Spermiogenese van Introsperm
Introsperm worden geproduceerd door alle koppotigen, de neomenioïden (Aplacophora), enkele tweekleppigen, en vele groepen buikpotigen, waaronder de caenogastropoden, opisthobranchia en pulmonaten. De introsperma van weekdieren zijn uiterst variabel en complexer van structuur met een verscheidenheid van wijzigingen aan de kop, het middenstuk en de staartregio’s. De morfologische veranderingen die tijdens de spermiogenese optreden, weerspiegelen dan ook deze variabiliteit. Vroege spermatiden, zoals die van aquaspermen, hebben meestal een bolvormige kern met een lappendeken van heterochromatine (fig. 2(A)), en tijdens dit stadium kan zich elektronendicht materiaal, plaques genaamd, vormen aan de toekomstige achterpool of aan de anterior en posterior polen van het kernoppervlak. De voorste plaque bestaat meestal uit een laag extranucleair materiaal, terwijl de achterste plaque het gevolg lijkt te zijn van verdikking van het binnenste kernmembraan. In vroege spermatiden bevat het cytoplasma talrijke mitochondriën, vaak meer dan één Golgilichaam, een goed ontwikkeld endoplasmatisch reticulum en één of twee centriolen (enkele van deze kenmerken zijn te zien in fig. 2(A) en (B)). Naarmate de spermatide rijper wordt, wordt hij langer. In die periode verandert de kern van vorm en treedt chromatinecondensatie op.
Fig. 2. Diagrammatische weergave (geïnterpreteerd op basis van transmissie-elektronenmicroscoopbeelden) van enkele stadia van introsperme spermiogenese bij enkele taxa van weekdieren. A: Vroege spermatiden met kernen met een lappendeken van chromatine. B en C. Middenspermatiden waarin chromatine korrelig wordt. Let op de zich ontwikkelende polariteit van de cel, waarbij het acrosomale blaasje (AV) zich aan de voorpool bevindt. D. Late spermatide met vezelig chromatine in de kern. Let op de microtubuli (MT) rond de kern. E. Midden-spermatide met chromatinecondensatie die begint aan de periferie van de kern. De kern is ook posterieur uitgezaaid om de achterste kernfossa te vormen waarin het centriolaire complex (CE) is ondergebracht. F. Late spermatide met langgerekte kern en middenstuk. Het chromatine ziet er nu vezelig uit en de kern is volledig geagineerd om een centraal kanaal te vormen waarin het centriolaire complex (CE) en het axonoom (AX) zijn ondergebracht. G en H. Lengtedoorsneden door late spermatiden, waarop de ontwikkelingsstadia van het mitochondriale derivaat (MD) te zien zijn. I. Dwarsdoorsnede door het middenstuk in de vroege fase van de vorming van het mitochondriale derivaat. J. Dwarsdoorsnede door het middenstuk van een late fase van de vorming van het mitochondriale derivaat. AP, acrosomaal voetstuk; AV, acrosomaal blaasje; AX, axonoom; BP, basale plaat; CE, centriolen van centriolair complex; CF, grove vezel; F, flagellum; G, Golgilichaam; GH, glycogeenhelix; M, mitochondrium; MD, mitochondriaal derivaat; MT, microtubulus; N, kern; RER, ruw endoplasmatisch reticulum; pijl, cytoplasmatische brug. Niet exact op schaal getekend.
A-D: een decapode koppotige (gemodificeerd uit Healy, J., 1990. Ultrastructuur van spermatozoa en spermiogenese bij Spirula spirula (L.): Systematisch belang en vergelijking met andere koppotigen. Helgoländer Meeresuntersuchungen 44, 109-123); E en F: een caenogastropode (bewerkt uit Buckland-Nicks, J., Williams, D., Chia, F-S., Fontaine, A., 1983. Studies over de polymorfe spermatozoa van een zeeslak. 2. Genese van het eupyreen sperma. Gamete Research 7, 19-37); G-J: een pulmonate gastropode (gemodificeerd uit Healy, J., 2001. Spermatogenese en oogenese. In: Barker, G.M. (ed.), The Biology of Terrestrial Molluscs. Oxon: CABI Publishing, pp. 357-382).
