PMC

En spermatozoid från däggdjur kännetecknas av två morfologiska och funktionella delar, dvs. huvudet och flagellen, som var och en är optimerad för en speciell uppgift. Båda enheterna formas och sätts samman under den cytomorfogena fasen av spermatogenesen, den så kallade spermiogenesen. Medan flagellen är den motormodul som bidrar till att ge den ”kraft” som driver den ejakulerade spermien till äggets plats för befruktning, kapslar huvudet in exakt hälften av faderns arvsmassa som, när den väl har slukats upp i äggets ooplasma, resulterar i bildandet av zygoten och i återställandet av det diploida tillståndet. För att detta ska kunna ske måste spermatozoiden tränga igenom äggcellens skyddande barriärer, cumuluscellskiktet och zona pellucida (ZP). Innan den befruktade spermatozoiden tränger in i ZP måste den genomgå en huvudmorfologisk förändring som innebär att akrosomet bryts med åtföljande frisättning av lagrade hydrolytiska enzymer, den s.k. akrosomreaktionen (AR).1 Härmed är betydelsen av akrosomet, som anses vara oumbärligt för befruktning, klarlagd.1 Akrosomlösa spermatozoider är i själva verket infertila.2 I tidiga studier på gnagare rapporterades att den plats där den befruktade spermatozoiden påbörjar AR är i cumulus,3 men senare studier, som utfördes med cumulusfria ägg, fastställde under årens lopp att den fysiologiska induceraren av däggdjurs AR är ZP.4,5 Detta andra synsätt är nu utbrett och allmänt accepterat. Nyligen har dock Jin et al.6 med hjälp av tekniken för in vitro-befruktning, där man använder cumulus-inneslutna musoocyter och fluorescerande märkta transgena spermatozoer för att upptäcka AR-utlösningen, visat att spermatozoer, under naturliga förhållanden, genomgår AR inom cumulus. Så med detta nya resultat verkar det som om cumulus är avgörande för AR så som det ursprungligen var tänkt.7

Man kan fråga sig om det finns ett slags parallellt öde som involverar de studier som ägnas åt akrosomets natur. Ursprungligen beskrevs akrosomet som en modifierad lysosom.8 I efterföljande studier fastställdes dock att akrosomet är en direkt Golgi-deriverad sekretorisk vesikel.9,10 Nyligen framkomna experimentella bevis11 visar dock på behovet av en revidering av begreppet ”akrosom = Golgi-deriverad organell”. I linje med det ursprungliga förslaget har Berruti et al.12 föreslagit akrosomet som en ny lysosomrelaterad organell (LRO). LRO utgör en familj av membranomslutna organeller som är begränsade till vissa specialiserade celltyper, vilket inkluderar melanosomer, lytiska granuler, trombocyt-täta kroppar, exosomer och synaptosomer.13,14 LRO har funktionella och dynamiska mognadsstadier, vilket indikeras av att många proteiner ur Rab-familjen är involverade, dvs. små GTPaser som är kritiska för vesikelfusion och -transport.13-15 I synnerhet kännetecknas LRO-biogenesen av det dynamiska flödet av proteiner och vesiklar mellan olika endosomala kompartment; vid navet i det tidiga endosomet (EE) ansluter den endocytära vägen till den exocytära vägen som i sin tur sorterar, genom trans-Golgi-nätverket (TGN), nysyntetiserade proteiner från det endoplasmatiska retikulumet (ER) till det endosomala systemet.14 Å ena sidan är vesikulära transportsystem i LRO-biogenesen ganska vanliga bland de olika celltyperna, men å andra sidan kan de proteinfrakt/er som vesiklarna transporterar variera kraftigt, beroende på det vävnads- eller cellspecifika uttrycket av den givna lasten. Hu et al.15 har tillhandahållit en noggrann profilering av LRO-proteomerna.

