Chemotaksja plemników

Chemotaksja plemników jest formą kierowania plemników , w której plemniki ( plemniki ) podążają za gradientem stężenia chemoatraktantu wydzielanego z komórki jajowej i tym samym docierają do komórki jajowej.

Tło

Od czasu odkrycia przyciągania plemników do żeńskich gamet paproci ponad sto lat temu, u wielu różnych gatunków ustalono prowadzenie plemników w postaci chemotaksji plemników . takich jak jeżowce i korale , dla ludzi wiele aktualnych informacji na temat chemotaksji plemników pochodzi z badań nad bezkręgowcami morskimi, głównie jeżowcami i rozgwiazdami . W rzeczywistości jeszcze nie tak dawno temu dogmatem było to, że u ssaków kierowanie plemników do komórki jajowej jest niepotrzebne. Wynikało to z powszechnego przekonania, że po wytrysku do żeńskich narządów płciowych duża liczba plemników „ściga się” w kierunku oocytu i konkuruje o jego zapłodnienie.

Badania przeprowadzone w latach 80. spowodowały obalenie tego przekonania, gdy stało się jasne, że tylko nielicznym plemnikom z wytrysku — u ludzi tylko około 1 z każdego miliona plemników — udaje się dostać do jajowodów (jajowodów), a nowsze badania wykazały , że plemniki ssaków reagują chemotaktycznie.

Chemotaksja plemników u gatunków innych niż ssaki

Podczas chemotaksji plemników oocyt wydziela chemoatraktant , który podczas dyfuzji tworzy gradient stężeń : wysokie stężenie w pobliżu komórki jajowej i stopniowo niższe stężenie w miarę zwiększania się odległości od oocytu. Plemniki mogą wyczuć ten chemoatraktant i skierować swój kierunek pływania w górę gradientu stężeń w kierunku oocytu. Chemotaksję plemników wykazano u wielu gatunków innych niż ssaki, od bezkręgowców morskich po żaby.

Chemoatraktanty

Chemoatraktanty plemników u gatunków innych niż ssaki różnią się w dużym stopniu. Niektóre przykłady przedstawiono w tabeli 1. Jak dotąd większość chemoatraktantów plemników, które zidentyfikowano u gatunków innych niż ssaki, to peptydy lub białka o niskiej masie cząsteczkowej (1–20 kDa ), które są stabilne termicznie i wrażliwe na proteazy . Wyjątkiem od tej reguły są chemoatraktanty plemników koralowców, ascidian , roślin takich jak paprocie i algi (Tabela 1).

Tabela 1. Niektóre chemoatraktanty plemników u gatunków innych niż ssaki*

Gatunek	Chemoatraktant	Bibliografia
glony	Niskocząsteczkowe nienasycone feromony o strukturze cyklicznej lub liniowej (na przykład pentozylowany hydrochinon 532 Da w przypadku Chlamydomonas allensworthii )
płazy	Allurin — białko o masie 21 kDa (dla Xenopus )
Ascidianie	SAAF — siarczanowany steroid: 3,4,7,26-tetrahydroksycholestan-3,26-disiarczan (dla Ciona savignyi i jelit )
koralowce	Lipidopodobny długołańcuchowy alkohol tłuszczowy CH ₃ -(CH ₂ ) ₈ -CH=CH-CH=CH-CH ₂ OH (dla Montipora digitata )
paprocie	Kwasy dikarboksylowe, na przykład kwas jabłkowy w postaci częściowo zjonizowanej (dla Pteridium aquilinum )
mięczaki	SepSAP — 6-resztowy peptydoamid o sekwencji PIDPGV-CONH2 (dla Sepia officinalis )
Jeżowce	Resact — 14-resztowy peptyd o sekwencji CVTGAPGCVGGGRL-NH2 (dla Arbacia punctulata )
Rozgwiazda	Startrak — termostabilne białko o masie 13 kDa (dla Pycnopodia helianthoides )

Zaczerpnięte z odniesienia.

