Sperm guidance in mammals — an unpaved road to the egg
Michael Eisenbach and Laura C. Giojalas Nature Reviews Molecular Cell Biology (April 2006) | doi:10.1038/nrm1893
Резюме.
Contrary to the prevalent view, there seems to be no competition in the mammalian female genital tract among large numbers of sperm cells that are racing towards the egg. Instead, small numbers of the ejaculated sperm cells enter the Fallopian tube, and these few must be guided to make the remaining long, obstructed way to the egg. Here, we review the mechanisms by which mammalian sperm cells are guided to the egg.
Рис.1. | The mammalian female genital tract and possible guidance mechanisms.
Рис.2. | Two types of sperm response to chemoattractants.
Рис.3. | Models for the molecular mechanisms of sperm chemotaxis in marine species and mammals.
Чтобы произойти оплодотворению у млекопитающих эйякулированный сперматозоид д. отыскать яйцеклетку, которая после овуляции движется от оварий в Фаллопиеву трубу. Ещё не так давно считалось, что у млекопитающих после эйякуляции в половой тракт самок большое количество сперматозоидов 'мчится' в направлении яйцеклетки и конкурируют за оплодотворение её. Эта догма, также как и конфликтующие результаты в литературе, внушили идею, что направление спермиев к яйцеклетки у млекопитающих излишне. 'Модель конкурентной гонки' развенчана, когда стало ясно, что фактически немногие эйякулированные сперматозоиды (у людей, лишь приблизительно 1 на каждый миллион сперматозоидов) оказываются успешными, проникая в Фаллопиевы трубы1-3. Более того, количество сперматозоидов, которые могут оплодотворить яйцо еще меньше. Сперматозоиды д. подвергаться процессу дозревания, известному как (приобретение полномочий) и только capacitated спермии могут проникать через cumulus слой, который окружает яйцеклетку, связывает рецепторы спермия на яйцевой оболочке и подвергаются , которая позволяет спермию проникнуть через яйцевую оболочку и затем слиться с яйцом (see Ref. 4 for a review).
Процент capacitated сперматозоидов довольно низкий (~10% у людей)4-6 и , следовательно, количество сперматозоидов, которые могут достигнуть и оплодотворить яйцо мало. Шансы, что столь небольшие количества сперматозоидов, которые могут достигнуть яйцеклетку путем случайного стечения обстоятельств без механизма наведения, очень скудные. Его реализация вызвала интерес к изучению ведения спермиев у млекопитающих.
Mechanisms of mammalian sperm guidance
Два активных механизма ведения спермиев были обнаружены у млекопитающих: , который представляет собой перемещение клеток по концентрационному градиенту (Ref. 7 rev.), и 8 - направленное движение клеток вдоль температурного градиента.
Хемотаксис открыт как форма ведения спермиев в середине 1960s у морских видов9,10, и был распознан у амфибий и млекопитающих только в последние 15 лет7,11. Первоначальное принятие мнения о хемотаксиса спермиев у млекопитающих было осложнено противоречивыми заключениями первоначальных исследований (Refs 3,11 rev.). Одной из главных причин кажущегося противоречия было очень низкое соотношение сигнал-шум, которое получалось в подходах изучения хемотаксиса сперматозоидов млекопитающих. Этот фактор в комбинации с субоптимальными условиями и неспособностью различать между настоящим хемотаксисом и др. причинами накопления спермиев (rev. Ref. 3), приводили к конфликтующим результатам и неопределенности. Сегодня мы знаем, что низкоее соотношение сигнал-шум вызывается тем фактом, что у млекопитающих (в отличие от хемотаксиса спермиев у морских видов9), только небольшая фракция capacitated сперматозоидов чувствительна к хемотаксису5,12-14. Подобная реализация в комбинации с разработкой подходов, которые позволют отличать хемотаксис от др. процессов7 (Box 1), показали, что хемотаксис действительно является механизмом ведения спермиев у млекопитающих.
Первые эксперименты на млекопитающих покзали, что спермии человека накапливаются в 15,16, и что существует заметная корреляция между подобным накоплением in vitro и оплодотворением яйца16. Последующие эксперименты подтвердили, что это накопление в самом деле является результатом хемотаксиса17. Хемотаксис спермиев позднее был также продемонстрирован у лягушек18, мышей14,19 и кроликов13. В дополнение накопление спермиев в фолликулярной жидкости (но без уверенности, что это действительно отражает хемотаксис) было продемонстрировано у лошадей20 и свиней21. Итак, хемотаксис спермиев, по-видимому, распространенный механизм наведения спермиев на яйцо, когда оплодотворение наружное (как у морских видов) или внутреннее.
