Plemnik ssaków charakteryzuje się dwoma morfologicznymi i funkcjonalnymi częściami, tj. główką i flagellum, z których każda jest zoptymalizowana do specjalnego zadania. Obie jednostki s± kształtowane i składane podczas cytomorfogenicznej fazy spermatogenezy, zwanej spermiogenez±. Podczas gdy flagellum jest modułem motorycznym, który pomaga dostarczyć „siłę”, która prowadzi wytryskujący plemnik do miejsca, gdzie znajduje się jajo w celu zapłodnienia, główka zawiera dokładnie połowę genomu ojcowskiego, który po wchłonięciu przez ooplazmę jaja powoduje powstanie zygoty i przywrócenie stanu diploidalnego. Aby do tego doszło, plemnik musi przeniknąć przez bariery ochronne oocytu, warstwę komórek cumulusowych i zonę pellucida (ZP). Przed wniknięciem do ZP, zapładniający plemnik musi przejść zasadniczą zmianę morfologiczną polegającą na przerwaniu akrosomu z następowym uwolnieniem zmagazynowanych enzymów hydrolitycznych, tzw. reakcja akrosomowa (acrosome reaction – AR).1 W tym miejscu należy podkreślić znaczenie akrosomu, który uważany jest za niezbędny do zapłodnienia.1 Plemniki pozbawione akrosomu są w rzeczywistości niepłodne.2 We wczesnych badaniach na gryzoniach donoszono, że miejsce, w którym zapładniający plemnik rozpoczyna AR, znajduje się w cumulusie,3 ale późniejsze badania, przeprowadzone na jajach pozbawionych cumulusu, z biegiem lat ustaliły, że fizjologicznym induktorem AR u ssaków jest ZP.4,5 Ten drugi pogląd jest obecnie szeroko rozpowszechniony i ogólnie akceptowany. Ostatnio jednak Jin i wsp.6, stosując technikę zapłodnienia in vitro z użyciem oocytów myszy z otoczką cumulusową i fluorescencyjnie znakowanych transgenicznych plemników w celu wykrycia początku AR, wykazali, że plemniki, w warunkach naturalnych, przechodzą AR w cumulusie. Tak więc, z tym ostatnim odkryciem, wydaje się, że cumulus jest kluczowy dla AR, jak pierwotnie zakładano.7
Można by się zastanawiać, czy istnieje rodzaj równoległego losu obejmującego badania poświęcone naturze akrosomu. Pierwotnie akrosom był opisywany jako zmodyfikowany lizosom.8 Kolejne badania wykazały jednak, że akrosom jest bezpośrednią pęcherzykiem wydzielniczym pochodzącym z Golgiego.9,10 Ostatnie dowody doświadczalne,11 wskazują jednak na potrzebę rewizji koncepcji „akrosom = organella pochodząca z Golgiego”. Zgodnie z pierwotną sugestią, Berruti i wsp.12 zaproponowali akrosom jako nową organellę związaną z lizosomem (LRO). LRO reprezentują rodzinę organelli zamkniętych w błonie, ograniczonych do pewnych wyspecjalizowanych typów komórek, do których należą melanosomy, ziarnistości lityczne, ciała gęste płytek krwi, egzosomy i synaptosomy.13,14 LRO mają funkcjonalne i dynamiczne etapy dojrzewania, na co wskazuje udział wielu białek z rodziny Rab, tj. małych GTPaz krytycznych dla łączenia i transportu pęcherzyków.13-15 W szczególności biogeneza LRO charakteryzuje się dynamicznym przepływem białek i pęcherzyków pomiędzy różnymi przedziałami endosomalnymi; w węźle wczesnego endosomu (EE) szlak endocytarny łączy się ze szlakiem egzocytarnym, który z kolei sortuje, poprzez sieć trans-Golgiego (TGN), nowo zsyntetyzowane białka z retikulum endoplazmatycznego (ER) do systemu endosomalnego.14 Z jednej strony systemy transportu pęcherzykowego w biogenezie LRO są dość powszechne wśród różnych typów komórek, z drugiej jednak strony ładunki białkowe przenoszone przez pęcherzyki mogą się znacznie różnić w zależności od tkankowo- lub komórkowo specyficznej ekspresji danego ładunku. Hu i wsp.15 przedstawili dokładne profilowanie proteomów LRO.
