PMC

Samčí spermie se vyznačuje dvěma morfologickými a funkčními částmi, tj. hlavičkou a bičíkem, z nichž každá je optimalizována pro zvláštní úkol. Obě jednotky se formují a sestavují během cytomorfogenní fáze spermatogeneze, známé jako spermiogeneze. Zatímco bičík je motorický modul, který pomáhá zajistit „sílu“, jež pohání ejakulovanou spermii k místu oplození vajíčka, hlavička obaluje přesně polovinu otcovského genomu, který po pohlcení ooplazmy vajíčka vede ke vzniku zygoty a k obnovení diploidního stavu. Aby k tomu mohlo dojít, musí spermie proniknout ochrannými bariérami oocytu, vrstvou kumulárních buněk a zona pellucida (ZP). Před průnikem do ZP musí oplozující spermie projít morfologickou změnou hlavy zahrnující narušení akrozomu s následným uvolněním uložených hydrolytických enzymů, tzv. akrozomovou reakcí (AR).1 Zde se ukazuje význam akrozomu, který je považován za nezbytný pro oplození.1 Spermie bez akrozomu jsou ve skutečnosti neplodné.2 V prvních studiích na hlodavcích se uvádělo, že místo, kde oplodňující spermie zahajuje AR, je v kumulu,3 ale následné studie, prováděné s vajíčky bez kumulu, v průběhu let prokázaly, že fyziologickým induktorem savčí AR je ZP.4,5 Tento druhý názor je nyní rozšířený a obecně přijímaný. Nedávno však Jin a spol.6 za použití techniky oplození in vitro s využitím myších oocytů uzavřených v kumulu a fluorescenčně značených transgenních spermií ke zjištění počátku AR prokázali, že spermie za přirozených podmínek procházejí AR uvnitř kumulu. S tímto nedávným zjištěním se tedy zdá, že kumulus je pro AR v původním pojetí klíčový.7

Napadá nás, zda neexistuje jakýsi paralelní osud zahrnující studie věnované povaze akrozomu. Původně byl akrozom popisován jako modifikovaný lyzozom.8 Následné studie však prokázaly, že akrozom je přímo sekreční vezikulou odvozenou od Golgiho.9,10 Nedávné experimentální důkazy11 nicméně naznačují potřebu revize koncepce týkající se „akrozomu = organely odvozené od Golgiho“. V souladu s původním návrhem navrhli Berruti a spol.12 akrozom jako novou organelu příbuznou lysozomu (LRO). LRO představují rodinu membránou uzavřených organel, která je omezena na určité specializované typy buněk a zahrnuje melanosomy, lytická granula, hustá tělíska krevních destiček, exosomy a synaptosomy.13,14 LRO mají funkční a dynamické fáze zrání, což naznačuje zapojení mnoha proteinů rodiny Rab, tj. malých GTPáz, které jsou kritické pro fúzi a transport vezikul.13-15 Biogeneze LRO se vyznačuje zejména dynamickým tokem proteinů a vezikul mezi různými endosomálními kompartmenty; v uzlu časného endosomu (EE) se endocytární dráha spojuje s exocytární dráhou, která zase třídí prostřednictvím trans-Golgiho sítě (TGN) nově syntetizované proteiny z endoplazmatického retikula (ER) do endosomálního systému.14 Na jedné straně jsou vezikulární transportní systémy v biogenezi LRO mezi různými typy buněk poměrně společné, na straně druhé se však proteinový náklad/y, které vezikuly nesou, mohou značně lišit v závislosti na tkáňově či buněčně specifické expresi daného nákladu. Hu a spol.15 poskytli přesné profilování proteomů LRO.