Sammanfattningsvis kom vi fram till slutsatsen att akrosomet kan representera en ny medlem av LRO-familjen genom att ta hänsyn till, allt sammantaget, en rad egenskaper som kännetecknar spermiernas akrosom, av vilka vissa har varit väl etablerade medan andra har avslöjats först nyligen. Kortfattat (a) innehåller akrosomet ett surt pH och vissa lysosomala hydro-laser samt några unika enzymer/proteiner som acrosin och acrosinbindande protein (ACRB/OY-TES-1).11 Dessa proteiner följer den biosyntetiska vägen (anterograd transport) och är packade i elektrontäta kärnvesiklar, så kallade proakrosomala granuler, troligen vid/efter trans-Golgi-nätverket (TGN).16 Motorproteiner som KIFC1 17 och Rab-familjemedlemmar som Rab 27a18 har beskrivits fungera i vesikeltrafiken från Golgi till akrosomet. b) Akrosomogenesen delas in i fyra faser: Golgi, kapsling, akrosom och mognad. I den sena Cap-fasen migrerar spermatidernas Golgiapparat till den motsatta sidan av cellen,10,16 och avslutar därmed transporten av glykoproteiner till akrosomet via Golgi-biosyntesvägen. Extra-Golgi-vägar, som bidrar till utvidgningen och mognaden av akrosomet under utveckling, har dock beskrivits19,20. c) TGN är en av de viktigaste trafikknutpunkterna i cellen, eftersom den är involverad i protein/membrantransport från biosyntesvägen, liksom i mottagandet av proteinfrakt genom retrograd transport från de endocytära avdelningarna;d) Nya bevis har visat att komponenter i det endocytiska maskineriet är involverade i biogenesen av akrosomet, vilket ger experimentellt stöd för Wests och Willisons20 tidiga förslag att det finns minst två källor till vesikulär transport, en från Golgi och en från plasmamembranet, samtidigt med utvecklingen av akrosomet. Bland de upptäckta komponenterna finns följande: Afaf (Acrosome formation associated factor) som lokaliseras på EEA1 (early endosome antigen 1)-positiva endosomer;22 SH3P13, ett vesikulärt protein som fungerar i clathrinmedierad receptorendocytos;SPE-39, en regulator av lysosomal leverans som ursprungligen identifierades i spermatogena celler24 , UBPy25 , ett deubiquitinerande enzym som ursprungligen identifierades som ett protein som interagerar med det endocytära trafikeringsproteinet Hbp26 och Ras-utbytesfaktorn RasGRF1.27

I musen identifierades UBPy, som nu officiellt kallas Usp8 (ubiquitinspecifikt proteas 8), molekylärt som ett deubiquitinas som innehåller de typiska kännetecknen för UBP-familjen av deubiquitinerande enzymer.27 Även om det finns i fler vävnader är mUBPy högt uttryckt och begränsat till testiklarna och det centrala nervsystemet.27 Konventionellt sett främjar deubiquitinaser avlägsnandet och bearbetningen av konjugerat ubiquitin från proteiner och spelar därmed reglerande roller på nivån för både proteinomsättning och proteinnedbrytning. Genom att utnyttja tekniker för celltransfektion har UBPy/Usp8 visat sig vara en viktig regulator av endosomal sortering och vesikels morfologi.28-30 För att fastställa en fysiologisk roll ”in vivo” har UBPy/Usp8 dock studerats ingående i manliga könsceller med följande observationer:12 (1) UBPy interagerar med spermatid Hbp/STAM2 som på egen hand interagerar med sin bindningspartner Hrs för att ge upphov till spermatid ESCRT-0-komplexet. ESCRT-0 (Endosomal Sorting Complex Required for Transport-0) är det komplex som först tilldelar endosomal sortering riktningsbundenhet och rekryteras till EE (tidig endosom). (2) UBPy/Hbp/Hrs-märkta vesiklar utvecklas till den bildande akrosomen, som också är EEA1-positiv. (3) Vps54, ett vesikulärt protein som arbetar med den retrograd transporten från EE31,32 , är involverat i akrosomogenesen; (4) UBPy, genom sin MIT-domän (microtubule interacting and trafficking/transport), associerar direkt med spermatidmikrotubuli, vilket sannolikt medierar kopplingen mellan den sorterade itineranta endocytära vesikeln och mikrotubuli; akrosomogenes är en process som är mikrotubuliberoende analogt med LRO-biogenes.14,16 Dessa resultat tillsammans med andra nyligen genomförda studier (se arbetet med EHD1 33) stöder starkt bevis för att den endocytära vägen också spelar en kritisk roll i akrosombiogenesen. Dessutom har man helt nyligen visat att spermier från mus som uttrycker varianten Vps54(L967Q) saknar akrosom eftersom UBPy- och Vps54(L967Q)-märkta vesiklar inte kan utvecklas till ett akrosom.34 Punktmutationen Vps54(L967Q) är ansvarig för wobbler-musfenotypen,35 som kännetecknas av motorneuronsjukdom och spermiogenesedefekt. Wobbler spermatozoer är rundhuvudiga, saknar akrosom och är infertila.34 Varför wobbler Vps54-mutationen särskilt påverkar motorneuronerna och spermatiderna är ännu inte klarlagt. Hittills har Vps54 huvudsakligen studerats i jäst, där det tillsammans med Vps51, Vps52 och Vps53 ger upphov till GARP-komplexet (Golgi Associated Retrograde Protein);31,32 i synnerhet arbetar Vps54 i den retrograda transporten av EE till TGN.32 Efter upptäckten av GARP-komplexet i jäst Saccharomices cerevisiae för ett decennium sedan gick studiet av det in i en dvala och först nyligen har intresset återuppstått i och med karakteriseringen av det ortologiska komplexet i högre eukaryoter.36 Jäst har dock ingen LRO. Det kan vara så att – detta är endast en spekulativ åsikt för att föreslå en möjlig riktning för framtida arbete – i specialiserade celltyper som kännetecknas av närvaron av en specifik LRO, Vps54, som rekryteras genom cellspecifika aktivatorer/effektorer, binder EE-proteinlasten till den bildande LRO. Figur 1 illustrerar en förenklad schematisk ritning av akrosombiogenesen. Eftersom djurmodeller är viktiga verktyg för att undersöka LRO-störningar som man vet kännetecknar vissa genetiska sjukdomar hos människor,13,14 kan wobblermusen, som kännetecknas av punktmutationen Vps54(L967Q), vara ett användbart verktyg för att studera defekt akrosomogenes.

