Termotax för spermier
Spermietermotaxi är en form av spermievägledning, där spermier (spermatozoer) aktivt ändrar sin simriktning enligt en temperaturgradient och simmar uppför gradienten. Hittills har denna process endast upptäckts hos däggdjur .
Bakgrund
Upptäckten av kemotaxi från däggdjursspermier och insikten om att den endast kan styra spermier för korta avstånd, uppskattad till storleksordningen millimeter, 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 (Figur 1), ledde till undersökningar om däggdjursspermatozoer kan svara på en temperaturgradient genom termotaxis .
Att etablera termotax för 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 visade sig 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 i 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 två signalvägar - en fosfolipas C- signalväg och en cyklisk nukleotidväg . Den förra visades med farmakologiska medel i humana spermier involvera enzymet fosfolipas C, en inositoltrisfosfatreceptorkalciumkanal belägen på inre kalciumförråd , kalciumkanalen TRPC3 och intracellulärt kalcium. Det senare har hittills visat sig involvera fosfodiesteras . Blockering av båda vägarna hämmar helt spermiertermotaxi.