Spermiogenesis of Introsperm
Introspermát termelnek a fejlábúak, a neomenioidák (Aplacophora), néhány kéthéjú kagyló és a haslábúak számos csoportja, köztük a caenogastropodák, az opisthobranchák és a pulmonáták. A puhatestűek introspermái rendkívül változatosak és összetettebb szerkezetűek, a fej, a középső rész és a farok régióinak számos módosításával. A spermiogenezis során bekövetkező morfológiai változások tehát ezt a változatosságot tükrözik. A korai spermatidák, mint az aquaspermiumoké, általában gömb alakú maggal rendelkeznek, heterokromatin foltokkal (2. ábra (A)), és ebben a szakaszban a magfelszín leendő hátsó pólusán vagy elülső és hátsó pólusán a plakkoknak nevezett elektronsűrű anyag képződhet. Az elülső plakk általában extranukleáris anyag rétegéből áll, míg a hátsó plakkot úgy tűnik, hogy a belső magmembrán megvastagodása okozza. A korai spermatidákban a citoplazma számos mitokondriumot, gyakran egynél több Golgi-testet, jól fejlett endoplazmatikus retikulumot és egy vagy két centriolát tartalmaz (e jellemzők közül néhányat a 2. ábra (A) és (B) mutatja). Ahogy a spermatid érik, megnyúlik, ezalatt a sejtmag alakja megváltozik, és a kromatin kondenzációja folytatódik.
2. ábra. Az introsperm spermiogenezis néhány szakaszának (transzmissziós elektronmikroszkópos képekből értelmezett) diagramos ábrázolása néhány puhatestű taxonban. A, Korai spermatidák, amelyeken a kromatin foltos magok láthatók. B és C. Középső spermatidák, amelyekben a kromatin szemcséssé válik. Figyeljük meg a sejt fejlődő polaritását, ahol az akroszómavezikulum (AV) az elülső póluson helyezkedik el. D. Késői spermatidák rostos kromatinnal a sejtmagban. Figyeljük meg a sejtmagot körülvevő mikrotubulusokat (MT). E. Középső spermatidák a sejtmag perifériáján kezdődő kromatin kondenzációval. A sejtmag hátrafelé is invaginálódott, hogy kialakuljon a hátsó magfészek, amely a centrioláris komplexnek (CE) ad otthont. F. Késői spermatida megnyúlt maggal és középső darabbal. A kromatin már rostos megjelenésű, és a sejtmag teljesen invaginálódott, hogy egy központi csatornát képezzen, amely a centrioláris komplexnek (CE) és az axonémának (AX) ad otthont. G és H. Késői spermatidák hosszmetszetei, amelyek a mitokondriális származék (MD) fejlődési szakaszait mutatják. I. A mitokondriális származék kialakulásának korai fázisában lévő középső darabon keresztmetszet. J. Keresztmetszet a mitokondriális származék kialakulásának késői fázisában a középső darabon keresztül. AP, akroszomális talapzat; AV, akroszomális vezikulum; AX, axonéma; BP, bazális lemez; CE, centrioláris komplex centriolái; CF, durva rost; F, flagellum; G, Golgi test; GH, glikogén spirál; M, mitokondrium; MD, mitokondriális származék; MT, mikrotubulus; N, sejtmag; RER, durva endoplazmatikus retikulum; nyíl, citoplazmahíd. Nem pontosan méretarányosan rajzolva.
A-D: egy tízlábú fejlábú (módosítva: Healy, J., 1990. Ultrastructure of spermatozoa and spermiogenesis in Spirula spirula (L.): Rendszertani jelentőség és összehasonlítás más fejlábúakkal. Helgoländer Meeresuntersuchungen 44, 109-123); E és F: caenogastropoda (módosítva: Buckland-Nicks, J., Williams, D., Chia, F-S., Fontaine, A., 1983. Tanulmányok egy tengeri csiga polimorf spermiumairól. 2. Az eupirén spermiumok genezise. Gamete Research 7, 19-37); G-J: egy tüdős csigafélékből álló csiga (módosítva: Healy, J., 2001. Spermatogenezis és oogenezis. In: Barker, G.M. (szerk.), The Biology of Terrestrial Molluscs. Oxon: CABI Publishing, pp. 357-382).
