PMC

Un spermatozoid de mamifer este caracterizat de două părți morfologice și funcționale, și anume capul și flagelul, fiecare optimizat pentru o sarcină specială. Ambele unități sunt modelate și asamblate în timpul fazei citomorfogenetice a spermatogenezei, cunoscută sub numele de spermiogeneză. În timp ce flagelul este modulul motor care contribuie la asigurarea „forței” care conduce spermatozoizii ejaculați spre locul unde se află ovulul pentru fertilizare, capul încapsulează exact jumătate din genomul patern care, odată înglobat în ooplasma ovulului, are ca rezultat formarea zigotului și restabilirea stării diploide. Pentru ca acest lucru să se întâmple, spermatozoidul trebuie să străpungă barierele protectoare ale ovocitului, stratul celulelor cumulus și zona pellucida (ZP). Înainte de a pătrunde în ZP, spermatozoidul fertilizator trebuie să sufere o modificare morfologică de căpătâi care implică întreruperea acrozomului cu eliberarea consecutivă a enzimelor hidrolitice stocate, așa-numita reacție acrozomică (RA).1 De aici, importanța acrozomului care este considerat indispensabil pentru fertilizare.1 Spermatozoizii fără acrozom sunt, de fapt, infertili.2 În primele studii la rozătoare s-a raportat că locul în care spermatozoidul fertilizator începe RA se află în cumulus,3 dar studiile ulterioare, efectuate cu ovule fără cumulus, au stabilit de-a lungul anilor că inductorul fiziologic al RA la mamifere este ZP.4,5 Această a doua opinie este acum larg răspândită și general acceptată. Cu toate acestea, recent, Jin et al.6 , folosind tehnica fertilizării in vitro care implică ovocite de șoarece cu cumulus închis și spermatozoizi transgenici marcați fluorescent pentru a detecta debutul RA, au arătat că spermatozoizii, în condiții naturale, suferă RA în interiorul cumulusului. Așadar, cu această descoperire recentă, se pare că cumulusul este crucial pentru RA, așa cum a fost conceput inițial.7

Se poate întreba dacă nu cumva există un fel de destin paralel care implică studiile dedicate naturii acrozomului. Inițial, acrozomul a fost descris ca fiind un lizozom modificat.8 Cu toate acestea, studii succesive au stabilit că acrozomul este o veziculă secretorie directă derivată din Golgi.9,10 Cu toate acestea, dovezi experimentale recente,11 indică necesitatea unei revizuiri a conceptului privind „acrozomul = organit derivat din Golgi”. În conformitate cu sugestia inițială, Berruti et al.12 au propus acrozomul ca fiind un nou organit legat de lizozom (LRO). LRO reprezintă o familie de organite cu membrană închisă limitată la anumite tipuri de celule specializate, care include melanozomii, granulele litice, corpurile dense ale trombocitelor, exosomii și sinaptosomii.13,14 LRO au etape funcționale și dinamice de maturare, după cum indică implicarea multor proteine din familia Rab, adică mici GTPaze critice pentru fuziunea și transportul veziculelor.13-15 În special, biogeneza LRO se caracterizează prin fluxul dinamic al proteinelor și veziculelor între compartimentele endosomale distincte; în centrul endosomului timpuriu (EE), calea endocitică se conectează cu calea exocitară care, la rândul său, sortează, prin intermediul rețelei trans-Golgi (TGN), proteinele nou sintetizate din reticulul endoplasmatic (ER) către sistemul endosomal.14 Pe de o parte, sistemele de transport vezicular în biogeneza LRO sunt destul de comune între diferitele tipuri de celule, dar, pe de altă parte, încărcătura/proteinele pe care le transportă veziculele pot varia foarte mult, în funcție de expresia specifică țesutului sau celulei a încărcăturii date. Hu et al.15 au oferit o profilare precisă a proteomilor LRO.

