PMC

Een spermatozoïde van een zoogdier wordt gekenmerkt door twee morfologische en functionele delen, nl. de kop en het flagellum, die elk geoptimaliseerd zijn voor een speciale taak. Beide eenheden worden gevormd en geassembleerd tijdens de cytomorfogene fase van de spermatogenese, de zogenaamde spermiogenese. Terwijl het flagellum de motormodule is die helpt de “kracht” te leveren die het geëjaculeerde sperma naar de plaats van de eicel voor de bevruchting drijft, kapselt de kop precies de helft van het vaderlijke genoom in dat, eenmaal opgeslokt in het ooplasma van de eicel, resulteert in de vorming van de zygote en in het herstel van de diploïde toestand. Daartoe moet de spermatozoïde de beschermende barrières van de oöcyt, de cumuluscellaag en de zona pellucida (ZP), binnendringen. Alvorens in de zona pellucida binnen te dringen, moet het bevruchtende spermatozoön een morfologische kopverandering ondergaan, waarbij het acrosoom wordt verstoord en opgeslagen hydrolytische enzymen vrijkomen, de zogenaamde acrosoomreactie (AR).1 Hieruit blijkt hoe belangrijk het acrosoom is, waarvan wordt aangenomen dat het onmisbaar is voor de bevruchting.1 Acrosoomloze spermatozoïden zijn in feite onvruchtbaar.2 In vroege studies bij knaagdieren werd gemeld dat de plaats waar de bevruchtende spermatozoïde de AR begint zich in de cumulus bevindt,3 maar latere studies, uitgevoerd met eicellen zonder cumulus, stelden in de loop der jaren vast dat de fysiologische inducer van de AR bij zoogdieren de ZP is.4,5 Deze tweede opvatting is nu wijdverbreid en algemeen aanvaard. Onlangs echter hebben Jin et al.6 met behulp van de techniek van in vitro fertilisatie met cumulus-omhulde muizeneicellen en fluorescent gemerkte transgene spermatozoa om het begin van de AR te detecteren, aangetoond dat spermatozoa, onder natuurlijke omstandigheden, AR ondergaan binnen de cumulus. Met deze recente bevinding lijkt het er dus op dat de cumulus van cruciaal belang is voor de AR zoals die oorspronkelijk was opgevat.7

Men zou zich kunnen afvragen of er een soort parallel lot bestaat met de studies die zijn gewijd aan de aard van het acrosoom. Oorspronkelijk werd het acrosoom beschreven als een gemodificeerd lysosoom.8 Opeenvolgende studies stelden echter vast dat het acrosoom een direct van Golgi-afgeleid secretorisch vesikel is.9,10 Recent experimenteel bewijs,11 wijst echter op de noodzaak van een herziening van het concept ‘acrosoom = Golgi-afgeleid organel’. In lijn met de oorspronkelijke suggestie, hebben Berruti et al.12 het acrosoom voorgesteld als een nieuw lysosoom-gerelateerd organel (LRO). LRO’s vertegenwoordigen een familie van membraan-omsloten organellen die beperkt zijn tot bepaalde gespecialiseerde celtypes, waaronder melanosomen, lytische korrels, dichte lichamen van bloedplaatjes, exosomen en synaptosomen.13,14 LRO’s hebben functionele en dynamische stadia van rijping, zoals aangegeven door de betrokkenheid van vele Rab-familie eiwitten, d.w.z. kleine GTPasen die cruciaal zijn voor de fusie en het transport van vesikels.13-15 In het bijzonder wordt LRO-biogenese gekenmerkt door de dynamische stroom van eiwitten en vesikels tussen verschillende endosomale compartimenten; in het centrum van het vroege endosoom (EE) verbindt de endocytische route zich met de exocytische route die op zijn beurt, via het trans-Golgi netwerk (TGN), nieuw gesynthetiseerde eiwitten van het endoplasmatisch reticulum (ER) naar het endosomale systeem sorteert.14 Enerzijds zijn de vesiculaire transportsystemen in de LRO biogenese vrij gemeenschappelijk voor de verschillende celtypes, maar anderzijds kunnen de eiwitladingen die de vesikels vervoeren sterk variëren, afhankelijk van de weefsel- of celspecifieke expressie van de gegeven lading. Hu et al.15 hebben een nauwkeurige profilering van LRO proteomen.

In het kort, kwamen we tot de conclusie dat het acrosoom kan een nieuw lid van de LRO familie vertegenwoordigen door rekening te houden, alles bij elkaar, een reeks kenmerken die het sperma acrosoom karakteriseren, waarvan sommige goed zijn vastgesteld, terwijl anderen zijn pas onlangs ontdekt. Kort samengevat (a) bevat het acrosoom een zure pH en een aantal lysosomale hydro-lases, alsmede een aantal unieke enzymen/eiwitten zoals acrosine en acrosine bindend eiwit (ACRB/OY-TES-1).11 Deze eiwitten volgen de biosynthetische route (anterograde transport) en zijn verpakt in elektron-dichte kernblaasjes, proacrosomale granules genaamd, waarschijnlijk bij/na het trans Golgi netwerk (TGN).16 Van motoreiwitten als KIFC1 17 en leden van de Rab-familie als Rab 27a18 is beschreven dat zij een rol spelen bij de verplaatsing van de vesikels van Golgi naar acrosoom; (b) acrosomogenese is onderverdeeld in vier fasen: Golgi, Cap, Acrosoom en Maturatie. In de late Cap-fase migreert het Golgi-apparaat van de spermatide naar de andere kant van de cel,10,16 waardoor het transport van glycoproteïnen naar het acrosoom via de Golgi-biosynthetische route wordt beëindigd. Er zijn echter extra-golgi-routes beschreven, die bijdragen aan de uitbreiding en rijping van het zich ontwikkelende acrosoom;19,20 (c) het TGN is een van de belangrijkste verkeersknooppunten van de cel, aangezien het betrokken is bij eiwit/membraantransport vanuit de biosyntheseweg, alsmede bij de ontvangst van eiwitlading door retrograde transport vanuit de endocytische compartimenten;21 d) recente gegevens hebben aangetoond dat componenten van de endocytische machinerie betrokken zijn bij de biogenese van het acrosoom, waardoor experimentele steun wordt verleend aan de vroege suggestie van West en Willison20 dat er ten minste twee bronnen van vesiculair transport zijn, één afkomstig van de Golgi en één van de plasmamembraan, die samenvallen met de ontwikkeling van het acrosoom. Onder de ontdekte componenten zijn er: Afaf (Acrosome formation associated factor) dat lokaliseert op EEA1 (early endosome antigen 1)-positieve endosomen;22 SH3P13, een vesiculair eiwit dat functioneert in clathrin-gemedieerde receptor endocytose;23 SPE-39, een regulator van de lysosomale afgifte die oorspronkelijk werd geïdentificeerd in spermatogene cellen;24 UBPy,25 een deubiquitinerend enzym dat oorspronkelijk werd geïdentificeerd als een eiwit dat interageert met het endocytische handelseiwit Hbp26 en de Ras-uitwisselingsfactor RasGRF1.27