Krátce řečeno, k závěru, že akrozom může představovat nového člena rodiny LRO, jsme dospěli, když jsme vzali v úvahu dohromady řadu vlastností, které charakterizují akrozom spermie, z nichž některé byly dobře zavedeny, zatímco jiné byly odhaleny teprve nedávno. Stručně řečeno, (a) akrozom obsahuje kyselé pH a některé lysozomální hydrolázy, jakož i některé jedinečné enzymy/proteiny, jako je akrozin a protein vázající akrozin (ACRB/OY-TES-1).11 Tyto proteiny sledují biosyntetickou cestu (anterográdní transport) a jsou zabaleny v elektronově hustých jádrových vezikulách, tzv. proakrozomálních granulích, pravděpodobně na/za trans Golgiho sítí (TGN).16 Byly popsány motorické proteiny jako KIFC1 17 a členové rodiny Rab jako Rab 27a18 , které fungují při transportu vezikul z Golgiho do akrozomu; b) akrozomogeneze se dělí do čtyř fází: Golgiho, čepička, akrozom a zrání. V pozdní fázi Cap migruje Golgiho aparát spermatidy na opačnou stranu buňky,10,16 čímž končí transport glykoproteinů do akrozomu biosyntetickou cestou Golgiho aparátu. Byly však popsány i extra-Golgiho dráhy, které přispívají ke zvětšování a zrání vyvíjejícího se akrozomu;19,20 c) TGN je jedním z hlavních dopravních uzlů buňky, neboť se podílí na transportu proteinů/membrán z biosyntetické dráhy i na příjmu proteinového nákladu retrográdním transportem z endocytických kompartmentů;21 d) nedávné důkazy ukázaly, že složky endocytárního aparátu se podílejí na biogenezi akrozomu, což experimentálně podpořilo první domněnku Westa a Willisona20 , že existují nejméně dva zdroje vezikulárního transportu, jeden odvozený od Golgiho a druhý od plazmatické membrány, současně s vývojem akrozomu. Mezi objevenými složkami jsou: Afaf (Acrosome formation associated factor), který se lokalizuje na EEA1 (early endosome antigen 1) – pozitivních endozomech;22 SH3P13, vezikulární protein, který funguje při endocytóze receptorů zprostředkované klathrinem;23 SPE-39, regulátor lysozomálního přenosu původně identifikovaný ve spermatogenních buňkách;24 UBPy,25 deubikvitinační enzym původně identifikovaný jako protein interagující s proteinem endocytického přenosu Hbp26 a výměnným faktorem RasGRF1.27

U myši byl UBPy, nyní oficiálně označovaný jako Usp8 (ubikvitin specifická proteáza 8), molekulárně identifikován jako deubikvitináza obsahující typické znaky rodiny deubikvitinačních enzymů UBP.27 Ačkoli je mUBPy přítomna ve více tkáních, je vysoce exprimována a omezena na varlata a centrální nervový systém.27 Konvenčně řečeno, deubikvitinázy podporují odstraňování a zpracování konjugovaného ubikvitinu z proteinů, a hrají tak regulační roli na úrovni obratu i degradace proteinů. Postupně se díky využití technologií transfekce buněk ukázalo, že UBPy/Usp8 je klíčovým regulátorem endozomálního třídění a morfologie vezikul.28-30 Aby však bylo možné stanovit fyziologickou roli „in vivo“, byl UBPy/Usp8 intenzivně studován v mužských zárodečných buňkách s následujícími pozorováními:12 (1) UBPy interaguje se spermatickým Hbp/STAM2, který sám interaguje se svým vazebným partnerem Hrs a dává tak vzniknout spermatickému komplexu ESCRT-0. (2) UBPy/Usp8 interaguje se spermatickým Hbp/STAM2. ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) je komplex, který jako první určuje směr endosomálního třídění a je rekrutován do EE (early endosome); (2) vezikuly značené UBPy/Hbp/Hrs se vyvíjejí do tvořícího se akrozomu; ten je rovněž EEA1 pozitivní; (3) Vps54, vezikulární protein pracující při retrográdním transportu z EE,31,32 se podílí na akrozomogenezi; (4) UBPy se prostřednictvím své domény MIT (microtubule interacting and trafficking/transport) přímo spojuje s mikrotubuly spermatid, čímž pravděpodobně zprostředkovává spojení mezi vytříděnými putujícími endocytickými vezikuly a mikrotubuly; akrosomogeneze je proces, který je analogicky k LRO-biogenezi závislý na mikrotubulech.14,16 Tato zjištění spolu s dalšími nedávnými studiemi (viz práce o EHD1 33) silně podporují důkazy, že endocytární dráha hraje kritickou roli i v biogenezi akrozomu. Navíc bylo zcela nedávno prokázáno, že myší spermie exprimující variantu Vps54(L967Q) jsou bez akrozomu, protože vezikuly označené UBPy a Vps54(L967Q) nejsou schopny se vyvinout v akrozom.34 Bodová mutace Vps54(L967Q) je zodpovědná za fenotyp myši wobbler,35 charakterizovaný onemocněním motorického neuronu a defektem spermiogeneze. Wobblerovy spermie mají kulatou hlavičku, chybí jim akrozom a jsou neplodné.34 Proč wobblerova mutace Vps54 postihuje zejména motorické neurony a spermatidy, není dosud jasné. Dosud byl Vps54 studován v podstatě u kvasinek, kde dává spolu s Vps51, Vps52 a Vps53 vzniknout komplexu GARP (Golgi Associated Retrograde Protein);31,32 zejména Vps54 funguje při retrográdním transportu EE do TGN.32 Po objevu komplexu GARP u kvasinky Saccharomices cerevisiae před deseti lety jeho studium ustrnulo a teprve nedávno se zájem obnovil s charakterizací ortologického komplexu u vyšších eukaryot.36 Kvasinky však nemají LRO. Mohlo by se stát, že – to je pouze spekulativní názor, který naznačuje možný směr budoucí práce – ve specializovaných typech buněk charakterizovaných přítomností specifického LRO, Vps54, rekrutovaný prostřednictvím buněčně specifických aktivátorů/efektorů, připoutává náklad EE proteinu k tvořícímu se LRO. Obrázek 1 znázorňuje zjednodušené schéma biogeneze akrozomu. Protože zvířecí modely jsou důležitými nástroji pro zkoumání poruch LRO, o nichž je známo, že charakterizují některá lidská genetická onemocnění,13,14 mohla by být užitečným nástrojem pro studium defektní akrozomogeneze myš wobbler, charakterizovaná bodovou mutací Vps54(L967Q).

