De acrosoomreactie van het sperma van zoogdieren: Waar begint het voor de bevruchting?

Spermatozoa van vele diersoorten, waaronder de mens, moeten een Ca2+-afhankelijk exocytotisch proces ondergaan dat bekend staat als de acrosoom reactie (AR), voordat zij oöcyten bevruchten. De AR, voor het eerst beschreven in de zee-egel en de zeester door Dan , omvat meervoudige fusies van het buitenste acrosomale membraan met het bovenliggende plasmamembraan van het sperma. Hierdoor kan de inhoud van het acrosoom naar de buitenkant van de spermacel worden afgevoerd. Lytisch acrosomaal materiaal verteert de glycoproteïnenmantel van de oöcyt of scheidt deze af, waardoor een gat ontstaat waardoor de spermakop het oppervlak van de eigenlijke oöcyt kan bereiken alvorens ermee te fuseren. Bij de zee-egel hecht een acrosomaal eiwit, bindine genaamd, zich aan het verlengde binnenste acrosomale membraan; dit zorgt voor de hechting van de spermakop aan de vitelliene omhulling en voor de versmelting met het plasmamembraan van de eicel.

Bij sommige soorten zee-egels (b.v. Pseudocentrotus depressus) kan de AR voorkomen op een zeer dunne vitelliene omhulling die de eigenlijke eicel bedekt (Fig. 1). Bij veel andere soorten begint de AR echter terwijl de spermatozoa door een gelei-omhulsel gaan dat het vitelliene omhulsel bedekt. Bij de zeester begint de AR aan het buitenoppervlak van een dikke geleilaag. Bij sommige andere ongewervelde soorten (b.v. de eencellige Hydroides hexagonus) begint de AR aan de buitenrand van de vitelliene omhulling.

Bij zoogdieren zijn volgroeide oöcyten die klaar zijn voor de bevruchting, elk omgeven door een dik vitellien omhulsel, de zona pellucida genoemd, dat op zijn beurt wordt omgeven door talrijke folliculaire cellen die zijn ingebed in een acellulaire matrix (hyaluronzuurpolymeren). Samen staan deze bekend als het cumulus-oocyt complex. Hoewel we er zeker van zijn dat spermatozoa de AR ondergaan tegen de tijd dat zij de zona pellucida binnendringen met behulp van actieve flagellaire voortstuwing, is de plaats waar bevruchtende spermatozoa hun AR beginnen het onderwerp van controverse geweest. Vroege onderzoekers, die cumulus-oocytecomplexen onderzochten die verzameld waren uit de eileiders van natuurlijk gedekte of geïnsemineerde wijfjes, vonden spermatozoa met intacte, gemodificeerde of geen acrosomen in de cumulus rond het tijdstip van de bevruchting. Yanagimachi en Phillips leidden daaruit af dat de meeste bevruchtende hamstersperma’s in vivo hun AR beginnen terwijl ze door de cumulus voortbewegen. Andere onderzoekers, met name diegenen die de muizenbevruchting in vitro bestudeerden, waren het hier niet mee eens en beweerden dat de plaats waar de fysiologisch relevante AR begint de zona pellucida is. Deze hypothese was gebaseerd op twee waarnemingen: Acrosoom-intacte spermatozoa binden zich in vitro aan de zona en ondergaan dan de AR , en opgeloste zona pellucida, in het bijzonder opgeloste ZP3, bindt zich specifiek aan de acrosomale regio van de spermakop en induceert de AR even effectief als Ca2+ ionofoor in vitro . Er zij op gewezen dat niemand ooit één enkele spermatozoïde onafgebroken heeft onderzocht vanaf het begin van de AR tot het einde van de bevruchting (syngamie). Het is mogelijk dat de spermatozoa die hun AR op de zona pellucida beginnen, niet de spermatozoa zijn die daadwerkelijk bevruchten. Gahlay et al. hebben onlangs twijfels geuit over het vermogen van de zona pellucida om de AR te induceren. Volgens deze onderzoekers zijn zonae van transgene muizen (ZP2Mut, ZP3Mut) niet in staat het AR te induceren, maar worden oöcyten in deze stammen toch bevrucht, wat suggereert dat bevruchtende spermatozoa het AR ondergaan hetzij vóór hun contact met de zona, hetzij tijdens hun passage door de zona.

Jin et al. benaderden het probleem van sperma AR en vruchtbaarheid door video-opnamen te maken van muizenspermazoa na inseminatie van cumulus-ooöcyten in vitro. Zij plaatsten een enkele cumulus-oocyt complex onder een miniatuur dekglaasje, dan licht samengedrukt en geïnsemineerd met capacitated spermatozoa vóór het uitvoeren van continue video-opname. Zij gebruikten transgene mannelijke muizen waarvan de spermatozoa groen fluorescerend eiwit in hun acrosomen tot expressie brengen. De spermakoppen vertonen groene fluorescentie wanneer de acrosomen intact zijn. Deze verdwijnt bij het starten van de AR . De kracht van de studie van Jin et al. was dat de onderzoekers bevruchtende spermatozoa konden onderscheiden van hun nietbevruchtende tegenhangers door onderzoek van opgenomen beelden; dit is iets wat nog nooit iemand eerder heeft gedaan. De resultaten van hun onderzoek waren opzienbarend. De meeste bevruchtende spermatozoa van muizen hadden de AR al ondergaan toen ze voor het eerst in de cumulus werden gezien. Hoewel een paar bevruchtende spermatozoa de AR op de zona ondergingen, zwommen de meeste acrosoom-intacte spermatozoa weg van de zona zonder deze binnen te gaan. Met andere woorden, de initiatie van sperma AR op de zona was eerder uitzondering dan regel. Dit is in overeenstemming met wat is waargenomen bij cavia spermatozoa die zich uitsluitend binden aan en doordringen in de zona pellucida na de AR . Men vraagt zich af waarom eerdere onderzoekers dachten dat acrosoom gereageerde muisspermazoa onvruchtbaar zijn vanwege hun onvermogen om de zona te binden. Het rapport van Jin et al. herinnert ons eraan dat wij het proces en het mechanisme van de sperma-oocyt interacties opnieuw moeten onderzoeken door meer aandacht te besteden aan de spermatozoa die werkelijk deelnemen aan de bevruchting. Bij vele soorten is bevruchting in vitro zeker mogelijk zonder een intacte cumulus oophorus. Ongetwijfeld heeft de zona pellucida het vermogen om de AR te induceren of te versnellen, maar de zona kan niet worden beschouwd als de enige aangeboren stof die de fysiologische AR induceert.

Jin et al. hebben niet opgehelderd waar de bevruchtende spermatozoa van de muis hun AR begonnen. Omdat de cumulus oophorus groot is, gebruikten de onderzoekers een lage-magnificatie objectief om te zoeken naar spermatozoa binnen de cumulus. Dit maakte het moeilijk om te bepalen wanneer en waar de AR begon in de bekeken spermatozoa. Uit hun studie blijkt echter duidelijk dat spermatozoa van muizen die met de AR zijn begonnen voordat zij de zona bereikten, in staat waren te bevruchten. De plaats waar bevruchtende spermatozoa hun AR beginnen en wat de AR in gang zet, moet nog worden bepaald.