Akrosomreaktion - Acrosome reaction

Akrosomreaktion auf einer Seeigelzelle

Bei der Befruchtung muss ein Spermium zunächst mit der Plasmamembran verschmelzen und dann in die weibliche Eizelle eindringen , um diese zu befruchten. Die Verschmelzung mit der Eizelle bereitet normalerweise wenig Probleme, während das Eindringen durch die harte Schale oder die extrazelluläre Matrix des Eies schwieriger sein kann. Daher durchlaufen die Samenzellen einen Prozess, der als Akrosomreaktion bekannt ist. Dies ist die Reaktion, die im Akrosom des Spermiums auftritt, wenn es sich der Eizelle nähert. Das Akrosom ist eine kappenartige Struktur über der vorderen Hälfte des Spermienkopfes.

Wenn sich das Spermium der Zona pellucida der Eizelle nähert , die für die Initiierung der Akrosomreaktion notwendig ist, verschmilzt die das Akrosom umgebende Membran mit der Plasmamembran des Spermiumkopfes und gibt den Inhalt des Akrosoms frei. Der Inhalt umfasst Oberflächenantigene, die für die Bindung an die Zellmembran des Eies notwendig sind, und zahlreiche Enzyme, die dafür verantwortlich sind, die harte Hülle des Eies zu durchbrechen und die Befruchtung zu ermöglichen.

Variationen zwischen den Arten

Es gibt erhebliche Artenvariationen in der Morphologie und den Folgen der Akrosomreaktion. Bei mehreren Arten wurde der Auslöser für die Akrosomreaktion in einer das Ei umgebenden Schicht identifiziert.

Stachelhäuter

Bei einigen niederen Tierarten bildet sich an der Spitze des Spermienkopfes eine Ausstülpung (der akrosomale Prozess), die von einem Kern aus Aktin-Mikrofilamenten getragen wird. Die Membran an der Spitze des Akrosomfortsatzes verschmilzt mit der Plasmamembran des Eies.

Bei einigen Stachelhäutern, einschließlich Seesternen und Seeigeln , enthält ein erheblicher Teil des freigelegten akrosomalen Inhalts ein Protein, das die Spermien vorübergehend auf der Oberfläche der Eizelle hält.

Säugetiere

Bei Säugetieren setzt die Akrosomreaktion Hyaluronidase und Acrosin frei ; ihre Rolle bei der Befruchtung ist noch nicht klar. Die akrosomale Reaktion setzt erst ein, wenn die Spermien mit der Zona pellucida der Eizelle in Kontakt kommen . Bei Kontakt mit der Zona pellucida beginnen sich die akrosomalen Enzyme aufzulösen und das Aktinfilament kommt in Kontakt mit der Zona pellucida. Sobald sich die beiden treffen, kommt es zu einem Kalziumeinstrom, der eine Signalkaskade auslöst. Die kortikalen Granula innerhalb der Eizelle verschmelzen dann mit der äußeren Membran und es kommt zu einer schnellen schnellen Blockreaktion.

Es verändert auch ein Stück einer bereits bestehenden Plasmamembran der Spermien, sodass es mit der Plasmamembran der Eizelle verschmelzen kann.

Ein Spermienpenetrationstest umfasst einen Akrosom-Reaktionstest, der bewertet, wie gut ein Spermium während des Befruchtungsprozesses abschneiden kann. Spermien, die die Akrosomreaktion nicht richtig durchlaufen können, können keine Eizelle befruchten. Dieses Problem tritt jedoch nur bei etwa 5% der Männer auf, die den Test durchgeführt haben. Dieser Test ist ziemlich teuer und liefert nur begrenzte Informationen über die Fruchtbarkeit eines Mannes.

In anderen Fällen, wie bei der Waldmaus Apodemus sylvaticus , wurde festgestellt, dass vorzeitige Akrosomenreaktionen eine erhöhte Beweglichkeit in Aggregaten von Spermatozoen verursachen, die die Befruchtung fördern.

Der Prozess

Die akrosomale Reaktion findet normalerweise in der Ampulle des Eileiters (Befruchtungsstelle) statt, wenn das Sperma in die sekundäre Eizelle eindringt. Der eigentlichen Akrosomreaktion gehen einige Ereignisse voraus . Die Samenzelle erhält ein "hyperaktives Motilitätsmuster", bei dem ihr Flagellum heftige peitschenartige Bewegungen ausführt, die das Sperma durch den Gebärmutterhalskanal und die Gebärmutterhöhle schleudern, bis es den Isthmus des Eileiters erreicht. Die Spermien nähern sich der Eizelle in der Ampulle des Eileiters mit Hilfe verschiedener Mechanismen, einschließlich Chemotaxis . Glykoproteine auf der äußeren Oberfläche der Spermien binden dann mit Glykoproteinen an der Zona pellucida der Eizelle.

