Spermiogeneza introspermy
Introsperma produkowana jest przez wszystkie głowonogi, neomenioidy (Aplacophora), kilka małży i wiele grup ślimaków, w tym caenogastropoda, opisthobranchs i pulmonates. Introspermy mięczaków są niezwykle zmienne i bardziej złożone w budowie, z różnorodnymi modyfikacjami w obrębie głowy, części środkowej i ogona. Zmiany morfologiczne, które zachodzą podczas spermiogenezy, odzwierciedlają zatem tę zmienność. Wczesne spermatydy, podobnie jak te z akwaspermy, mają zwykle kuliste jądro z mozaiką heterochromatyny (Ryc. 2(A)), a podczas tego etapu na przyszłym tylnym biegunie lub przednim i tylnym biegunie powierzchni jądrowej może tworzyć się gęsty elektronowo materiał zwany blaszkami. Płytka przednia składa się zwykle z warstwy materiału pozajądrowego, podczas gdy płytka tylna wydaje się być spowodowana pogrubieniem wewnętrznej błony jądrowej. We wczesnych spermatydach cytoplazma ma liczne mitochondria, często więcej niż jedno ciało Golgiego, dobrze rozwinięte retikulum endoplazmatyczne i jedno lub dwa centriole (niektóre z tych cech pokazano na Rys. 2(A) i (B)). W miarę dojrzewania spermatid wydłuża się, w tym czasie jądro zmienia kształt i postępuje kondensacja chromatyny.
Rys. 2. Schematyczne przedstawienie (zinterpretowane na podstawie obrazów z transmisyjnego mikroskopu elektronowego) niektórych etapów spermiogenezy introspermy u niektórych taksonów mięczaków. A, Wczesne spermatydy ukazujące jądra z mozaiką chromatyny. B i C. Spermatydy środkowe, w których chromatyna staje się ziarnista. Zwraca uwagę rozwijająca się biegunowość komórki z pęcherzykiem akrosomalnym (AV) umieszczonym na biegunie przednim. D. Późny spermatyd z włóknistą chromatyną w jądrze. Zwróć uwagę na mikrotubule (MT) otaczające jądro. E. Środkowy spermatid z kondensacją chromatyny rozpoczynającą się na peryferiach jądra. Jądro uległo również inwolucji ku tyłowi, tworząc tylny dół jądra, w którym znajduje się kompleks centriolowy (CE). F. Późny spermatyd z wydłużającym się jądrem i środkową częścią. Chromatyna ma teraz wygląd włóknisty, a jądro uległo całkowitej inwolucji, tworząc centralny kanał, w którym znajduje się kompleks centriolowy (CE) i akson (AX). G i H. Przekroje podłużne przez późne spermatydy ukazujące etapy rozwoju pochodnej mitochondrialnej (MD). I. Przekrój poprzeczny przez śródplazmat we wczesnej fazie formowania się pochodnej mitochondrialnej. J. Przekrój poprzeczny przez część środkową w późnej fazie powstawania pochodnej mitochondrialnej. AP, cokół akrosomalny; AV, pęcherzyk akrosomalny; AX, akson; BP, płytka podstawna; CE, centriole kompleksu centriolowego; CF, włókno grube; F, flagellum; G, ciałko Golgiego; GH, helisa glikogenowa; M, mitochondrium; MD, pochodna mitochondrialna; MT, mikrotubula; N, jądro; RER, szorstkie retikulum endoplazmatyczne; strzałka, mostek cytoplazmatyczny. Nie narysowane dokładnie w skali.
A-D: głowonóg z rzędu decapoda (zmodyfikowane z Healy, J., 1990. Ultrastruktura plemników i spermiogeneza u Spirula spirula (L.): Systematic importance and comparison with other cephalopods. Helgoländer Meeresuntersuchungen 44, 109-123); E i F: caenogastropoda (zmodyfikowane z Buckland-Nicks, J., Williams, D., Chia, F-S., Fontaine, A., 1983. Studies on the polymorphic spermatozoa of a marine snail. 2. Geneza plemników eupyrenowych. Gamete Research 7, 19-37); G-J: ślimak płucodyszny (zmodyfikowane z Healy, J., 2001. Spermatogeneza i oogeneza. W: Barker, G.M. (ed.), The Biology of Terrestrial Molluscs. Oxon: CABI Publishing, pp. 357-382).
