Nisäkkäiden siittiöille on ominaista kaksi morfologista ja toiminnallista osaa, pää ja lippulaite, jotka kumpikin on optimoitu erityistä tehtävää varten. Molemmat yksiköt muotoutuvat ja kootaan spermatogeneesin sytomorfogeenisen vaiheen eli spermiogeneesin aikana. Flagellum on motorinen moduuli, joka auttaa tuottamaan ”voiman”, joka ohjaa ejakuloidut siittiöt munasolun kohdalle hedelmöitymistä varten, kun taas pää kapseloi täsmälleen puolet isän genomista, joka munasolun ooplasmaan sulautumisen jälkeen johtaa zygootin muodostumiseen ja diploidisen tilan palauttamiseen. Jotta tämä tapahtuisi, siittiöiden on läpäistävä munasolun suojaavat esteet, kumulussolukerros ja zona pellucida (ZP). Ennen tunkeutumistaan ZP:hen hedelmöittyvän siittiöiden on käytävä läpi pään morfologinen muutos, johon liittyy akrosomin rikkoutuminen ja sen seurauksena varastoituneiden hydrolyyttisten entsyymien vapautuminen, niin sanottu akrosomireaktio (AR).1 Tässä yhteydessä korostuu akrosomin merkitys, jota pidetään välttämättömänä hedelmöittymiselle.1 Akrosomittomat siittiöitä ovat itse asiassa hedelmättömiä.2 Jyrsijöillä tehdyissä varhaisissa tutkimuksissa raportoitiin, että paikka, jossa hedelmöittyvä siittiö aloittaa AR:n, on cumuluksessa3 , mutta myöhemmissä tutkimuksissa, jotka tehtiin cumuluksesta vapailla munasoluilla, todettiin vuosien mittaan, että nisäkkäiden AR:n fysiologinen käynnistäjä on ZP4,5. Jälkimmäinen näkemys on nykyään laajalle levinnyt ja yleisesti hyväksytty. Hiljattain Jin ym.6 osoittivat kuitenkin in vitro -hedelmöitystekniikalla, jossa käytettiin hiiren cumulus-suljettuja munasoluja ja fluoresenssimerkittyjä siirtogeenisiä siittiöitä AR:n alkamisen havaitsemiseksi, että luonnollisissa olosuhteissa siittiöissä tapahtuu AR cumuluksessa. Tämän viimeaikaisen havainnon perusteella näyttää siis siltä, että cumulus on ratkaisevan tärkeä AR:n kannalta, kuten alun perin ajateltiin.7
Voidaankin miettiä, onko olemassa jonkinlainen rinnakkainen kohtalo, joka liittyy akrosomin luonteeseen kohdistettuihin tutkimuksiin. Alun perin akrosomi kuvattiin modifioiduksi lysosomiksi.8 Myöhemmissä tutkimuksissa todettiin kuitenkin, että akrosomi on suora Golgista peräisin oleva sekretorinen vesikkeli.9,10 Viimeaikaiset kokeelliset todisteet11 viittaavat kuitenkin siihen, että käsitystä ”akrosomi = Golgista peräisin oleva organelli” on tarkistettava. Alkuperäisen ehdotuksen mukaisesti Berruti ym.12 ovat ehdottaneet akrosomia uudeksi lysosomiin liittyväksi organelliksi (LRO). LRO:t edustavat tiettyihin erikoistuneisiin solutyyppeihin rajoittuvaa kalvon ympäröimien organellien perhettä, johon kuuluvat mm. melanosomit, lyytiset granulat, verihiutaleiden tiheät kappaleet, eksosomit ja synaptosomit.13,14 LRO:illa on funktionaalisia ja dynaamisia kypsymisvaiheita, mistä on osoituksena se, että niissä on mukana monia Rab-perheen valkuaisaineita eli vesikkelien fuusioitumis- ja kuljetustapahtumiin kriittisesti vaikuttavia pieniä GTP-paaseja.13-15 Erityisesti LRO:n biogeneesille on ominaista proteiinien ja vesikkelien dynaaminen virtaus eri endosomaalisten osastojen välillä; varhaisen endosomin (EE) solmukohdassa endosyyttinen reitti yhdistyy eksosyyttiseen reittiin, joka puolestaan lajittelee trans-Golgin verkoston (TGN) kautta vastasyntetisoituja proteiineja endoplasmisesta retikulumista (ER) endosomaaliseen järjestelmään.14 . Vesikkelikuljetusjärjestelmät LRO:n biogeneesissä ovat melko yleisiä eri solutyypeissä, mutta toisaalta vesikkelien kuljettamat proteiinilastit voivat vaihdella suuresti riippuen kyseisen lastin kudos- tai solukohtaisesta ilmentymisestä. Hu ym.15 ovat toimittaneet tarkan LRO-proteomiprofiilin.
