i vilken spermatozoerna är suspenderade. Detta kan generera en pH-gradient längs temperaturgradienten, och spermatozoerna kan ha svarat på den bildade pH-gradienten genom kemotaxi. Men noggranna experimentella undersökningar av alla dessa möjligheter med lämpliga kontroller visade att de uppmätta svaren på temperatur är verkliga termotaktiska svar och att de inte är en återspegling av någon annan temperaturkänslig process, inklusive reotaxi och kemotaxi.
Beteendemekanism för termotaxis av däggdjursspermier
Beteendemekanismen för termotaxis av spermier har hittills endast undersökts i mänskliga spermier. Liksom beteendemekanismerna för bakteriell kemotaxi och mänsklig spermakemotaxi , verkar beteendemekanismen för termotaxis av mänsklig sperma vara stokastisk snarare än deterministisk. Kapaciterade mänskliga spermier simmar i ganska raka linjer avbrutna av svängar och korta episoder av hyperaktivering. Varje sådant avsnitt resulterar i att simma i en ny riktning. När spermatozoerna känner av en temperatursänkning, ökar frekvensen av vändningar och hyperaktiveringshändelser på grund av ökad flagellarvågsamplitud som resulterar i ökad huvudförskjutning från sida till sida. Med tiden genomgår denna respons delvis anpassning. Motsatsen händer som svar på en ökning av temperaturen. Detta tyder på att när kapaciterade spermier simmar uppför en temperaturgradient, förträngs svängarna och spermatozoerna fortsätter att simma i gradientriktningen. När de råkar simma nerför lutningen vänder de sig om och om igen tills deras simriktning åter är uppför lutningen.
Temperaturavkänning
Spermatozoernas svar på temporala temperaturförändringar även när temperaturen hålls konstant rumsligt tyder på att, som i fallet med human spermiekemotaxi, spermiertermotaxi involverar tidsgradientavkänning. Med andra ord, spermatozoer jämför tydligen temperaturen (eller en temperaturberoende funktion) mellan på varandra följande tidpunkter. Detta utesluter dock inte förekomsten av rumslig temperaturavkänning utöver tidsavkänning. Mänskliga spermier kan reagera termotaktisk inom ett brett temperaturområde (minst 29–41 °C). Inom detta intervall ackumuleras de företrädesvis i varmare temperaturer snarare än vid en enda specifik, föredragen temperatur. Otroligt nog kan de känna av och termotaktiskt reagera på temperaturgradienter så låga som <0,014 °C/mm. Detta betyder att när mänskliga spermier simmar en sträcka som motsvarar deras kroppslängd (~46 µm) reagerar de på en temperaturskillnad på <0,0006 °C!
Molekylär mekanism
Den molekylära mekanismen som ligger bakom termotaxis, i allmänhet, och termosensing med sådan extrem känslighet, i synnerhet, är oklar. Det är känt att, till skillnad från andra erkända termosensorer hos däggdjur, verkar termosensorerna för spermiertermotaxi inte vara temperaturkänsliga jonkanaler . De är snarare opsiner , kända för att vara G-proteinkopplade receptorer som fungerar som fotosensorer i synen . Opsinerna finns i spermier på specifika platser, som beror på arten och opsintypen. De är involverade i spermiertermotaxi via minst två signalvägar: en fosfolipas C- signalväg och en cyklisk nukleotidväg . Den förra visades med farmakologiska medel i humana spermier involvera enzymet fosfolipas C , en inositoltrisfosfatreceptor belägen på inre kalciumförråd , kalciumkanalen TRPC3 och intracellulärt kalcium. Den cykliska nukleotidvägen har hittills visat sig involvera fosfodiesteras . Blockering av båda vägarna hämmar helt spermiertermotaxi.
