Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сперматозоид пен жұмыртқаның кездесу процесі
Sperm meets egg process
Сперматозоид пен жұмыртқа жасушасы арасында ұрықтанудың болуы үшін, сперматозоидтың алдымен плазмалық мембранамен бірігіп, содан кейін әйелдің жұмыртқа жасушасына еніп, оны ұрықтандыруы қажет. Сперматозоидтың жұмыртқа жасушасының плазмалық мембранасымен бірігуі салыстырмалы түрде оңай болғанымен, жұмыртқаның қорғаныш қабаттарына, мысалы, zona pellucida қабатына ену елеулі қиындық тудырады. Сондықтан, сперматозоидтар акросомалық реакция деп аталатын процестен өтеді, яғни, сперматозоид жұмыртқаға жақындағанда акросомасында болатын реакция. Акросома – Гольджи аппаратынан пайда болатын, мембранамен шектелген органелла, әдетте пісіп-жетілген сперматозоидтың басының ұшында орналасқан. Ол ұрықтану үшін қажетті түрлі ферменттер мен антигендерді қамтиды. Бұрынғыда орналасуына байланысты "апикалық дене" немесе сперматозоидтың жұмыртқаға енуіне көмектесетіні болжамдалғандықтан "перфораторий" деп аталған. Сперматозоид акросомалық реакцияны бастау үшін қажетті зона pellucida қабатына жақындағанда, акросоманы қоршап тұрған мембрана сперматозоидтың плазмалық мембранасымен бірігіп, акросоманың ішкі мазмұнын ашыққа шығарады. Оның құрамында жұмыртқаның жасушалық мембранасына байланысуға қажетті беттік антигендер және жұмыртқаның берік қабығын бұзып, ұрықтандырудың жүзеге асуын қамтамасыз ететін көптеген ферменттер бар.
For fertilization to happen between a sperm and egg cell, a sperm must first fuse with the plasma membrane and then penetrate the female egg cell to fertilize it. While the fusion of the sperm cell with the egg cell's plasma membrane is relatively straightforward, penetrating the egg's protective layers, such as the zona pellucida, presents a significant challenge. Therefore, sperm cells go through a process known as the acrosome reaction, which is the reaction that occurs in the acrosome of the sperm as it approaches the egg. The acrosome is a membrane bound organelle of Golgi apparatus origin, commonly located at the tip of the head of the mature spermatozoon, Which contains a variety of enzymes and antigens required for fertilization. It was once called "apical body" because of its location, or "perforatorium" on the assumption that it might assist the spermatozoon boring into the egg. As the sperm approaches the zona pellucida of the egg, which is necessary for initiating the acrosome reaction, the membrane surrounding the acrosome fuses with the plasma membrane of the sperm's head, exposing the contents of the acrosome. The contents include surface antigens necessary for binding to the egg's cell membrane, and numerous enzymes which are responsible for breaking through the egg's tough coating and allowing fertilization to occur.
Түрлер арасындағы айырмашылықтар
Морфология және акросомалық реакцияның нәтижелері бойынша түрлер арасында маңызды айырмашылықтар бар. Көптеген түрлерде акросомалық реакцияның басталуы жұмыртқаның сыртындағы қабатта анықталған.
There are considerable species variations in the morphology and consequences of the acrosome reaction. In several species, the trigger for the acrosome reaction has been identified in a layer that surrounds the egg.
Эхинодермиялық жануарлар
Кейбір төменгі жануарлар түрінде актин микрофиламенттерінің өзегімен сүйенетін сперматозоид басының ең жоғарғы нүктесінде шығыңқылық (акросомалық процесс) қалыптасады. Акросомалық процестің ұшындағы мембрана жұмыртқаның плазмалық мембранасымен қосылады. Кейбір теңіз жұлдыздары мен теңіз кірпісі сияқты эхинодермдерде, ашық акросомалық мазмұның маңызды бөлігінде сперматозоидты жұмыртқа бетінде уақытша ұстап тұратын белок болады.
In some lower animal species, a protuberance (the acrosomal process) forms at the apex of the sperm head, supported by a core of actin microfilaments. The membrane at the tip of the acrosomal process fuses with the egg's plasma membrane. In some echinoderms, including starfish and sea urchins, a significant portion of the exposed acrosomal content contains a protein that temporarily holds the sperm on the egg's surface.
