Spermiogenese von Introspermien
Introspermien werden von allen Kopffüßern, den Neomenioiden (Aplacophora), einigen Muscheln und vielen Gastropodengruppen einschließlich der Caenogastropoden, Opisthobranchen und Pulmonaten produziert. Die Introspermien der Mollusken sind äußerst variabel und komplexer in ihrer Struktur mit einer Vielzahl von Veränderungen im Kopf-, Mittelstück- und Schwanzbereich. Die morphologischen Veränderungen, die während der Spermiogenese auftreten, spiegeln daher diese Variabilität wider. Frühe Spermatiden, wie die von Aquaspermien, neigen dazu, einen kugelförmigen Kern mit einem Flickenteppich aus Heterochromatin zu haben (Abb. 2(A)), und in diesem Stadium kann sich elektronendichtes Material, so genannte Plaques, am zukünftigen hinteren Pol oder am vorderen und hinteren Pol der Kernoberfläche bilden. Die anteriore Plaque besteht in der Regel aus einer Schicht extranukleären Materials, während die posteriore Plaque durch eine Verdickung der inneren Kernmembran verursacht zu sein scheint. In frühen Spermatiden weist das Zytoplasma zahlreiche Mitochondrien, oft mehr als einen Golgikörper, ein gut entwickeltes endoplasmatisches Retikulum und ein oder zwei Zentriolen auf (einige dieser Merkmale sind in Abb. 2(A) und (B) dargestellt). Wenn die Spermatide reift, verlängert sie sich, wobei der Kern seine Form verändert und die Chromatinkondensation voranschreitet.
Abb. 2. Schematische Darstellung (interpretiert aus transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen) einiger Stadien der Introspermien-Spermiogenese bei einigen Mollusken-Taxa. A, Frühe Spermatiden mit Kernen mit einem Flickenteppich aus Chromatin. B und C: Mittlere Spermatiden, in denen das Chromatin körnig wird. Man beachte die sich entwickelnde Polarität der Zelle mit der Akrosomalblase (AV) am vorderen Pol. D. Späte Spermatide mit faserigem Chromatin im Zellkern. Man beachte die Mikrotubuli (MT), die den Zellkern umgeben. E. Mittlere Spermatide mit Chromatinkondensation, die an der Peripherie des Zellkerns beginnt. Der Kern hat sich auch nach hinten ausgedehnt, um die hintere Kernfossa zu bilden, in der sich der zentrioläre Komplex (CE) befindet. F. Späte Spermatide mit verlängertem Kern und Mittelstück. Das Chromatin sieht jetzt faserig aus, und der Kern hat sich vollständig invaginiert, um einen zentralen Kanal zu bilden, in dem der zentrioläre Komplex (CE) und das Axonem (AX) untergebracht sind. G und H. Längsschnitte durch späte Spermatiden, die die Stadien der Entwicklung des Mitochondrien-Derivats (MD) zeigen. I. Querschnitt durch das Mittelstück in der frühen Phase der Bildung des mitochondrialen Derivats. J. Querschnitt durch das Mittelstück in einer späten Phase der Bildung des mitochondrialen Derivats. AP, akrosomaler Sockel; AV, akrosomales Vesikel; AX, Axonem; BP, Basalplatte; CE, Zentriolen des zentriolären Komplexes; CF, grobe Faser; F, Geißel; G, Golgi-Körper; GH, Glykogen-Helix; M, Mitochondrium; MD, mitochondriales Derivat; MT, Mikrotubulus; N, Zellkern; RER, raues endoplasmatisches Retikulum; Pfeil, Zytoplasma-Brücke. Nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
A-D: ein Zehnfußkrebse (modifiziert aus Healy, J., 1990. Ultrastruktur der Spermatozoen und Spermiogenese in Spirula spirula (L.): Systematische Bedeutung und Vergleich mit anderen Cephalopoden. Helgoländer Meeresuntersuchungen 44, 109-123); E und F: ein Caenogastropode (modifiziert aus Buckland-Nicks, J., Williams, D., Chia, F-S., Fontaine, A., 1983. Studies on the polymorphic spermatozoa of a marine snail. 2. Genese des eupyrenen Spermas. Gamete Research 7, 19-37); G-J: ein pulmonater Gastropode (modifiziert aus Healy, J., 2001. Spermatogenese und Oogenese. In: Barker, G.M. (ed.), The Biology of Terrestrial Molluscs. Oxon: CABI Publishing, S. 357-382).