При термотаксисе сперматозоиды направляются в направлении более высокой температуры и этот механизм ведения спермиев был продемонстрирован только у двух видов: людей и кроликов8. Хемотаксис и термотаксис, по-видимому, выполняют сходные функции - наведение capacitated, 'готовых к оплодотворению' сперматозоидов на яйцеклетку, которая располагается в месте оплодотворения. Др. потенциальным механизмом пассивного ведения может быть направление сперматозоидов мышечными сокращениями женского полового тракта22. Существование двух или более механизмов наведения спермиев указывает на то, что ведение спермиев является важным для оплодотворения.
Mammalian sperm guidance in the female genital tract. У млекопитающих семя, эйякулируется или во влагалище (у приматов,, жвачных и кроликов) или в матку (у грызунов, свиней и лошадей)1. От сюда сперматозоиды первой группы, используя комбинацию активного плавания и пассивного перетаскивания с помощью мышечных сокращений, достигают места хранения в перешейке (Fig. 1; Box 2). In vitro эксперименты показали, что несколько сотен сперматозоидов достигают места хранения и только некоторые из них становятся capacitated5. Эти немногие сперматозоиды способны преодолеть расстояние (2-6 см у людей1,23 и ~10 см у кроликов24), преграждающее дорогу к яйцеклетке в месте оплодотворения25. In vitro находки показывают, что capacitated сперматозоиды направляются от места хранения к яйцу прежде всего в результате комбинации хемотаксиса5,26 и термотаксиса8, с помощью вообще-то сокращений яйцевода27.
Кажется логичным, что подготовленные к оплодотворению сперматозоиды в месте хранения используют зависимый от овуляции температурный градиент между этим местом и местом оплодотворения24,28,29 в качестве 'дорожных знаков' для отправки их к месту оплодотворения с помощью термотаксиса. Кроме того, обнаружение, что, по крайней мере, у мышей жидкость яйцеводов содержит один или несколько хемоаттрактантов14 открывает возможность того, что разные хемоаттрактанты могут быть секретированы вдоль яйцеводов, чтобы способствовать последовательным, коротко-действующим процессам в направлении к этим хемоаттрактантам. Как только сперматозоиды достигают области вблизи места оплодотворения они, по-видимому, воспринимают градиент хемоаттрактанта, исходящий от 26, который направляет их на комплекс яйцеклетка-cumulus. Однако, достижение этого комплекса не гарантирует проникновение в яйцо30, т.к. яйцо покрыто плотным матриксом, который состоит из сотен cumulus клеток (Fig. 1). Считается, что градиент хемоаттрактанта, который исходит из яйца, устанавливается внутри cumulus матрикса, который и направляет спермий к яйцу26. В самом деле первые немногие сперматозоиды, которые вступают в cumulus оказываются успешными в нахождении яйцеклетки31.
Mammalian sperm chemotaxis
Physiology of sperm chemotaxis. Неожиданное столкновение между гаметами у морских видов, у которых оплодотворение является наружным, происходит в турбулентной, жидкой среде, которая обычно содержит яйцеклетки и сперматозоиды разных видов. Следовательно, с целью дальнего распознавания процесс хемотаксиса спермиев не только рекрутирует как можно больше сперматозоидов к яйцу, но и также предупреждает от перекрестного видового оплодотворения. Соответственно, основными физиологическими характеристиками хемотаксиса спермиев у морских видов являются: во-первых, чувствительность огромной фракции популяции спермиев и, во-вторых, для большинства родов, высокая видовая специфичность9,10 (т.е., хемоаттрактант для одного морского вида обычно не распознается сперматозоидами др. морского вида). Напротив, у млекопитающих семя находится внутри полового тракта самок и конкуренция спермиев, если она существует, ограничена семенем от др. индивидов того же самого вида32. Следовательно, ничего удивительного в том, что видовая специфичность не выявляется в экспериментах, в которых сравнивается хемотактическая чувствительность сперматозоидов немногих видов млекопитающих к фолликулярной жидкости или к среде, кондиционированной яйцеклетками33.