În concluzie, am ajuns la concluzia că acrozomul poate reprezenta un nou membru al familiei LRO luând în considerare, toate împreună, o serie de trăsături care caracterizează acrozomul spermatozoizilor, dintre care unele au fost bine stabilite, în timp ce altele au fost descoperite doar recent. Pe scurt, (a) acrozomul conține un pH acid și unele hidrolaze lizozomale, precum și unele enzime/proteine unice, cum ar fi acrosina și proteina de legare a acrosinei (ACRB/OY-TES-1).11 Aceste proteine urmează calea biosintetică (transport anterograd) și sunt împachetate în vezicule centrale cu densitate electronică, numite granule proacrozomale, probabil la/după rețeaua trans Golgi (TGN).16 Proteinele motorii precum KIFC1 17 și membrii familiei Rab precum Rab 27a18 au fost descrise ca funcționând în traficul veziculelor de la Golgi la acrozom; (b) acrozomogeneza este grupată în patru faze: Golgi, Cap, Acrozom și Maturare. La sfârșitul fazei Cap, aparatul Golgi al spermatozoizilor migrează spre partea opusă a celulei10,16 , punând astfel capăt transportului glicoproteinelor în acrozom prin intermediul căii de biosinteză Golgi. Cu toate acestea, au fost descrise căi extra-Golgi, care contribuie la mărirea și la maturarea acrozomului în curs de dezvoltare19,20; (c) TGN este unul dintre principalele noduri de trafic ale celulei, deoarece este implicat în transportul de proteine/membrane din calea biosintetică, precum și în primirea încărcăturii proteice prin transport retrograd din compartimentele endocitare;21 (d) dovezile recente au arătat că unele componente ale mașinăriei endocitare sunt implicate în biogeneza acrozomului, oferind sprijin experimental pentru sugestia timpurie a lui West și Willison20 conform căreia există cel puțin două surse de transport vezicular, una derivată din Golgi și una din membrana plasmatică, concomitent cu dezvoltarea acrozomului. Printre componentele descoperite, se numără: Afaf (Acrosome formation associated factor) care se localizează pe endosomii pozitivi EEA1 (early endosome antigen 1);22 SH3P13, o proteină veziculară care funcționează în endocitoza receptorilor mediată de clathrin;23 SPE-39, un regulator al livrării lizozomale identificat inițial în celulele spermatogene;24 UBPy,25 o enzimă de deubiquitinare identificată inițial ca o proteină care interacționează cu proteina de trafic endocitar Hbp26 și cu factorul de schimb Ras RasGRF1.27

La șoarece, UBPy, acum denumită oficial Usp8 (ubiquitin-specific protează 8), a fost identificată molecular ca o deubiquitinază care conține caracteristicile tipice ale familiei UBP de enzime de deubiquitinare.27 Deși este prezentă în mai multe țesuturi, mUBPy este foarte bine exprimată și limitată la testicule și la sistemul nervos central.27 În mod convențional, deubiquitinazele promovează îndepărtarea și procesarea ubiquitinei conjugate din proteine, jucând astfel roluri de reglementare atât la nivelul turnover-ului proteic, cât și la nivelul degradării proteinelor. În mod succesiv, prin exploatarea tehnologiilor de transfecție celulară, UBPy/Usp8 s-a dovedit a fi un regulator-cheie al sortării endosomale și al morfologiei veziculelor.28-30 Cu toate acestea, pentru a stabili un rol fiziologic „in vivo”, UBPy/Usp8 a fost studiat pe larg în celulele germinale masculine, cu următoarele observații:12 (1) UBPy interacționează cu spermatidele Hbp/STAM2 care, pe cont propriu, interacționează cu partenerul său de legare Hrs pentru a da naștere complexului ESCRT-0 al spermatidelor. ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) este complexul care atribuie pentru prima dată direcționalitatea sortării endosomale și este recrutat în EE (early endosome); (2) veziculele marcate cu UBPy/Hbp/Hrs se dezvoltă în acrozomul în formare; acesta este, de asemenea, EEA1 pozitiv; (3) Vps54, o proteină veziculară care lucrează în transportul retrograd din EE,31,32 este implicată în acrosomogeneză; (4) UBPy, prin intermediul domeniului său MIT (microtubule interacting and trafficking/transport), se asociază direct cu microtubulii spermatidelor, mediind astfel, probabil, legătura dintre vezicula endocitară itinerantă sortată și microtubulii; acrosomogeneza este un proces care este dependent de microtubuli, analog cu LRO-biogeneza.14,16 Aceste constatări, coroborate cu alte studii recente (a se vedea lucrarea privind EHD1 33), susțin puternic dovezile conform cărora calea endocitară joacă, de asemenea, un rol critic în biogeneza acrozomului. Mai mult, foarte recent s-a demonstrat că spermatozoizii de șoarece care exprimă varianta Vps54(L967Q) nu au acrosom, deoarece veziculele marcate cu UBPy și Vps54(L967Q) nu sunt capabile să se dezvolte într-un acrosom.34 Mutația punctiformă Vps54(L967Q) este responsabilă pentru fenotipul șoarecului wobbler,35 caracterizat prin boală a neuronului motor și defect de spermiogeneză. Spermatozoizii wobbler au capul rotund, sunt lipsiți de acrosom și sunt infertili.34 Nu este încă clar de ce mutația wobbler Vps54 afectează în special neuronii motori și spermatidele. Până în prezent, Vps54 a fost studiat în esență la drojdie, unde dă naștere, împreună cu Vps51, Vps52 și Vps53, la complexul GARP (Golgi Associated Retrograde Protein);31,32 în special, Vps54 acționează în transportul retrograd al EE către TGN.32 După descoperirea complexului GARP în drojdia Saccharomices cerevisiae în urmă cu un deceniu, studiul acestuia a intrat într-o pauză și doar recent a reînviat interesul odată cu caracterizarea complexului ortolog în eucariotele superioare.36 Cu toate acestea, drojdia nu are LRO. S-ar putea ca – acesta este doar un punct de vedere speculativ pentru a sugera o posibilă direcție pentru lucrările viitoare – în tipurile de celule specializate, caracterizate prin prezența unui LRO specific, Vps54, recrutat prin intermediul unor activatori/efectoare specifice celulei, să lege încărcătura proteică EE de LRO în formare. Figura 1 ilustrează un desen schematic simplificat al biogenezei acrozomului. Deoarece modelele animale sunt instrumente importante pentru investigarea tulburărilor LRO despre care se știe că caracterizează unele boli genetice umane,13,14 șoarecele wobbler, caracterizat prin mutația punctiformă Vps54(L967Q), ar putea fi un instrument util pentru a studia acrosomogeneza defectuoasă.

