Reazione dell’acrosoma dello sperma dei mammiferi: Dove inizia prima della fecondazione?

Gli spermatozoi di molte specie animali, compresi gli esseri umani, devono subire un processo esocitotico dipendente dal Ca2+ noto come reazione acrosomica (AR) prima di fecondare gli ovociti. L’AR, descritta per la prima volta nel riccio di mare e nella stella marina da Dan, comporta fusioni multiple della membrana acrosomica esterna con la membrana plasmatica spermatica sovrastante. Questo permette il rilascio del contenuto dell’acrosoma all’esterno della cellula spermatica. I materiali litici acrosomiali digeriscono o dissociano il mantello glicoproteico dell’ovocita, creando un foro attraverso il quale la testa dello spermatozoo avanza per raggiungere la superficie dell’ovocita vero e proprio prima di fondersi con esso. Nel riccio di mare, una proteina acrosomiale chiamata bindina aderisce alla membrana acrosomiale interna estesa; questo è ciò che media l’attaccamento della testa dello spermatozoo all’involucro vitellino così come la fusione con la membrana plasmatica dell’uovo.

In alcune specie di ricci di mare (ad esempio, Pseudocentrotus depressus), l’AR può avvenire su un involucro vitellino molto sottile che copre l’uovo stesso (Fig. 1). Tuttavia, in molte altre specie, l’AR inizia mentre gli spermatozoi passano attraverso un rivestimento gelatinoso che copre l’involucro vitellino. Nella stella di mare, l’AR avviene sulla superficie esterna di uno spesso strato di gelatina. In alcune altre specie di invertebrati (ad esempio, l’anellide Hydroides hexagonus), l’AR inizia sul bordo esterno dell’involucro vitellino.

Nei mammiferi, gli ovociti completamente maturi che sono pronti per la fecondazione sono ciascuno circondato da uno spesso involucro vitellino chiamato zona pellucida che a sua volta è circondato da numerose cellule follicolari incorporate in una matrice acellulare (polimeri di acido ialuronico). Collettivamente, questi sono conosciuti come il complesso cumulo-ovocita. Anche se siamo certi che gli spermatozoi subiscono l’AR nel momento in cui entrano nella zona pellucida con l’aiuto della propulsione flagellare attiva, il sito in cui gli spermatozoi fertilizzanti iniziano la loro AR è stato oggetto di controversia. I primi ricercatori, che hanno esaminato i complessi cumulo-oociti raccolti dagli ovidotti di femmine accoppiate naturalmente o inseminate, hanno trovato spermatozoi con acrosomi intatti, modificati o assenti all’interno del cumulo al momento della fecondazione. Yanagimachi e Phillips hanno dedotto che la maggior parte degli spermatozoi di criceto fertilizzanti in vivo iniziano la loro AR mentre avanzano nel cumulo. Altri ricercatori, in particolare quelli che hanno studiato la fecondazione del topo in vitro, si sono opposti a questa idea e hanno sostenuto che il sito dell’AR fisiologicamente rilevante è la zona pellucida. Questa ipotesi si basava su due osservazioni: Gli spermatozoi intatti nell’acrosoma si legano alla zona in vitro e poi subiscono l’AR, e la zona pellucida solubilizzata, in particolare la ZP3 solubilizzata, si lega specificamente alla regione acrosomale della testa dello spermatozoo e induce l’AR con la stessa efficacia del Ca2+ ionophore in vitro. Va notato che nessuno ha mai esaminato un singolo spermatozoo in modo continuo dall’inizio dell’AR fino alla fine della fecondazione (singamia). Gli spermatozoi che iniziano la loro AR sulla zona pellucida potrebbero non essere quelli che effettivamente fecondano. Gahlay et al. hanno recentemente messo in dubbio la capacità della zona pellucida di indurre l’AR. Secondo questi ricercatori, le zone di topi transgenici (ZP2Mut, ZP3Mut) non sono in grado di indurre l’AR, eppure gli ovociti sono ancora fecondati in questi ceppi, suggerendo che gli spermatozoi fertilizzanti subiscono l’AR o prima del loro contatto con la zona o durante il loro passaggio attraverso di essa.

Jin et al. hanno affrontato il problema dell’AR dello sperma e della fertilità registrando video di spermatozoi di topo dopo aver inseminato in vitro ovociti chiusi da cumuli. Hanno messo un singolo complesso cumulo-oocita sotto un vetrino in miniatura, poi lo hanno leggermente compresso e inseminato con spermatozoi capacitati prima di intraprendere la registrazione video continua. Hanno usato topi maschi transgenici i cui spermatozoi esprimono la proteina fluorescente verde nei loro acrosomi. Le teste degli spermatozoi mostrano una fluorescenza verde quando gli acrosomi sono intatti. Questo scompare all’inizio dell’AR. La forza dello studio di Jin et al. è che i ricercatori hanno potuto distinguere gli spermatozoi fertilizzanti dalle loro controparti non fertilizzanti esaminando le immagini registrate; questo è qualcosa che nessuno ha mai fatto prima. I risultati della loro esplorazione sono stati sorprendenti. La maggior parte degli spermatozoi di topo fertilizzanti avevano già subito l’AR quando sono stati visti per la prima volta nel cumulo. Anche se alcuni spermatozoi fecondatori hanno subito l’AR nella zona, la maggior parte degli spermatozoi intatti nell’acrosoma hanno nuotato via dalla zona senza entrarvi. In altre parole, l’inizio dell’AR degli spermatozoi sulla zona era l’eccezione piuttosto che la regola. Questo è coerente con quanto osservato per gli spermatozoi di cavia che si legano e penetrano esclusivamente nella zona pellucida dopo l’AR. Ci si chiede perché i ricercatori precedenti credevano che gli spermatozoi di topo con reazione acrosomica sono sterili a causa della loro incapacità di legare la zona. La relazione di Jin et al. ci ricorda che dobbiamo reinvestire il processo e il meccanismo delle interazioni spermatozoi-oociti prestando maggiore attenzione agli spermatozoi che effettivamente partecipano alla fecondazione. In molte specie, la fecondazione in vitro è certamente possibile senza un cumulo ooforo intatto. Indubbiamente, la zona pellucida ha la capacità di indurre o accelerare l’AR, ma la zona non può essere considerata l’unica sostanza innata che induce l’AR fisiologica.

Jin et al. non hanno chiarito il sito dove gli spermatozoi di topo fertilizzanti hanno iniziato la loro AR. Poiché l’ooforo del cumulo è grande, i ricercatori hanno usato un obiettivo a basso ingrandimento per cercare gli spermatozoi all’interno del cumulo. Questo ha reso difficile determinare quando e dove l’AR è iniziata negli spermatozoi osservati. Tuttavia, ciò che è chiaro dal loro studio è che gli spermatozoi di topo che hanno iniziato l’AR prima di raggiungere la zona sono stati in grado di fecondare. Il sito in cui gli spermatozoi fertilizzanti iniziano la loro AR e ciò che scatena l’AR rimangono da determinare.