Интригующим вопросом является, сколь велика фракция чувствительных к хемотаксису сперматозоидов у млекопитающих. С одной стороны, в некоторых исследованиях приходят к заключению, что сперматозоиды людей и кроликов, только capacitated сперматозоиды - которые составляют ту небольшую фракцию популяции спермиев - являются чувствительными к хемотаксису5,6,13,34. Это заключение базируется на сходстве между capacitated и хемотактически чувствительными сперматозоидами в терминах величины фракции популяции спермиев и на наблюдении, что их продолжительность жизни одинаково короткая и что они одинаково подвергаются и с одинаковой кинетикой постоянному замещению (тем самым гарантируется постоянная готовность capacitated и чувствительных к хемотаксису сперматозоидов несмотя на их короткий период жизни). Кроме того, это заключение базируется на том факте, что преднамеренная деплеция подготовленных сперматозоидов ведет к тотальной потере хемотаксиса и vice versa, истощение хемотактических сперматозоидов приводит к истощению capacitated сперматозоидов (Ref. 34 rev.). Сходная фракционная хемотактическая чувствительность наблюдается у сперматозоидов мышей14,19.
С др. стороны, Spehr et al.35 показали, что ~90% подвижных клеток сперматозоидов человека плывут в верх градиента хемоаттрактанта, известного как bourgeonal. Та же самая группа отметила, однако, что только треть клеток отвечает на bourgeonal с повышением внутриклеточного уровня Ca2+ - реакция, которая, как полагают, происходит в каждой клетке, которая чувствительна к хемотаксису36. Причина столь большой фракции чувствительных клеток в chemotaxis подходе Spehr et al.35,36 (по сравнению с др. опубликованными подходами к хемотаксису и по сравнению с фракцией клеток, обнаруживающих повышение Ca2+ в их собственных экспериментах36) неясна. Расхождение не зависит от использованного хемоаттрактанта, т.к.было отмечено, что хемотактическая реакция сперматозоидов человека на bourgeonal является фракционной и небольшой как и реакция на др. хемоаттрактанты (M.E., unpublished data).
Capacitated и хемотактическое состояние чувствительности не является ни статическим, ни продолжительным. Скорее оно временное и короткое (1-4 ч у людей по измерениям in vitro), и происходит только однажды на протяжении жизни спермия5,12 (3-5 дней у людей37,38). Тем не менее, т.к. разные сперматозоиды становятся capacitated в разное время, то это непрерывное замещение capacitated клеток в популяции спермиев гарантирует, что capacitated сперматозоиды присутствуют в половом тракте самок в течение длительных периодов5. Это существенно у видов, которые овулируют периодически (напр., у людей), в которых это расширенное, непрерывное замещение возможно гарантирует доступность capacitated и компетентных к хемотаксису клеток в течение продолжительности жизни сперматозоидов в генитальном тракте самок5,6. Расширение доступности capacitated, хемотактических сперматозоидов, по-видимому, менее существенно у видов с индуцированной овуляцией (напр., кроликов), у которых овуляция индуцируется при спаривании. У таких видов, capacitation по-видимому, синхронизирована с овуляцией6. Очевидно, что время доступности capacitated, хемотактических сперматозоидов запрограммировано у млекопитающих в соответствии с временем, когда овулировавшее яйцо доступно в половом тракте самок6.
Behavioural mechanisms of chemotaxis. Хемотаксис характеризуется направленным изменением в движении по направлению к источнику хемоаттрактанта. Поэтому большинство направленных подходов к измерению хемотаксиса спермиев базируется на направлении движения спермиев7,11. Поведение сперматозоидов в ответ на хемоаттрактанты зависит от их варьирующих способов плавания. У большинства хорошо изученных сперматозоидов морских и пресноводных видов9,39, паттерны плавания и изменения, которые происходят в ответ на хемоаттрактанты могут быть классифицированы в две категории (Fig. 2). Первая категория включает сперматозоиды, которые плавают почти по прямой или изогнутой линии, но когда они подвергаются действию градиента хемоаттрактанта, то наступают резкие изменения в направлении плавания к источнику хемоаттрактанта. Сперматозоиды (напр., Campanularia flexuosa и Gonionemus vertens) относятся к этой категории9. Вторая категория включает сперматозоиды, которые плавают кругами, но когда экспозируются градиентом хемоаттрактанта, то круги начинают смещаться в направлении источника хемоаттрактанта, образуя спиральный путь по градиенту. Спермии , , морских ежей и морских звезд принадлежат к этой категории9,40,41. Детальная модель внутриклеточных молекулярных событий, которые обеспечивают формирование этого спирального пути предложена Bo"hmer et al.41 Уникальным свойством этой модели является то, что не требуется способности спермиев воспринимать нисходящий градиент хемоаттрактанта и что сперматозоиды воспринимают среду спорадически скорее, чем непрерывно.
