Spermiogenesis of Introsperm
Interspermoja tuottavat kaikki pääjalkaiset, neomenioidit (Aplacophora), muutamat simpukat ja monet gastropodien ryhmät, mukaan lukien caenogastropodit, opisthobranchit ja pulmonat. Nilviäisten introspermat ovat erittäin vaihtelevia ja rakenteeltaan monimutkaisempia, ja niiden pään, keskikappaleen ja pyrstön alueet ovat muuttuneet monin tavoin. Spermiogeneesin aikana tapahtuvat morfologiset muutokset heijastavat siis tätä vaihtelua. Varhaisilla spermatideilla, kuten vesiperäisten siittiöiden spermatideilla, on yleensä pallomainen ydin, jossa on heterokromatiinin tilkkutäkki (kuva 2(A)), ja tässä vaiheessa elektronitiheää materiaalia, niin sanottuja plakkeja, voi muodostua tulevan posteriorisen navan tai ydinpinnan etu- ja posteriorisen navan kohdalle. Anteriorinen plakki koostuu yleensä kerrostuneesta ekstranukleaarisesta materiaalista, kun taas posteriorinen plakki näyttää johtuvan sisäisen ydinkalvon paksuuntumisesta. Varhaisissa spermatideissa sytoplasmassa on lukuisia mitokondrioita, usein useampi kuin yksi Golgin elin, hyvin kehittynyt endoplasminen retikulum ja yksi tai kaksi sentriolia (joitakin näistä piirteistä on esitetty kuvissa 2(A) ja (B)). Spermatidin kypsyessä se pidentyy, minkä aikana tuma muuttaa muotoaan ja kromatiinin tiivistyminen etenee.
Kuva 2. Spermatidin kypsyessä se pitenee. Kaaviomuotoinen esitys (tulkittuna läpäisyelektronimikroskoopin kuvista) joistakin introspermin spermiogeneesin vaiheista eräillä nilviäistaksoneilla. A, Varhaiset spermatidit, joissa on kromatiinin tilkkutäkkejä sisältäviä tumia. B ja C. Keskimmäiset spermatidit, joissa kromatiini muuttuu rakeiseksi. Huomaa solun kehittyvä polariteetti, jossa akrosomaalinen vesikkeli (AV) sijaitsee etupuolella. D. Myöhäinen spermatidi, jonka ytimessä on kuitumaista kromatiinia. Huomaa tuman ympärillä olevat mikrotubulukset (MT). E. Keskimmäinen spermatidi, jossa kromatiinin tiivistyminen alkaa tuman periferiasta. Tuma on myös invaginoitunut posteriorisesti muodostaen tuman takaosan, jossa sijaitsee sentriolaarikompleksi (CE). F. Myöhäinen spermatidi, jossa tuma ja keskikappale ovat pidentyneet. Kromatiini on nyt kuitumaista ja tuma on invaginoitunut kokonaan muodostaen keskuskanavan, jossa sijaitsevat sentriolaarinen kompleksi (CE) ja aksonemi (AX). G ja H. Myöhäisten spermatidien pitkittäisleikkaukset, joissa näkyy mitokondriojohdoksen (MD) kehitysvaiheita. I. Poikkileikkaus keskikappaleen läpi mitokondriojohdoksen muodostumisen alkuvaiheessa. J. Poikkileikkaus keskikappaleen läpi mitokondriojohdoksen muodostumisen myöhäisvaiheessa. AP, akrosomaalinen jalusta; AV, akrosomaalinen vesikkeli; AX, aksoneemi; BP, basaalilevy; CE, sentriolaarisen kompleksin sentriolit; CF, karkea kuitu; F, flagellum; G, Golgin keho; GH, glykogeenikierre; M, mitokondrio; MD, mitokondriojohdannainen; MT, mikrotubulus; N, tuma; RER, karkea endoplasmaverkosto; nuoli, sytoplasmisilta. Ei ole piirretty mittakaavaan.
A-D: kymmenjalkainen pääjalkainen (muokattu lähteestä Healy, J., 1990. Ultrastructure of spermatozoa and spermiogenesis in Spirula spirula (L.): Systemaattinen merkitys ja vertailu muihin pääjalkaisiin. Helgoländer Meeresuntersuchungen 44, 109-123); E ja F: caenogastropodi (muokattu lähteestä Buckland-Nicks, J., Williams, D., Chia, F-S., Fontaine, A., 1983. Studies on the polymorphic spermatozoa of a marine snail. 2. Eupyrin siittiöiden synty. Gamete Research 7, 19-37); G-J: pulmonaattinen gastropodi (muokattu lähteestä Healy, J., 2001. Spermatogeneesi ja oogeneesi. In: Barker, G.M. (toim.), The Biology of Terrestrial Molluscs. Oxon: CABI Publishing, s. 357-382).