Specyfika gatunkowa

Różnorodność chemoatraktantów rodzi pytanie o specyficzność gatunkową w odniesieniu do tożsamości chemoatraktantu. Nie ma jednej reguły dotyczącej specyficzności związanej z chemoatraktantem. Tak więc, w niektórych grupach bezkręgowców morskich (np. hydromeduzy i niektóre ophiuroidy ) specyficzność jest bardzo wysoka; w innych (np. rozgwiazda) specyfika jest na poziomie rodziny, aw obrębie rodziny nie ma specyfiki. w przypadku mięczaków nie ma żadnej specyficzności. Podobnie w roślinach unikalny prosty związek [np. fukoserraten — liniowy, nienasycony alken (1,3-trans 5-cis-oktatrien)] może być chemoatraktantem dla różnych gatunków.

Mechanizm behawioralny

Tutaj również nie ma jednej reguły. U niektórych gatunków (na przykład u hydroidów , takich jak Campanularia lub osłonic , takich jak Ciona ), kierunek pływania plemników zmienia się gwałtownie w kierunku źródła chemoatraktantu. W innych (na przykład u jeżowca, hydromeduzy, paproci lub ryb, takich jak goździk japoński) podejście do źródła chemoatraktantu jest pośrednie, a ruch odbywa się za pomocą powtarzalnych pętli o małych promieniach. U niektórych gatunków (na przykład śledzia lub ciona ascidian) aktywacja ruchliwości poprzedza chemotaksję. W chemotaksji komórki mogą albo wyczuwać czasowy gradient chemoatraktantu, porównując zajęcie jego receptorów w różnych punktach czasowych (podobnie jak bakterie ) lub mogą wykryć gradient przestrzenny, porównując zajęcie receptorów w różnych miejscach wzdłuż komórki (podobnie jak leukocyty ). U najlepiej zbadanego gatunku, jeżowca, plemniki wyczuwają gradient czasowy i reagują na niego przejściowym wzrostem wici asymetria. Rezultatem jest zwrot na ścieżce pływania, po którym następuje okres płynięcia prosto, co prowadzi do obserwowanych ruchów epicykloidalnych skierowanych w stronę źródła chemoatraktantu. Szczególny mechanizm, dzięki któremu plemniki jeżowca wyczuwają gradient czasowy, został ostatnio zidentyfikowany jako naturalna implementacja dobrze znanego kontrolera adaptacyjnego, znanego jako poszukiwanie ekstremów.

Mechanizm molekularny

Molekularny mechanizm chemotaksji plemników wciąż nie jest w pełni poznany. Obecna wiedza opiera się głównie na badaniach jeżowca Arbacia punctulata , gdzie wiązanie chemoatraktantu reagującego (tab. 1) z jego receptorem, cyklazą guanylową , aktywuje syntezę cGMP (ryc. 1). Wynikający z tego wzrost poziomu cGMP prawdopodobnie aktywuje K ⁺ -selektywne kanały jonowe . Wynikająca z tego hiperpolaryzacja aktywuje kanały aktywowane hiperpolaryzacją i kanały bramkowane cyklicznymi nukleotydami (HCN). Depolaryzujący prąd skierowany do wewnątrz przez kanały HCN prawdopodobnie aktywuje aktywowane napięciem kanały Ca2 ⁺ , powodując podwyższenie wewnątrzkomórkowego Ca2 ⁺ . Ten wzrost prowadzi do asymetrii wici, aw konsekwencji do obrotu plemnika.

Model szlaku przekazywania sygnału podczas chemotaksji plemników jeżowca Arbacia punctulata . Wiązanie chemoatraktantu (ligandu) z receptorem — związaną z błoną cyklazą guanylową (GC) — aktywuje syntezę cGMP z GTP. ⁺ bramkowane cyklicznymi nukleotydami (CNG) , powodując w ten sposób hiperpolaryzację błony. Sygnał cGMP jest zakończony przez hydrolizę cGMP przez aktywność fosfodiesterazy (PDE) i inaktywację GC. W przypadku hiperpolaryzacji kanały aktywowane hiperpolaryzacją i bramkowane cyklicznie nukleotydami (HCN) umożliwiają napływ Na ⁺ co prowadzi do depolaryzacji i tym samym powoduje szybkie wejście Ca ²⁺ przez aktywowane napięciem kanały Ca ^{2+ (Ca}_v ), jony Ca ²⁺ oddziałują nieznanymi mechanizmami z aksonemem wici i powodują wzrost asymetrii rytmu wici i ostatecznie zakręt lub zakręt na trajektorii pływania. Ca ²⁺ jest usuwany z wici przez mechanizm wymiany Na ⁺ /Ca ²⁺ . (Zaczerpnięte z ref.)

