PMC

Az emlősök spermiumát két morfológiai és funkcionális rész, a fej és a flagellum jellemzi, amelyek mindegyike speciális feladatra optimalizált. Mindkét egység a spermatogenezis citomorfogenetikai fázisa, az úgynevezett spermiogenezis során alakul ki és áll össze. Míg a flagellum az a motoros modul, amely segít biztosítani azt az “erőt”, amely az ejakulált spermiumot a megtermékenyítés céljából a petesejt helyére hajtja, addig a fej pontosan az apai genom felét foglalja magába, amely a petesejt ooplazmájába való bekerülést követően a zigóta kialakulását és a diploid állapot helyreállítását eredményezi. Ehhez a spermiumnak át kell hatolnia a petesejt védőgátjain, a cumulus sejtrétegen és a zona pellucidán (ZP). Mielőtt behatolna a ZP-be, a megtermékenyítő spermiumnak át kell mennie egy fej morfológiai változáson, amely magában foglalja az akroszóma felbomlását, és ennek következtében a tárolt hidrolitikus enzimek felszabadulását, az úgynevezett akroszómareakciót (AR).1 Erre utal az akroszóma jelentősége, amelyet a megtermékenyítéshez nélkülözhetetlennek tartanak.1 Az akroszóma nélküli spermiumok valójában terméketlenek.2 Rágcsálókon végzett korai vizsgálatokban arról számoltak be, hogy az a hely, ahol a megtermékenyítő spermium az AR-t elindítja, a cumulusban van,3 de a későbbi, cumulusmentes petesejtekkel végzett vizsgálatok az évek során megállapították, hogy az emlősök AR-jának fiziológiai indukálója a ZP.4,5 Ez a második nézet ma már széles körben elterjedt és általánosan elfogadott. A közelmúltban azonban Jin és munkatársai6 a cumulusba zárt egér petesejtekkel és fluoreszcensen jelölt transzgenikus spermiumokkal végzett in vitro megtermékenyítés technikáját alkalmazva az AR kezdetének kimutatására kimutatták, hogy a spermiumok természetes körülmények között a cumuluson belül mennek keresztül az AR-on. Tehát ezzel a legújabb felfedezéssel úgy tűnik, hogy a cumulus döntő fontosságú az eredetileg elképzelt AR szempontjából.7

Ezzel kapcsolatban felmerül a kérdés, hogy létezik-e egyfajta párhuzamos sors az akroszóma természetének szentelt vizsgálatokkal. Eredetileg az akroszómát módosított lizoszómaként írták le.8 Az egymást követő vizsgálatok azonban megállapították, hogy az akroszóma egy közvetlen Golgi-eredetű szekréciós vezikulum.9,10 A legújabb kísérleti bizonyítékok11 mindazonáltal azt jelzik, hogy szükség van az “akroszóma = Golgi-eredetű organella” koncepció felülvizsgálatára. Az eredeti felvetéssel összhangban Berruti és munkatársai12 az akroszómát egy új, lizoszómával kapcsolatos organellaként (LRO) javasolták. Az LRO-k a membránnal körülzárt organellumok egy családját képviselik, amely bizonyos specializált sejttípusokra korlátozódik, és amelybe a melanoszómák, a lytikus granulumok, a trombocita sűrű testek, az exoszómák és a szinaptoszómák tartoznak.13,14 Az LRO-k funkcionális és dinamikus érési szakaszokkal rendelkeznek, amit számos Rab családba tartozó fehérje, azaz a vezikulafúzió és -szállítás szempontjából kritikus kis GTPázok részvétele jelez.13-15 Az LRO biogenezisét különösen a fehérjék és vezikulák dinamikus áramlása jellemzi a különböző endoszómális kompartmentek között; a korai endoszóma (EE) csomópontjánál az endocitikus útvonal összekapcsolódik az exocitikus útvonallal, amely viszont a transz-Golgi hálózaton (TGN) keresztül az endoplazmatikus retikulumból (ER) az újonnan szintetizált fehérjéket az endoszómális rendszerbe szortírozza.14 Egyrészt az LRO biogenezisében a vezikuláris transzportrendszerek meglehetősen közösek a különböző sejttípusok között, másrészt azonban a vezikulák által szállított fehérje rakomány/ok nagyon eltérőek lehetnek, az adott rakomány szövet- vagy sejtspecifikus kifejeződésétől függően. Hu és munkatársai15 az LRO proteomok pontos profilozását adták meg.

