Spermiogenesi dell’introsperma
L’introsperma è prodotto da tutti i cefalopodi, i neomenioidi (Aplacophora), alcuni bivalvi, e molti gruppi di gasteropodi compresi i caenogastropodi, opistobranchi e pulmonati. Le introspezioni dei molluschi sono estremamente variabili e più complesse nella struttura con una varietà di modifiche alle regioni della testa, della parte centrale e della coda. I cambiamenti morfologici che avvengono durante la spermiogenesi, quindi, riflettono questa variabilità. I primi spermatidi, come quelli dell’acquasperma, tendono ad avere un nucleo sferico con un mosaico di eterocromatina (Fig. 2(A)), e durante questa fase può formarsi del materiale denso di elettroni chiamato placche al futuro polo posteriore o ai poli anteriore e posteriore della superficie nucleare. La placca anteriore è solitamente composta da uno strato di materiale extranucleare, mentre la placca posteriore sembra essere causata da un ispessimento della membrana nucleare interna. Nei primi spermatidi il citoplasma ha numerosi mitocondri, spesso più di un corpo di Golgi, un reticolo endoplasmatico ben sviluppato e uno o due centrioli (alcune di queste caratteristiche sono mostrate in Fig. 2(A) e (B)). Man mano che lo spermatide matura, si allunga, durante il quale il nucleo cambia forma e la condensazione della cromatina procede.
Fig. 2. Rappresentazione diagrammatica (interpretata da immagini al microscopio elettronico a trasmissione) di alcuni stadi della spermiogenesi introsperma in alcuni taxa di molluschi. A, spermatidi precoci che mostrano nuclei con un mosaico di cromatina. B e C. Spermatidi medi in cui la cromatina sta diventando granulare. Si noti lo sviluppo della polarità della cellula con la vescicola acrosomale (AV) posizionata al polo anteriore. D. Spermatide tardivo con cromatina fibrosa nel nucleo. Notare i microtubuli (MT) che circondano il nucleo. E. Spermatide medio con condensazione della cromatina che inizia alla periferia del nucleo. Il nucleo ha anche invaginato posteriormente per formare la fossa posteriore del nucleo che ospita il complesso centriolare (CE). F. Spermatide tardivo con nucleo allungato e parte centrale. La cromatina è ora di aspetto fibroso e il nucleo si è invaginato completamente per formare un canale centrale che ospita il complesso centriolare (CE) e l’assonema (AX). G e H. Sezioni longitudinali attraverso spermatidi tardivi che mostrano le fasi dello sviluppo del derivato mitocondriale (MD). I. Sezione trasversale attraverso il pezzo medio nella fase iniziale di formazione del derivato mitocondriale. J. Sezione trasversale attraverso il pezzo medio di una fase tardiva di formazione del derivato mitocondriale. AP, piedistallo acrosomale; AV, vescicola acrosomale; AX, assonema; BP, piastra basale; CE, centrioli del complesso centriolare; CF, fibra grossolana; F, flagello; G, corpo del Golgi; GH, elica del glicogeno; M, mitocondrio; MD, derivato mitocondriale; MT, microtubulo; N, nucleo; RER, reticolo endoplasmatico ruvido; freccia, ponte citoplasmatico. Non disegnato esattamente in scala.
A-D: un cefalopode decapode (modificato da Healy, J., 1990. Ultrastruttura degli spermatozoi e spermiogenesi in Spirula spirula (L.): Importanza sistematica e confronto con altri cefalopodi. Helgoländer Meeresuntersuchungen 44, 109-123); E e F: un caenogastropode (modificato da Buckland-Nicks, J., Williams, D., Chia, F-S., Fontaine, A., 1983. Studi sugli spermatozoi polimorfi di una lumaca marina. 2. Genesi dello sperma eupirene. Gamete Research 7, 19-37); G-J: un gasteropode polmonato (modificato da Healy, J., 2001. Spermatogenesi e oogenesi. In: Barker, G.M. (ed.), The Biology of Terrestrial Molluscs. Oxon: CABI Publishing, pp. 357-382).