Сүтқоректілер
Сүтқоректілерде акросомалық реакция гиалуронидаза және акрозин бөліп шығарады; олардың ұрықтандырудағы рөлі әлі толық анықталған жоқ. Акросомалық реакция сперматозоидтар жұмыртқа жасушасының зона пеллюцидасымен жанасқанда басталады. Зона пеллюцидасымен жанасқанда акросомалық ферменттер еріп, актин талшықтары зона пеллюцидасымен жанасады. Екі жағдай кездескенде кальций ағыны пайда болып, сигналдық каскадты тудырады. Содан кейін жұмыртқа жасушасының кортикальды гранулалары сыртқы мембранамен бірігіп, жылдам блокадалық реакция жүзеге асады. Бұдан әрі, жұмыртқа жасушасының кортикальды гранулалары сыртқы мембранамен бірігіп, жылдам блокадалық реакцияны күшейтеді. Бұл реакция сперматозоидтың плазмалық мембранасының бір бөлігін өзгертіп, жұмыртқаның плазмалық мембранасымен бірігуіне көмектеседі. Сперматозоидтардың енуін бағалауға арналған тестке акросомалық реакцияны анықтау кіреді, ол сперматозоидтың ұрықтандыру процесінде қаншалықты тиімді жұмыс істейтінін бағалайды. Акросомалық реакциядан дұрыс өтпеген сперматозоидтар жұмыртқаны ұрықтандыра алмайды. Дегенмен, бұл мәселе тест тапсырған еркектердің шамамен 5% ғана емес. Бұл тест өте қымбат және ер адамның фертильдігі туралы шектеулі ақпарат береді. Басқа жағдайларда, мысалы, орман тышқаны Apodemus sylvaticus-та ерте акросомалық реакциялар сперматозоидтардың жиынтығының қозғалғыштығын арттырып, ұрықтандыруға көмектеседі.
In mammals, the acrosome reaction releases hyaluronidase and acrosin; their role in fertilization is not yet clear. The acrosomal reaction is initiated when sperm comes into contact with the oocyte's zona pellucida. Upon coming into contact with the zona pellucida, the acrosomal enzymes begin to dissolve, and the actin filament comes into contact with the zona pellucida. Once the two meet, a calcium influx occurs, causing a signaling cascade. The cortical granules inside the oocyte then fuse to the outer membrane, and a quick fast block reaction occurs. Furthermore, the cortical granules inside the oocyte fuse with the outer membrane, initiating a rapid block reaction. This reaction alters a patch of pre existing sperm plasma membrane, facilitating fusion with the egg plasma membrane. A sperm penetration assay includes an acrosome reaction test that assesses how well a sperm can perform during the fertilization process. Sperm that are unable to go through the acrosome reaction properly will not be able to fertilize an egg. However, this problem only occurs in about 5% of men that have the test done. This test is rather expensive and provides limited information on a man's fertility. In other cases, such as in the wood mouse Apodemus sylvaticus, premature acrosome reactions have been found to cause increased motility in aggregates of spermatozoa promoting fertilization.
Процесс
Акросомалық реакция әдетте ұрықтық түтіктің ампуласында, яғни ұрықтандыру орнында пайда болады, сперматозоидтар екіншілік ооцитке енген кезде. Алдын ала оқиғалар акросомалық реакцияға дайындық жасайды. Сперматозоидтар бірқатар өзгерістерге ұшырайды, соның ішінде "гиперактивті қозғалыс үлгісі" пайда болады, онда оның қамшысы жатыр мойны каналы мен жатыр қуысы арқылы, ұрықтық түтіктің аралық бөлігіне жеткенше күшті қамшы сияқты қозғалыстар жасайды. Химиотаксис сияқты түрлі механизмдер сперматозоидтың ұрықтық түтіктің ампуласындағы жұмыртқаға жақындауына көмектеседі. Жақын орналасқанда сперматозоидтың сыртқы бетіндегі гликопротеиндер жұмыртқаның зона пеллюцидасындағы гликопротеиндермен байланысады. Акросомалық реакцияны бастай алмаған сперматозоидтар зона пеллюцидаға жеткенше, оған енуге қабілетсіз. Акросомалық реакция болғандықтан, сперматозоидтар акросомалық реакцияның өзінен емес, құйрықтың механикалық әрекеті арқылы зона пеллюцидаға енуге қабілетті. Бірінші кезең – корона радиатаның енуі, акросомадан гиалуронидазаның босатылуы арқылы ооцитті қоршап тұрған кумул клеткаларын қорыту және сперматозоидтың ішкі мембранасына бекітілген акрозиннің ашылуы. Кумул клеткалары негізінен гиалурон қышқылынан тұратын гель тәрізді затқа еніп, жұмыртқалық безде пайда болып, оның өсуін қолдайды. Акросомалық реакция сперматозоид зона пеллюцидаға жеткенге дейін басталуы керек. Егешқұйрықтарда жүргізілген зерттеулерде IZUMO1 жұмыртқаның JUNO протеинімен байланысады, ал байланысқаннан кейін сперматозоид пен жұмыртқа бірігіп екі пронуклеус құрайды. Бұл пронуклеустар зиготаға эмбрионның қалыптасуына қажетті генетикалық материалды жеткізеді. Сонымен қатар, сперматозоид пен ооциттің бірігуі аяқталғаннан