Spermiogenes av Introsperm
Introsperm produceras av alla bläckfiskar, neomenioiderna (Aplacophora), några få tvåskaliga djur och många grupper av snäckor, inklusive caenogastropoder, opisthobrankar och pulmonater. Introsperm hos blötdjur är extremt varierande och mer komplexa till sin struktur med en mängd olika modifieringar av huvudet, mittpartiet och stjärtpartiet. De morfologiska förändringar som sker under spermiogenesen återspeglar därför denna variabilitet. Tidiga spermatider, som de från akvaspermer, tenderar att ha en sfärisk kärna med ett lapptäcke av heterokromatin (fig. 2(A)), och under detta skede kan elektrontätt material, så kallade plack, bildas vid den framtida bakre polen eller vid främre och bakre polen av kärnytan. Det främre placket består vanligen av ett lager av extranukleärt material medan det bakre placket verkar orsakas av en förtjockning av det inre kärnmembranet. I tidiga spermatider har cytoplasman många mitokondrier, ofta mer än en Golgikropp, ett välutvecklat endoplasmatiskt retikulum och en eller två centrioler (några av dessa kännetecken visas i fig. 2(A) och (B)). När spermatiden mognar förlängs den under vilken tid kärnan ändrar form och kromatinkondensationen fortskrider.
Fig. 2. Schematisk representation (tolkad från bilder från transmissionselektronmikroskop) av vissa stadier av introspermspermiogenesen hos vissa taxa av blötdjur. A, Tidiga spermatider som visar kärnor med ett lapptäcke av kromatin. B och C. Medelspermatider där kromatinet börjar bli granulärt. Observera att cellens polaritet utvecklas med den akrosomala vesikeln (AV) placerad vid den främre polen. D. Sen spermatid med fibröst kromatin i kärnan. Observera mikrotubuli (MT) som omger kärnan. E. Spermatid i mitten av sperman med kromatinkondensering som börjar vid kärnans periferi. Kärnan har också invaginerats bakåt för att bilda den bakre kärnfossan som inrymmer centriolärkomplexet (CE). F. Sen spermatid med förlängd kärna och mittdel. Kromatinet är nu fibröst till utseendet och kärnan har invaginerats helt och hållet för att bilda en central kanal som hyser det centriolära komplexet (CE) och axonemet (AX). G och H. Längsgående snitt genom sena spermatider som visar stadier i utvecklingen av det mitokondriella derivatet (MD). I. Tvärsnitt genom mittdelen i den tidiga fasen av bildandet av mitokondriederivatet. J. Tvärsnitt genom mittstycket i en sen fas av mitokondriederivatets bildning. AP, akrosomal pedestal; AV, akrosomal vesikel; AX, axonem; BP, basalplatta; CE, centrioler i centriolärkomplexet; CF, grov fiber; F, flagell; G, Golgikropp; GH, glykogenhelix; M, mitokondrie; MD, mitokondriederivat; MT, mikrotubuli; N, kärna; RER, grovt endoplasmatiskt retikulum; pil, cytoplasmatisk bro. Inte exakt i skala.
A-D: en tioarmad bläckfisk (modifierad från Healy, J., 1990. Ultrastruktur av spermatozoer och spermiogenes i Spirula spirula (L.): Systematisk betydelse och jämförelse med andra bläckfiskar. Helgoländer Meeresuntersuchungen 44, 109-123); E och F: en caenogastropod (modifierad från Buckland-Nicks, J., Williams, D., Chia, F-S., Fontaine, A., 1983. Studier av polymorfa spermatozoer från en havssnigel. 2. Genus av den eupyreniska spermien. Gamete Research 7, 19-37); G-J: en lunglevande snäcka (modifierat från Healy, J., 2001. Spermatogenes och oogenes. In: Barker, G.M. (red.), The Biology of Terrestri Molluscs. Oxon: CABI Publishing, pp. 357-382).