Lyhyesti sanottuna päädyimme siihen johtopäätökseen, että akrosomi saattaa edustaa uutta LRO-perheen jäsentä, kun otimme kaiken kaikkiaan huomioon joukon siittiöiden akrosomia luonnehtivia piirteitä, joista osa on vakiintuneesti todettu, kun taas osa on paljastunut vasta äskettäin. Lyhyesti sanottuna a) akrosomi sisältää happaman pH:n ja joitakin lysosomaalisia hydrolaaseja sekä joitakin ainutlaatuisia entsyymejä/proteiineja, kuten akrosiinia ja akrosiinia sitovaa proteiinia (ACRB/OY-TES-1).11 Nämä proteiinit kulkevat biosynteettistä reittiä (anterogradikuljetus) pitkin, ja ne on pakattu elektronitiheisiin ydinvesikkeleihin, joita kutsutaan proakrosomaalisiksi granuloiksi ja jotka ovat luultavasti Golgin trans-verkostossa tai transgolgiverkoston jälkeen.16 Moottoriproteiinien, kuten KIFC1:n 17 ja Rab-perheen jäsenten, kuten Rab 27a:n18, on kuvattu toimivan vesikkelien kuljettamisessa Golgista akrosomiin; b) akrosomogeneesi ryhmitellään neljään vaiheeseen: Golgi, korkki, akrosomi ja kypsyminen. Myöhäiseen Cap-vaiheeseen mennessä spermatidin Golgi-laite siirtyy solun vastakkaiselle puolelle10,16 , jolloin glykoproteiinien kulkeutuminen akrosomiin Golgin biosynteettistä reittiä pitkin päättyy. Golgin ulkopuolisia reittejä, jotka edistävät kehittyvän akrosomin laajentumista ja kypsymistä, on kuitenkin kuvattu;19,20 c) TGN on yksi solun tärkeimmistä liikenteen solmukohdista, sillä se osallistuu proteiinien/membraanien kuljettamiseen biosynteettiseltä reitiltä sekä proteiinilastin vastaanottamiseen retrogradisella kuljetuksella endosyyttisistä osastoista;21 d) viimeaikaiset todisteet ovat osoittaneet, että endosyyttisen koneiston komponentit osallistuvat akrosomin biogeneesiin, mikä tukee kokeellisesti Westin ja Willisonin20 varhaista ehdotusta, jonka mukaan akrosomin kehittymisen yhteydessä on ainakin kaksi vesikkelikuljetuksen lähdettä, joista toinen on peräisin Golgista ja toinen plasmakalvosta. Löydettyjen komponenttien joukossa on mm: Afaf (Acrosome formation associated factor), joka lokalisoituu EEA1 (early endosome antigen 1)-positiivisiin endosomeihin;22 SH3P13, vesikulaarinen proteiini, joka toimii klatriinivälitteisessä reseptorien endosytoosissa;23 SPE-39, lysosomaalisen toimituksen säätelijä, joka on alun perin tunnistettu spermatogeenisissä soluissa;24 UBPy,25 deubikitinoiva entsyymi, joka on alun perin tunnistettu proteiiniksi, joka on vuorovaikutuksessa endosyyttisen siirtoproteiinin Hbp26 ja Ras-vaihtotekijä RasGRF1:n kanssa.27
Hiiressä UBPy, jota nyt kutsutaan virallisesti Usp8:ksi (ubikitiinispesifinen proteaasi 8), tunnistettiin molekyylisesti deubikitinaasiksi, joka sisältää tyypilliset tunnusmerkit UBP-perheen deubikitinoiville entsyymeille.27 Vaikka mUBPy:tä esiintyy useammissa kudoksissa, se ekspressoituu voimakkaasti ja rajoittuu kiveksiin ja keskushermostoon.27 Perinteisesti deubikvitinaasit edistävät konjugoidun ubikitiinin poistamista ja prosessointia proteiineista, ja niillä on siten säätelytehtäviä sekä proteiinien liikevaihdon että proteiinien hajoamisen tasolla. Solutransfektiotekniikoita hyödyntämällä UBPy/Usp8 on osoittautunut keskeiseksi endosomaalisen lajittelun ja vesikkelien morfologian säätelijäksi28.