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Lo spermatozoo dei mammiferi è caratterizzato da due parti morfologiche e funzionali, cioè la testa e il flagello, ciascuna ottimizzata per un compito speciale. Entrambe le unità sono formate e assemblate durante la fase citomorfogenica della spermatogenesi, nota come spermiogenesi. Mentre il flagello è il modulo motore che aiuta a fornire la “forza” che spinge lo sperma eiaculato al sito dell’uovo per la fecondazione, la testa incapsula precisamente la metà del genoma paterno che, una volta inglobato nell’ooplasma dell’uovo, risulta nella formazione dello zigote e nel ripristino della condizione diploide. Affinché questo avvenga, lo spermatozoo deve penetrare le barriere protettive dell’ovocita, lo strato di cellule del cumulo e la zona pellucida (ZP). Prima di penetrare nella ZP, lo spermatozoo fecondatore deve subire un cambiamento morfologico che comporta la rottura dell’acrosoma con il conseguente rilascio degli enzimi idrolitici immagazzinati, la cosiddetta reazione acrosoma (AR).1 Ecco l’importanza dell’acrosoma che si pensa sia indispensabile per la fecondazione.1 Gli spermatozoi senza acrosoma sono infatti sterili.2 Nei primi studi sui roditori è stato riportato che il sito in cui lo spermatozoo fecondatore inizia l’AR è nel cumulo,3 ma studi successivi, condotti con uova prive di cumulo, hanno stabilito negli anni che l’induttore fisiologico dell’AR dei mammiferi è lo ZP.4,5 Questa seconda visione è ormai diffusa e generalmente accettata. Recentemente, però, Jin et al.6 utilizzando la tecnica della fecondazione in vitro con ovociti di topo chiusi nel cumulo e spermatozoi transgenici marcati con fluorescenza per rilevare l’inizio dell’AR, hanno dimostrato che gli spermatozoi, in condizioni naturali, subiscono l’AR all’interno del cumulo. Quindi, con questa recente scoperta, sembra che il cumulo sia cruciale per l’AR come originariamente concepito.7

Ci si potrebbe chiedere se esiste una sorta di destino parallelo che coinvolge gli studi dedicati alla natura dell’acrosoma. Originariamente, l’acrosoma è stato descritto come un lisosoma modificato.8 Studi successivi, tuttavia, hanno stabilito che l’acrosoma è una vescicola secretoria diretta derivata dal Golgi.9,10 Recenti prove sperimentali,11 tuttavia, indicano la necessità di una revisione del concetto riguardante “acrosoma = organello derivato dal Golgi”. In linea con il suggerimento originale, Berruti et al.12 hanno proposto l’acrosoma come un nuovo organello legato al lisosoma (LRO). Gli LRO rappresentano una famiglia di organelli con membrana chiusa, limitata ad alcuni tipi di cellule specializzate, che comprende melanosomi, granuli litici, corpi densi piastrinici, esosomi e sinaptosomi.13,14 Gli LRO hanno fasi di maturazione funzionali e dinamiche, come indicato dal coinvolgimento di molte proteine della famiglia Rab, cioè piccole GTPasi critiche per la fusione e il trasporto delle vescicole.13-15 In particolare, la biogenesi degli LRO è caratterizzata dal flusso dinamico di proteine e vescicole tra compartimenti endosomiali distinti; al centro dell’endosoma precoce (EE) la via endocitica si collega con la via esocitica che a sua volta smista, attraverso la rete trans-Golgi (TGN), le proteine appena sintetizzate dal reticolo endoplasmatico (ER) al sistema endosomiale.14 Da un lato, i sistemi di trasporto vescicolare nella biogenesi dell’ER sono abbastanza comuni tra i vari tipi di cellule, ma dall’altro, i carichi proteici che le vescicole trasportano possono variare ampiamente, a seconda dell’espressione tessuto-cellulare specifica del dato carico. Hu et al.15 hanno fornito un accurato profilo dei proteomi LRO.