кейін сперматозоидтан фосфолипаза С-зета бөлінеді. Егер барлық жағдай қалыпты болса, ену мен бірігуден кейін фосфолипаза С-зета сияқты ақуыздардың көмегімен жұмыртқаның белсендіру процесі жүреді және ооцит белсендіріледі. Бұл белгілі бір фосфолипаза С-зета ақуызының әсерінен болатыны күтілуде. Ол екінші мейоздық бөлінуден өтеді, ал екі гаплоидты ядро (әкелік және аналық) бірігіп зигота құрайды. Полиспермияның алдын алу және триплоидты зиготаның пайда болу мүмкіндігін азайту үшін жұмыртқаның жасушалық мембраналары бірнеше өзгерістерге ұшырайды, олар алғашқы сперматозоид жұмыртқаға енгеннен кейін көп ұзамай оларды өткізбейді (мысалы, JUNO тез жоғалады). Дегенмен, әйелдің репродуктивтік жолында немесе in vitro жағдайында осы уақыттан бұрын болатын нақты спонтанды акросомалық реакцияның физиологиялық рөлі – бөлек құбылыс. Егешқұйрықтарда бұл физиологиялық тұрғыдан қалыпты және жиі кездесетін құбылыс екені анықталды. Толығымен спонтанды акросомалық реакциядан өткен егешқұйрық сперматозоидтары әлі де жұмыртқаларды ұрықтандыруға қабілетті. Адамда, керісінше, эксперименттік шектеулерге байланысты физиологиялық ұрықтандыруда акросомалық реакцияның нақты қай жерде басталатыны әлі де даулы болып қала береді (мысалы, жануарлар зерттеулері флуоресцентті сперматозоидтармен трансгенді егешқұйрықтарды пайдалана алады, ал адам зерттеулеріне мұндай мүмкіндік жоқ).
The acrosomal reaction typically occurs in the ampulla of the fallopian tube, the site of fertilization, when the sperm penetrates the secondary oocyte. Prior events prepare for the acrosome reaction. The sperm cell undergoes a series of changes, including acquiring a "hyperactive motility pattern" where its flagellum produces vigorous whip like movements propelling the sperm through the cervical canal and uterine cavity until it reaches the isthmus of the fallopian tube. Various mechanisms, including chemotaxis, aid the sperm in approaching the ovum in the ampulla of the fallopian tube. Once in close proximity, glycoproteins on the outer surface of the sperm bind with glycoproteins on the zona pellucida of the ovum. Sperm that fail to initiate the acrosome reaction prior to reaching to the zona pellucida are unable to penetrate the zona pellucida. Since the acrosome reaction has already occurred, sperm are then able to penetrate the zona pellucida due to mechanical action of the tail, not because of the acrosome reaction itself. The first stage is the penetration of corona radiata, by releasing hyaluronidase from the acrosome to digest cumulus cells surrounding the oocyte and exposing acrosin attached to the inner membrane of the sperm. The cumulus cells are embedded in a gel like substance made primarily of hyaluronic acid, and developed in the ovary with the egg and support it as it grows. The acrosome reaction must occur before the sperm cell reaches the zona pellucida. As seen in mouse studies, IZUMO1 binds to the oocyte protein JUNO and once bound together, the sperm and the egg fuse together to form two pronuclei. These pronuclei supply the zygote with the genetic material necessary for the formation of an embryo. Additionally, once the fusion of the sperm and oocyte is complete, phospholipase C zeta is released from the sperm. Following penetration and fusion, if all is normally occurring, the process of egg activation occurs facilitated by proteins like phospholipase C zeta, and the oocyte is said to have become activated. This is thought to be induced by a specific protein phospholipase c zeta. It undergoes its secondary meiotic division, and the two haploid nuclei (paternal and maternal) fuse to form a zygote. To prevent polyspermy and minimize the possibility of producing a triploid zygote, several changes to the egg's cell membranes render them impenetrable shortly after the first sperm enters the egg (such as the rapid loss of JUNO). However, the physiological role of truly spontaneous acrosomal reaction, occurring well before this point in the female reproductive tract, or in vitro, is a separate phenomenon. In mice, it has been well established as physiologically normal and common. Mouse sperm which have undergone fully spontaneous acrosome reaction are still able to fertilize eggs. In humans, on the other hand, it remains disputed where exactly the acrosome reaction is initiated in physiological fertilization, due to experimental constraints (for example, animal studies may make use of transgenic mice with fluorescent sperm, while human studies cannot).