I de decapoda bläckfiskarna (bläckfiskar och bläckfiskar) finns en granulär fas av kromatinkondensering (Fig. 2(B)) som liknar den som beskrivs för de tidiga spermatiderna i akvaspermer. De 20 nm stora granulerna blir homogent fördelade i hela kärnan. När spermatiden mognar omvandlas dessa kromatingranuler strukturellt och biokemiskt. Granulerna omformas till tunna fibrer (ca 35 nm i diameter) med en antero-posterior orientering (fig. 2(D)) som innehåller hyperacetylerade histoner och en protaminprekursor (Chiva et al., 2011). Fiberns tjocklek ökar sedan till cirka 50 nm i diameter med en ökning av protaminprekursorn och en minskning av det hyperacetylerade histonet. Slutligen sammanfogas de tjockare fibrerna som resulterar i en enhetligt elektrontät kärna, och i detta skede är protamin nu associerat med DNA. Hos bläckfiskar som är bläckfiskar liknar kärnproteinövergången under spermiogenesen den hos decapoder, men kromatinkondensationen är något annorlunda i det att den börjar vid de polära regionerna (som utvecklas främre och bakre delen av spermierna) av kärnan i stället för att ske samtidigt i hela kärnan. Kromatinkondensationen sprider sig sedan successivt i hela kärnan. Hos många caenogastropoder sker kromatinkondensering efter den finkorniga fasen först vid kärnans periferi (Fig. 2(E)) och sprider sig sedan inåt, medan kromatinkondensering hos pulmonater sker enhetligt i hela kärnan. Detta följs sedan av den fibrillära fasen (fig. 2(F) och (G)) under vilken histonerna gradvis och kontinuerligt omvandlas genom en rad protaminprekursorer till protaminer (Chiva et al., 2011). Den sista fasen av kromatinförändringen innebär en lamellär fas, där lamellerna så småningom sammanfogas för att resultera i den enhetligt elektrontäta kärnan.
Under kromatinkondensationen kan förändringen av kärnformen hos introsperm vara djupgående. Formförändringen börjar först med att kärnan invagineras bakåt för att bilda det som kommer att bli inplanteringsgropen för centriolen/centriolerna eller centriolderivatet (fig. 2(C)-(H)). Hos vissa caenogastropoder utvecklas den förlängda spermatidkärnan som ett långt rör på grund av bildandet av en central intranukleär kanal (fig. 2(F)). Detta åstadkoms genom den gradvisa fördjupningen av implantationsgropen. I takt med att fossa fördjupas vandrar centriolen eller centriolära derivat in i kanalen tillsammans med axonemet som därför tränger in i kärnans längd (fig. 2(F)). Hos andra gastropoder såsom opisthobranchier, pulmonater och vissa bläckfiskar genomgår kärnan hos senare spermatider en viss vridning (Fig. 2(H)) och blir spiralformad eller spiralformad köl.
Akrosomutvecklingen börjar i tidiga spermatider ofta efter det att kärnans polaritet har etablerats. Hos Neritimorpha (Gastropoda) börjar akrosombildningen med produktion av flera små membranbundna, elektrontäta proakrosomala vesiklar av den basalt belägna Golgikroppen. Hos de flesta andra taxa utsöndrar Golgikomplexet eller -komplexen en enda proakrosomal vesikel (fig. 2(A)). När spermatiden mognar vandrar vesikeln framåt och blir placerad i mitten av det främre kärnplacket. Hos caenogastropoder åtföljs vesikelns migration ofta av Golgikroppen som fortsätter att producera material för det acrosom som utvecklas (fig. 2(E) och (F)). Golgikroppen kan också vara associerad med endoplasmatiskt retikulum. Under den akrosomala vesikelns migration får den vanligen extravesikulärt material och strukturer som så småningom bildar subvesikulärt material, en basalplatta eller en piedestal mellan akrosomet och kärnan (fig. 2(E)-(H)).