Bei den Kopffüßern (Tintenfische und Kalmare) gibt es eine granuläre Phase der Chromatinkondensation (Abb. 2(B)), die derjenigen ähnelt, die für die frühen Spermatiden von Aquaspermien beschrieben wurde. Die 20 nm großen Granula verteilen sich homogen über den gesamten Zellkern. Während der Reifung der Spermatide werden diese Chromatinkörnchen strukturell und biochemisch umgewandelt. Die Granula werden zu dünnen Fasern (etwa 35 nm Durchmesser) mit einer antero-posterioren Ausrichtung umgebaut (Abb. 2(D)), die hyperacetylierte Histone und einen Protaminvorläufer enthalten (Chiva et al., 2011). Die Dicke der Fasern nimmt dann bis zu einem Durchmesser von etwa 50 nm zu, wobei der Protaminvorläufer zunimmt und das hyperacetylierte Histon abnimmt. Schließlich verschmelzen die dickeren Fasern, was zu einem gleichmäßig elektronendichten Kern führt, und in diesem Stadium ist das Protamin nun mit der DNA verbunden. Bei den Kopffüßern ist der Übergang der Kernproteine während der Spermiogenese ähnlich wie bei den Zehnfußkrebsen, aber die Chromatinkondensation ist insofern etwas anders, als sie an den polaren Regionen (die sich anterior und posterior der Spermien entwickeln) des Kerns beginnt und nicht gleichzeitig im gesamten Kern. Die Chromatinkondensation breitet sich dann allmählich im gesamten Zellkern aus. Bei vielen Caenogastropoden tritt die Chromatinkondensation nach der feinkörnigen Phase zunächst an der Peripherie des Zellkerns auf (Abb. 2(E)) und breitet sich dann nach innen aus, während bei den Lungenfüßern die Chromatinkondensation gleichmäßig im gesamten Zellkern stattfindet. Darauf folgt die fibrilläre Phase (Abb. 2(F) und (G)), in der die Histone allmählich und kontinuierlich durch eine Reihe von Protamin-Vorläufern in Protamine umgewandelt werden (Chiva et al., 2011). Die letzte Phase der Chromatinveränderung umfasst eine lamellare Phase, in der die Lamellen schließlich zu einem einheitlich elektronendichten Kern zusammenwachsen.
Während der Chromatinkondensation kann die Veränderung der Kernform von Introspermien tiefgreifend sein. Die Formveränderung beginnt damit, dass sich der Kern nach hinten ausdehnt, um die Implantationsfossa für die Zentriole(n) oder das Zentriolarderivat zu bilden (Abb. 2(C)-(H)). Bei einigen Caenogastropoden entwickelt sich der sich ausdehnende Spermatidenkern durch die Bildung eines zentralen intranukleären Kanals zu einer langen Röhre (Abb. 2(F)). Dies wird durch die allmähliche Vertiefung der Implantationsfossa bewirkt. Mit der Vertiefung der Fossa wandern die Zentriole(n) oder das zentrioläre Derivat in den Kanal, zusammen mit dem Axonem, das somit die Länge des Kerns durchdringt (Abb. 2(F)). Bei anderen Gastropoden wie den Opisthobranchiern, den Pulmonaten und einigen Kopffüßern wird der Kern späterer Spermatiden etwas verdreht (Abb. 2(H)) und spiralförmig oder schraubenförmig gekielt.
Die Entwicklung des Akrosoms beginnt bei frühen Spermatiden oft erst, nachdem die Polarität des Kerns hergestellt ist. Bei den Neritimorpha (Gastropoda) beginnt die Akrosombildung mit der Produktion mehrerer kleiner membrangebundener, elektronendichter proakrosomaler Vesikel durch den basal gelegenen Golgikörper. Bei den meisten anderen Taxa sezerniert der Golgi-Komplex oder die Golgi-Komplexe ein einziges proakrosomales Vesikel (Abb. 2(A)). Während der Reifung der Spermatide wandert das Vesikel nach vorne und positioniert sich in der Mitte der vorderen Kernplaque. Bei Caenogastropoden wird die Vesikelwanderung häufig vom Golgikörper begleitet, der weiterhin Material für das sich entwickelnde Akrosom produziert (Abb. 2(E) und (F)). Der Golgikörper kann auch mit dem endoplasmatischen Retikulum verbunden sein. Während der Wanderung des Akrosom-Vesikels erwirbt es in der Regel extravesikuläres Material und Strukturen, die schließlich subvesikuläres Material, eine Basalplatte oder einen Sockel zwischen dem Akrosom und dem Zellkern bilden (Abb. 2(E)-(H)).