Сперматозоиды млекопитающих обычно плавают или по прямой или изогнутой линии в зависимости от паттерна движений жгутиков42. Однако, мало известно о поведенческих реакциях этих сперматозоидов на градиент хемоаттрактанта. Что известно, так это когда сперматозоиды человека плавают в восходящем градиенте хемоаттрактанта, то они бьют своими жгутиками симметрично и достигают источника хемоаттрактанта сохраняя одно и то же направление плавания35. Одновременно их скорость плавания возрастает (этот феномен известен как )17 т.к. является результатом повышения частоты биений жгутиков35. Напротив, когда сперматозоиды человека плывут прочь от источника хемоаттрактанта bourgeonal, то они внезапно поврорачиваются вокруг в результате асимметричных биений жгутиков и затем плывут в направлении источника35.
Эта реакция на нисходящий градиент хемоаттрактанта, по-видимому, отличается от предполагаемой неспособности сперматозоидов морского ежа воспринимать нисходящий градиент своего хемоаттрактанта, , благодаря необратимому соединению resact со спермием41,43. Эта неспособность может также возникать и у сперматозоидов человека с хемоаттрактантом progesterone (константа диссоциации Kd ≈ 6 × 10-10 M; Ref. 44). Следовательно, разумно предположить, что существуют множественные механизмы, с помощью которых сперматозоиды отвечают на градиент хемоаттрактанта в зависимости от вида и хемоаттрактанта.
Др. важный вопрос, как сперматозоиды воспринимают градиент хемоаттрактанта. Сравнивают ли они концентрации хемоаттрактанта разных локализаций на клеточной мембране (детекция пространственного градиента), или они сравнивают концентрации хемоаттрактантов в разные временные точки (детекция временного градиента), как это происходит у бактерий45? Этот вопрос не был исследован у млекопитающих. Однако, находка, что внезапное временное увеличение в концентрации хемоаттрактанта resact (достигаемое из депо resact - хемотактически инактивирует аналог resact, который высвобождает resact в ответ на короткие импульсы света) вызывает поведенческую реакцию сперматозоидов морского ежа в отсутствие пространственного градиента41,43 показывает, что эти сперматозоиды ощущают временной градиент.
Chemoattractants and their cellular origin
С годами многие субстанции были объявлены хемоаттрактантами для сперматозоидов млекопитающих11 (Table 1). Однако, т.к. накопление спермиев при оптимальной концентрации хемоаттрактанта - что является одной из характеристик хемотаксиса спермиев - может быть вызвано с помощью др. процессов, таких как хемокинез и отлавливание спермиев7,11, ясно очерченным критерием для различения этих процессов (Box 1) может быть использован подход, который идентифицирует предполагаемые хемоаттрактанты. В этом случае, только немногие предполагаемые хемоаттрактанты удовлетворяют критериям, обсуждаемым в Box 1, и поэтому обсуждение будет ограничено этими хемоаттрактантами. Необходимо отметить, что физиологическое значение большинства этих субстанций всё ещё неясно.
Sources of chemotactic activity in mammals. Одним из первых физиологических источников исследованных в отношении хемотактической активности стала фолликулярная жидкость млекопитающих7,11, которая содержит пре-овуляторные секреты яйца и окружающих его клеток. Хемотаксис в направлении фолликулярной жидкости, которая, как было установлено, для сперматоцитов человека17, мышей14 и кроликов13, по-видимому, высоко коррелирует с шансами оплодотворения яйца, по крайней мере, у людей16. Однако, мало вероятно, что хемотаксис к фолликулярной жидкости происходит также и in vivo26, поскольку градиент хемоаттрактанта в яйцеводах, как предполагается, будет сохраняться пока живет яйцо в половом тракте самок (~24 x после овуляции у людей1). Необходима постоянная поставка хемоаттрактанта, тогда как фолликулярная жидкость высвобождается только как единичное событие при овуляции. Следовательно, физиологическое значение результатов, полученных с фолликулярной жидкостью, ограничено тем, что яйцеклетка и окружающие её клетки секретируют хемоаттрактант(ы) внутри фолликула до овуляции.