Na závěr chceme připomenout pozornost k dalšímu, potenciálně důležitému směru výzkumu. Spermie jsou vysoce polarizované buňky; spermie dosahují nejen odlišných polarizovaných domén plazmatické membrány, ale také silné polarizace buněčných organel, jako je akrozom na předním pólu a bičík na zadním pólu buňky. Vytvoření takové polarizace je zásadní pro funkci spermií, jak uvádíme v úvodu tohoto komentáře. Hromadící se důkazy nyní ukazují, že endocytóza hraje důležitou roli nejen při vytváření/udržování polarizovaných membránových domén, ale také při správné intracelulární lokalizaci klíčových proteinů polarity.37 Je známo, že pro polaritu epitelu jsou nezbytné složky mechanismu ESCRT, které řídí následné třídění endocytárního nákladu z EE, zatímco naopak proteiny, které působí v dolním proudu třídění ESCRT, potřebné nejsou.37 Zároveň mohou některé proteiny polarity regulovat i endocytický mechanismus.37 Jinými slovy se tedy jedná o nově vznikající koncept týkající se vzájemné regulace mezi proteiny polarity a endocytickými regulátory. Nejen, ale i další následná klíčová otázka si zaslouží pozornost: jak jsou akrozomální rezidentní proteiny řazeny mezi specifické a konvenční anterográdní/retrográdní transportní vezikuly/organely spermií? Výzkum zaměřený na studium možného vztahu „endocytóza-polarita-protein sorting signal“ během akrozomogeneze by mohl mít nový a zajímavý význam. Konečně další otevřenou otázkou je, jak je třídění nákladu spojeno s pohyblivostí vezikul během akrozomogeneze, zejména ve světle zjištění, že UBPy je schopen interagovat s mikrotubuly spermatid12. Nedávné studie13-15,38 odhalily, že specifičtí členové strukturně a funkčně příbuzných komplexů AP-1, AP-2, AP-3 a AP-4, což jsou součásti obalených vezikul, které zprostředkovávají intracelulární přenos integrálních membránových proteinů, spolu s motorickými proteiny, jako je kine-sin KIF13A, cytoplazmatický dynein a myosinVa, koordinovaně regulují endozomální třídění a polohování, aby usnadnili biogenezi LRO. Bylo by zajímavé ověřit a objasnit, zda a které klathrin-adaptory a molekulární motory se rekrutují při biogenezi akrozomů.

Zde jsme stručně zdůraznili tři hlavní potenciálně důležité směry (tj. příspěvek endocytárního aparátu, vzájemné vztahy mezi endocytickými a biosyntetickými cestami a vztah „endocytóza-polarita-třídicí signál“) při studiu biogeneze akrozomů. Vzhledem k tomu, že akrozom byl v průběhu let považován v podstatě za přímý derivát Golgiho, byla cesta „ER-Golgi-akrozom“ široce studována a zavedena. Názor „ER-Golgi-akrozom“ se rozšířil natolik, že molekulární složky transportního mechanismu (mezi nimiž je výše zmíněný motorický protein KIFC1 17 a vezikulární receptor Rab 27a,18 , abychom uvedli pouze dva příklady), byly přiřazeny k biosyntetickému (Golgiho → vyvíjející se akrozom) transportu. Naopak proteomická analýza endocytárních vezikul odhalila, že KIFC1 je protein asociovaný s časným endosomem39 , zatímco o Rab27a, členu rodiny GTPáz podobných Ras Rab, je známo, že funguje při zrání a/nebo transportu LRO13.-15 V neposlední řadě nelze opomenout, že pokud se na biogenezi akrozomu podílejí klíčové složky mechanismu EE, jako je komplex UBPy/ESCRT-0, nezbytný pro rozpoznávání a třídění vybraných ubichininovaných transmenbranových receptorů, naznačuje to existenci membránového faktoru/faktorů spermií, které je třeba selektivně rekrutovat na úrovni akrozomu. Vzhledem k tomu, že selhání biogeneze akrozomu má za následek mužskou sterilitu se zvláštním dopadem, pokud jde o lidskou neplodnost,2 lze doufat, že budoucí studie budou zaměřeny na objasnění biologie akrozomu v její úplnosti.

.