W głowonogach z rzędu decapoda (mątwy i kalmary) występuje ziarnista faza kondensacji chromatyny (ryc. 2(B)) podobna do opisanej dla wczesnych plemników akwaspermy. Granulki o średnicy 20 nm stają się homogenicznie rozmieszczone w całym jądrze. W miarę dojrzewania spermatidu, te chromatynowe granulki ulegają strukturalnej i biochemicznej transformacji. Granulki przebudowują się w cienkie włókna (około 35 nm średnicy) o orientacji przednio-tylnej (Rys. 2(D)), które zawierają hiperacetylowane histony i prekursor protaminy (Chiva i in., 2011). Następnie grubość włókien wzrasta do około 50 nm średnicy wraz ze wzrostem ilości prekursora protaminy i spadkiem ilości hiperacetylowanego histonu. W końcu grubsze włókna ulegają koalescencji, w wyniku której powstaje jednolicie gęste elektronowo jądro, a na tym etapie protamina jest już związana z DNA. U głowonogów ośmiornicowych przemiana białek jądrowych podczas spermiogenezy przebiega podobnie jak u dziesięciornic, ale kondensacja chromatyny jest nieco inna, ponieważ rozpoczyna się w regionach biegunowych (rozwijających się w przedniej i tylnej części plemnika) jądra, a nie jednocześnie w całym jądrze. Następnie kondensacja chromatyny stopniowo rozprzestrzenia się w całym jądrze. U wielu caenogastropoda, po fazie drobnoziarnistej, kondensacja chromatyny występuje najpierw na obrzeżach jądra (Rys. 2(E)), rozprzestrzeniając się do wewnątrz, podczas gdy u płucodysznych kondensacja chromatyny zachodzi równomiernie w całym jądrze. Następnie następuje faza fibrylarna (Rys. 2(F) i (G)), podczas której histony są stopniowo i w sposób ciągły przekształcane poprzez szereg prekursorów protaminowych w protaminy (Chiva i in., 2011). Ostatnia faza zmiany chromatyny obejmuje fazę lamelarną, w której lamelki ostatecznie ulegają koalescencji, dając w efekcie jednolicie gęste elektronowo jądro.
Podczas kondensacji chromatyny zmiana kształtu jądra introspermy może być głęboka. Zmiana kształtu zaczyna się od inwolucji jądra ku tyłowi, aby utworzyć to, co stanie się zagłębieniem implantacyjnym dla centrioli lub pochodnych centrioli (Rys. 2(C)-(H)). U niektórych caenogastropoda wydłużające się jądro spermatydowe rozwija się jako długa rurka z powodu utworzenia centralnego kanału wewnątrzjądrowego (Rys. 2(F)). Dzieje się tak w wyniku stopniowego pogłębiania się dołu implantacyjnego. W miarę pogłębiania się dołu centriole lub pochodne centrioli migrują do kanału wraz z aksonem, który w ten sposób penetruje długość jądra (Ryc. 2(F)). U innych ślimaków, takich jak opisthobranchs, pulmonates i niektórych głowonogów, jądro późniejszych spermatyd ulega pewnemu skręceniu (Ryc. 2(H)), stając się spiralne lub spiralnie skośne.
Rozwój akrosomu rozpoczyna się we wczesnych spermatydach często po ustaleniu biegunowości jądra. U Neritimorpha (Gastropoda), formowanie akrosomu rozpoczyna się od produkcji kilku małych, związanych z błoną, gęstych elektronowo pęcherzyków proakrosomalnych przez położone u podstawy ciało Golgiego. U większości innych taksonów kompleks lub kompleksy Golgiego wydzielają pojedynczą pęcherzyk proakrosomalny (Ryc. 2(A)). W miarę dojrzewania spermatidu pęcherzyk migruje ku przodowi i umieszcza się w środku przedniej blaszki jądrowej. U caenogastropoda migracji pęcherzyka często towarzyszy ciało Golgiego, które kontynuuje produkcję materiału dla rozwijającego się akrosomu (Rys. 2(E) i (F)). Ciało Golgiego może być również związane z retikulum endoplazmatycznym. Podczas migracji pęcherzyka akrosomalnego zwykle nabywa on materiał pozapęcherzykowy i struktury, które ostatecznie tworzą materiał podpęcherzykowy, płytkę podstawną lub cokół pomiędzy akrosomem a jądrem (Ryc. 2(E)-(H)).