Секретирует ли комплекс яйцо-кумулюс самок млекопитающих хемоаттрактанты для спермиев после овуляции? Этот вопрос недавно получил ответ благодаря находкам, что среда кондиционированная или индивидуальными, зрелыми яйцеклетками людей или окружающими кумулюсными клетками оказывается активной хемотактически26. Это указывает на то, что хемоаттрактанты для спермиев секретируются не только перед овуляцией внутри фолликула, но и также после созревания яйца вне фолликула и что имеется два источника хемоаттрактанта: зрелое яйцо и кумулюсные клетки.
Identification of mammalian chemoattractants. Качество хемоаттрактанта, секретируемого яйцом, ещё не установлено. Одним из хемоаттрактантов, секретируемых кумулюсными клетками, по-видимому, является прогестерон. Идентификация этого стероида в качестве хемоаттрактанта для спермиев не явилась прямолинейной. Первоначально было показано, что концентрации от nM до mM progesterone вызывают накопление спермиев человека и что это может быть ингибировано с помощью антагониста рецепторов прогестерона46-48. Эта и др. находки привели к предположению, что progesterone является хемоаттрактантом фолликулярной жидкости46. Однако, как показано в Box 1, возникновение хемотаксиса спермиев не может базироваться только на накоплении спермиев11, a значит эти результаты не являются обоснованными. В самом деле, было показано, что progesterone почти полностью инактивируется как хемоаттрактант, когда используется в одной и той же концентрации, также как и в хемотактически активной фолликулярной жидкости и что накопление человеческих сперматозоидов, вызываемое этим стероидным гормоном, осуществляется преимущественно благодаря отлавливанию спермиев в результате стимулированной прогестероном 49. Прогестерон, как недавно было показано, находится хемотактически активным в концентрациях столь низких 10-11-10-10 M для сперматозоидов людей и кроликов, и получены доказательства градиента прогестерона вдоль массы кумулюсных клеток50. (Причина, почему сперматозоиды хемотактически отвечают на прогестерон в столь низких концентрациях 10-11-10-10 M, но не в более высоких16,49, заключается в хемотаксисе, реакция падает при слишком высоких концентрациях хемоаттрактанта; Box 1.) Пока неизвестно, секретируют ли кумуляюсные клетки и др. хемоаттрактанты кроме progesterone.
Эти находки подняли вопрос о видо-специфичности. Одиночный хемоаттрактант, который является общим для разных видов д.быть лишен специфичности в хемотактической реакции сперматозоидов млекопитающих. Следовательно, секреция progesterone кумулюсными клетками д. объяснить отсутствие видо-специфичности, описанной для фолликулярной жидкости и кондиционированной среды от некоторых млекопитающих33. Остается посмотреть, является ли хемоаттрактант, секретируемый яйцом, (который возможно является др. хемоаттрактантом26) видо-специфичным или общим.
Недавно два одоранта - bourgeonal (в концентрациях 10-8 M)36 и lyral (в концентрациях mM ранга)51 - как было установлено, являются хемоаттрактантами для сперматозоидов человека и мыши, соотв. Т.к. эти хемоаттрактанты вряд ли секретируются в половом тракте самок, то вероятно, что они не являются физиологическими хемоаттрактантами спермиев и что распознающие их рецепторы скорее идентифицируют иные, структурно сходные хемоаттрактанты (ещё не известные).
В 8-kDa хемокин (regulated on activation, normally T-cell expressed and secreted chemokine), мощный хемоаттрактант для эозинофилов, моноцитов и Т лимфоцитов52,53, как было показано, является хемоаттрактантом для сперматозоидов человека. Этот хемокин, как известно, присутствует в фолликулярной жидкости, а мРНК для его рецептора обнаружена в сперматозоидах человека54. RANTES продуцируется внутри фолликула в овариях до овуляции и его продукция усиливается при некоторых заболеваниях, которые ассоциируют с бесплодием54. Неизвестно, секретируется ли RANTES также и в половом тракте самок после овуляции. Если RANTES является физиологическим имеющим отношение к делу аттрактантом для сперматозоидов человека, то это пример субстанции, которая служит хемоаттрактантом для разных типов клеток.