W skrócie, doszliśmy do wniosku, że akrosom może reprezentować nowego członka rodziny LRO, biorąc pod uwagę, wszystkie razem, serię cech, które charakteryzują akrosom plemników, z których niektóre zostały dobrze ustalone, podczas gdy inne zostały odkryte dopiero niedawno. W skrócie, (a) akrosom zawiera kwaśne pH i pewne lizosomalne hydrolazy, a także pewne unikalne enzymy/białka, takie jak akrozyna i białko wiążące akrozynę (ACRB/OY-TES-1).11 Białka te podążają szlakiem biosyntezy (transport anterograde) i są upakowane w gęstych elektronowo pęcherzykach rdzeniowych, zwanych ziarnistościami proakrosomalnymi, prawdopodobnie w/po sieci trans Golgiego (TGN).16 Białka motoryczne, takie jak KIFC1 17 i członkowie rodziny Rab, tacy jak Rab 27a18, zostały opisane jako funkcjonujące w przemieszczaniu pęcherzyków z Golgiego do akrosomu; (b) akrosomogeneza jest zgrupowana w czterech fazach: Golgi, Cap, Acrosome i Maturation. W późnej fazie Cap aparat Golgiego plemnika migruje na przeciwległą stronę komórki,10,16 kończąc w ten sposób transport glikoprotein do akrosomu poprzez szlak biosyntezy Golgiego. Opisano jednak szlaki pozagolgowe, przyczyniające się do powiększania i dojrzewania rozwijającego się akrosomu;19,20 (c) TGN jest jednym z głównych węzłów komunikacyjnych komórki, ponieważ bierze udział w transporcie białek/membran ze szlaku biosyntezy, jak również w odbiorze ładunku białkowego przez transport wsteczny z przedziałów endocytarnych;21 (d) ostatnie dowody wykazały, że składniki maszynerii endocytarnej są zaangażowane w biogenezę akrosomu, dostarczając eksperymentalnego wsparcia dla wczesnej sugestii Westa i Willisona20 , że istnieją co najmniej dwa źródła transportu pęcherzykowego, jedno pochodzące z Golgiego i jedno z błony plazmatycznej, równoczesne z rozwojem akrosomu. Wśród odkrytych komponentów znajdują się: Afaf (Acrosome formation associated factor), który lokalizuje się na endosomach EEA1 (early endosome antigen 1)-pozytywnych;22 SH3P13, białko pęcherzykowe, które funkcjonuje w endocytozie receptorów pośredniczonej przez klatrynę;23 SPE-39, regulator dostarczania lizosomalnego, pierwotnie zidentyfikowany w komórkach spermatogenicznych;24 UBPy,25 enzym deubikwitynujący, pierwotnie zidentyfikowany jako białko współdziałające z białkiem trakcji endocytarnej Hbp26 i czynnikiem wymiany RasGRF1.27
U myszy UBPy, obecnie oficjalnie określana jako Usp8 (ubiquitin-specific protease 8), została molekularnie zidentyfikowana jako deubikwitynaza zawierająca typowe cechy rodziny UBP enzymów deubikwitynujących.27 Chociaż obecna w większej liczbie tkanek, mUBPy ulega wysokiej ekspresji i jest ograniczona do jądra i centralnego układu nerwowego.27 Konwencjonalnie rzecz ujmując, deubikwitynazy promują usuwanie i przetwarzanie sprzężonej ubikwityny z białek, odgrywając w ten sposób role regulacyjne zarówno na poziomie obrotu białkami, jak i ich degradacji. Następnie, dzięki wykorzystaniu technologii transfekcji komórek, okazało się, że UBPy/Usp8 jest kluczowym regulatorem sortowania endosomalnego i morfologii pęcherzyków.28-(1) UBPy oddziałuje ze spermatydami Hbp/STAM2, które, samodzielnie, oddziałują ze swoim partnerem wiążącym Hrs, dając początek spermatydowemu kompleksowi ESCRT-0. ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) jest kompleksem, który jako pierwszy nadaje kierunek sortowaniu endosomalnemu i jest rekrutowany do EE (wczesny endosom); (2) Pęcherzyki znakowane przez UBPy/Hbp/Hrs rozwijają się w tworzący się akrosom; jest on również pozytywny dla EEA1; (3) Vps54, białko pęcherzykowe działające w transporcie wstecznym z EE,31,32 jest zaangażowane w akrosomogenezę; (4) UBPy, poprzez swoją domenę MIT (microtubule interacting and trafficking/transport), bezpośrednio wiąże się z mikrotubulami spermatydowymi, pośrednicząc w ten sposób prawdopodobnie w powiązaniu między wysortowaną wędrującą cząsteczką endocytarną a mikrotubulami; akrosomogeneza jest procesem zależnym od mikrotubul, analogicznym do biogenezy LRO.14,16 Te odkrycia w połączeniu z innymi ostatnimi badaniami (patrz praca na temat EHD1 33) silnie wspierają dowody na to, że ścieżka endocytarna również odgrywa krytyczną rolę w biogenezie akrosomów. Co więcej, niedawno wykazano, że plemniki myszy wyrażające wariant Vps54(L967Q) są pozbawione akrosomów, ponieważ pęcherzyki znakowane UBPy i Vps54(L967Q) nie są w stanie rozwinąć się w akrosom.34 Mutacja punktowa Vps54(L967Q) jest odpowiedzialna za fenotyp myszy wobbler,35 charakteryzujący się chorobą neuronu ruchowego i defektem spermiogenezy. Plemniki wobblera mają okrągłą główkę, brak akrosomu i są niepłodne.34 Dlaczego mutacja wobblera Vps54 wpływa w szczególności na neurony ruchowe i plemniki, nie jest jeszcze jasne. Dotychczas Vps54 był badany głównie u drożdży, gdzie wraz z Vps51, Vps52 i Vps53 daje początek kompleksowi Golgi Associated Retrograde Protein (GARP);31,32 w szczególności Vps54 uczestniczy w transporcie wstecznym EE do TGN.32 Po odkryciu kompleksu GARP u drożdży Saccharomices cerevisiae dekadę temu, badania nad nim utknęły w martwym punkcie i dopiero niedawno zainteresowanie nim powróciło wraz z charakterystyką ortologicznego kompleksu u wyższych eukariontów.36 Drożdże nie mają jednak LRO. Być może – jest to jedynie spekulacja sugerująca możliwy kierunek przyszłych prac – w wyspecjalizowanych typach komórek charakteryzujących się obecnością specyficznego LRO, Vps54, rekrutowany przez specyficzne dla komórki aktywatory/efektory, przywiązuje ładunek białka EE do tworzącego się LRO. Rycina 1 przedstawia uproszczony schemat biogenezy akrosomu. Ponieważ modele zwierzęce są ważnymi narzędziami do badania zaburzeń LRO, o których wiadomo, że charakteryzują niektóre ludzkie choroby genetyczne,13,14 mysz wobbler, charakteryzująca się mutacją punktową Vps54(L967Q), może być użytecznym narzędziem do badania wadliwej akrosomogenezy.
Schematyczne przedstawienie biogenezy akrosomu zaproponowanego jako LRO. Pochodz±cy z Golgiego ładunek biosyntetyczny przeznaczony do akrosomu jest sortowany na poziomie TGN. Tutaj część ładunku białkowego jest pakowana bezpośrednio lub za pośrednictwem EE (zielone przerywane strzałki) do gęstej elektronowo granuli proakrosomalnej (PG), podczas gdy część ładunku błonowego jest sortowana do błony plazmatycznej (zielona przerywana strzałka). Ten ładunek błonowy jest następnie rekrutowany, za pośrednictwem krzyżowych regulatorów endocytarnych/białek polarności, do EE i dalej kierowany (żółte strzałki) do właściwej domeny błonowej rozwijającego się proakrosomu (PA). Taki sam los spotyka kolejne ładunki białkowe, które po oznaczeniu sygnatury ubikwitynowej (czerwony płaszcz) na błonie plazmatycznej są selektywnie rozpoznawane przez kompleks UBPy/ESCRT-0 i rekrutowane do EE (żółta strzałka). Endocytowane białkowo-membranowe ładunki przeznaczone do akrosomu (żółte strzałki) są wiązane przez Vps54 z EE do PA, który nie tylko rośnie, ale spłaszcza się i nabiera charakterystycznego kształtu, przekształcając się w akrosom (A). Część zawartości białek EE jest jednak przeznaczona do ciała wielopęcherzykowego (MVB), które, nie ewoluując w lizosom, jest hipotetycznie odrzucane do ciała cytoplazmatycznego.