Mittdelen av molluskernas introsperma med dess centriol, centrioler eller centriolära derivat och mitokondrier varierar i komplexitet och därför är de strukturella förändringarna under spermiogenesen också mycket varierande. Hos andra bläckfiskar än Octopoda samlas många små oförändrade mitokondrier vid den framväxande bakre änden av kärnan hos spermatider i mitten till slutet av spermatiden för att bli lokaliserade inom en cellmembranspiral eller -hölje som gränsar till eller omger svansens främre sektion (fig. 2(C) och (D)). I de mellersta spermatiderna hos bläckfiskar sker mitokondriell fusion när mitokondrierna arrangeras runt axonemet vid kärnans bas. I de mellersta till sena spermatiderna hos caenogastropoder börjar mitokondrierna också att ansamlas vid kärnans basala region (fig. 2(E)) där de smälter samman (fig. 2(F)) för att bilda modifierade mitokondriella element som varierar i antal, längd och inre strukturell komplexitet mellan olika taxa. När spermatiden och dess axonem förlängs omger mitokondrielementen axonemet och sträcker sig längs det. Hos vissa arter börjar de mitokondriella elementen i mitten av spermatiden att bilda en lös spiral runt axonemet och i det sena spermatidstadiet är de arrangerade som kontinuerliga spiralformade element. När mitokondrierna smälter samman kan cristae bilda ett kontinuerligt membran eller förvandlas till plattliknande strukturer.
I högre gastropoder, t.ex. lungdjur och opisthobranchier, fortsätter axonemet att förlängas när spermiogenesen fortskrider och de små mitokondrierna migrerar bakåt där de grupperar sig längs axonemet där de börjar smälta samman (fig. 2(G) och (I)). Samtidigt associeras nio banfibrer av okänt ursprung med och omger axonemet (fig. 2(I) och (J)). När spermatiden mognar fortsätter mitokondrierna att smälta samman och lindas runt axonemet som ett hölje (fig. 2(I) och (J)). I takt med att omslaget fortskrider omvandlas det mitokondriella materialet och vid den sena spermatiden är det organiserat som cirkulära parallella lager av parakristallint matrismaterial till vad som kallas ett mitokondriellt derivat som spiralformas längs axonemet (Healy, 2001). Under omslaget och omvandlingen utvecklas en eller flera tubulära kanaler inom mitokondriederivatet. I den mogna spermien får dessa kanaler glykogen och de kallas därför glykogenslingor (fig. 2(H) och (J)). Glykogen är ett kännetecken för spermier hos många blötdjur. Denna lagringsprodukt uppträder vanligtvis sent i spermiogenesen. Den deponeras ofta intraaxonemalt och dessutom omges en del av axonemet (ofta den bakre delen) av de sena spermatiderna hos caenogastropoder och opisthobranchier av glykogen för att bilda en region som kallas glykogenstycket. Hittills har mekanismen för upptag av glykogen i spermatiderna inte förklarats.
Ett kännetecken för den sena spermiogenesen hos många taxa av blötdjur är eliminering av överflödig cytoplasma från spermatisens kärn-, mellanstycke- eller svansregioner. Den överflödiga cytoplasman med organeller som Golgikroppen och det endoplasmatiska retikulumet kan kastas bort genom cytoplasmatisk avslagning och/eller reduceras genom autofagi och lysosomal aktivitet. Ett annat kännetecken för den sena spermiogenesen hos bläckfiskar, vissa cenogastropoder och lungdjur är utvecklingen av en ring av mikrotubuli (kallad manchett) runt spermatidens kondenserande kärna och/eller mittdel (fig. 2(C), (D), (H) och (J)). Mikrotubuliens exakta roll har inte fastställts, även om det har föreslagits att de hos vissa arter spelar en roll för att hjälpa till att forma spermatozoonens form.