In de decapode koppotigen (inktvissen en pijlinktvissen) is er een granulaire fase van chromatinecondensatie (Fig. 2(B)) vergelijkbaar met die beschreven voor de vroege spermatiden van aquasperm. De korrels van 20 nm worden homogeen verdeeld over de kern. Naarmate de spermatide rijper wordt, ondergaan deze chromatinekorrels een structurele en biochemische transformatie. De granules worden omgevormd tot dunne vezels (diameter ongeveer 35 nm) met een antero-posterior oriëntatie (Fig. 2(D)) die gehyperacetyleerde histonen en een protamine-precursor bevatten (Chiva et al., 2011). De vezeldikte neemt vervolgens toe tot ongeveer 50 nm in diameter met een toename van de protamine precursor en een afname van het hypergeacetyleerde histon. Uiteindelijk smelten de dikkere vezels samen, wat resulteert in een uniform elektronendichte kern, en in dit stadium is protamine nu geassocieerd met het DNA. Bij inktvissen is de overgang van het kerneiwit tijdens de spermiogenese vergelijkbaar met die van de decapoden, maar de chromatinecondensatie is enigszins verschillend in die zin dat deze begint in de polaire gebieden (die zich voor en achter het sperma ontwikkelen) van de kern in plaats van gelijktijdig in de gehele kern. De chromatinecondensatie verspreidt zich vervolgens geleidelijk over de gehele celkern. Bij veel caenogastropoda treedt na de fijnkorrelige fase eerst chromatinecondensatie op aan de periferie van de celkern (fig. 2(E)), die zich naar binnen toe verspreidt, terwijl bij pulmonaten de chromatinecondensatie gelijkmatig over de gehele celkern optreedt. Daarna volgt de fibrillaire fase (Fig. 2(F) en (G)) waarin de histonen geleidelijk en voortdurend via een reeks protamine precursoren worden omgezet in protamines (Chiva et al., 2011). De laatste fase van de chromatineverandering omvat een lamellaire fase, waarbij de lamellen uiteindelijk samensmelten om te resulteren in de uniform elektronendichte kern.
Tijdens de chromatinecondensatie kan de verandering van de kernvorm van introsperm ingrijpend zijn. De vormverandering begint met het naar achteren invagineren van de kern om te vormen wat de implantatiefixa voor de centriole(n) of centriolaire afleiding zal worden (Fig. 2(C)-(H)). Bij sommige caenogastropoden ontwikkelt de zich verlengende spermatidenkern zich als een lange buis door de vorming van een centraal intranucleair kanaal (Fig. 2(F)). Dit wordt veroorzaakt door de geleidelijke verdieping van de implantatiefossa. Naarmate de fossa dieper wordt, migreren de centriole(n) of centriolaire derivaten in het kanaal, samen met het axoneem, dat daardoor in de lengte van de kern doordringt (Fig. 2(F)). Bij andere gastropoden, zoals de opisthobranchs, pulmonaten en sommige koppotigen, ondergaat de kern van latere spermatiden een zekere torsie (Fig. 2(H)), waarbij hij spiraalvormig of spiraalvormig gekield wordt.
De ontwikkeling van het acrosoom begint in vroege spermatiden, vaak nadat de polariteit van de kern is vastgesteld. Bij de Neritimorpha (Gastropoda) begint de acrosoomvorming met de productie van verscheidene kleine membraangebonden, elektrondichte proacrosomale blaasjes door het basaal gelegen Golgi-lichaam. Bij de meeste andere taxa scheidt het Golgi-complex of scheiden Golgi-complexen slechts één proacrosomaal blaasje af (fig. 2(A)). Naarmate de spermatide rijpt, migreert het blaasje naar voren en komt het midden in de voorste kernplaat te liggen. Bij caenogastropoden gaat de migratie van de blaasjes vaak gepaard met het Golgi-lichaam, dat materiaal blijft produceren voor het zich ontwikkelende acrosoom (Fig. 2(E) en (F)). Het Golgi-lichaam kan ook geassocieerd zijn met het endoplasmatisch reticulum. Tijdens de migratie van het acrosomale blaasje verwerft het gewoonlijk extravesiculair materiaal en structuren die uiteindelijk subvesiculair materiaal, een basale plaat, of een voetstuk tussen het acrosoom en de kern vormen (Fig. 2(E)-(H)).
