PMC

En pattedyrs sædcelle er karakteriseret ved to morfologiske og funktionelle dele, nemlig hovedet og flagellen, der hver især er optimeret til en særlig opgave. Begge enheder formes og samles under den cytomorfogene fase af spermatogenesen, den såkaldte spermiogenese. Mens flagellummet er det motoriske modul, der er med til at tilvejebringe den “kraft”, der driver den ejakulerede sædcelle til det sted, hvor ægget befrugtes, indkapsler hovedet netop halvdelen af det faderlige genom, der, når det er opslugt i ægets ooplasma, resulterer i dannelsen af zygoten og i genoprettelsen af den diploide tilstand. For at dette kan ske, skal sædcellen trænge igennem de beskyttende barrierer i oocytten, cumuluscellelaget og zona pellucida (ZP). Før den befrugtede sædcelle trænger ind i ZP, skal den befrugtede sædcelle gennemgå en hovedmorfologisk ændring, der indebærer en afbrydelse af akrosomet med deraf følgende frigivelse af lagrede hydrolytiske enzymer, den såkaldte akrosomreaktion (AR).1 Herpå er betydningen af akrosomet, som menes at være uundværlig for befrugtning.1 Akrosomløse sædceller er faktisk infertile.2 I tidlige undersøgelser på gnavere blev det rapporteret, at det sted, hvor den befrugtende sædcelle påbegynder AR’en, er i cumulus,3 men senere undersøgelser, der blev udført med cumulusfrie æg, fastslog i årenes løb, at den fysiologiske inducer af pattedyrs AR er ZP.4,5 Denne anden opfattelse er nu udbredt og generelt accepteret. For nylig har Jin et al.6 imidlertid ved hjælp af teknikken med in vitro-befrugtning med cumulus-omsluttede museocytter og fluorescerende mærkede transgene spermatozoer til påvisning af AR’s begyndelse vist, at spermatozoer under naturlige forhold gennemgår AR inden for cumulus. Så med dette nylige fund ser det ud til, at cumulus er afgørende for AR, som det oprindeligt var tænkt.7

Man kan spørge sig selv, om der findes en slags parallel skæbne, der involverer de undersøgelser, der er viet til akrosomets natur. Oprindeligt blev akrosomet beskrevet som et modificeret lysosom.8 Efterfølgende undersøgelser har imidlertid fastslået, at akrosomet er en direkte Golgi-afledt sekretorisk vesikel.9,10 Nylige eksperimentelle beviser11 viser imidlertid, at der er behov for en revision af begrebet “akrosom = Golgi-afledt organel”. I overensstemmelse med det oprindelige forslag har Berruti et al.12 foreslået akrosomet som en ny lysosom-relateret organel (LRO). LRO’er repræsenterer en familie af membranomsluttede organeller, der er begrænset til visse specialiserede celletyper, som omfatter melanosomer, lytiske granula, blodpladetætte legemer, exosomer og synaptosomer.13,14 LRO’er har funktionelle og dynamiske modningsstadier, hvilket indikeres af inddragelsen af mange proteiner fra Rab-familien, dvs. små GTPaser, der er kritiske for vesikelfusion og -transport.13-15 LRO-biogenese er især kendetegnet ved den dynamiske strøm af proteiner og vesikler mellem forskellige endosomale rum; ved knudepunktet i det tidlige endosom (EE) forbinder den endocytiske vej sig med den exocytiske vej, der igen gennem trans-Golgi-netværket (TGN) sorterer nyligt syntetiserede proteiner fra det endoplasmatiske retikulum (ER) til det endosomale system.14 På den ene side er vesikulære transportsystemer i LRO-biogenese ret almindelige blandt de forskellige celletyper, men på den anden side kan de proteinladninger/es, som vesiklerne transporterer, variere meget, afhængigt af den vævs- eller cellespecifikke ekspression af den givne last. Hu et al.15 har leveret en nøjagtig profilering af LRO-proteomer.