A tízlábú fejlábúaknál (tintahalak és tintahalak) a kromatin kondenzációjának szemcsés fázisa (2. ábra (B)) hasonló ahhoz, amit az aquaspermák korai spermatidái esetében leírtak. A 20 nm-es szemcsék homogénen eloszlanak az egész sejtmagban. A spermatidák érésével ezek a kromatinszemcsék szerkezetileg és biokémiailag átalakulnak. A szemcsék vékony, antero-posterior irányultságú (kb. 35 nm átmérőjű) szálakká alakulnak át (2. ábra (D)), amelyek hiperacetilezett hisztonokat és protamin prekurzort tartalmaznak (Chiva és mtsai., 2011). A rostvastagság ezután körülbelül 50 nm átmérőjűre nő, a protamin prekurzor növekedésével és a hiperacetilezett hiszton csökkenésével. Végül a vastagabb rostok összeolvadnak, ami egyenletesen elektronsűrű magot eredményez, és ebben a szakaszban a protamin már a DNS-hez kapcsolódik. A nyolclábú fejlábúaknál a spermiogenezis során a magfehérje-átmenet hasonló a tízlábúakéhoz, de a kromatin kondenzációja némileg különbözik, mivel a kromatin kondenzációja a sejtmag poláris régióiban (a spermiumok elülső és hátsó részén fejlődő) kezdődik, nem pedig egyszerre az egész magban. A kromatin kondenzáció ezután fokozatosan elterjed az egész sejtmagban. Sok caenogastropodában a finom szemcsés fázis után a kromatin kondenzációja először a sejtmag perifériáján történik (2. ábra (E)), majd befelé terjed, míg a pulmonátákban a kromatin kondenzációja egyenletesen történik az egész sejtmagban. Ezt követi a fibrilláris fázis (2. ábra (F) és (G)), amely során a hisztonok fokozatosan és folyamatosan alakulnak át protamin prekurzorok sorozatán keresztül protaminokká (Chiva és mtsai., 2011). A kromatin átalakulásának utolsó fázisa egy lamellás fázist foglal magában, a lamellák végül összeolvadnak, és az egységesen elektronsűrű magot eredményezik.
A kromatin kondenzációja során az introspermium mag alakjának változása mélyreható lehet. Az alakváltozás először azzal kezdődik, hogy a sejtmag hátrafelé invaginálódik, hogy kialakítsa azt, ami a centriol(ok) vagy centrioláris származék beültetési fossa lesz (2. ábra (C)-(H)). Néhány caenogastropodában a megnyúló spermatidamag hosszú csőként alakul ki a központi intranukleáris csatorna kialakulása miatt (2. ábra (F)). Ezt az implantációs fossa fokozatos mélyülése hozza létre. Ahogy a fossa mélyül, a centriol(ok) vagy centrioláris származék a csatornába vándorol az axonémával együtt, amely így behatol a sejtmag hosszába (2. ábra (F)). Más haslábúaknál, például az opisthobrancháknál, a pulmonátáknál és néhány fejlábúnál a későbbi spermatidák magja némi torzuláson megy keresztül (2. ábra (H)), spirális vagy spirális csigavonalúvá válik.
A korai spermatidákban az akroszóma fejlődése gyakran a mag polaritásának kialakulása után kezdődik. A Neritimorpha (Gastropoda) fajokban az akroszóma kialakulása több kis, membránhoz kötött, elektrondús proakroszóma-vezikulum termelésével kezdődik a bazálisan elhelyezkedő Golgi-test által. A legtöbb más taxonban a Golgi-komplex vagy komplexek egyetlen proakroszomális vezikulát választanak ki (2. ábra (A)). Ahogy a spermatid érik, a vezikulum elölre vándorol, és az elülső nukleáris plakk közepén helyezkedik el. A caenogastropodákban a vezikulum vándorlását gyakran kíséri a Golgi-test, amely továbbra is anyagot termel a fejlődő akroszóma számára (2. ábra (E) és (F)). A Golgi-test endoplazmatikus retikulummal is társulhat. Az akroszómavezikulum vándorlása során általában extravesikuláris anyagot és struktúrákat szerez, amelyek végül szubvesikuláris anyagot, bazális lemezt vagy talapzatot alkotnak az akroszóma és a sejtmag között (2. ábra (E)-(H)).
