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Eine Säugetierspermatozoon ist durch zwei morphologische und funktionelle Teile gekennzeichnet, nämlich den Kopf und das Flagellum, die jeweils für eine spezielle Aufgabe optimiert sind. Beide Einheiten werden während der zytomorphogenen Phase der Spermatogenese, der so genannten Spermiogenese, geformt und zusammengesetzt. Während das Flagellum das motorische Modul ist, das dazu beiträgt, die „Kraft“ bereitzustellen, die das ejakulierte Spermium zur Befruchtung in die Eizelle treibt, kapselt der Kopf genau die Hälfte des väterlichen Genoms ein, das, sobald es in das Ooplasma der Eizelle eingedrungen ist, zur Bildung der Zygote und zur Wiederherstellung des diploiden Zustands führt. Damit dies geschehen kann, muss das Spermium die schützenden Barrieren der Eizelle, die Kumuluszellschicht und die Zona pellucida (ZP), durchdringen. Vor dem Eindringen in die ZP muss das befruchtende Spermium eine morphologische Kopfveränderung durchlaufen, die mit der Zerstörung des Akrosoms und der anschließenden Freisetzung gespeicherter hydrolytischer Enzyme, der so genannten Akrosomreaktion (AR), einhergeht.1 Hier zeigt sich die Bedeutung des Akrosoms, von dem man annimmt, dass es für die Befruchtung unverzichtbar ist.1 Akrosomlose Spermien sind in der Tat unfruchtbar.2 In frühen Studien an Nagetieren wurde berichtet, dass der Ort, an dem das befruchtende Spermatozoon die AR beginnt, im Kumulus liegt,3 aber spätere Studien, die mit kumulusfreien Eiern durchgeführt wurden, ergaben im Laufe der Jahre, dass der physiologische Auslöser der AR bei Säugetieren der ZP ist.4,5 Diese zweite Ansicht ist heute weit verbreitet und allgemein akzeptiert. Kürzlich haben jedoch Jin et al.6 unter Verwendung der Technik der In-vitro-Fertilisation mit in den Kumulus eingeschlossenen Mäuseozyten und fluoreszenzmarkierten transgenen Spermien zum Nachweis des Beginns der AR gezeigt, dass die Spermien unter natürlichen Bedingungen die AR innerhalb des Kumulus durchlaufen. Nach diesen jüngsten Erkenntnissen scheint der Kumulus für die AR, so wie sie ursprünglich gedacht war, von entscheidender Bedeutung zu sein.7

Man könnte sich fragen, ob es eine Art paralleles Schicksal zu den Studien gibt, die sich mit der Natur des Akrosoms befassen. Ursprünglich wurde das Akrosom als modifiziertes Lysosom beschrieben.8 Nachfolgende Studien ergaben jedoch, dass das Akrosom ein direkt aus dem Golgi abgeleitetes sekretorisches Vesikel ist.9,10 Jüngste experimentelle Belege11 deuten jedoch darauf hin, dass das Konzept „Akrosom = aus dem Golgi abgeleitete Organelle“ überarbeitet werden muss. In Übereinstimmung mit dem ursprünglichen Vorschlag haben Berruti et al.12 das Akrosom als neuartige lysosom-verwandte Organelle (LRO) vorgeschlagen. LRO stellen eine Familie von membranumschlossenen Organellen dar, die auf bestimmte spezialisierte Zelltypen beschränkt sind, darunter Melanosomen, lytische Granula, Thrombozytenkörperchen, Exosomen und Synaptosomen.13,14 LRO haben funktionelle und dynamische Reifungsstadien, was durch die Beteiligung vieler Proteine der Rab-Familie angezeigt wird, d. h. kleiner GTPasen, die für die Vesikelfusion und den Transport entscheidend sind.1315 Die LRO-Biogenese ist insbesondere durch den dynamischen Fluss von Proteinen und Vesikeln zwischen verschiedenen endosomalen Kompartimenten gekennzeichnet; am Knotenpunkt des frühen Endosoms (EE) verbindet sich der endozytische Weg mit dem exozytischen Weg, der wiederum neu synthetisierte Proteine vom endoplasmatischen Retikulum (ER) durch das trans-Golgi-Netzwerk (TGN) zum endosomalen System transportiert.14 Einerseits sind die vesikulären Transportsysteme in der LRO-Biogenese bei den verschiedenen Zelltypen recht verbreitet, andererseits können die Proteinfracht(en), die die Vesikel transportieren, je nach gewebe- oder zellspezifischer Expression der jeweiligen Fracht stark variieren. Hu et al.15 haben ein genaues Profil der LRO-Proteome erstellt.