Spermien, die die Akrosomreaktion nicht ausgelöst haben, bevor sie die Zona pellucida erreicht haben, können die Zona pellucida nicht durchdringen. Da die Akrosomreaktion bereits stattgefunden hat, können Spermien dann durch mechanische Einwirkung des Schwanzes in die Zona pellucida eindringen, nicht durch die Akrosomreaktion selbst.

Die erste Stufe ist die Penetration von Corona radiata, indem Hyaluronidase aus dem Akrosom freigesetzt wird, um die die Eizelle umgebenden Kumuluszellen zu verdauen und das an der inneren Membran des Spermiums befestigte Akrosin freizulegen. Die Kumuluszellen sind in eine gelartige Substanz, die hauptsächlich aus Hyaluronsäure besteht, eingebettet und entwickeln sich im Eierstock mit der Eizelle und unterstützen diese beim Wachsen. Die Akrosomreaktion muss stattfinden, bevor die Samenzelle die Zona pellucida erreicht.

Acrosin verdaut die Zona pellucida und die Membran der Eizelle. Ein Teil der Zellmembran des Spermiums verschmilzt dann mit der Membran der Eizelle und der Inhalt des Kopfes sinkt in die Eizelle. Bei der Maus wurde gezeigt, dass ZP3, eines der Proteine, aus denen die Zona pellucida besteht, an ein Partnermolekül (an die β1,4-Galactosyltransferase-Rezeptoren) des Spermas bindet. Dieser Schloss-und-Schlüssel-Mechanismus ist artspezifisch und verhindert, dass Spermien und Eizellen verschiedener Arten miteinander verschmelzen. Die Zona pellucida setzt auch Ca-Granula frei, um die Bindung anderer Spermien zu verhindern. Es gibt Hinweise darauf, dass diese Bindung das Akrosom dazu veranlasst, die Enzyme freizusetzen, die es den Spermien ermöglichen, mit der Eizelle zu verschmelzen. Ein ähnlicher Mechanismus tritt wahrscheinlich bei anderen Säugetieren auf, aber die Diversität der Zona-Proteine ​​zwischen den Arten bedeutet, dass das relevante Protein und der Rezeptor unterschiedlich sein können.

Neuere wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass die akrosomale Reaktion notwendig ist, um ein Protein namens IZUMO1 auf den Spermien freizulegen : Ohne die Reaktion können Spermien immer noch durch die Zona pellucida zur Eimembran eindringen, aber nicht fusionieren. Wie in Studien mit Mäusen gezeigt, bindet IZUMO1 an das Eizellenprotein JUNO und sobald sie miteinander verbunden sind, verschmelzen das Spermium und die Eizelle zu zwei Vorkernen. Diese Vorkerne versorgen die Zygote mit dem genetischen Material, das für die Bildung eines Embryos notwendig ist. Sobald die Verschmelzung von Sperma und Eizelle abgeschlossen ist, wird außerdem Phospholipase C zeta aus dem Sperma freigesetzt.

Bei der Penetration tritt, wenn alles normal abläuft, der Prozess der Eiaktivierung auf, und die Eizelle soll aktiviert worden sein . Es wird angenommen, dass dies durch eine spezifische Proteinphospholipase c zeta induziert wird. Es durchläuft seine sekundäre meiotische Teilung und die beiden haploiden Kerne (väterlicherseits und mütterlicherseits) verschmelzen zu einer Zygote . Um Polyspermie zu verhindern und die Möglichkeit der Bildung einer triploiden Zygote zu minimieren , machen mehrere Veränderungen der Zellmembranen der Eizelle diese kurz nach dem Eintritt der ersten Spermien in die Eizelle undurchdringlich (z. B. der schnelle Verlust von JUNO).

Spontane Akrosomreaktion

Spermatozoen können die akrosomale Reaktion lange vor Erreichen der Zona pellucida sowie in vitro in einem geeigneten Kulturmedium auslösen. Dies wird als spontane Akrosomreaktion (SAR) bezeichnet.

Es ist nun bekannt, dass dieses Phänomen in gewissem Sinne bei Säugetierarten physiologisch normal ist. Die Akrosomreaktion wird durch die Passage durch die Cumulus oophorus- Zellen induziert, vermittelt durch die von ihnen sezernierten Hormone (wie Progesteron , LPA , LPC ).