Chemotaksja plemników u ssaków

Uproszczony schemat opisujący sugerowaną sekwencję zdarzeń kierowania plemników u ssaków (Michael Eisenbach, Instytut Nauki Weizmanna, 2009)

Po odkryciu, że ludzkie plemniki gromadzą się w płynie pęcherzykowym i że istnieje niezwykła korelacja między tą akumulacją in vitro a zapłodnieniem oocytów, chemotaksja została potwierdzona jako przyczyna tej akumulacji. Chemotaksję plemników wykazano później również u myszy i królików. Ponadto u koni i świń wykazano gromadzenie się plemników w płynie pęcherzykowym (ale bez udowodnienia, że rzeczywiście odzwierciedla to chemotaksję). Kluczową cechą chemotaksji plemników u ludzi jest to, że proces ten jest ograniczony do zdolności komórki — jedyne komórki, które posiadają zdolność penetracji komórki jajowej i jej zapłodnienia. Rodziło to możliwość, że u ssaków chemotaksja jest nie tylko mechanizmem naprowadzania, ale także mechanizmem selekcji plemników. Co ważne, frakcja plemników zdolniejszych (a więc reagujących chemotaktycznie) jest niska (~10% u ludzi), długość życia w stanie ten stan występuje tylko raz w życiu, a osobniki plemników stają się zdolne/chemotaktyczne w różnych punktach czasowych, co skutkuje ciągłą wymianą komórek zdolnych/chemotaktycznych w obrębie populacji plemników, tj. przedłużoną dostępnością komórek zdolnych. Te cechy plemników sugerują, że wydłużenie okresu, w którym plemniki uzdolnione można znaleźć w żeńskich drogach rodnych, jest mechanizmem wyewoluowanym u ludzi, mającym na celu zrekompensowanie braku koordynacji między inseminacją a owulacją.

Chemoatraktanty

U ludzi istnieją co najmniej dwa różne źródła chemoatraktantów plemników. Jednym z nich są komórki wzgórka otaczające oocyt, a drugim sam dojrzały oocyt. Chemoatraktantem wydzielanym z komórek wzgórka jest steroidowy progesteron , który okazał się skuteczny w zakresie pikomolowym. Chemoatraktant wydzielany z komórki jajowej jest jeszcze silniejszy. Jest to hydrofobowa cząsteczka niepeptydowa, która wydzielana z komórki jajowej tworzy kompleks z białkiem nośnikowym. Wykazano, że dodatkowe związki działają jako chemoatraktanty na plemniki ssaków. Obejmują one chemokinę CCL20 , przedsionkowy peptyd natriuretyczny (ANP), specyficzne substancje zapachowe , peptyd natriuretyczny typu C (NPPC) i alluryna, by wymienić tylko kilka. Rozsądnie jest założyć, że nie wszystkie z nich są fizjologicznie istotne.

Specyfika gatunkowa

Specyficzności gatunkowej nie wykryto w doświadczeniach porównujących reaktywność chemotaktyczną plemników ludzkich i króliczych z płynami pęcherzykowymi lub pożywkami kondycjonowanymi jajami uzyskanymi od ludzi, bydła i królików. Późniejsze odkrycia, że komórki wzgórka zarówno człowieka, jak i królika (i prawdopodobnie także innych ssaków) wydzielają chemoatraktant progesteron, są wystarczające, aby wyjaśnić brak specyficzności w odpowiedzi chemotaktycznej plemników ssaków.