Kymmenjalkaisilla pääjalkaisilla (seepia ja kalmarit) on kromatiinin tiivistymisen rakeinen vaihe (kuva 2(B)), joka on samanlainen kuin se, joka on kuvattu vesieläinten varhaisille spermatideille. 20 nm:n rakeet jakautuvat homogeenisesti koko tumaan. Spermatidin kypsyessä nämä kromatiinirakeet muuttuvat rakenteellisesti ja biokemiallisesti. Rakeet muokkautuvat ohuiksi kuiduiksi (halkaisijaltaan noin 35 nm), joiden suunta on antero-posterior (kuva 2(D)) ja jotka sisältävät hyperasetyloidut histonit ja protamiinin esiastetta (Chiva et al., 2011). Kuitujen paksuus kasvaa sitten halkaisijaltaan noin 50 nm:iin protamiinin esiasteen lisääntyessä ja hyperasetyloidun histonin vähentyessä. Lopulta paksummat kuidut sulautuvat yhteen, mikä johtaa tasaisen elektronitiheään ytimeen, ja tässä vaiheessa protamiini liittyy nyt DNA:han. Mustajalkaisilla pääjalkaisilla ydinproteiinien siirtyminen spermiogeneesin aikana on samanlainen kuin kymmenjalkaisilla, mutta kromatiinin tiivistyminen on jonkin verran erilaista sikäli, että se alkaa tuman polaarisilta alueilta (siemennesteen etu- ja takapuolelta kehittyviltä alueilta) sen sijaan, että se tapahtuisi samanaikaisesti kaikkialla. Kromatiinin tiivistyminen leviää sitten vähitellen koko tumaan. Monissa caenogastropodeissa kromatiinin tiivistyminen tapahtuu hienorakeisen vaiheen jälkeen ensin tuman reuna-alueilla (kuva 2(E)) ja leviää sisäänpäin, kun taas pulmonateissa kromatiinin tiivistyminen tapahtuu tasaisesti koko tuman alueella. Tämän jälkeen seuraa fibrillaarinen vaihe (Kuva 2 (F) ja (G)), jonka aikana histonit muuntuvat vähitellen ja jatkuvasti protamiinien esiasteiden kautta protamiineiksi (Chiva et al., 2011). Kromatiinin muutoksen viimeiseen vaiheeseen kuuluu lamellivaihe, jossa lamellit lopulta sulautuvat yhteen, jolloin tuloksena on tasaisen elektronitiheä tuma.
Kromatiinin tiivistymisen aikana introsperman ydinmuodon muutos voi olla syvällinen. Muodonmuutos alkaa aluksi siten, että tumajyvän taaempana oleva tumajyvä muodostuu sentriolin (sentriolien) tai sentriolaarijohdoksen implantaatiokohdaksi (kuva 2(C)-(H)). Joillakin caenogastropodeilla pidentyvä siittiöiden ydin kehittyy pitkäksi putkeksi, koska siihen muodostuu keskeinen intranukleaarinen kanava (kuva 2(F)). Tämä johtuu implantaatiokohdan asteittaisesta syvenemisestä. Kun fossa syvenee, sentrioli(t) tai sentriolaarijohdos (sentriolaarijohdokset) siirtyvät kanavaan yhdessä aksoneemin kanssa, joka näin ollen tunkeutuu tuman pituuteen (kuva 2(F)). Muilla gastropodeilla, kuten opisthobrancheilla, pulmonaateilla ja joillakin pääjalkaisilla, myöhempien spermatidien tuma vääntyy jonkin verran (kuva 2(H)) ja muuttuu spiraalimaiseksi tai spiraalimaisesti kölimaiseksi.
Akrosomin kehittyminen alkaa varhaisten spermatidien kohdalla usein sen jälkeen, kun ytimen napaisuus on vakiintunut. Neritimorphoissa (Gastropoda) akrosomin muodostuminen alkaa useiden pienten kalvosidonnaisten, elektronitiheiden proakrosomaalisten vesikkelien tuottamisella basaalisesti sijaitsevan Golgin rungon toimesta. Useimmissa muissa taksoneissa Golgin kompleksi tai kompleksit erittävät yhden proakrosomaalisen vesikkelin (kuva 2(A)). Spermatidin kypsyessä vesikkeli siirtyy etupuolelle ja asettuu etummaisen ydinlevyn keskelle. Kaenogastropodeissa vesikkelin siirtymiseen liittyy usein Golgin elin, joka tuottaa edelleen materiaalia kehittyvää akrosomia varten (kuvat 2(E) ja (F)). Golgin elin voi liittyä myös endoplasmiseen retikulumiin. Akrosomaalisen vesikkelin vaelluksen aikana se saa yleensä ekstravesikulaarista materiaalia ja rakenteita, jotka lopulta muodostavat subvesikulaarista materiaalia, basaalilevyn tai jalustan akrosomin ja ytimen väliin (Kuva 2(E)-(H)).