Zusammenfassend sind wir zu dem Schluss gekommen, dass das Akrosom ein neues Mitglied der LRO-Familie darstellen könnte, indem wir eine Reihe von Merkmalen berücksichtigt haben, die das Akrosom von Spermien charakterisieren, von denen einige bereits gut bekannt sind, während andere erst kürzlich entdeckt wurden. Kurz gesagt, (a) das Akrosom enthält einen sauren pH-Wert und einige lysosomale Hydrolasen sowie einige einzigartige Enzyme/Proteine wie Acrosin und Acrosin-bindendes Protein (ACRB/OY-TES-1).11 Diese Proteine folgen dem Biosyntheseweg (anterograder Transport) und sind in elektronendichte Kernvesikel gepackt, die als proakrosomale Granula bezeichnet werden, wahrscheinlich am/nach dem trans-Golgi-Netzwerk (TGN).16 Motorproteine wie KIFC1 17 und Mitglieder der Rab-Familie wie Rab 27a18 sind für den Vesikeltransport vom Golgi zum Akrosom verantwortlich; (b) die Akrosomogenese wird in vier Phasen unterteilt: Golgi, Cap, Akrosom und Reifung. In der späten Cap-Phase wandert der Golgi-Apparat der Spermatiden auf die gegenüberliegende Seite der Zelle,10,16 wodurch der Transport von Glykoproteinen in das Akrosom über den Golgi-Biosyntheseweg beendet wird. Es wurden jedoch auch Wege außerhalb des Golgi-Apparats beschrieben, die zur Vergrößerung und Reifung des sich entwickelnden Akrosoms beitragen;19,20 (c) der TGN ist einer der wichtigsten Verkehrsknotenpunkte der Zelle, da er sowohl am Protein-/Membrantransport aus dem Biosyntheseweg als auch an der Aufnahme von Proteinfracht durch retrograden Transport aus den endozytischen Kompartimenten beteiligt ist;21 (d) Jüngste Beweise haben gezeigt, dass Komponenten der endozytischen Maschinerie an der Biogenese des Akrosoms beteiligt sind, was die frühe Vermutung von West und Willison20 experimentell untermauert, dass es mindestens zwei Quellen für den vesikulären Transport gibt, eine aus den Golgi und eine aus der Plasmamembran, die gleichzeitig mit der Entwicklung des Akrosoms ablaufen. Zu den entdeckten Komponenten gehören: Afaf (Acrosome formation associated factor), der auf EEA1 (early endosome antigen 1)-positiven Endosomen lokalisiert ist;22 SH3P13, ein vesikuläres Protein, das bei der Clathrin-vermittelten Rezeptorendozytose eine Rolle spielt;23 SPE-39, ein Regulator der lysosomalen Abgabe, der ursprünglich in spermatogenen Zellen identifiziert wurde;24 UBPy,25 ein deubiquitinierendes Enzym, das ursprünglich als ein Protein identifiziert wurde, das mit dem endozytischen Trafficking-Protein Hbp26 und dem Ras-Austauschfaktor RasGRF1 interagiert.27

In der Maus wurde UBPy, jetzt offiziell als Usp8 (Ubiquitin-spezifische Protease 8) bezeichnet, auf molekularer Ebene als Deubiquitinase identifiziert, die die typischen Merkmale der UBP-Familie deubiquitinierender Enzyme aufweist.27 Obwohl mUBPy in mehr Geweben vorkommt, wird es stark exprimiert und ist auf die Hoden und das Zentralnervensystem beschränkt.27 Konventionell gesprochen, fördern Deubiquitinasen die Entfernung und Verarbeitung von konjugiertem Ubiquitin aus Proteinen und spielen somit eine regulierende Rolle sowohl beim Proteinumsatz als auch beim Proteinabbau. Durch die Nutzung von Zelltransfektionstechnologien hat sich UBPy/Usp8 als wichtiger Regulator der endosomalen Sortierung und Vesikelmorphologie erwiesen.2830 Um jedoch eine physiologische Rolle „in vivo“ zu etablieren, wurde UBPy/Usp8 ausführlich in männlichen Keimzellen untersucht, wobei folgende Beobachtungen gemacht wurden:12 (1) UBPy interagiert mit dem spermatiden Hbp/STAM2, das seinerseits mit seinem Bindungspartner Hrs interagiert, um den spermatiden ESCRT-0-Komplex zu bilden. ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) ist der Komplex, der der endosomalen Sortierung die erste Richtung zuweist und zum EE (Early Endosome) rekrutiert wird; (2) UBPy/Hbp/Hrs-markierte Vesikel entwickeln sich zum sich bildenden Akrosom, das auch EEA1-positiv ist; (3) Vps54, ein Vesikelprotein, das am retrograden Transport vom EE beteiligt ist,31,32 ist an der Akrosomogenese beteiligt; (4) UBPy assoziiert über seine MIT-Domäne (microtubule interacting and trafficking/transport) direkt mit den Mikrotubuli der Spermatiden und vermittelt so wahrscheinlich die Verbindung zwischen dem sortierten, wandernden endozytischen Vesikel und den Mikrotubuli; die Akrosomogenese ist ein Prozess, der analog zur LRO-Biogenese mikrotubuliabhängig ist.14,16 Diese Ergebnisse in Verbindung mit anderen neueren Studien (siehe die Arbeit zu EHD1 33) belegen nachdrücklich, dass der endozytische Weg auch bei der Akrosom-Biogenese eine entscheidende Rolle spielt. Darüber hinaus wurde vor kurzem gezeigt, dass Mäusespermien, die die Vps54(L967Q)-Variante exprimieren, keine Akrosomen bilden, da UBPy- und Vps54(L967Q)-markierte Vesikel nicht in der Lage sind, sich zu einem Akrosom zu entwickeln.34 Die Punktmutation Vps54(L967Q) ist verantwortlich für den Wobbler-Maus-Phänotyp,35 der durch eine Motoneuronenerkrankung und einen Spermiogenesedefekt gekennzeichnet ist. Wobbler-Spermatozoen sind rundköpfig, haben kein Akrosom und sind unfruchtbar.34 Warum die Wobbler-Vps54-Mutation insbesondere Motoneuronen und Spermatiden betrifft, ist noch nicht klar. Bisher wurde Vps54 hauptsächlich in Hefe untersucht, wo es zusammen mit Vps51, Vps52 und Vps53 den Golgi Associated Retrograde Protein (GARP)-Komplex bildet;31,32 insbesondere wirkt Vps54 beim retrograden Transport der EE zum TGN mit. Nach der Entdeckung des GARP-Komplexes in der Hefe Saccharomices cerevisiae vor einem Jahrzehnt geriet seine Erforschung ins Stocken, und erst vor kurzem ist das Interesse mit der Charakterisierung des orthologen Komplexes in höheren Eukaryonten wieder erwacht.36 Hefe hat jedoch kein LRO. Es könnte sein, dass – dies ist nur eine spekulative Sichtweise, um eine mögliche Richtung für zukünftige Arbeiten vorzuschlagen – in spezialisierten Zelltypen, die durch das Vorhandensein eines spezifischen LRO gekennzeichnet sind, Vps54, das durch zellspezifische Aktivatoren/Effektoren rekrutiert wird, die EE-Proteinladung an den sich bildenden LRO bindet. Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Akrosomenbiogenese. Da Tiermodelle wichtige Werkzeuge für die Untersuchung von LRO-Störungen sind, von denen bekannt ist, dass sie einige humangenetische Krankheiten charakterisieren,13,14 könnte die Wobbler-Maus, die durch die Vps54(L967Q)-Punktmutation charakterisiert ist, ein nützliches Werkzeug zur Untersuchung defekter Akrosomogenese sein.