Atrial natriuretic peptide () является полипептидным гормоном, который секретируется атриальной частью сердца и др. типами клеток млекопитающих и который активирует частицы guanylyl cyclase55,56. ANP присутствует в фолликулярной жидкости людей57 , а ANP-специфические рецепторы идентифицированы на сперматозоидах человека58. Хотя хемотаксис спермиев на ANP и был продемонстрирован (но только в присутствии нейтрального ингибитора endopeptidase, такой как phosphoramidon, чтобы избежать инактивации ANP с помощью остаточной семенной жидкости, содержащей нейтральную endopeptidase)59,60, однако не известно, вовлекается ли ANP в хемотаксис спермиев in vivo.
У амфибий Xenopus laevis18, является в 21-kDa хемоаттрактантом спермиев. Мы упоминали его в контексте хемоаттрактантов спермиев млекопитающих из-за его общей гомологии со спермии-связывающими белками млекопитающих61. Этот хемоаттрактант экспрессируется и секретируется в яйцеводах X. laevis гормон-регулируемым способом. Считается, что при овуляции, когда яйцо попадает в яйцевод, allurin проникает в гелевый слой, который окружает яйцо X. laevis62. И снова, неясно содержат или нет яйцеводы млекопитающих allurin-подобные хемоаттрактанты.
Почему существует столь много хемоаттрактантов? Имеется несколько возможных ответов. Во-первых, сперматозоиды может воспринимать разные хемоаттрактанты; т.е. они могут подвергаться многоступенчатому хемотаксису, когда они путешествуют по половому тракту самок. Каждая ступень может последовательно вести сперматозоиды к следующему источнику хемоаттрактанта. Это указывает на тто, что ведение спермиев может быть более сложным, чем первоначально предполагалось и что хемотаксис распространяется на значительно большие расстояния. Во-вторых, каждый сперматозоид комбинирует информацию, получаемую от разных рецепторов хемотаксиса и 'калькулирует' свое положение соответственно относительных концентраций воспринимаемых хемоаттрактантов. В-третьих, возможно, что разные хемоаттрактанты вызывают разные поведенческие реакции спермиев. В-четвертых, т.к. оплодотворение является столь критическим, то многообразие хемоаттрактантов может служить в качестве 'back-up' (дубля). Наконец, разные сперматозоиды могут отвечать на разные хемоаттрактанты, приводя в результате к отбору спермиев. Эта возможность согласуется с предположением (базирующемся на находке, что гены человеческих лейкоцитарных сцепленных с антигеном транскрибируются в тестисах) , что экспрессируемые в семенниках человека лейкоцитарный антиген и белки обонятельных рецепторов функционально связаны и участвуют в селекции сперматозоидов, делая возможным отличие 'своих' от 'чужих'63. Возможно также, что специфический к хемоаттрактанту отбор спермиев, если он существует у млекопитающих, может участвовать в конкуренции спермиев или позволяет самкам выбирать спермии. Хотелось бы подчеркнуть, что все эти возможности спекулятивны и сегодня не имеют твердых доказательств в свою пользу.
Molecular mechanisms of sperm chemotaxis
Оба молекулярных механизма хемотаксиса спермиев sperm изучены недостаточно. Немногие кусочки головоломки получены в исследованиях сперматозоидов морских беспозвоночных, у которых хемоаттрактанты спермиев хорошо известны и у которых (в отличие от млекопитающих) большинство сперматозоидов чувствительны к хемотаксису и, следовательно, хемотаксис спермиев легко измерить9,10. Модели молекулярного механизма хемотаксиса спермиев у таких видов опубликованы (rev. Refs 64,65). Однако, недавние исследования, проведенные преимущественно на морских ежах Arbacia punctulata43,66 и морских звездах Asterias amurensis67, не подтвердили опубликованные модели. Эти исследования привели к др. модели, согласно которой хемотактические рецепторы, guanylyl cyclase68 расположенные на жгутиках67, активируются в ответ на связывание хемоаттрактанта69 (resact у A. punctulata70 и asterosap у A. amurensis67). Соотв. концентрация cyclic GMP возрастает быстро и временно43,67, и это кратковременное увеличение, как полагают, приводит к пику внутриклеточной концентрации Ca2+ (Ca2+in)43,67,71,72. Подъем Ca2+in как известно вызывает повышенную асимметрию жгутиков и снижение линейности плавания71,73. Итак, в зависимости от времени пиков Ca2+in плавание спермиев изменяется, чтобы приблизиться к хемоаттрактанту41.