Das Mittelstück des Mollusken-Introspermiums mit seinen Zentriolen, Zentriolen oder Zentriolarderivaten und Mitochondrien variiert in seiner Komplexität, und daher sind auch die strukturellen Veränderungen während der Spermiogenese sehr unterschiedlich. Bei anderen Kopffüßern als den Octopoda sammeln sich zahlreiche kleine, unveränderte Mitochondrien am sich entwickelnden hinteren Ende des Kerns der mittleren bis späten Spermatiden an, um sich innerhalb eines Zellmembransporns oder einer Zellmembranscheide anzusiedeln, die an den vorderen Abschnitt des Schwanzes angrenzt oder diesen umgibt (Abb. 2(C) und (D)). In den mittleren Spermatiden der Oktopoden findet eine mitochondriale Fusion statt, bei der sich die Mitochondrien um das Axonem an der Basis des Zellkerns anordnen. In den mittleren bis späten Spermatiden der Caenogastropoden beginnen sich die Mitochondrien ebenfalls in der basalen Region des Kerns anzusammeln (Abb. 2(E)), wo sie verschmelzen (Abb. 2(F)) und modifizierte mitochondriale Elemente bilden, die in Anzahl, Länge und interner struktureller Komplexität zwischen den Taxa variieren. Wenn sich die Spermatide und ihr Axonem verlängern, umgeben die mitochondrialen Elemente das Axonem und erstrecken sich entlang dieses. Bei einigen Arten beginnen die mitochondrialen Elemente in der mittleren Spermatide eine lockere Spirale um das Axonem zu bilden, und im späten Spermatidenstadium sind sie als durchgehende spiralförmige Elemente angeordnet. Wenn die Mitochondrien verschmelzen, können die Cristae eine durchgehende Membran bilden oder sich in plattenartige Strukturen verwandeln.
Bei höheren Schnecken, wie Pulmonaten und Opisthobranchiern, verlängert sich das Axonem mit fortschreitender Spermiogenese weiter und die kleinen Mitochondrien wandern nach hinten, wo sie sich entlang des Axonems anhäufen und zu verschmelzen beginnen (Abb. 2(G) und (I)). Gleichzeitig werden neun Bahnfasern unbekannten Ursprungs mit dem Axonem assoziiert und umgeben es (Abb. 2(I) und (J)). Während der Reifung der Spermatide fusionieren die Mitochondrien weiter und wickeln sich wie eine Hülle um das Axonem (Abb. 2(I) und (J)). Mit fortschreitender Umhüllung wird das mitochondriale Material umgewandelt und ist in der späten Spermatide als kreisförmige, parallele Schichten aus parakristallinem Matrixmaterial in einem so genannten mitochondrialen Derivat organisiert, das sich spiralförmig entlang des Axonems windet (Healy, 2001). Während der Umhüllung und Umwandlung entwickeln sich ein oder mehrere röhrenförmige Kanäle innerhalb des mitochondrialen Derivats. Im reifen Spermium werden diese Kanäle mit Glykogen angereichert, weshalb sie als Glykogenspiralen bezeichnet werden (Abb. 2(H) und (J)). Glykogen ist ein Merkmal der Spermatozoen vieler Weichtiere. Dieses Speicherprodukt tritt normalerweise erst spät in der Spermiogenese auf. Es wird oft intraaxonemal abgelagert, und außerdem wird ein Abschnitt des Axonems (oft der hintere Teil) der späten Spermatiden von Caenogastropoden und Opisthobranchen von Glykogen umgeben und bildet eine Region, die als Glykogenstück bezeichnet wird. Bis heute ist der Mechanismus der Aufnahme von Glykogen in die Spermatiden nicht geklärt.
Ein Merkmal der späten Spermiogenese vieler Mollusken-Taxa ist die Eliminierung von überschüssigem Zytoplasma aus den Kern-, Mittelstück- oder Schwanzregionen der Spermatiden. Das überschüssige Zytoplasma mit Organellen wie dem Golgi-Körper und dem endoplasmatischen Retikulum kann durch zytoplasmatische Ablösung entsorgt und/oder durch Autophagie und lysosomale Aktivität reduziert werden. Ein weiteres Merkmal der späten Spermiogenese von Cephalopoden, einigen Caenogastropoden und Pulmonaten ist die Entwicklung eines Rings aus Mikrotubuli (Manchette genannt) um den kondensierenden Kern und/oder das Mittelstück der Spermatide (Abb. 2(C), (D), (H) und (J)). Die genaue Rolle der Mikrotubuli ist noch nicht geklärt, obwohl vermutet wird, dass sie bei einigen Arten eine Rolle bei der Formgebung des Spermatozoons spielen.