Het middenstuk van het introsperm van weekdieren met zijn centriool, centriolen, of centriolaire afgeleide en mitochondriën varieert in complexiteit en daarom zijn structurele veranderingen tijdens de spermiogenese ook zeer variabel. Bij andere koppotigen dan de Octopoda komen talrijke kleine, ongemodificeerde mitochondriën samen in het zich ontwikkelende achterste uiteinde van de kern van midden- tot late spermatiden, om zich te nestelen in een uitloper van het celmembraan of een schede die aan het voorste deel van de staart grenst of dit omgeeft (Fig. 2(C) en (D)). In de mid-spermatiden van octopoden treedt mitochondriale fusie op wanneer de mitochondriën zich rond het axonoom aan de basis van de kern rangschikken. In de midden- tot late spermatiden van caenogastropoda beginnen de mitochondriën zich ook aan de basis van de kern op te hopen (fig. 2(E)), waar ze samensmelten (fig. 2(F)) tot gemodificeerde mitochondriale elementen die van taxa tot taxa verschillen qua aantal, lengte en interne structurele complexiteit. Naarmate de spermatide en zijn axonoom langer worden, omgeven de mitochondriale elementen het axonoom en breiden zich langs het axonoom uit. Bij sommige soorten beginnen de mitochondriale elementen van de mid-spermatide een losse spiraal rond het axonoom te vormen en in het late spermatidestadium zijn ze gerangschikt als aaneengesloten spiraalvormige elementen. Naarmate de mitochondriën versmelten, kunnen de cristae een ononderbroken membraan vormen of veranderen in plaatvormige structuren.
In hogere gastropoden, zoals pulmonaten en opisthobranchs, blijft het axonoom tijdens de spermiogenese verlengen en migreren de kleine mitochondriën naar achteren, waar ze zich groeperen langs het axonoom waar ze beginnen te versmelten (Fig. 2(G) en (I)). Tegelijkertijd worden negen vezels van onbekende oorsprong geassocieerd met en omgeven door het axonoom (fig. 2(I) en (J)). Naarmate de spermatide rijper wordt, versmelten de mitochondriën verder en worden ze als een omhulsel rond het axonoom gewikkeld (fig. 2(I) en (J)). Naarmate de omwikkeling vordert, wordt het mitochondriale materiaal getransformeerd en bij de late spermatide georganiseerd als cirkelvormige parallelle lagen parakristallijn matrixmateriaal in wat een mitochondriaal derivaat wordt genoemd, dat spiraalsgewijs langs het axonoom loopt (Healy, 2001). Tijdens het omwikkelen en de transformatie ontwikkelen zich binnen het mitochondriale derivaat een of meer buisvormige kanalen. In het volgroeide sperma krijgen deze kanalen glycogeen en daarom worden zij glycogeenhelften genoemd (Fig. 2(H) en (J)). Glycogeen is een kenmerk van de spermatozoa van vele weekdieren. Dit opslagproduct verschijnt gewoonlijk laat in de spermiogenese. Het wordt vaak intra-axonemaal afgezet en bovendien wordt een deel van het axonoom (vaak het achterste deel) van de late spermatiden van caenogastropoda en opisthobranchs omgeven door glycogeen, waardoor een gebied ontstaat dat het glycogeenstuk wordt genoemd. Tot op heden is het mechanisme van de opname van glycogeen in spermatiden niet verklaard.
Een kenmerk van de late spermiogenese bij veel taxa van weekdieren is de eliminatie van overtollig cytoplasma uit de kern-, middenstuk- of staartregio van de spermatiden. Het overtollige cytoplasma met organellen zoals het Golgi-lichaam en het endoplasmatisch reticulum kan worden verwijderd door cytoplasmatische afslijting en/of verminderd door autofagie en lysosomale activiteit. Een ander kenmerk van de late spermiogenese bij koppotigen, sommige caenogastropoden en pulmonaten is de ontwikkeling van een ring van microtubuli (manchette genoemd) rond de condenserende kern en/of het middenstuk van de spermatide (fig. 2(C), (D), (H) en (J)). De precieze rol van de microtubuli is niet vastgesteld, hoewel gesuggereerd is dat zij bij sommige soorten een rol spelen bij de vorming van de spermatozoïde.