-30 Fysiologisen roolin määrittämiseksi ”in vivo” UBPy/Usp8:a on kuitenkin tutkittu laajasti urospuolisissa sukusoluissa, ja siitä on tehty seuraavat havainnot:12 (1) UBPy on vuorovaikutuksessa spermatidien Hbp/STAM2:n kanssa, joka vuorovaikuttaa yksinään sitoutumiskumppaninsa Hrs:n kanssa muodostaen spermatidien ESCRT-0-kompleksin. ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) on kompleksi, joka määrittää ensimmäisenä endosomaalisen lajittelun suuntautuneisuuden ja rekrytoituu EE:hen (early endosome); (2) UBPy/Hbp/Hrs-merkityt vesikkelit kehittyvät muodostuvaksi akrosomiksi; se on myös EEA1-positiivinen; (3) Vps54, joka on vesikkeliproteiini, joka toimii EE:stä tapahtuvassa retrogradisessa kuljettamisessa,31,32 osallistuu akrosomogeneesiin; (4) UBPy assosioituu MIT-domeeninsa (microtubule interacting and trafficking/transport) kautta suoraan spermatidien mikrotubuluksiin, mikä todennäköisesti välittää yhteyttä lajitellun kiertävän endosyyttisen vesikkelin ja mikrotubulusten välillä; akrosomogeneesi on prosessi, joka on mikrotubuluksista riippuvainen analogisesti LRO-biogeneesin kanssa.14,16 Nämä havainnot yhdessä muiden viimeaikaisten tutkimusten kanssa (ks. EHD1 33:aa koskeva työ) tukevat vahvasti näyttöä siitä, että endosyyttisellä reitillä on myös kriittinen rooli akrosomin biogeneesissä. Lisäksi aivan hiljattain on osoitettu, että Vps54(L967Q)-muunnosta ilmentävät hiiren siittiöt eivät saa akrosomia, koska UBPy- ja Vps54(L967Q)-leimatut vesikkelit eivät kykene kehittymään akrosomiksi.34 Vps54(L967Q)-pistemutaatio Vps54(L967Q) vastaa wobbler-hiiren fenotyypistä,35 jolle on ominaista liikehermosolujen sairaus ja siittiöiden synnyn vika. Wobblerin siittiöt ovat pyöreäpäisiä, niistä puuttuu akrosomi ja ne ovat hedelmättömiä.34 Miksi wobblerin Vps54-mutaatio vaikuttaa erityisesti motoneuroneihin ja spermatideihin, ei ole vielä selvää. Toistaiseksi Vps54:ää on tutkittu lähinnä hiivassa, jossa se muodostaa yhdessä Vps51:n, Vps52:n ja Vps53:n kanssa Golgi-assosioituneen retrogradisen proteiinikompleksin (GARP, Golgi Associated Retrograde Protein);31,32 Vps54 osallistuu erityisesti EE:n retrogradiseen kuljetukseen TGN:ään.32 Kun GARP-kompleksi löydettiin hiivasta Saccharomices cerevisiae kymmenkunta vuotta sitten, sen tutkiminen lamaantui, ja vasta äskettäin kiinnostus on herännyt uudelleen, kun ortologinen kompleksi on karakterisoitu korkeammissa eukaryooteissa.36 Hiivassa ei kuitenkaan ole LRO:ta. Voi olla, että – tämä on vain spekulatiivinen näkemys, jolla pyritään ehdottamaan mahdollista suuntaa tulevalle työlle – erikoistuneissa solutyypeissä, joille on ominaista spesifisen LRO:n läsnäolo, soluspesifisten aktivaattoreiden/efektoreiden kautta rekrytoitu Vps54 sitoo EE-proteiinilastin muodostavaan LRO:hon. Kuvassa 1 esitetään yksinkertaistettu kaavamainen piirros akrosomin biogeneesistä. Koska eläinmallit ovat tärkeitä välineitä tutkittaessa LRO-häiriöitä, joiden tiedetään luonnehtivan joitakin ihmisen perinnöllisiä sairauksia,13,14 wobbler-hiiri, jolle on ominaista Vps54(L967Q)-pistemutaatio, voisi olla hyödyllinen väline viallisen akrosomogeneesin tutkimiseen.