Röviden, arra a következtetésre jutottunk, hogy az akroszóma az LRO család egy új tagját képviselheti, figyelembe véve összességében egy sor, a spermium akroszómát jellemző tulajdonságot, amelyek közül néhány már jól ismert, míg másokat csak a közelmúltban fedeztek fel. Röviden: a) az akroszóma savas pH-t és néhány lizoszomális hidrolázt tartalmaz, valamint néhány egyedi enzimet/fehérjét, mint az akrozin és az akrozinkötő fehérje (ACRB/OY-TES-1).11 Ezek a fehérjék a bioszintetikus utat követik (anterográd transzport), és elektronsűrű magvavezikulákba, úgynevezett proakroszomális granulákba vannak csomagolva, valószínűleg a transz Golgi hálózatnál/után (TGN).16 Olyan motorfehérjéket, mint a KIFC1 17 és a Rab család tagjai, mint a Rab 27a18 leírták, hogy a Golgiból az akroszómába történő vezikulaközlekedésben működnek; b) az akroszomogenezis négy fázisra osztható: Golgi, sapka, akroszóma és érés. A késői Cap-fázisban a spermatidák Golgi-apparátusa a sejt ellentétes oldalára vándorol,10,16 így véget ér a glikoproteineknek a Golgi bioszintézis útján az akroszómába történő szállítása. A fejlődő akroszóma megnagyobbodásához és éréséhez hozzájáruló extra-Golgi-útvonalakat azonban leírták;19,20 c) a TGN a sejt egyik fő közlekedési csomópontja, mivel részt vesz a bioszintetikus útvonal fehérje/membrán transzportjában, valamint a fehérje-rakomány fogadásában retrográd transzport révén az endocitikus kompartmentekből;21 d) a legújabb bizonyítékok azt mutatják, hogy az endocitikus gépezet komponensei részt vesznek az akroszóma biogenezisében, kísérleti támogatást nyújtva West és Willison20 korai felvetésének, miszerint az akroszóma kialakulásával párhuzamosan legalább két forrás van a vezikuláris transzportnak, az egyik a Golgiból, a másik a plazmamembránból származik. A felfedezett komponensek között vannak: Afaf (Acrosome formation associated factor), amely az EEA1 (early endosome antigen 1)-pozitív endoszómákon lokalizálódik;22 SH3P13, egy vezikuláris fehérje, amely a klatrin-mediált receptor-endocitózisban működik;23 SPE-39, a lizoszomális szállítás szabályozója, amelyet eredetileg spermatogén sejtekben azonosítottak;24 UBPy,25 egy deubikvitináló enzim, amelyet eredetileg a Hbp26 endocitikus trafficking fehérjével és a Ras RasGRF1 cseretényezővel kölcsönhatásban lévő fehérjeként azonosítottak.27

Egerekben az UBPy-t, amelyet ma már hivatalosan Usp8-nak (ubikvitin-specifikus proteáz 8) neveznek, molekulárisan olyan deubikvitinázként azonosították, amely tartalmazza a deubikvitináló enzimek UBP családjának tipikus jellemzőit.27 Bár a mUBPy több szövetben is jelen van, nagymértékben expresszálódik, és a herékre és a központi idegrendszerre korlátozódik.27 A konvencionális értelemben vett deubikvitinázok elősegítik a konjugált ubikvitin eltávolítását és feldolgozását a fehérjékből, így szabályozó szerepet játszanak mind a fehérjeforgalom, mind a fehérje degradáció szintjén. Ezt követően a sejttranszfekciós technológiákat kihasználva kiderült, hogy az UBPy/Usp8 az endoszomális szortírozás és a vezikulák morfológiájának kulcsfontosságú szabályozója28.