Som avslutning vill vi påminna om att uppmärksamheten riktas mot ytterligare en, potentiellt viktig, forskningsinriktning. Spermier är starkt polariserade celler; spermier uppnår inte bara distinkta polariserade plasma-membran-domäner, utan även en stark polarisering av cellulära organeller som akrosomet vid cellens främre pol och flagellen vid cellens bakre pol. Upprättandet av en sådan polarisering är avgörande för spermiernas funktion, vilket vi diskuterar i inledningen av denna kommentar. Allt fler bevis visar nu att endocytos spelar en viktig roll inte bara för att etablera/underhålla polariserade membrandomäner, utan också för den korrekta intracellulära lokaliseringen av viktiga polaritetsproteiner.37 Det är känt att komponenter i ESCRT-maskineriet, som kontrollerar den efterföljande sorteringen av endocytära laster från EE, krävs för epitelial polaritet, medan omvänt proteiner som verkar nedströms ESCRT-sortering inte krävs.37 Samtidigt kan vissa polaritetsproteiner också reglera det endocytära maskineriet.37 Detta är alltså med andra ord ett framväxande koncept när det gäller den ömsesidiga regleringen mellan polaritetsproteiner och endocytära regulatorer. Inte bara, utan ytterligare en korollateral nyckelfråga kräver uppmärksamhet: hur sorteras akrosomala residentproteiner bland spermiespecifika och konventionella vesiklar/organeller för anterograd/retrograd-trafikering? Det kan vara av ny och spännande betydelse att bedriva forskning för att studera det möjliga förhållandet mellan endocytos, polaritet och signalsortering av proteiner under akrosomogenesen. Slutligen är en annan öppen fråga hur lastsortering är kopplad till vesikelmotilitet under akrosomogenesen, särskilt mot bakgrund av upptäckten att UBPy kan interagera med spermatidmikrotubuli12 . Nya studier13-15,38 har visat att specifika medlemmar av de strukturellt och funktionellt besläktade AP-1-, AP-2, AP-3- och AP-4-komplexen, som är komponenter i belagda vesiklar som förmedlar intracellulär trafikering av integrala membranproteiner, tillsammans med motorproteiner som kine-sinet KIF13A, det cytoplasmatiska dyneinet och myosinVa, samordnat reglerar endosomal sortering och positionering för att underlätta LRO-biogenesen. Det skulle vara intressant att verifiera och klargöra om och vilka clathrinadaptorer och molekylära motorer som rekryteras i akrosombiogenesen.

Här har vi kortfattat belyst tre huvudsakliga potentiellt viktiga riktningar (dvs. bidraget från det endocytära maskineriet, korsverkan mellan endocytära och biosyntetiska vägar och förhållandet ”endocytos-polaritet-sorteringssignal”) i studiet av akrosombiogenesen. Eftersom akrosomet under årens lopp i huvudsak har betraktats som ett direkt Golgi-derivat har vägen ”ER-Golgi-acrosom” studerats och etablerats i stor utsträckning. Synsättet ”ER-Golgi-acrosom” har varit så utbrett att molekylära komponenter i trafikeringsmaskineriet (bland annat det ovan nämnda motorproteinet KIFC1 17 och vesikelreceptorn Rab 27a,18, för att bara nämna två exempel) har tillskrivits den biosyntetiska (Golgi → utvecklande akrosom) transporten. Omvänt har proteomanalyser av endocytiska vesiklar visat att KIFC1 är ett tidigt endosomassocierat protein,39 medan Rab27a, en medlem av Rab-familjen av Ras-liknande GTPaser, är känd för att fungera i LRO-mognad och/eller trafikering.13-15 Slutligen kan vi inte försumma att om nyckelkomponenter i EE-maskineriet som UBPy/ESCRT-0-komplexet, som krävs för igenkänning och sortering av utvalda ubiokininerade transmenbranreceptorer, är involverade i akrosombiogenesen, tyder detta på att det finns en eller flera spermiemembranfaktorer som måste rekryteras selektivt på akrosomnivå. Med tanke på att misslyckande i akrosombiogenesen resulterar i manlig sterilitet med särskilda konsekvenser för mänsklig infertilitet2 , hoppas man att framtida studier kommer att inriktas på att belysa akrosombiologin i sin helhet.