Nei cefalopodi decapodi (seppie e calamari) c’è una fase granulare di condensazione della cromatina (Fig. 2(B)) simile a quella descritta per i primi spermatidi di acquasperma. I granuli di 20 nm si distribuiscono omogeneamente in tutto il nucleo. Con la maturazione dello spermatide, questi granuli di cromatina si trasformano strutturalmente e biochimicamente. I granuli si rimodellano in sottili fibre (circa 35 nm di diametro) con un orientamento antero-posteriore (Fig. 2(D)) che contengono istoni iperacetilati e un precursore della protamina (Chiva et al., 2011). Lo spessore delle fibre aumenta poi fino a circa 50 nm di diametro con un aumento del precursore della protamina e una diminuzione dell’istone iperacetilato. Infine, le fibre più spesse si fondono, dando luogo a un nucleo uniformemente denso di elettroni, e in questa fase la protamina è ora associata al DNA. Nei cefalopodi octopodi la transizione proteica nucleare durante la spermiogenesi è simile a quella dei decapodi, ma la condensazione della cromatina è un po’ diversa in quanto inizia nelle regioni polari (sviluppo anteriore e posteriore dello sperma) del nucleo piuttosto che contemporaneamente in tutto. La condensazione della cromatina si diffonde poi progressivamente in tutto il nucleo. In molti caenogastropodi, dopo la fase granulare fine, la condensazione della cromatina avviene prima alla periferia del nucleo (Fig. 2(E)), diffondendosi verso l’interno, mentre nei polmonati, la condensazione della cromatina avviene uniformemente in tutto il nucleo. Questa è poi seguita dalla fase fibrillare (Fig. 2(F) e (G)) durante la quale gli istoni vengono gradualmente e continuamente trasformati in protamine attraverso una serie di precursori di protamina (Chiva et al., 2011). La fase finale del cambiamento della cromatina comporta una fase lamellare, le lamelle alla fine si coalizzano per dare luogo al nucleo uniformemente denso di elettroni.
Durante la condensazione della cromatina il cambiamento della forma nucleare dell’introsperma può essere profondo. Il cambiamento di forma inizia con il nucleo che si invagina posteriormente per formare quella che diventerà la fossa di impianto per il/i centriolo/i o il derivato centriolare (Fig. 2(C)-(H)). In alcuni caenogastropodi il nucleo dello spermatide che si allunga si sviluppa come un lungo tubo a causa della formazione di un canale centrale intranucleare (Fig. 2(F)). Ciò è dovuto al graduale approfondimento della fossa di impianto. Man mano che la fossa si approfondisce, il/i centriolo/i o il derivato centriolare migrano nel canale insieme all’assonema che quindi penetra nella lunghezza del nucleo (Fig. 2(F)). In altri gasteropodi come gli opistobranchi, i pulmonati e alcuni cefalopodi, il nucleo degli spermatidi più tardivi subisce una certa torsione (Fig. 2(H)), diventando elicoidale o elicoidale.
Lo sviluppo dell’acrosoma inizia nei primi spermatidi spesso dopo che la polarità del nucleo è stata stabilita. Nei Neritimorpha (Gastropoda), la formazione dell’acrosoma inizia con la produzione di diverse piccole vescicole proacrosomali legate alla membrana e dense di elettroni da parte del corpo del Golgi situato alla base. Nella maggior parte degli altri taxa il complesso o i complessi del Golgi secernono una singola vescicola proacrosomale (Fig. 2(A)). Quando lo spermatide matura, la vescicola migra anteriormente e si posiziona al centro della placca nucleare anteriore. Nei caenogasteropodi la migrazione della vescicola è spesso accompagnata dal corpo del Golgi che continua a produrre materiale per l’acrosoma in via di sviluppo (Fig. 2(E) e (F)). Il corpo del Golgi può anche essere associato al reticolo endoplasmatico. Durante la migrazione della vescicola acrosomale di solito acquisisce materiale extravescicolare e strutture che alla fine formano materiale subvescicolare, una piastra basale, o un piedistallo tra l’acrosoma e il nucleo (Fig. 2(E)-(H)).