In breve, siamo arrivati alla conclusione che l’acrosoma può rappresentare un nuovo membro della famiglia LRO prendendo in considerazione, tutti insieme, una serie di caratteristiche che caratterizzano l’acrosoma dello sperma, alcune delle quali sono state ben stabilite mentre altre sono state scoperte solo recentemente. In breve, (a) l’acrosoma contiene un pH acido e alcune idrolasi lisosomiali, così come alcuni enzimi/proteine unici come l’acrosina e la proteina legante l’acrosina (ACRB/OY-TES-1).11 Queste proteine seguono la via biosintetica (trasporto anterogrado) e sono confezionate in vescicole dal nucleo denso di elettroni, chiamate granuli proacrosomiali, probabilmente dopo la rete trans Golgi (TGN).16 Proteine motrici come KIFC1 17 e membri della famiglia Rab come Rab 27a18 sono stati descritti per funzionare nel traffico delle vescicole dal Golgi all’acrosoma; (b) l’acrosomogenesi è raggruppata in quattro fasi: Golgi, Cap, Acrosoma e Maturazione. Nella tarda fase Cap, l’apparato di Golgi dello spermatide migra verso il lato opposto della cellula,10,16 terminando così il trasporto delle glicoproteine nell’acrosoma attraverso la via biosintetica del Golgi. Sono state comunque descritte vie extra-Golgi che contribuiscono all’allargamento e alla maturazione dell’acrosoma in via di sviluppo;19,20 (c) il TGN è uno dei principali centri di traffico della cellula, poiché è coinvolto nel trasporto di proteine/membrane dalla via biosintetica, così come nella ricezione del carico proteico tramite trasporto retrogrado dai compartimenti endocitici;21 (d) prove recenti hanno dimostrato che componenti del macchinario endocitico sono coinvolti nella biogenesi dell’acrosoma, fornendo supporto sperimentale al suggerimento iniziale di West e Willison20 che ci sono almeno due fonti di trasporto vescicolare, una derivata dal Golgi e una dalla membrana plasmatica, in concomitanza con lo sviluppo dell’acrosoma. Tra i componenti scoperti, ci sono: Afaf (Acrosome formation associated factor) che si localizza sugli endosomi EEA1 (early endosome antigen 1)-positivi;22 SH3P13, una proteina vescicolare che funziona nell’endocitosi dei recettori mediata dalla clatrina;23 SPE-39, un regolatore della consegna lisosomiale originariamente identificato in cellule spermatogeniche;24 UBPy,25 un enzima deubiquitinante originariamente identificato come una proteina che interagisce con la proteina del traffico endocitico Hbp26 e il fattore di scambio RasGRF1.27

Nel topo UBPy, ora denominato ufficialmente Usp8 (ubiquitin-specific protease 8), è stato identificato molecolarmente come una deubiquitinasi contenente le caratteristiche tipiche della famiglia UBP degli enzimi deubiquitinatori.27 Anche se presente in più tessuti, mUBPy è altamente espresso e limitato al testicolo e al sistema nervoso centrale.27 Convenzionalmente, le deubiquitinasi promuovono la rimozione e l’elaborazione dell’ubiquitina coniugata dalle proteine, svolgendo così ruoli di regolazione sia a livello del turnover proteico che della degradazione delle proteine. Successivamente, sfruttando le tecnologie di trasfezione cellulare, è emerso che UBPy/Usp8 è un regolatore chiave dell’ordinamento endosomiale e della morfologia delle vescicole.28-30 Tuttavia, per stabilire un ruolo fisiologico “in vivo”, UBPy/Usp8 è stato ampiamente studiato nelle cellule germinali maschili con le seguenti osservazioni:12 (1) UBPy interagisce con lo spermatide Hbp/STAM2 che, da solo, interagisce con il suo partner di legame Hrs per dare origine al complesso spermatide ESCRT-0. L’ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) è il complesso che per primo assegna la direzionalità allo smistamento endosomiale e viene reclutato nell’EE (early endosome); (2) le vescicole UBPy/Hbp/Hrs marcate si sviluppano nell’acrosoma in formazione, che è anche EEA1 positivo; (3) Vps54, una proteina vescicolare che lavora nel trasporto retrogrado dall’EE,31,32 è coinvolto nell’acrosomogenesi; (4) UBPy, attraverso il suo dominio MIT (microtubule interacting and trafficking/transport), si associa direttamente ai microtubuli spermatidi, mediando così probabilmente il legame tra la vescicola endocitica itinerante smistata e i microtubuli; l’acrosomogenesi è un processo microtubulo-dipendente analogo alla LRO-biogenesi.14,16 Questi risultati insieme ad altri studi recenti (vedi il lavoro sull’EHD1 33) supportano fortemente l’evidenza che la via endocitica gioca anche un ruolo critico nella biogenesi dell’acrosoma. Inoltre, molto recentemente è stato dimostrato che gli spermatozoi di topo che esprimono la variante Vps54(L967Q) sono privi di acrosoma perché le vescicole marcate UBPy- e Vps54(L967Q)- non sono in grado di svilupparsi in un acrosoma.34 La mutazione puntiforme Vps54(L967Q) è responsabile del fenotipo del topo wobbler,35 caratterizzato da malattia del motoneurone e difetto della spermiogenesi. Gli spermatozoi wobbler hanno la testa rotonda, mancano di acrosoma e sono sterili.34 Perché la mutazione Vps54 wobbler colpisca in particolare i motoneuroni e gli spermatidi non è ancora chiaro. Finora Vps54 è stato studiato essenzialmente nel lievito, dove dà origine insieme a Vps51, Vps52 e Vps53 al complesso Golgi Associated Retrograde Protein (GARP);31,32 in particolare, Vps54 lavora nel trasporto retrogrado dell’EE al TGN.32 Dopo la scoperta del complesso GARP nel lievito Saccharomices cerevisiae una decina di anni fa, il suo studio è andato in stasi e solo recentemente l’interesse è risorto con la caratterizzazione del complesso ortologo negli eucarioti superiori.36 Tuttavia, il lievito non ha LRO. Potrebbe essere che – questa è solo una visione speculativa per suggerire una possibile direzione per il lavoro futuro – in tipi di cellule specializzate caratterizzate dalla presenza di un LRO specifico, Vps54, reclutato attraverso attivatori/effettori cellula-specifici, leghi il carico proteico EE al LRO in formazione. La Figura 1 illustra un disegno schematico semplificato della biogenesi dell’acrosoma. Come modelli animali sono strumenti importanti per l’indagine sui disturbi LRO noti per caratterizzare alcune malattie genetiche umane,13,14 il topo wobbler, caratterizzato dalla punto-mutazione Vps54 (L967Q), potrebbe essere uno strumento utile per studiare l’acrosomogenesi difettosa.