In de muis werd UBPy, nu officieel Usp8 (ubiquitine-specifiek protease 8) genoemd, moleculair geïdentificeerd als een deubiquitinase dat de typische kenmerken vertoont van de UBP-familie van deubiquitinerende enzymen.27 Hoewel aanwezig in meer weefsels, komt mUBPy sterk tot expressie en is beperkt tot de testis en het centrale zenuwstelsel.27 Conventioneel gezien bevorderen deubiquitinases de verwijdering en verwerking van geconjugeerd ubiquitine uit eiwitten, waardoor ze regulerende rollen spelen op het niveau van zowel eiwitomzet als eiwitafbraak. Door gebruik te maken van celtransfectietechnologieën is UBPy/Usp8 een belangrijke regulator gebleken van endosomale sortering en vesikelmorfologie.28-30 Om een fysiologische rol “in vivo” vast te stellen, werd UBPy/Usp8 echter uitgebreid bestudeerd in mannelijke kiemcellen, met de volgende waarnemingen:12 (1) UBPy interageert met spermatide Hbp/STAM2 dat op zijn beurt interageert met zijn bindingspartner Hrs om het spermatide ESCRT-0 complex te doen ontstaan. ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) is het complex dat als eerste richting geeft aan endosomale sortering en naar het EE (vroeg endosoom) wordt gerekruteerd; (2) UBPy/Hbp/Hrs-gelabelde blaasjes ontwikkelen zich tot het vormende acrosoom; dat ook EER1-positief is; (3) Vps54, een vesiculair eiwit dat werkzaam is bij het retrograde transport vanuit het EE,31,32 is betrokken bij acrosomogenese; (4) UBPy associeert via zijn MIT-domein (microtubule interacting and trafficking/transport) rechtstreeks met microtubuli van spermatiden, waardoor het waarschijnlijk de schakel vormt tussen het gesorteerde rondreizende endocytische blaasje en microtubuli; acrosomogenese is een proces dat microtubule-afhankelijk is, analoog aan LRO-biogenese.14,16 Deze bevindingen, gekoppeld aan andere recente studies (zie het werk over EHD1 33), ondersteunen sterk het bewijs dat de endocytische route ook een kritieke rol speelt in de acrosoombiogenese. Bovendien werd zeer recent aangetoond dat muissperma dat de Vps54(L967Q)-variant tot expressie brengt, acrosoomloos is omdat UBPy- en Vps54(L967Q)-gelabelde blaasjes niet in staat zijn zich tot een acrosoom te ontwikkelen.34 De puntmutatie Vps54(L967Q) is verantwoordelijk voor het wobbler-muisfenotype,35 dat gekenmerkt wordt door motorneuronziekte en spermiogenese-defect. Wobbler spermatozoa hebben ronde koppen, missen een acrosoom en zijn onvruchtbaar.34 Waarom de wobbler Vps54 mutatie in het bijzonder motorneuronen en spermatiden aantast is nog niet duidelijk. Tot nu toe is Vps54 voornamelijk bestudeerd in gist, waar het samen met Vps51, Vps52 en Vps53 het Golgi Associated Retrograde Protein (GARP) complex vormt;31,32 in het bijzonder werkt Vps54 in het retrograde transport van het EE naar de TGN.32 Na de ontdekking van het GARP complex in de gist Saccharomices cerevisiae een decennium geleden, raakte de studie ervan in een impasse en pas onlangs is de belangstelling weer opgewekt met de karakterisering van het orthologe complex in hogere eukaryoten.36 Gist heeft echter geen LRO. Het is mogelijk dat – dit is slechts een speculatieve visie om een mogelijke richting voor toekomstig werk te suggereren – in gespecialiseerde celtypen die worden gekenmerkt door de aanwezigheid van een specifieke LRO, Vps54, gerekruteerd door celspecifieke activatoren/effectoren, de EE-eiwitlading aan de vormende LRO bindt. Figuur 1 illustreert een vereenvoudigde schematische tekening van de acrosoom biogenese. Aangezien diermodellen belangrijke hulpmiddelen zijn voor het onderzoek naar LRO stoornissen waarvan bekend is dat ze sommige humane genetische ziekten karakteriseren,13,14 zou de wobbler muis, gekenmerkt door de Vps54(L967Q) punt-mutatie, een nuttig hulpmiddel kunnen zijn om defecte acrosomogenese te bestuderen.