A puhatestű introspermium középső darabja a centriolával, centriolákkal vagy centrioláris származékkal és mitokondriumokkal változatos összetettségű, ezért a spermiogenezis során bekövetkező szerkezeti változások is igen változatosak. Az Octopoda kivételével a fejlábúaknál számos apró, változatlan mitokondrium gyűlik össze a közép- és késői spermatidák fejlődő hátsó magvégénél, hogy egy olyan sejtmembrános sarkantyúban vagy hüvelyben helyezkedjenek el, amely a farok elülső szakasza mellett van, vagy körülveszi azt (2. ábra (C) és (D)). A polipok középső spermatidáiban a mitokondriumok fúziója úgy történik, hogy a mitokondriumok a sejtmag tövében lévő axonéma köré rendeződnek. A caenogastropodák középső és késői spermatidáiban a mitokondriumok szintén elkezdenek felhalmozódni a sejtmag bazális régiójában (2. ábra (E)), ahol összeolvadnak (2. ábra (F)), és módosított mitokondriális elemeket alkotnak, amelyek száma, hossza és belső szerkezeti összetettsége taxonként eltérő. Ahogy a spermatid és az axonéma megnyúlik, a mitokondriális elemek körülveszik és kiterjednek az axonéma mentén. Egyes fajoknál a középső spermatidában a mitokondriális elemek laza spirált alkotnak az axonéma körül, és a késői spermatidában már folyamatos spirális elemekké rendeződnek. Ahogy a mitokondriumok összeolvadnak, a cristae-k folyamatos membránt alkothatnak, vagy lemezszerű struktúrákká alakulhatnak át.
A magasabb rendű haslábúaknál, például a pulmonátáknál és az opisthobrancháknál a spermiogenezis előrehaladtával az axonéma tovább nyúlik, és a kis mitokondriumok hátrafelé vándorolnak, ahol az axonéma mentén csoportosulnak, ahol elkezdenek összeolvadni (2. ábra (G) és (I)). Ezzel egyidejűleg kilenc ismeretlen eredetű pályaszál társul az axonémához és veszi körül azt (2. ábra (I) és (J)). Ahogy a spermatida érik, a mitokondriumok tovább fuzionálnak és burkolatként az axonéma köré tekerednek (2. ábra (I) és (J)). A beburkolás előrehaladtával a mitokondriumok anyaga átalakul, és a késői spermatidára a parakristályos mátrixanyag körkörös, párhuzamos rétegeiként szerveződik az úgynevezett mitokondriális származékká, amely az axonéma mentén spirálisan kanyarog (Healy, 2001). A tekercselés és az átalakulás során a mitokondriális származékon belül egy vagy több csőszerű csatorna alakul ki. Az érett spermiumban ezek a csatornák glikogént vesznek fel, ezért glikogénhélixnek nevezik őket (2. ábra (H) és (J)). A glikogén számos puhatestű spermiumának jellemzője. Ez a raktározási termék általában a spermiogenezis késői szakaszában jelenik meg. Gyakran intraaxonemálisan rakódik le, ráadásul a caenogastropodák és opisthobranchák késői spermatidáinak axonémájának egy részét (gyakran a hátsó részét) glikogén veszi körül, és egy glikogéndarabnak nevezett régiót alkot. A mai napig nem sikerült megmagyarázni a glikogén spermatidákba való felvételének mechanizmusát.
A késői spermiogenezis egyik jellemzője számos puhatestű taxonban a felesleges citoplazma eltávolítása a spermatidák mag, középső darab vagy farok régiójából. A felesleges citoplazma olyan organellumokkal, mint a Golgi-test és az endoplazmatikus retikulum, eldobható citoplazmatikus salaktalanítással és/vagy csökkenthető autofágiával és lizoszomális aktivitással. A fejlábúak, néhány caenogastropoda és pulmonata késői spermiogenezisének további jellemzője a mikrotubulusok gyűrűjének (az úgynevezett manchette-nek) kialakulása a spermatid tömörülő magja és/vagy középső része körül (2. ábra (C), (D), (H) és (J)). A mikrotubulusok pontos szerepe nem tisztázott, bár azt feltételezik, hogy egyes fajoknál szerepet játszanak a spermium alakjának kialakulásában.