Reakcja akrosomalna plemników ssaków: Where Does It Begin Before Fertilization?

Plemniki wielu gatunków zwierząt, w tym ludzi, muszą przejść zależny od Ca2+ proces egzocytotyczny znany jako reakcja akrosomowa (AR) przed zapłodnieniem oocytów. AR, opisana po raz pierwszy u jeżowca i rozgwiazdy przez Dana, polega na wielokrotnym łączeniu zewnętrznej błony akrosomalnej z błoną plazmatyczną plemnika. Pozwala to na uwolnienie zawartości akrosomu na zewnątrz komórki plemnikowej. Lityczne materiały akrosomalne trawią lub dysocjują płaszcz glikoproteinowy oocytu, tworząc otwór, przez który główka plemnika przedostaje się na powierzchnię właściwego oocytu przed połączeniem się z nim. U jeżowca białko akrosomalne zwane bindin przylega do przedłużonej wewnętrznej błony akrosomalnej; to właśnie ono pośredniczy w przyłączeniu główki plemnika do otoczki szklistej, jak również w fuzji z błoną plazmatyczną jaja .

W niektórych gatunkach jeżowców (np. Pseudocentrotus depressus), AR może zachodzić na bardzo cienkiej otoczce szklistej pokrywającej jajo właściwe (Ryc. 1). Jednak u wielu innych gatunków AR rozpoczyna się podczas przechodzenia plemników przez galaretowaty płaszcz pokrywający otoczkę szklistą. U rozgwiazdy AR zachodzi na zewnętrznej powierzchni grubego płaszcza galaretowatego. U niektórych innych gatunków bezkręgowców (np. u parzydełkowca Hydroides hexagonus), AR rozpoczyna się na zewnętrznej granicy otoczki szklistej .

W ssakach, w pełni dojrzałe oocyty, które są gotowe do zapłodnienia, są otoczone grubą otoczką szklistą zwaną zona pellucida, która z kolei jest otoczona licznymi komórkami pęcherzykowymi osadzonymi w macierzy acellularnej (polimery kwasu hialuronowego). Wspólnie są one znane jako kompleks cumulus-oocyt. Chociaż jesteśmy pewni, że plemniki przechodzą AR do momentu wejścia do zony pellucida za pomocą aktywnego napędu flagellarnego, to miejsce, w którym zapładniające plemniki rozpoczynają AR, było przedmiotem kontrowersji. Wcze¶niejsi badacze, którzy badali kompleksy cumulus-oocyt pobrane z jajowodów naturalnie zapłodnionych lub inseminowanych samic, znajdowali w cumulusie plemniki z nienaruszonymi, zmodyfikowanymi lub pozbawionymi akrosomów akrosomami mniej więcej w momencie zapłodnienia. Yanagimachi i Phillips wywnioskowali, że większość zapładniających plemników chomika in vivo zapoczątkowuje swoje AR w trakcie przechodzenia przez cumulus. Inni badacze, w szczególności ci, którzy badali zapłodnienie myszy in vitro, sprzeciwili się tej koncepcji i utrzymywali, że miejscem fizjologicznie istotnego AR jest zona pellucida. Hipoteza ta opierała się na dwóch obserwacjach: Plemniki nieuszkodzone w akrosomie wiążą się do zony in vitro i następnie ulegają AR , a rozpuszczona zona pellucida, w szczególności rozpuszczony ZP3, wiąże się specyficznie do regionu akrosomalnego główki plemnika i indukuje AR równie skutecznie jak jonofor Ca2+ in vitro . Należy zaznaczyć, że nikt do tej pory nie badał pojedynczego plemnika w sposób ciągły od początku AR do końca zapłodnienia (syngamia). Plemniki, które rozpoczynają AR na zona pellucida, mogą nie być tymi, które rzeczywiście zapładniają. Gahlay i wsp. poddali ostatnio w wątpliwość zdolność zony pellucida do indukowania AR. Według tych badaczy, zona transgenicznych myszy (ZP2Mut, ZP3Mut) nie jest w stanie indukować AR, a mimo to oocyty w tych szczepach s± nadal zapładniane, co sugeruje, że zapładniaj±ce plemniki przechodz± AR albo przed kontaktem z zon±, albo podczas przechodzenia przez ni±.

Jin i wsp. zbliżyli się do problemu AR plemników i ich płodno¶ci, nagrywaj±c na wideo mysie plemniki po zapłodnieniu oocytów in vitro otoczonych cumulusami. Umieszczali pojedynczy kompleks cumulus-oocyt pod miniaturowym szkiełkiem nakrywkowym, następnie lekko ściskali i inseminowali go plemnikami kondensującymi przed podjęciem ciągłej rejestracji wideo. Wykorzystano transgeniczne samce myszy, których plemniki wykazują ekspresję zielonego białka fluorescencyjnego w akrosomach. Główki plemników wykazują zieloną fluorescencję, gdy akrosomy są nienaruszone. Zanika ona po zainicjowaniu AR . Siłą badania Jin i wsp. było to, że badacze mogli odróżnić zapładniające plemniki od ich niezapładniających odpowiedników poprzez badanie zarejestrowanych obrazów; jest to coś, czego nikt wcześniej nie zrobił. Wyniki ich poszukiwań były zaskakujące. Większość zapładniających plemników myszy przeszła już przez AR, kiedy po raz pierwszy zostały zauważone w cumulusie. Chociaż kilka zapładniających się plemników przeszło AR na zonie, większość plemników, które nie weszły do akrosomu, odpłynęła od zony, nie wchodząc do niej. Innymi słowy, inicjacja AR przez plemniki na zonie była raczej wyjątkiem niż regułą. Jest to zgodne z tym, co zaobserwowano dla plemników świnki morskiej, które wyłącznie wiążą się i penetrują zonę pellucida po AR . Można się zastanawiać, dlaczego poprzedni badacze uważali, że plemniki myszy reagujące na akrosom są niepłodne z powodu ich niezdolności do wiązania zony . Raport Jin i wsp. przypomina nam, że musimy ponownie zbadać proces i mechanizm interakcji plemnik-komórka jajowa, zwracając większą uwagę na plemniki, które faktycznie uczestniczą w zapłodnieniu. U wielu gatunków zapłodnienie in vitro jest z pewnością możliwe bez nienaruszonego cumulus oophorus. Niewątpliwie zona pellucida ma zdolność do indukowania lub przyspieszania AR, ale zona nie może być uważana za jedyną wrodzoną substancję, która indukuje fizjologiczne AR.

Jin i wsp. nie wyjaśnili miejsca, w którym zapładniające plemniki myszy rozpoczęły swoje AR. Ponieważ cumulus oophorus jest duży, badacze użyli obiektywu o niskim powiększeniu do poszukiwania plemników w cumulusie. Utrudniło to określenie, kiedy i gdzie AR rozpoczął się w oglądanych plemnikach. Jednak z ich badań jasno wynika, że plemniki myszy, które rozpoczęły AR przed dotarciem do zony, były zdolne do zapłodnienia. Miejsce, w którym zapładniające plemniki rozpoczynają AR i to, co wyzwala AR, pozostaje do ustalenia.