Na koniec chcemy zwrócić uwagę na kolejny, potencjalnie ważny, kierunek badań. Plemniki są komórkami wysoce spolaryzowanymi; osiągają nie tylko odrębne spolaryzowane domeny plazmatyczno-membranowe, ale także silną polaryzację organelli komórkowych, takich jak akrosom na biegunie przednim i flagellum na biegunie tylnym komórki. Ustanowienie takiej polaryzacji jest niezbędne do funkcjonowania plemników, co omówiliśmy we wstępie niniejszego komentarza. Gromadzące się dowody ujawniają obecnie, że endocytoza odgrywa ważną rolę nie tylko w ustanawianiu/utrzymywaniu spolaryzowanych domen błonowych, ale także w prawidłowej wewnątrzkomórkowej lokalizacji kluczowych białek polarności.37 Wiadomo, że składniki maszynerii ESCRT, które kontrolują późniejsze sortowanie ładunków endocytarnych z EE, są wymagane dla polarności nabłonka, podczas gdy odwrotnie, białka, które działają down-stream sortowania ESCRT, nie są wymagane.37 Jednocześnie, niektóre białka polarności mogą również regulować maszynerię endocytarną.37 Innymi słowy, jest to wyłaniająca się koncepcja wzajemnej regulacji pomiędzy białkami polarności i regulatorami endocytarnymi. Na uwagę zasługuje również inne, kluczowe pytanie: w jaki sposób białka rezydujące w akrosomie są sortowane pomiędzy specyficznymi dla plemników i konwencjonalnymi pęcherzykami/organellami przemieszczającymi się w kierunku anterograde/retrograde? Nowatorskie i intrygujące znaczenie może mieć podjęcie badań nad możliwą relacją „endocytoza – polarność – sygnał sortowania białek” podczas akrosomogenezy. Kolejnym otwartym pytaniem jest, w jaki sposób sortowanie ładunku jest powiązane z ruchliwością pęcherzyków podczas akrosomogenezy, szczególnie w świetle odkrycia, że UBPy jest w stanie oddziaływać z mikrotubulami spermatydowymi.12 Ostatnie badania13-15,38 ujawniły, że specyficzni członkowie strukturalnie i funkcjonalnie powiązanych kompleksów AP-1, AP-2, AP-3 i AP-4, będących składnikami pęcherzyków opłaszczonych, które pośredniczą w wewnątrzkomórkowym przemieszczaniu integralnych białek błonowych, wraz z białkami motorycznymi, takimi jak kinezyna KIF13A, cytoplazmatyczna dyneina i miozynaVa, koordynują sortowanie i pozycjonowanie endosomalne w celu ułatwienia biogenezy LRO. Interesujące byłoby sprawdzenie i wyjaśnienie, czy i które adaptory klathryny i silniki molekularne są rekrutowane w biogenezie akrosomu.
W tym miejscu krótko podkreśliliśmy trzy główne potencjalnie ważne kierunki (tj. wkład maszyn endocytarnych, krzyż między ścieżkami endocytarnymi i biosyntetycznymi oraz relację „endocytoza-polarność-sygnał sortowania”) w badaniu biogenezy akrosomu. Biorąc pod uwagę, że akrosom był przez lata uważany zasadniczo za bezpośrednią pochodną Golgiego, szlak „ER-Golgi-akrosom” był szeroko badany i ustalony. Pogląd „ER-Golgi-akrosom” był tak rozpowszechniony, że molekularne składniki maszynerii trafficking (wśród nich wspomniane wyżej białko motoryczne KIFC1 17 i receptor pęcherzykowy Rab 27a,18 aby przytoczyć tylko dwa przykłady), zostały przypisane do transportu biosyntetycznego (Golgi → rozwijający się akrosom). Z drugiej strony, analiza proteomiczna pęcherzyków endocytarnych ujawniła, że KIFC1 jest białkiem związanym z wczesnymi endosomami,39 podczas gdy Rab27a, członek rodziny Rab GTPaz Rasopodobnych, jest znany z funkcjonowania w dojrzewaniu LRO i / lub handlu.13-Wreszcie, nie możemy pominąć faktu, że jeśli kluczowe elementy maszynerii EE, takie jak kompleks UBPy/ESCRT-0, wymagany do rozpoznawania i sortowania wybranych ubikwitynowanych receptorów transmembranowych, są zaangażowane w biogenezę akrosomu, sugeruje to istnienie czynnika lub czynników błonowych plemników, które muszą być selektywnie rekrutowane na poziomie akrosomu. Biorąc pod uwagę, że niepowodzenie w biogenezie akrosomu skutkuje męską sterylnością ze szczególnym skutkiem dla ludzkiej niepłodności,2 należy mieć nadzieję, że przyszłe badania zostaną skierowane na wyjaśnienie biologii akrosomu w jego kompletności.