În încheiere, dorim să reamintim atenția spre o altă direcție de cercetare, potențial importantă. Spermatozoizii sunt celule puternic polarizate; spermatozoizii realizează nu numai domenii plasmă-membrană polarizate distincte, ci și o polarizare puternică a organitelor celulare, cum ar fi acrozomul la polul anterior și flagelul la polul posterior al celulei. Stabilirea unei astfel de polarizări este esențială pentru funcția spermatozoizilor, așa cum am discutat în introducerea acestui comentariu. Dovezile care se acumulează acum arată că endocitoza joacă un rol important nu numai în stabilirea/menținerea domeniilor membranare polarizate, ci și în localizarea intracelulară adecvată a proteinelor cheie pentru polaritate.37 Se știe că componentele mașinăriei ESCRT, care controlează sortarea ulterioară a încărcăturilor endoctice din EE, sunt necesare pentru polaritatea epitelială, în timp ce, invers, proteinele care acționează în aval de sortarea ESCRT nu sunt necesare.37 În același timp, unele proteine de polaritate pot reglementa, de asemenea, mașinăria endocitară.37 Astfel, cu alte cuvinte, acesta este un concept emergent privind reglementarea reciprocă între proteinele de polaritate și regulatorii endocitari. Nu numai, dar o altă întrebare cheie corolară își rezervă atenția: cum sunt sortate proteinele rezidente acrozomale între veziculele/organele de trafic anterograd/retrograd convenționale și cele specifice spermatozoizilor? Ar putea fi de o importanță nouă și intrigantă să se întreprindă cercetări pentru a studia posibila relație „endocitoză-polaritate-semnal de sortare a proteinelor” în timpul acrosomogenezei. În cele din urmă, o altă întrebare deschisă este modul în care sortarea încărcăturii este cuplată cu motilitatea veziculelor în timpul acrosomogenezei, în special în lumina descoperirii că UBPy este capabilă să interacționeze cu microtubuli spermatici.12 Studii recente13-15,38 au arătat că anumiți membri ai complexelor AP-1, AP-2, AP-3 și AP-4 înrudite structural și funcțional, care sunt componente ale veziculelor acoperite care mediază traficul intracelular al proteinelor membranare integrale, împreună cu proteine motorii cum ar fi kine-sina KIF13A, dyneina citoplasmatică și miozinaVa, reglează în mod coordonat sortarea și poziționarea endosomală pentru a facilita biogeneza LRO. Ar fi interesant să verificăm și să clarificăm dacă și care dintre adaptorii de clathrin și motoare moleculare sunt recrutați în biogeneza acrozomului.

Aici am evidențiat pe scurt trei direcții principale potențial importante (și anume, contribuția mașinăriei endocitare, interacțiunea încrucișată dintre căile endocitare și biosintetice și relația „endocitoză-polaritate-semnal de sortare”) în studiul biogenezei acrozomului. Având în vedere că acrozomul a fost considerat, de-a lungul anilor, în esență ca fiind un derivat direct al Golgi, calea „ER-Golgi-acrozom” a fost studiată și stabilită pe scară largă. Opinia „ER-Golgi-acrozom” a fost atât de răspândită încât componentele moleculare ale mașinăriei de trafic (printre care proteina motorie KIFC1 17 menționată mai sus și receptorul de vezicule Rab 27a,18 pentru a cita doar două exemple), au fost atribuite transportului biosintetic (Golgi → acrozom în curs de dezvoltare). În schimb, analiza proteomică a veziculelor endocitare a arătat că KIFC1 este o proteină asociată endosomului timpuriu,39 în timp ce Rab27a, un membru al familiei Rab de GTPaze de tip Ras, este cunoscut ca funcționând în maturarea și/sau traficul LRO.13-15 În cele din urmă, nu putem neglija faptul că, dacă componentele cheie ale mașinăriei EE, cum ar fi complexul UBPy/ESCRT-0, necesar pentru recunoașterea și sortarea receptorilor transmenbranei ubichinizate selectate, sunt implicate în biogeneza acrozomului, acest lucru sugerează existența unui/unor factor/ factori de membrană spermatică care trebuie să fie recrutați selectiv la nivelul acrozomului. Având în vedere că eșecul în biogeneza acrozomului are ca rezultat sterilitatea masculină, cu repercusiuni deosebite în ceea ce privește infertilitatea umană2, se speră ca studiile viitoare să fie abordate în vederea elucidării biologiei acrozomului în integralitatea sa.

.