Abschließend möchten wir die Aufmerksamkeit auf eine weitere, potenziell wichtige Forschungsrichtung lenken. Spermien sind hochgradig polarisierte Zellen; Spermien erreichen nicht nur ausgeprägte polarisierte Plasmamembran-Domänen, sondern auch eine starke Polarisierung von Zellorganellen wie dem Akrosom am vorderen Pol und dem Flagellum am hinteren Pol der Zelle. Die Etablierung einer solchen Polarisierung ist für die Funktion der Spermien von entscheidender Bedeutung, wie wir in der Einleitung dieses Kommentars erläutern. Immer mehr Beweise zeigen, dass die Endozytose nicht nur bei der Bildung und Aufrechterhaltung polarisierter Membrandomänen eine wichtige Rolle spielt, sondern auch bei der korrekten intrazellulären Lokalisierung wichtiger Polaritätsproteine.37 Es ist bekannt, dass Komponenten der ESCRT-Maschinerie, die die anschließende Sortierung von endozytischen Ladungen aus der EE steuern, für die epitheliale Polarität erforderlich sind, während umgekehrt Proteine, die der ESCRT-Sortierung nachgeschaltet sind, nicht erforderlich sind.37 Gleichzeitig können einige Polaritätsproteine auch die endozytische Maschinerie regulieren.37 Es handelt sich also um ein neues Konzept der wechselseitigen Regulation zwischen Polaritätsproteinen und endozytischen Regulatoren. Nicht nur das, sondern auch eine weitere Schlüsselfrage verdient Aufmerksamkeit: Wie werden die im Akrosom ansässigen Proteine zwischen den spermienspezifischen und konventionellen anterograden/retrograden Transportvesikeln/-organellen sortiert? Es könnte von neuer und interessanter Bedeutung sein, die mögliche Beziehung zwischen Endozytose, Polarität und Proteinsortierungssignal während der Akrosomogenese zu untersuchen. Eine weitere offene Frage ist, wie die Sortierung der Ladung mit der Vesikelbewegung während der Akrosomogenese gekoppelt ist, insbesondere angesichts der Feststellung, dass UBPy in der Lage ist, mit den Mikrotubuli der Spermatiden zu interagieren.12 Jüngste Studien13-15,38 haben gezeigt, dass bestimmte Mitglieder der strukturell und funktionell verwandten AP-1-, AP-2-, AP-3- und AP-4-Komplexe, die Bestandteile beschichteter Vesikel sind und den intrazellulären Transport integraler Membranproteine vermitteln, zusammen mit Motorproteinen wie dem Kin-Sin KIF13A, dem zytoplasmatischen Dynein und MyosinVa die endosomale Sortierung und Positionierung koordiniert regulieren, um die LRO-Biogenese zu erleichtern. Es wäre interessant zu überprüfen und zu klären, ob und welche Clathrin-Adaptoren und molekularen Motoren bei der Akrosom-Biogenese rekrutiert werden.

Wir haben hier kurz drei potenziell wichtige Hauptrichtungen (d.h. den Beitrag der endozytischen Maschinerie, die Überschneidung zwischen endozytischen und biosynthetischen Wegen und die Beziehung „Endozytose-Polaritäts-Sortierungssignal“) bei der Untersuchung der Akrosom-Biogenese hervorgehoben. Da das Akrosom im Laufe der Jahre im Wesentlichen als ein direktes Golgi-Derivat betrachtet wurde, ist der Weg „ER-Golgi-akrosom“ weithin untersucht und etabliert worden. Die Ansicht „ER-Golgi-Akrosom“ ist so weit verbreitet, dass molekulare Komponenten der Trafficking-Maschinerie (darunter das oben erwähnte Motorprotein KIFC117 und der Vesikelrezeptor Rab 27a,18 um nur zwei Beispiele zu nennen) dem biosynthetischen (Golgi → entstehendes Akrosom) Transport zugeschrieben wurden. Umgekehrt hat die proteomische Analyse endozytischer Vesikel ergeben, dass KIFC1 ein frühes Endosom-assoziiertes Protein ist,39 während Rab27a, ein Mitglied der Rab-Familie Ras-ähnlicher GTPasen, bekanntermaßen bei der LRO-Reifung und/oder dem LRO-Transport eine Rolle spielt.1315 Schließlich können wir nicht außer Acht lassen, dass, wenn Schlüsselkomponenten der EE-Maschinerie wie der UBPy/ESCRT-0-Komplex, der für die Erkennung und Sortierung ausgewählter ubiquinierter transmenbraner Rezeptoren erforderlich ist, an der Akrosom-Biogenese beteiligt sind, dies auf die Existenz eines oder mehrerer Spermienmembran-Faktoren hindeutet, die selektiv auf Akrosom-Ebene rekrutiert werden müssen. In Anbetracht der Tatsache, dass ein Versagen der Akrosom-Biogenese zu männlicher Sterilität führt, was sich insbesondere auf die menschliche Unfruchtbarkeit auswirkt2 , ist zu hoffen, dass künftige Studien dazu dienen, die Biologie des Akrosoms vollständig aufzuklären.