Skeemaattinen esitys LRO:ksi ehdotetun akrosomin biogeneesistä. Akrosomille tarkoitettu Golgista peräisin oleva biosynteettinen lasti lajitellaan TGN:n tasolla. Tässä osa proteiinilastista pakataan suoraan tai EE:n kautta (vihreät katkoviivoitetut nuolet) elektronitiheään pro-akrosomaaliseen granulaatioon (PG), kun taas osa membraanilastista lajitellaan plasmamembraaniin (vihreä katkoviivoitettu nuoli). Tämä membraanilasti rekrytoituu sitten ristikkäisten endosyyttisten säätelijöiden/polariteettiproteiinien kautta EE:hen, ja jäljempänä se ohjataan (keltaiset nuolet) kehittyvän pro-akrosomin (PA) oikeaan membraanidomeeniin. Sama kohtalo on ominaista muulle proteiinilastille, joka plasmakalvolla ubikitiinisignatuurilla (punainen kate) merkittyään tunnistetaan selektiivisesti UBPy/ESCRT-0-kompleksin toimesta ja rekrytoidaan EE:hen (keltainen nuoli). Vps54 sitoo endosytoituneet vesikulaariset proteiini/membraanilastit, jotka on tarkoitettu akrosomiin (keltaiset nuolet), EE:stä PA:han, joka ei ainoastaan kasva, vaan myös litistyy ja saa sille ominaisen muodon kehittyäkseen akrosomiksi (A). Osa EE:n proteiinisisällöstä on kuitenkin tarkoitettu multivesikulaariseen kappaleeseen (MVB), joka, koska se ei kehity lysosomiksi, oletetaan hävitettävän sytoplasmakehään.
Viimeiseksi haluamme palauttaa huomion yhteen uuteen, mahdollisesti tärkeään tutkimussuuntaan. Siittiöt ovat erittäin polarisoituneita soluja; siittiöt saavuttavat paitsi erillisiä polarisoituneita plasmamembraanidomeeneja, myös soluelinten organellien, kuten akrosomin etupuolella olevan akrosomin ja solun takapuolella olevan flagellumin, voimakkaan polarisaation. Tällaisen polarisaation aikaansaaminen on olennaista siittiöiden toiminnalle, kuten tämän kommentin johdannossa käsitellään. Kertyvä todistusaineisto paljastaa nyt, että endosytoosilla on tärkeä rooli paitsi polarisoituneiden kalvodomeenien muodostumisessa/ylläpidossa myös keskeisten polariteettiproteiinien asianmukaisessa solunsisäisessä lokalisaatiossa.37 Tiedetään, että ESCRT-koneiston komponentit, jotka kontrolloivat endosyyttisten lastien myöhempää lajittelua EE:stä, ovat välttämättömiä epiteliaalisen polariteetin aikaansaamiseksi, kun taas päinvastoin proteiineja, jotka toimivat ESCRT:n lajittelun alapuolella, ei tarvita.37 Samalla jotkin polariteettiproteiinit voivat myös säädellä endosyyttistä koneistoa.37 Kyseessä on siis toisin sanoen kehittyvä käsitys polariteettiproteiinien ja endosyyttisten säätelijöiden välisestä vastavuoroisesta säätelystä. Huomiota ansaitsee myös toinen keskeinen lisäkysymys: miten akrosomaaliset proteiinit lajitellaan sperman spesifisten ja perinteisten anterogradi/retrogradi -liikennevesikkelien/organellien välille? Saattaa olla uutta