Имеющаяся информация о молекулярных механизмах хемотаксиса спермиев у млекопитающих ограничена и в основном касается идентификации некоторых хемотактических рецепторов и индуцированных хемоаттрактантами изменений Ca2+in. Обнаружение с G-белком сцепленных обонятельных рецепторов в спермиях млекопитающих74-82 и их локализация в средней части хвоста зрелых сперматозоидов35,78, открывает возможность, что некоторые из этих белков могут быть рецепторами хемотаксиса74,77. Недавно два самостоятельных обонятельных рецептора - OR17-4 (известного также как OR1D2) на жгутиках сперматозоидов человека36 и OR23 в округлых мышей (точная локализация не установлена)51 - были идентифицированы и соотв. им лиганды, bourgeonal и lyral, были установлены в качестве хемоаттрактантов спермиев.
Стимуляция сперматозоидов человека с помощью bourgeonal приводи ко временному увеличению Ca2+in36, возникающему в средней части жгутика и распространяющемуся к головке спермия35. Обнаружение ассоциированной с мембраной изоформы adenylyl cyclase в жгутиках спермиев и наблюдение, что специфический антагонист этого энзима (SQ22536 в концентрации 5 mM) ингибирует хемотактическую реакцию на bourgeonal, открывает возможность, что хемотактическая реакция на bourgeonal может быть опосредована с помощью мембранной adenylyl cyclase35. (Чтобы подтвердить эту возможность, необходимо проведение экспериментов, демонстрирующих, что bourgeonal в самом деле вызывает повышение cAMP и что такое повышение увеличивает Ca2+in в сперматозоидах человека.) Следовательно, существует возможность, что хемотактическая стимуляция OR17-4 запускает сигнальный путь, сходный с тем, что наблюдается в обонятельной системе35 (Fig. 3). Необходимо подчеркнуть, что многие из обонятельных рецепторов экспрессируются в семенниках; следовательно, очень возможно, что многие из них одновременно присутствуют и в спермиях. Если это окажется действительно так, то это будет в согласии с многообразием хемоаттрактантов.
Обнаружение, что прогестерон в концентрациях pM ранга является хемоаттрактантом для сперматозоидов человека и кролика50 указывает на то, что, по крайней мере, один из двух прогестероновых рецепторов, которые идентифицированы на клеточной поверхности сперматозоидов млекопитающих44,83,84 (и которые отличны от соматических клеток), являются рецепторами хемотаксиса. Эти прогестероновые рецепторы связывают прогестерон с Kd 6 × 10-10 и 3 × 10-5M, соотв.44. Они ещё не были клонированы, изолированы или секвенированы. Один из прогестероновых рецепторов располагается в головке сперматозоида, но неизвестно, является ли он рецептором хемотаксиса или прогестороновым хемотактическим рецептором является др. белок, расположены на жгутике, как и OR17-4.
Путь сигнальной трансдукции, который действует во время хемотаксиса на прогестерон еще не выяснен. Однако, Harper et al.85 показали, что концентрационный градиент прогестерона, начиная менее, чем с 10-8 M, стимулирует осцилляции Ca2+in в соединении между каудальной частью головки и средней частью сперматозоида. Эти осцилляции Ca2+, которые напоминают быстрые осцилляторные пики, наблюдаемые у морского ежа A. punctulata в ответ на стимуляцию хемоатрактантом resact41, синхронны с активностью жгутиков, указывая тем самым, что они модулируют биения жгутиков85. Др. запускаемые прогестероном молекулярные события были идентифицированы в сперматозоидах млекопитающих (напр., деполризация клеточной мембраны, увеличение внутриклеточного pH, повышение концентрации cAMP и активация phospholipase A, protein kinase C и др. кинраз). Однако, так как progesterone стимулирует ряд и др. функций спермиев, таких как гиперактивация, capacitation и акросомная реакция, то большинство из этих молекулярных событий ассоциирует с этими функциями (Ref. 86 rev.). Остается посмотреть, не могут ли некоторые из этих внутриклеточных событий участвовать также в индуцированной прогестероном хемотактическом сигнальном пути.