-30 Fiziológiai szerepének “in vivo” megállapítása érdekében azonban az UBPy/Usp8-at széles körben tanulmányozták hímivarsejtekben, a következő megfigyelésekkel:12 (1) Az UBPy kölcsönhatásba lép a spermatid Hbp/STAM2-vel, amely önmagában kölcsönhatásba lép kötő partnerével, a Hrs-szel, és így létrejön a spermatid ESCRT-0 komplex. Az ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) az a komplex, amely először adja meg az endoszomális szortírozás irányultságát, és rekrutálódik az EE-be (korai endoszóma); (2) UBPy/Hbp/Hrs-jelölt vezikulák fejlődnek a kialakuló akroszómába; ez is EEA1 pozitív; (3) a Vps54, az EE-ből történő retrográd transzportban működő vezikuláris fehérje,31,32 részt vesz az akroszomogenezisben; (4) az UBPy a MIT (microtubule interacting and trafficking/transport) doménjén keresztül közvetlenül társul a spermatidák mikrotubulusaihoz, így valószínűleg közvetíti a kapcsolatot a rendezett vándorló endocitikus vezikulum és a mikrotubulusok között; az akroszomogenezis az LRO-biogenezishez hasonlóan mikrotubulusfüggő folyamat.14,16 Ezek az eredmények más, nemrégiben végzett vizsgálatokkal (lásd az EHD1-ről szóló munkát 33) együtt erősen alátámasztják annak bizonyítékát, hogy az endocitikus útvonal az akroszóma biogenezisben is kritikus szerepet játszik. Továbbá nemrégiben kimutatták, hogy a Vps54(L967Q) variánst expresszáló egérspermiumok akroszóma nélküliek, mivel az UBPy- és Vps54(L967Q)-jelölt vezikulák nem képesek akroszómává fejlődni.34 A Vps54(L967Q) pontmutáció felelős a wobbler egér fenotípusért,35 amelyet motoros neuronbetegség és spermiogenezis defektus jellemez. A wobbler spermiumok kerek fejűek, hiányzik belőlük az akroszóma, és terméketlenek.34 Hogy a wobbler Vps54 mutáció miért éppen a motoros neuronokat és a spermiumokat érinti, még nem tisztázott. Eddig a Vps54-et alapvetően élesztőben tanulmányozták, ahol a Vps51-gyel, Vps52-vel és Vps53-mal együtt a Golgi Associated Retrograde Protein (GARP) komplexet alkotja;31,32 a Vps54 különösen az EE retrográd transzportjában működik a TGN-be.32 Miután egy évtizeddel ezelőtt felfedezték a GARP-komplexet az élesztőben, a Saccharomices cerevisiae-ben, tanulmányozása szünetelt, és csak nemrég éledt fel újra az érdeklődés a magasabb eukariótákban található ortológ komplex jellemzésével.36 Az élesztőnek azonban nincs LRO-ja. Lehetséges, hogy – ez csak egy spekulatív nézet, amely a jövőbeli munka lehetséges irányát sugallja – olyan specializált sejttípusokban, amelyeket egy specifikus LRO jelenléte jellemez, a sejtspecifikus aktivátorokon/effektorokon keresztül toborzott Vps54 az EE fehérje rakományát a képződő LRO-hoz köti. Az 1. ábra az akroszóma biogenezisének egyszerűsített sematikus rajzát mutatja be. Mivel az állatmodellek fontos eszközei az LRO rendellenességek vizsgálatának, amelyekről ismert, hogy néhány humán genetikai betegséget jellemeznek,13,14 a Vps54(L967Q) pontmutációval jellemzett wobbler egér hasznos eszköz lehet a hibás akroszomogenezis tanulmányozására.