ja kiehtovaa tutkia mahdollista ”endosytoosin, polariteetin ja proteiinien lajittelusignaalin” suhdetta akrosomogeneesin aikana. Lopuksi, toinen avoin kysymys on, miten lastin lajittelu kytkeytyy vesikkelien liikkuvuuteen akrosomogeneesin aikana, erityisesti sen havainnon valossa, että UBPy kykenee olemaan vuorovaikutuksessa spermatidien mikrotubulusten kanssa12 . Viimeaikaiset tutkimukset13-15,38 ovat osoittaneet, että rakenteellisesti ja toiminnallisesti toisiinsa liittyvien AP-1-, AP-2-, AP-3- ja AP-4-kompleksien erityiset jäsenet, jotka ovat päällystettyjen vesikkelien komponentteja ja jotka välittävät integraalisten kalvoproteiinien solunsisäistä kulkeutumista, yhdessä moottoriproteiinien, kuten kine-sinin KIF13A:n, sytoplasmoidun dyneiinin ja myosiiniVa:n kanssa, säätelevät koordinoidusti endosomaalista lajittelua ja paikannusta helpottaakseen LRO:n biologista syntyä. Olisi mielenkiintoista tarkistaa ja selventää, rekrytoidaanko akrosomin biogeneesiin klatriiniadaptaattoreita ja molekyylimoottoreita, ja jos rekrytoidaan, niin mitkä niistä.
Tässä olemme lyhyesti tuoneet esiin kolme tärkeintä potentiaalisesti merkittävää pääsuuntausta (eli endosyyttisen koneiston osuuden, endosyyttisten ja biosynteettisten reittien välisen ristikkäisvuorovaikutuksen sekä ”endosytoosin, polariteetin ja lajittelusignaalin” välisen suhteen) tutkittaessa akrosomin biogeneesiä. Koska akrosomia on vuosien mittaan pidetty lähinnä suorana Golgin johdannaisena, ”ER-Golgi-akrosomi” -reittiä on tutkittu ja vakiinnutettu laajalti. Näkemys ”ER-Golgi-akrosomi” on levinnyt niin laajalle, että kuljetuskoneiston molekyylikomponentit (kuten edellä mainittu moottoriproteiini KIFC1 17 ja vesikkelireseptori Rab 27a,18 vain kahtena esimerkkinä) on liitetty biosynteettiseen (Golgi → kehittyvä akrosomi) kuljetukseen. Sitä vastoin endosyyttisten vesikkelien proteomianalyysi on paljastanut, että KIFC1 on varhaiseen endosomiin assosioitunut proteiini39 , kun taas Rab27a, joka kuuluu Rasin kaltaisten GTPaasien Rab-perheeseen, tiedetään toimivan LRO:n kypsyttämisessä ja/tai kuljettamisessa.13-15 Lopuksi emme voi jättää huomiotta sitä, että jos EE-koneiston avainkomponentit, kuten UBPy/ESCRT-0-kompleksi, jota tarvitaan valittujen ubikininoituneiden transmembraanireseptorien tunnistamiseen ja lajitteluun, osallistuvat akrosomin biogeneesiin, tämä viittaa siihen, että on olemassa siittiöiden kalvotekijä/-tekijöitä, joka/jotka on rekrytoitava valikoivasti akrosomitasolla. Kun otetaan huomioon, että akrosomin biogeneesin epäonnistuminen johtaa miehen steriiliyteen, jolla on erityinen vaikutus ihmisen hedelmättömyyteen,2 on toivottavaa, että tulevissa tutkimuksissa pyritään selvittämään akrosomin biologiaa sen täydellisyydessä.