In una nota finale, vogliamo richiamare l’attenzione verso una ulteriore, potenzialmente importante, direzione di ricerca. Gli spermatozoi sono cellule altamente polarizzate; gli spermatozoi raggiungono non solo distinti domini di plasma-membrana polarizzati, ma anche una forte polarizzazione degli organelli cellulari come l’acrosoma al polo anteriore e il flagello al polo posteriore della cellula. L’istituzione di tale polarizzazione è essenziale per la funzione dello sperma, come abbiamo discusso nell’introduzione di questo commento. Le prove che si stanno accumulando rivelano che l’endocitosi gioca un ruolo importante non solo nello stabilire/mantenere i domini di membrana polarizzati, ma anche nella corretta localizzazione intracellulare delle proteine chiave della polarità.37 È noto che i componenti del macchinario ESCRT, che controllano il successivo smistamento dei carichi endocitici dall’EE, sono necessari per la polarità epiteliale mentre, al contrario, le proteine che agiscono a valle dello smistamento ESCRT non sono necessarie.37 Allo stesso tempo, alcune proteine della polarità possono anche regolare il macchinario endocitico.37 Così, in altre parole, questo è un concetto emergente riguardante la regolazione reciproca tra le proteine della polarità e i regolatori endocitici. Non solo, ma un’ulteriore domanda chiave corollaria riserva l’attenzione: come vengono smistate le proteine residenti acrosomiali tra le vescicole/organelli di traffico anterogrado/retrogrado convenzionali e specifici dello sperma? Potrebbe avere un significato nuovo e intrigante intraprendere una ricerca per studiare la possibile relazione “endocitosi-polarità-segnale di smistamento delle proteine” durante l’acrosomogenesi. Infine, un’altra questione aperta è come il cargo sorting sia accoppiato alla motilità delle vescicole durante l’acrosomogenesi, specialmente alla luce della scoperta che UBPy è in grado di interagire con i microtubuli degli spermatidi.12 Studi recenti13-15,38 hanno rivelato che membri specifici dei complessi AP-1, AP-2, AP-3 e AP-4, strutturalmente e funzionalmente correlati, che sono componenti di vescicole rivestite che mediano il traffico intracellulare di proteine integrali di membrana, insieme a proteine motorie come la china KIF13A, la dineina citoplasmatica e la miosinaVa, regolano in modo coordinato lo smistamento e il posizionamento endosomiale per facilitare la biogenesi degli LRO. Sarebbe interessante verificare e chiarire se e quali clatrina-adattatori e motori molecolari sono reclutati nella biogenesi dell’acrosoma.

In questa sede, abbiamo brevemente evidenziato tre principali direzioni potenzialmente importanti (cioè il contributo del macchinario endocitico, il cross-talk tra le vie endocitiche e biosintetiche, e la relazione ‘endocitosi-polarità-segnale di smistamento’) nello studio della biogenesi dell’acrosoma. Dato che l’acrosoma è stato considerato, nel corso degli anni, essenzialmente come un derivato diretto del Golgi, il percorso ‘ER-Golgi-acrosoma’ è stato ampiamente studiato e stabilito. La visione ‘ER-Golgi-acrosoma’ è stata così diffusa che i componenti molecolari del macchinario di traffico (tra cui la già citata proteina motrice KIFC1 17 e il recettore delle vescicole Rab 27a,18 per citare solo due esempi), sono stati attribuiti al trasporto biosintetico (Golgi → acrosoma in sviluppo). Al contrario, l’analisi proteomica delle vescicole endocitiche ha rivelato che KIFC1 è una proteina associata all’endosoma precoce,39 mentre Rab27a, un membro della famiglia Rab delle GTPasi Ras-like, è noto per funzionare nella maturazione e/o nel traffico di LRO.13-15 Infine, non possiamo trascurare che se componenti chiave del macchinario EE come il complesso UBPy/ESCRT-0, richiesto per il riconoscimento e lo smistamento di recettori transmenbrana ubichininati selezionati, sono coinvolti nella biogenesi dell’acrosoma, questo suggerisce l’esistenza di un fattore/i di membrana dello sperma che deve essere selettivamente reclutato a livello dell’acrosoma. Dato che il fallimento della biogenesi dell’acrosoma provoca sterilità maschile con una particolare ricaduta sull’infertilità umana,2 si spera che gli studi futuri siano indirizzati a chiarire la biologia dell’acrosoma nella sua completezza.