Mechanizm behawioralny

Wydaje się, że plemniki ssaków, podobnie jak plemniki jeżowca, wyczuwają gradient chemoatraktantu w czasie (porównanie zajętości receptora w czasie), a nie przestrzennie (porównanie zajętości receptora w przestrzeni). Dzieje się tak dlatego, że ustanowienie gradientu czasowego przy braku gradientu przestrzennego, osiągniętego przez zmieszanie ludzkich plemników z chemoatraktantem lub przez fotouwolnienie chemoatraktanta z jego związku w klatce, powoduje opóźnione przejściowe zmiany w zachowaniach pływackich, które obejmują zwiększoną częstotliwość skrętów i hiperaktywacja wydarzenia. Na podstawie tych obserwacji i stwierdzenia, że poziom zdarzeń hiperaktywacji jest zmniejszony, gdy plemniki reagujące na chemotaktykę pływają w przestrzennym gradiencie chemoatraktanta, zaproponowano, że zwroty i zdarzenia hiperaktywacji są tłumione, gdy plemniki uzdolnione płyną w górę gradientu chemoatraktanta i odwrotnie, gdy płyną w dół pochyłości. Innymi słowy, ludzkie plemniki zbliżają się do chemoatraktantów poprzez modulowanie częstotliwości skrętów i zdarzeń hiperaktywacji, podobnie jak bakterie Escherichia coli .

Mechanizm molekularny

Podobnie jak u gatunków innych niż ssaki, sygnałem końcowym w chemotaksji dla zmiany kierunku pływania jest Ca ²⁺ . Odkrycie progesteronu jako chemoatraktantu doprowadziło do zidentyfikowania jego receptora na powierzchni plemników – CatSper , kanału Ca ²⁺ obecnego wyłącznie w wieczko plemników ssaków. (Należy jednak zauważyć, że progesteron stymuluje tylko ludzką CatSper, ale nie mysią CatSper. Konsekwentnie, u myszy nie stwierdzono chemotaksji plemników do progesteronu.) Jednak etapy molekularne następujące po aktywacji CatSper przez progesteron są niejasne, chociaż zaangażowanie transbłonowe zaproponowano cyklazę adenylową , cAMP i kinazę białkową A , a także rozpuszczalną cyklazę guanylową , cGMP , receptor trisfosforanu inozytolu i magazynowany kanał Ca ^{2+ .}

Fizjologia

Chemotaksja to mechanizm naprowadzania krótkiego zasięgu. Jako taka może prowadzić plemniki tylko na krótkie odległości, szacowane na rząd milimetrów. Uważa się zatem, że u ssaków chemotaksja plemników zachodzi w jajowodzie, w pobliżu komórki jajowej. Pierwsze plemniki mogą być chemotaktycznie kierowane do kompleksu oocyt-wzgórek przez gradient progesteronu wydzielanego z komórek wzgórka. Ponadto progesteron może kierować plemniki do wewnątrz, które są już obecne na obrzeżach wzgórka jajonośnego. Plemniki, które są już głęboko w wzgórku jajnikowym, mogą wyczuć silniejszy chemoatraktant wydzielany z oocytu i chemotaktycznie kierować się do oocytu zgodnie z gradientem tego chemoatraktanta. Należy jednak pamiętać, że ten scenariusz może być nadmiernym uproszczeniem. W związku z rosnącą liczbą odkrywanych różnych chemoatraktantów, fizjologia chemotaksji in vivo może być znacznie bardziej złożone.

Dalsza lektura

Michael Eisenbach (z udziałem Josepha W. Lengelera) (2004). „Chemotaksja”. Imperial College Press, Londyn.
Michaela Eisenbacha i Laury Cecilii Giojalas (2006). „Przewodnictwo po nasieniu u ssaków - nieutwardzona droga do komórki jajowej”. Nat. Wielebny Mol. Biol komórkowy. 7, 276–285.
Alvarez L., Friedrich BM, Gompper G., Kaupp. UB (2013). „Obliczeniowy plemnik”. Trendy w Cell Biol.