Molluskan introsperman keskikappale sentrioleineen, sentrioleineen tai sentriolaarijohdannaisineen ja mitokondrioineen vaihtelee kompleksisuudeltaan, minkä vuoksi rakennemuutokset spermiogeneesin aikana vaihtelevat myös suuresti. Muilla pääjalkaisilla kuin Octopodoilla lukuisat pienet muuttumattomat mitokondriot kerääntyvät keski- ja myöhäisten spermatidien ytimen kehittyvään takapäähän ja sijoittuvat solukalvopurjeeseen tai -vaippaan, joka sijaitsee hännän etuosan vieressä tai ympäröi sitä (kuva 2 (C) ja (D)). Mustekalojen keskimmäisissä spermatideissa mitokondriot fuusioituvat, kun mitokondriot järjestäytyvät aksoneemin ympärille ytimen tyvessä. Kaenogastropodien keski- ja myöhäispermatideissa mitokondriot alkavat myös kerääntyä tuman tyvialueelle (kuva 2(E)), jossa ne fuusioituvat (kuva 2(F)) muodostaen muunneltuja mitokondrioelementtejä, joiden lukumäärä, pituus ja sisäinen rakenteellinen monimutkaisuus vaihtelevat taksoneittain. Kun spermatidi ja sen aksonemi pidentyvät, mitokondriot ympäröivät aksonemia ja ulottuvat sitä pitkin. Joillakin lajeilla spermatidin keskivaiheen mitokondriot alkavat muodostaa löyhän spiraalin aksoneemin ympärille, ja myöhäisessä spermatidivaiheessa ne ovat järjestäytyneet jatkuviksi kierteisiksi elementeiksi. Kun mitokondriot sulautuvat, cristae voi muodostaa jatkuvan kalvon tai muuttua levymäisiksi rakenteiksi.
Korkeammilla gastropodeilla, kuten pulmonaateilla ja opisthobranchilla, spermiogeneesin edetessä aksoneemi jatkaa pidentymistään, ja pienet mitokondriot vaeltavat takapuolelle, jossa ne ryhmittyvät aksoneemin varrelle, jossa ne alkavat sulautua (kuvat 2(G) ja (I)). Samaan aikaan yhdeksän tuntematonta alkuperältään tuntematonta kurssikuitua liittyy aksonemeen ja ympäröi sitä (kuvat 2 (I) ja (J)). Spermatidin kypsyessä mitokondriot jatkavat sulautumistaan ja kietoutuvat aksonemeen vaipaksi (kuvat 2(I) ja (J)). Kietoutumisen edetessä mitokondriomateriaali muuntuu, ja myöhäisessä spermatidissa se on järjestäytynyt pyöreiksi rinnakkaisiksi kerroksiksi parakiteistä matriisimateriaalia, jota kutsutaan mitokondriojohdannaiseksi, joka kiertyy spiraalimaisesti aksonemea pitkin (Healy, 2001). Kietoutumisen ja muuntumisen aikana mitokondriojohdokseen kehittyy yksi tai useampi putkimainen kanava. Kypsässä siittiössä nämä kanavat saavat glykogeenia, ja siksi niitä kutsutaan glykogeenikierteiksi (kuva 2 (H) ja (J)). Glykogeeni on monien nilviäisten siittiöiden ominaisuus. Tämä varastointituote ilmestyy yleensä myöhään spermiogeneesin aikana. Se kerrostuu usein aksonemiin, ja lisäksi kaenogastropodien ja opisthobranchien myöhäisten spermatidien aksonemien osa (usein takimmainen osa) jää glykogeenin ympäröimäksi, jolloin muodostuu alue, jota kutsutaan glykogeenikappaleeksi. Glykogeenin ottomekanismia spermatideihin ei ole toistaiseksi selitetty.
Monien nilviäistaksonien myöhäisen spermiogeneesin piirre on ylimääräisen sytoplasman poistuminen spermatidin ydin-, keskikappaleen tai hännän alueilta. Ylimääräinen sytoplasma organelleineen, kuten Golgin keho ja endoplasminen retikulum, voidaan hävittää sytoplasman irtoamisen avulla ja/tai vähentää autofagian ja lysosomaalisen toiminnan avulla. Pääjalkaisten, joidenkin kaenogastropodien ja keuhkoeläinten myöhäisen spermiogeneesin toinen piirre on mikrotubulusten renkaan (ns. manchette) kehittyminen spermatidin tiivistyvän ytimen ja/tai keskikappaleen ympärille (kuva 2 (C), (D), (H) ja (J)). Mikrotubulusten tarkkaa roolia ei ole selvitetty, vaikka on esitetty, että joillakin lajeilla niillä on merkitystä siittiöiden muodon muodostumisessa.