Существует др. возможность, как в спермиях морских ежей и морских звезд, что одним из рецепторов хемотаксиса на сперматозоидах млекопитающих является guanylyl cyclase. Однако, имеются только косвенные доказательства, что сперматозоиды человека отвечают хемотактически на ANP, который является активатором мембранной guanylyl cyclase59. Возможно, что сперматозоиды млекопитающих обладают несколькими путями сигнальной трансдукции, которые могут быть комплементарными или что разные хемоаттрактанты могут запускать разные системы сигнальной трансдукции.
Mammalian sperm thermotaxis
Место оплодотворения в яйцеводе, как было установлено, на 1-2°C теплее места хранения сперматозоидов у кроликов28 и свиней29 (Fig. 1). Однако, данные о температуре в фаллопиевых трубах людей неизвестны. Недавние исследования у кроликов показали, что температурные различия зависят от времени и что различия увеличиваются с 0.8 ± 0.2°C перед овуляцией до 1.6 ± 0.1°C после овуляции24. Эти изменения обусловлены понижением температуры в месте хранения скорее, чем повышения температуры в месте оплодотворения. Три механизма были предположены для зависимого от овуляции понижения температуры в месте хранения24: во-первых, гормоном контролируемое локальное высвобождение кислого mucus glycoprotein - макромолекулы, которая подвергается экстенсивной эндотермической hydration - в месте хранения87; во-вторых, кровь от соседних вен яичников охлаждает кровь, которая поступает к месту хранения путем противоточного (counter-current) обмена теплом28,29,88; и, в третьих, зависимое от овуляции изменение в источнике кровоснабжения места хранения - более теплые овариальные артерии перед овуляцией и более холодные маточные артерии после овуляции89. Возможно, что эти механизмы функционируют сочетанно, чтобы понизить температуру места хранения.
Bahat et al.8 показали, что сперматозоиды людей и кроликов могут воспринимать температурные различия и отвечать на них термотаксисом; т.е., уплывая от более холодной к более теплой температуре. Термотактическая реакция столь же сильная при различии температур в 0.5°C как и при различии в 2°C, это указывает на то, что сперматозоиды могут ощущать небольшие температурные отличия. Однако, т.к.расстояние между местом хранения и оплодотворения значительно больше, чем расстояние используемое в подходах изучения термотаксиса in vitro8, то температурный градиент, который воспринимается сперматозоидами in vivo, по-видимому, более мелкий. Пока неизвестно, могут ли сперматозоиды воспринимать как поверхностный температурный градиент, как таковой, существующий в яйцеводах. Являются ли как в случае хемотаксиса у млекопитающих, только capacitated сперматозоиды чувствительными к термотаксису, пока неизвестно.
Conclusions and perspectives
The research field of mammalian sperm guidance was non-existent a little more than a decade ago. In recent years, the concept of mammalian sperm guidance has been revolutionized in the sense that, unlike the prevailing dogma, it became clear that mammalian spermatozoa have the ability to be actively guided to the egg. Two of the mechanisms by which this guidance is achieved have been revealed: chemotaxis and thermotaxis. However, many important questions are still unresolved. For example, what are the identities of all the physiological chemoattractants? Are the egg and the cumulus cells the only physiologically relevant sources of chemoattractants in vivo? Are there sequential processes of chemotaxis along the oviduct? Are there several different chemoattractant-specific, behavioural response mechanisms in each mammalian species? And if so, what purpose does this multiplicity of mechanisms serve? What are the signal-transduction pathways that are involved in sperm chemotaxis in response to the various chemoattractants, and do these pathways function in concert or individually under different conditions? Does thermotaxis have a unique signal-transduction pathway or does it converge on one of the chemotaxis pathways? What is the identity of the thermosensor for thermotaxis? Furthermore, all the conclusions about the function and location of sperm chemotaxis and thermotaxis have been reached on the basis of in vitro experiments only and they, therefore, await verification in vivo.
Obtaining answers to questions like these will not only increase our understanding of mammalian fertilization but might also allow obvious clinical applications. For example, both chemotaxis and thermotaxis can potentially be used in clinical procedures to obtain sperm populations that are enriched with capacitated spermatozoa in vitro. They can also be exploited as a diagnostic tool to assess sperm quality. In addition, these processes can potentially be used, in the long run, as a means of contraception by interfering with the normal process of fertilization.
See
all 9 matches for News And Views