Die physiologische Rolle der wirklich spontanen akrosomalen Reaktion, die weit vor diesem Punkt im weiblichen Fortpflanzungstrakt oder in vitro auftritt , ist jedoch ein separates Phänomen.

Bei Mäusen hat es sich als physiologisch normal und häufig erwiesen. Mäusespermien, die eine völlig spontane Akrosomreaktion durchlaufen haben, können noch Eier befruchten. Darüber hinaus ist die Rate spontaner Akrosomreaktionen bei promiskuitiveren Arten wie Apodemus sylvaticus höher , die einer starken Spermienkonkurrenz ausgesetzt sind.

Beim Menschen auf der anderen Seite bleibt es umstritten , wo genau die Akrosomalreaktion in physiologischer Befruchtung eingeleitet wird, aufgrund experimenteller Einschränkungen (zum Beispiel Tierstudien Gebrauch machen können transgene Mäuse mit fluoreszierenden Spermien, während Studien am Menschen nicht möglich ist ).

Studien wurden mit der Absicht durchgeführt, die In-vitro- SAR-Rate in menschlichen Spermien mit der Spermienqualität und Befruchtungsrate zu verknüpfen , aber die Gesamtergebnisse sind gemischt und scheinen ab 2018 klinisch nicht nützlich zu sein.

Bei der In-vitro- Fertilisation

Bei der intrazytoplasmatischen Spermieninjektion (ICSI) für IVF ist die Implantationsrate bei Eizellen, denen Spermatozoen injiziert wurden, die eine Akrosomreaktion durchlaufen haben, höher (~40%) als bei denen, in die nicht reagierte Spermatozoen injiziert wurden (~10%). Die Implantationsrate beträgt ~25%, wenn sowohl reagierte als auch nicht reagierte Spermatozoen injiziert werden. Die Förderleistung pro Zyklus folgt dem gleichen Trend.

Die Akrosomreaktion kann in vitro durch Substanzen stimuliert werden, denen eine Samenzelle natürlich begegnet, wie Progesteron oder Follikelflüssigkeit , sowie das häufiger verwendete Calcium- Ionophor A23187 .

Bewertung

Doppelbrechungsmikroskopie , Durchflusszytometrie oder Fluoreszenzmikroskopie können verwendet werden, um das Ausscheiden des Akrosoms oder die "Akrosomreaktion" einer Spermienprobe zu beurteilen. Durchflusszytometrie und Fluoreszenzmikroskopie werden normalerweise nach der Färbung mit einem fluoresceinierten Lektin wie FITC-PNA, FITC-PSA, FITC-ConA oder einem fluoresceinierten Antikörper wie FITC-CD46 durchgeführt. Die Antikörper/Lectine haben eine hohe Spezifität für verschiedene Teile der akrosomalen Region und binden nur an eine bestimmte Stelle (Akrosomalgehalt/innere/äußere Membran). Wenn sie an ein fluoreszierendes Molekül gebunden sind, können Regionen, an denen diese Sonden gebunden haben, sichtbar gemacht werden. Als Positivkontrolle können Samenzellen mit künstlich induzierten Akrosomenreaktionen dienen.

Für die Fluoreszenzmikroskopie wird ein Abstrich von gewaschenen Spermien gemacht, luftgetrocknet, permeabilisiert und dann gefärbt. Ein solcher Objektträger wird dann unter dem Licht einer Wellenlänge betrachtet, die eine Fluoreszenz der Sonde bewirkt, wenn sie an die akrosomale Region gebunden ist. Mindestens 200 Zellen werden willkürlich betrachtet und entweder als Akrosom intakt (fluoreszierend hellgrün) oder als Akrosom reagiert (keine Sonde vorhanden oder nur in der äquatorialen Region) klassifiziert. Sie wird dann als Prozentsatz der gezählten Zellen ausgedrückt.

Zur Beurteilung mit Durchflusszytometrie werden die gewaschenen Zellen mit der ausgewählten Sonde inkubiert, möglicherweise erneut passiert und dann in einem Durchflusszytometer Proben entnommen. Nach dem Gating der Zellpopulation nach Vorwärts- und Seitenstreuung können die resultierenden Daten analysiert (zB mittlere Fluoreszenzen verglichen) werden. Bei dieser Technik könnte auch eine Sonde für die Lebensfähigkeit wie Propidiumiodid (PI) eingeschlossen werden, um tote Zellen von der Akrosombewertung auszuschließen, da viele Spermien ihr Akrosom spontan verlieren, wenn sie sterben.

Siehe auch

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