Środkowa część introspermy mięczaków z jej centriolami, centriolami lub pochodnymi centrioli i mitochondriami różni się złożonością i dlatego zmiany strukturalne podczas spermiogenezy są również bardzo zmienne. U głowonogów innych niż Octopoda liczne małe, niezmodyfikowane mitochondria gromadzą się na rozwijającym się tylnym końcu jądra środkowych i późnych spermatyd, by znaleźć się w ostrodze lub osłonie błony komórkowej, która przylega lub otacza przednią część ogona (Rys. 2(C) i (D)). W środkowych spermatydach ośmiornic dochodzi do fuzji mitochondrialnej, gdy mitochondria układają się wokół aksonu u podstawy jądra. W środkowych i późnych spermatydach caenogastropoda mitochondria również zaczynają się gromadzić w rejonie podstawy jądra (Rys. 2(E)), gdzie ulegają fuzji (Rys. 2(F)), tworząc zmodyfikowane elementy mitochondrialne, które różnią się liczbą, długością i wewnętrzną złożonością strukturalną u poszczególnych taksonów. W miarę wydłużania się spermatydy i jej aksonu, elementy mitochondrialne otaczają i rozciągają się wzdłuż aksonu. U niektórych gatunków elementy mitochondrialne w środkowym spermatydzie zaczynają tworzyć luźną spiralę wokół aksonu, a w późnym stadium spermatyd układają się w ciągłe spiralne elementy. W miarę fuzji mitochondriów cristae mogą tworzyć ciągłą błonę lub przekształcać się w struktury płytkopodobne.
W wyższych ślimakach, takich jak pulmonaty i opisthobranchs, w miarę postępu spermiogenezy akson nadal wydłuża się, a małe mitochondria migrują ku tyłowi, gdzie skupiają się wzdłuż aksonu, gdzie zaczynają się fuzjować (Ryc. 2(G) i (I)). W tym samym czasie dziewięć włókien biegunowych nieznanego pochodzenia łączy się z aksonem i otacza go (ryc. 2(I) i (J)). W miarę dojrzewania spermatydy mitochondria kontynuują fuzję i zaczynają owijać się wokół aksonu w postaci osłonki (ryc. 2(I) i (J)). W miarę postępu owijania materiał mitochondrialny ulega przekształceniu i w późnym stadium spermatydy jest zorganizowany jako koliste, równoległe warstwy parakrystalicznego materiału macierzy w coś, co określa się mianem pochodnej mitochondrialnej, która spiralnie biegnie wzdłuż aksonu (Healy, 2001). Podczas zawijania i przekształcania w obrębie pochodnej mitochondrialnej rozwija się jeden lub więcej kanalików rurkowych. W dojrzałym plemniku kanały te zawierają glikogen i dlatego nazywane są helikami glikogenowymi (Rys. 2(H) i (J)). Glikogen jest cechą charakterystyczną plemników wielu mięczaków. Ten produkt magazynowania pojawia się zwykle późno w spermiogenezie. Jest on często odkładany wewnątrzaksonalnie, a ponadto część aksonu (często tylna) późnych spermatyd ksenogastropodów i opiętków zostaje otoczona glikogenem, tworząc obszar zwany fragmentem glikogenu. Dotychczas nie wyjaśniono mechanizmu wchłaniania glikogenu do spermatyd.
Cechą późnej spermiogenezy wielu taksonów mięczaków jest eliminacja nadmiaru cytoplazmy z regionów jądrowych, śródplazmatycznych lub ogonowych spermatyd. Nadmiar cytoplazmy wraz z organellami takimi jak ciało Golgiego i retikulum endoplazmatyczne może być usuwany przez cytoplazmatyczne złuszczanie i/lub redukowany przez autofagię i aktywność lizosomalną. Kolejną cechą późnej spermiogenezy głowonogów, niektórych ksenogastropodów i płucodysznych jest rozwój pierścienia mikrotubul (zwanego manchette) wokół zagęszczającego się jądra i/lub środkowej części spermatydy (Rys. 2(C), (D), (H) i (J)). Dokładna rola mikrotubul nie została ustalona, chociaż sugeruje się, że u niektórych gatunków odgrywają one rolę w formowaniu kształtu plemnika.