Sammenfattende er vi nået frem til den konklusion, at akrosomet kan repræsentere et nyt medlem af LRO-familien ved at tage hensyn til, alt i alt, en række træk, der karakteriserer sædcellernes akrosom, hvoraf nogle er veletablerede, mens andre først for nylig er blevet afdækket. Kort fortalt indeholder a) akrosomet en sur pH-værdi og nogle lysosomale hydro-laser samt nogle unikke enzymer/proteiner som acrosin og acrosinbindende protein (ACRB/OY-TES-1).11 Disse proteiner følger biosyntetisk vej (anterograd transport) og er pakket i elektrontætte kernevesikler, kaldet proakrosomale granula, sandsynligvis ved/efter trans-Golgi-netværket (TGN).16 Motorproteiner som KIFC1 17 og medlemmer af Rab-familien som Rab 27a18 er blevet beskrevet som værende aktive i vesikel-trafikken fra Golgi til akrosomet; b) akrosomogenese er opdelt i fire faser: Golgi, Cap, Acrosome og Maturation. I den sene Cap-fase migrerer spermatid-Golgi-apparatet til den modsatte side af cellen,10,16 hvorved transporten af glykoproteiner til acrosomet via Golgi-biosyntetisk vej afsluttes. Der er imidlertid blevet beskrevet ekstra-Golgi-veje, som bidrager til udvidelsen og modningen af det udviklende akrosom;19,20 c) TGN er et af cellens vigtigste trafikknudepunkter, da det er involveret i protein/membrantransport fra biosyntetikvejen samt i modtagelsen af proteinladning ved retrograd transport fra de endocytiske kompartmenter;d) nyere beviser har vist, at komponenter af det endocytiske maskineri er involveret i akrosomets biogenese, hvilket giver eksperimentel støtte til West og Willisons20 tidlige forslag om, at der er mindst to kilder til vesikulær transport, en fra Golgi- og en fra plasmamembranen, samtidig med udviklingen af akrosomet. Blandt de fundne komponenter er der: Afaf (Acrosome formation associated factor), der lokaliseres på EEA1 (early endosome antigen 1)-positive endosomer;22 SH3P13, et vesikulært protein, der fungerer i clathrinmedieret receptorendocytose;SPE-39, en regulator af lysosomal levering, der oprindeligt blev identificeret i spermatogene celler;24 UBPy,25 et deubiquitinerende enzym, der oprindeligt blev identificeret som et protein, der interagerer med det endocytiske trafikeringsprotein Hbp26 og Ras-udvekslingsfaktoren RasGRF1.27

I musen blev UBPy, der nu officielt kaldes Usp8 (ubiquitin-specifik protease 8), molekylært identificeret som en deubiquitinase, der indeholder de typiske kendetegn for UBP-familien af deubiquitinerende enzymer.27 Selv om mUBPy er til stede i flere væv, er mUBPy stærkt udtrykt og begrænset til testiklerne og centralnervesystemet.27 Konventionelt set fremmer deubiquitinaser fjernelsen og forarbejdningen af konjugeret ubiquitin fra proteiner og spiller således regulerende roller på niveauet for både proteinomsætning og proteinnedbrydning. Ved at udnytte celletransfektionsteknologier har UBPy/Usp8 efterfølgende vist sig at være en vigtig regulator af endosomal sortering og vesiklernes morfologi28 .-30 For at etablere en fysiologisk rolle “in vivo” er UBPy/Usp8 imidlertid blevet undersøgt indgående i mandlige kønsceller med følgende observationer:12 (1) UBPy interagerer med spermatid Hbp/STAM2, der på egen hånd interagerer med sin bindingspartner Hrs for at give anledning til spermatid ESCRT-0-komplekset. ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) er det kompleks, der først tildeler endosomal sortering retningsbestemt og rekrutteres til EE (tidligt endosom); (2) UBPy/Hbp/Hrs-markerede vesikler udvikler sig til det dannende akrosom; det er også EEA1-positivt; (3) Vps54, et vesikulært protein, der arbejder i den retrograde transport fra EE,31,32 er involveret i akrosomogenese; (4) UBPy, gennem sit MIT-domæne (microtubule interacting and trafficking/transport), associerer direkte med spermatidmikrotubuli og formidler således sandsynligvis forbindelsen mellem den sorterede itinerante endocytiske vesikel og mikrotubuli; acrosomogenese er en proces, som er mikrotubuli-afhængig analogt med LRO-biogenese.14,16 Disse resultater kombineret med andre nyere undersøgelser (se arbejdet med EHD1 33) støtter kraftigt beviserne for, at den endocytiske vej også spiller en afgørende rolle i akrosombiogenese. Endvidere er det for ganske nylig blevet vist, at musesædceller, der udtrykker Vps54(L967Q)-varianten, er akrosomløse, fordi UBPy- og Vps54(L967Q)-mærkede vesikler ikke er i stand til at udvikle sig til et akrosom.34 Punktmutationen Vps54(L967Q) er ansvarlig for wobbler-musens fænotype,35 der er karakteriseret ved motorisk neuronsygdom og defekt i spermiogenesen. Wobbler-sædceller er rundhovedede, mangler et akrosom og er infertile.34 Hvorfor wobbler Vps54-mutationen især påvirker motoriske neuroner og spermatider, er endnu ikke klarlagt. Hidtil er Vps54 hovedsageligt blevet undersøgt i gær, hvor det sammen med Vps51, Vps52 og Vps53 giver anledning til det Golgi Associated Retrograde Protein (GARP)-kompleks;31,32 Vps54 arbejder især i den retrograde transport af EE til TGN;32 Efter opdagelsen af GARP-komplekset i gæren Saccharomices cerevisiae for ti år siden gik studiet af det i stå, og først for nylig er interessen genopstået med karakteriseringen af det ortologt kompleks i højere eukaryoter.36 Gær har imidlertid ingen LRO. Det kan være, at – dette er kun et spekulativt synspunkt for at foreslå en mulig retning for fremtidigt arbejde – i specialiserede celletyper, der er karakteriseret ved tilstedeværelsen af et specifikt LRO, kan Vps54, der rekrutteres gennem cellespecifikke aktivatorer/effektorer, binde EE-proteinladningen til det dannende LRO. Figur 1 illustrerer en forenklet skematisk tegning af akrosombiogenesen. Da dyremodeller er vigtige redskaber til undersøgelse af LRO-forstyrrelser, der vides at karakterisere nogle humane genetiske sygdomme13,14 , kunne wobblermusen, der er karakteriseret ved Vps54(L967Q)-punktmutationen, være et nyttigt redskab til undersøgelse af defekt akrosomogenese.