III. Reotaxi
När spermier från människor och mus utsätts för ett vätskeflöde, orienterar ungefär hälften av dem (dvs. både kapaciterade och icke-kapaciterade spermier) om och simmar mot strömmen. Flödet, som är prolaktinutlöst äggledarvätskeutsöndring, genereras i honmöss inom 4 timmar efter sexuell stimulering och samlag. Således orienterar reotaxi spermier mot befruktningsplatsen. Det föreslogs att kapaciterade spermier kunde lossna från den oviduktala ytan snabbare än icke-kapaciterade spermier, vilket gör att de kan simma in i huvudströmmen. För att förstå mekanismen för spermievändning vid reotaxi utfördes en kvantitativ analys av mänskliga spermiers flagellära beteende under reotaxisvängning. Resultaten avslöjade, både på encells- och populationsnivåer, att det inte finns någon signifikant skillnad i flagellartad slag mellan reotaxi som vänder spermier och frisimmande spermier. Detta fynd taget tillsammans med den konstanta interna Ca 2+ -signalen, mätt under reotaxisvängning, visade att, i motsats till den aktiva processen med kemotaxi och termotaxis, är reotaxi av mänsklig sperma en passiv process och ingen flödesavkänning är inblandad.
Alla mekanismer kombinerade
Liksom i alla andra mycket väsentliga system inom biologi förväntas vägledning av däggdjursspermier involvera redundans. Faktum är att minst tre styrmekanismer sannolikt kommer att verka i det kvinnliga könsorganet, två aktiva mekanismer - kemotaxi och termotaxi, och en passiv mekanism - reotaxi. När en av dessa mekanismer av någon anledning inte fungerar, förväntas vägledningen inte gå förlorad och cellerna ska fortfarande kunna navigera till oocyten. Detta liknar vägledning av flyttfåglar, där fåglarnas navigering är opåverkad när en av styrmekanismerna inte fungerar. Det har föreslagits att kapaciterade spermier, som frigörs från spermielagringsplatsen vid näset, först aktivt kan styras av termotaxis från den kallare spermalagringsplatsen mot den varmare befruktningsplatsen (Figur 2). Två passiva processer, reotaxi och sammandragningar av äggledaren kan hjälpa spermatozoerna att nå dit. Vid denna plats kan spermatozoerna 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 endast är en modell.
Figur 2. Ett förenklat schema som beskriver den föreslagna sekvensen av aktiva spermiestyrningsmekanismer hos däggdjur. Dessutom kan två passiva processer, reotaxi av spermier och sammandragningar av äggledaren, hjälpa spermierörelsen mot befruktningsplatsen.
Ett antal observationer pekar på möjligheten att kemotaxi och termotaxi även förekommer vid nedre delar av det kvinnliga könsorganet. Till exempel mättes en liten, gradvis brunstcykelkorrelerad temperaturökning hos kor från slidan mot livmoderhornen, och en gradient av natriuretisk peptidprekursor A, som visat sig vara en kemoattraktant för musspermatozoer, hittades i fallande koncentrationsordning, i ampulla, isthmus och uterotubal junction. De fysiologiska funktionerna, om några, av dessa kemiska och temperaturgradienter är ännu inte lösta.
Potentiella kliniska tillämpningar
Spermavägledning genom antingen kemotaxi eller termotax kan potentiellt användas för att erhålla spermiepopulationer som är berikade med kapaciterade spermier för provrörsbefruktning. Faktum är att spermiepopulationer som selekterats med termotax har nyligen visat sig ha mycket högre DNA-integritet och lägre kromatinkomprimering än oselekterade spermier och, hos möss, ge upphov till fler och bättre embryon genom intracytoplasmatisk spermieinjektion (ICSI), vilket fördubblar antalet framgångsrika graviditeter . Kemotaxi och termotaxi kan också utnyttjas möjligen som ett diagnostiskt verktyg för att bedöma spermiekvalitet. Dessutom kan dessa processer potentiellt användas, på lång sikt, som ett preventivmedel genom att störa den normala befruktningsprocessen.