Il pezzo centrale dell’introsperma dei molluschi con il suo centriolo, centrioli, o derivato centriolare e mitocondri varia in complessità e quindi i cambiamenti strutturali durante la spermiogenesi sono anche molto variabili. Nei cefalopodi diversi dall’Octopoda, numerosi piccoli mitocondri non modificati si raggruppano all’estremità posteriore in via di sviluppo del nucleo degli spermatidi medi e tardivi per collocarsi all’interno di uno sperone o guaina di membrana cellulare che è adiacente o circonda la sezione anteriore della coda (Fig. 2(C) e (D)). Negli spermatidi medi dei polipi la fusione mitocondriale avviene quando i mitocondri si dispongono intorno all’assonema alla base del nucleo. Negli spermatidi medio-tardivi dei caenogasteropodi, i mitocondri iniziano ad accumularsi anche nella regione basale del nucleo (Fig. 2(E)) dove si fondono (Fig. 2(F)) per formare elementi mitocondriali modificati che variano in numero, lunghezza e complessità strutturale interna tra i vari taxa. Man mano che lo spermatide e il suo assonema si allungano, gli elementi mitocondriali circondano ed estendono lungo l’assonema. In alcune specie gli elementi mitocondriali dello spermatozoo medio iniziano a formare una spirale sciolta intorno all’assoneme e, nella fase finale dello spermatozoo, sono disposti come elementi elicoidali continui. Quando i mitocondri si fondono, le criste possono formare una membrana continua o trasformarsi in strutture simili a piastre.
Nei gasteropodi superiori, come i pulmonati e gli opistobranchi, mentre la spermiogenesi procede l’assonema continua ad allungarsi e i piccoli mitocondri migrano posteriormente dove si raggruppano lungo l’assonema dove iniziano a fondersi (Fig. 2(G) e (I)). Allo stesso tempo, nove fibre di corso di origine sconosciuta si associano e circondano l’assoneme (Fig. 2(I) e (J)). Con la maturazione dello spermatide, i mitocondri continuano a fondersi e si avvolgono attorno all’assonema come una guaina (Fig. 2(I) e (J)). Con il progredire dell’avvolgimento, il materiale mitocondriale si trasforma ed entro la fine dello spermatide è organizzato come strati circolari paralleli di materiale di matrice paracristallina in quello che viene definito un derivato mitocondriale che si avvolge a spirale lungo l’assonema (Healy, 2001). Durante l’avvolgimento e la trasformazione si sviluppano uno o più canali tubolari all’interno del derivato mitocondriale. Nello spermatozoo maturo questi canali acquisiscono glicogeno e sono perciò chiamati eliche di glicogeno (Fig. 2(H) e (J)). Il glicogeno è una caratteristica degli spermatozoi di molti molluschi. Questo prodotto di stoccaggio appare di solito tardi nella spermiogenesi. È spesso depositato intra-assonemicamente e inoltre una sezione dell’assonema (spesso la sezione posteriore) degli spermatidi tardivi dei caenogastropodi e degli opistobranchi viene circondata dal glicogeno per formare una regione chiamata pezzo di glicogeno. Fino ad oggi il meccanismo di assorbimento del glicogeno negli spermatidi non è stato spiegato.
Una caratteristica della spermiogenesi tardiva di molti taxa molluschi è l’eliminazione del citoplasma in eccesso dalle regioni nucleari, del pezzo medio o della coda degli spermatidi. Il citoplasma in eccesso con organelli come il corpo di Golgi e il reticolo endoplasmatico può essere scartato tramite sloughing citoplasmatico e/o ridotto tramite autofagia e attività lisosomiale. Un’ulteriore caratteristica della spermiogenesi tardiva dei cefalopodi, di alcuni caenogasteropodi e dei polmonati è lo sviluppo di un anello di microtubuli (chiamato manchette) intorno al nucleo condensante e/o alla parte centrale dello spermatide (Fig. 2(C), (D), (H) e (J)). Il ruolo preciso dei microtubuli non è stato stabilito, anche se è stato suggerito che in alcune specie hanno un ruolo nel contribuire a formare la forma dello spermatozoo.