Som afslutning vil vi gerne minde opmærksomheden hen imod en yderligere, potentielt vigtig forskningsretning. Sædceller er stærkt polariserede celler; sædceller opnår ikke kun forskellige polariserede plasma-membran-domæner, men også en stærk polarisering af cellulære organeller som akrosomet ved den forreste pol og flagellumet ved cellens bageste pol. Etableringen af en sådan polarisering er afgørende for sædcellernes funktion, som vi diskuterer i indledningen af denne kommentar. Akkumulerende beviser viser nu, at endocytose spiller en vigtig rolle ikke kun i etableringen/vedligeholdelsen af polariserede membrandomæner, men også i den korrekte intracellulære lokalisering af vigtige polaritetsproteiner.37 Det er kendt, at komponenter af ESCRT-maskineriet, som kontrollerer den efterfølgende sortering af endocytiske ladninger fra EE, er nødvendige for epithelial polaritet, mens omvendt proteiner, der virker nedstrøms for ESCRT-sortering, ikke er nødvendige.37 Samtidig kan nogle polaritetsproteiner også regulere det endocytiske maskineri.37 Der er således med andre ord tale om et nyt koncept vedrørende den gensidige regulering mellem polaritetsproteiner og endocytiske regulatorer. Ikke kun det, men også et andet, korollært nøglespørgsmål kræver opmærksomhed: Hvordan sorteres acrosomale residente proteiner blandt de sædspecifikke og konventionelle anterograd/retrograd-trafikerende vesikler/organeller? Det kunne være af ny og spændende betydning at foretage forskning for at undersøge det mulige forhold mellem endocytose-polaritetssignal og proteinsorteringssignal under akrosomogenese. Endelig er et andet åbent spørgsmål, hvordan lastsortering er koblet til vesikelmotilitet under akrosomogenese, især i lyset af det fund, at UBPy er i stand til at interagere med mikrotubuli fra spermatider12 . Nylige undersøgelser13-15,38 har afsløret, at specifikke medlemmer af de strukturelt og funktionelt beslægtede AP-1-, AP-2, AP-3- og AP-4-komplekser, som er komponenter af coatede vesikler, der formidler intracellulær trafikering af integrale membranproteiner, sammen med motorproteiner som kine-sin KIF13A, den cytoplasmatiske dynein og myosinVa koordineret regulerer endosomal sortering og positionering for at lette LRO-biogenese. Det ville være interessant at verificere og afklare, om og hvilke clathrin-adaptorer og molekylære motorer der rekrutteres i akrosombiogenese.

Heri har vi kort fremhævet tre hovedretninger, som potentielt er vigtige (dvs. bidraget fra det endocytiske maskineri, kryds og tværs mellem endocytiske og biosyntetiske veje og forholdet “endocytose-polaritetssorteringssignal”) i studiet af akrosombiogenese. Da akrosomet i årenes løb hovedsagelig er blevet betragtet som et direkte Golgi-derivat, er vejen “ER-Golgi-acrosom” blevet undersøgt og etableret i vid udstrækning. Synspunktet “ER-Golgi-acrosom” har været så udbredt, at molekylære komponenter i trafikeringsmaskineriet (herunder det ovennævnte motorprotein KIFC1 17 og vesikelreceptoren Rab 27a,18 for blot at nævne to eksempler) er blevet tilskrevet den biosyntetiske (Golgi → acrosom i udvikling) transport. Omvendt har proteomanalyse af endocytiske vesikler afsløret, at KIFC1 er et tidligt endosom-associeret protein,39 mens Rab27a, et medlem af Rab-familien af Ras-lignende GTPaser, er kendt for at fungere i LRO-modning og/eller -trafikering.13-15 Endelig kan vi ikke negligere, at hvis nøglekomponenter i EE-maskineriet som UBPy/ESCRT-0-komplekset, der kræves til genkendelse og sortering af udvalgte ubiquininerede transmenbranreceptorer, er involveret i akrosombiogenese, tyder dette på eksistensen af en sædmembranfaktor/en sædmembranfaktor/er, som skal rekrutteres selektivt på akrosomniveau. I betragtning af at manglende akrosombiogenese resulterer i mandlig sterilitet med særlige konsekvenser for menneskelig infertilitet2 , er det håbet, at fremtidige undersøgelser vil blive rettet mod at belyse akrosomets biologi i sin helhed.