Végszóként egy további, potenciálisan fontos kutatási irányra szeretnénk felhívni a figyelmet. A spermiumok erősen polarizált sejtek; a spermiumok nemcsak elkülönült polarizált plazmamembrán-doméneket érnek el, hanem a sejtorganellumok, mint például az akroszóma az elülső póluson és a flagellum a sejt hátsó pólusán is erősen polarizáltak. Az ilyen polarizáció létrejötte alapvető fontosságú a spermiumok működéséhez, amint azt e kommentár bevezetőjében tárgyaljuk. A felhalmozódó bizonyítékok ma már azt mutatják, hogy az endocitózis nemcsak a polarizált membrándomének létrehozásában/fenntartásában játszik fontos szerepet, hanem a kulcsfontosságú polaritási fehérjék megfelelő intracelluláris lokalizációjában is.37 Ismeretes, hogy az ESCRT gépezet komponensei, amelyek az endocitikus rakományoknak az EE-ből történő későbbi szortírozását irányítják, szükségesek a hámpolaritáshoz, míg fordítva, az ESCRT szortírozást követő fehérjékre nincs szükség.37 Ugyanakkor egyes polaritásfehérjék az endocitikus gépezetet is képesek szabályozni.37 Más szóval, ez egy kialakulóban lévő koncepció a polaritásfehérjék és az endocitikus szabályozók közötti kölcsönös szabályozással kapcsolatban. Nem csak, de egy további kapcsolódó kulcskérdés is figyelmet érdemel: hogyan válogatnak az akroszóma rezidens fehérjék a spermiumspecifikus és a hagyományos anterográd/retrográd trafikáló vezikulák/organellumok között? Újszerű és izgalmas jelentőségű lehet az akroszomogenezis során az “endocitózis-polaritás-fehérje-szortírozási jel” lehetséges kapcsolatának vizsgálatára irányuló kutatás. Végül, egy másik nyitott kérdés, hogy a rakományválogatás hogyan kapcsolódik a vezikulák motilitásához az akroszomogenezis során, különösen annak fényében, hogy az UBPy képes kölcsönhatásba lépni a spermatidák mikrotubulusaival12. A legújabb vizsgálatok13-15,38 feltárták, hogy a szerkezetileg és funkcionálisan rokon AP-1, AP-2, AP-3 és AP-4 komplexek specifikus tagjai, amelyek a bevonatos vezikulák összetevői, amelyek az integrális membránfehérjék intracelluláris mozgását közvetítik, olyan motoros fehérjékkel együtt, mint a kine-sin KIF13A, a citoplazmatikus dynein és a myosinVa, koordináltan szabályozzák az endoszomális szortírozást és pozícionálást az LRO biogenezis elősegítése érdekében. Érdekes lenne ellenőrizni és tisztázni, hogy az akroszóma biogenezisben rekrutálódnak-e és milyen klatrin-adaptorok és molekuláris motorok.

Ezekben röviden három fő, potenciálisan fontos irányt (azaz az endocitikus gépezet hozzájárulását, az endocitikus és bioszintetikus útvonalak közötti keresztkapcsolatot, valamint az “endocitózis-polaritás-rendező jel” kapcsolatot) emeltük ki az akroszóma biogenezis tanulmányozásában. Tekintettel arra, hogy az akroszómát az évek során lényegében közvetlen Golgi-származéknak tekintették, az “ER-Golgi-akroszóma” útvonalat széles körben tanulmányozták és megalapozták. Az “ER-Golgi-akroszóma” nézet olyannyira elterjedt, hogy a trafikációs gépezet molekuláris komponenseit (köztük a fent említett KIFC1 17 motorfehérjét és a Rab 27a,18 vezikulareceptort, hogy csak két példát említsünk) a bioszintetikus (Golgi → fejlődő akroszóma) transzportnak tulajdonították. Ezzel szemben az endocitikus vezikulák proteomikai elemzése kimutatta, hogy a KIFC1 egy korai endoszóma-asszociált fehérje,39 míg a Rab27a, amely a Ras-szerű GTPázok Rab-családjának tagja, ismert, hogy az LRO érésben és/vagy kereskedelemben játszik szerepet.13-15 Végül nem hagyhatjuk figyelmen kívül, hogy ha az akroszóma biogenezisében olyan kulcskomponensek vesznek részt, mint az UBPy/ESCRT-0 komplex, amely a kiválasztott ubikininált transzmembrán receptorok felismeréséhez és szortírozásához szükséges, akkor ez egy olyan spermium membrán faktor/ok létezésére utal, amelyet szelektíven kell rekrutálni az akroszóma szintjén. Tekintettel arra, hogy az akroszóma biogenezisének hibája férfi sterilitást eredményez, amelynek különös következménye van a humán meddőség tekintetében,2 remélhetőleg a jövőbeni vizsgálatok az akroszóma biológiájának a maga teljességében történő feltárására irányulnak.