Ин витро ұрықтандыру
ЭКО үшін интрацитоплазмалық сперматозоидты инъекциялау (ICSI) қолданғанда, акросомалық реакциядан өткен сперматозоидтармен инъекцияланған ооциттерде имплантация деңгейі жоғары (~40%), акросомалық реакциядан өтпеген сперматозоидтармен инъекцияланғандарға қарағанда (~10%). Егер реакцияға ұшыраған және ұшырамаған сперматозоидтар екеуімен де инъекцияланса, имплантация деңгейі ~25% құрайды. Бір цикл бойынша босану көрсеткіші де осы тенденцияны сақтайды. Акросомалық реакцияны сперматозоидтың табиғи жағдайда кездесетін заттармен, мысалы прогестерон немесе фолликулярлық сұйықтық арқылы, сондай-ақ көбірек қолданылатын кальций ионофоры A23187 арқылы ин витрода стимуляциялауға болады.
When using intracytoplasmic sperm injection (ICSI) for IVF, the implantation rate is higher in oocytes injected with spermatozoa that have undergone acrosome reaction (~40%) vs. those injected with nonreacted spermatozoa (~10%). The implantation rate is ~25% in when injected with both reacted and nonreacted spermatozoa. The delivery rate per cycle follows the same trend. The acrosome reaction can be stimulated in vitro by substances a sperm cell may encounter naturally, such as progesterone or follicular fluid, as well as the more commonly used calcium ionophore A23187.
Бағалау
Акросоманың немесе сперма үлгісінің "акросомалық реакциясының" бөлінуін бағалау үшін бирефрингенциялық микроскопия немесе флуоресценциялық микроскопия қолданылуы мүмкін. Ағын цитометриясы және флуоресценциялық микроскопия әдетте FITC PNA, FITC PSA, FITC ConA сияқты флуоресцеинді лектинмен немесе FITC CD46 сияқты флуоресцеинді антиденелермен бояудан кейін жүргізіледі. Антиденелер/лектиндер акросомалық аймақтың әртүрлі бөліктеріне жоғары ерекшелікпен байланысты және тек белгілі бір орынға (акросомалық мазмұн/ішкі/сыртқы мембрана) ғана байланысады. Егер флуоресцентті молекулаға байланысса, осы зондтардың байланған аймақтарын көруге болады. Жасанды түрде акросомалық реакция тудырылған сперматозоидтар оң бақылау ретінде қолданылуы мүмкін. Флуоресценттік микроскопияда жуылған сперматозоидтардың жағындысы жасалып, ауада кептіріледі, өткізгіштік қасиеттері өзгертіледі, содан кейін боялады. Мұндай жағынды акросомалық аймаққа байланысса, зондты флуоресценцияға ие ететін толқын ұзындығындағы жарықпен қарастырылады. Кем дегенде 200 жасуша кездейсоқ түрде қарастырылып, акросомасы сақталған (күшті жасыл флуоресценция) немесе акросомалық реакцияға түскен (зонд жоқ немесе тек экваторлық аймақта) деп жіктеледі. Нәтиже саналған жасушалардың пайыздық көрсеткіші ретінде беріледі. Ағын цитометриясымен бағалау үшін жуылған жасушалар таңдалған зондпен инкубацияланады, қажет болса қайтадан өңделеді, содан кейін ағын цитометрінде сынама алынады. Алдыңғы және бүйірлік шашырау бойынша жасуша популяциясын бөлуден кейін алынған деректер талданады (мысалы, орташа флуоресценциялар салыстырылады). Бұл техникамен акросомалық бағалаудан өлі жасушаларды шығарып тастау үшін пропидиум йоди (ПИ) сияқты жасушаның тірілігін бағалайтын зондты қосуға болады, себебі көптеген сперматозоидтар өліген кезде акросомасын өздігінен жоғалтады.
Birefringence microscopy, or fluorescence microscopy can be used for assessing the shedding of the acrosome or "acrosome reaction" of a sperm sample. Flow cytometry and fluorescence microscopy are usually done after staining with a fluoresceinated lectin such as FITC PNA, FITC PSA, FITC ConA, or fluoresceinated antibody such as FITC CD46. The antibodies/lectins have a high specificity for different parts of the acrosomal region, and will only bind to a specific site (acrosomal content/ inner/outer membrane). If bound to a fluorescent molecule, regions where these probes have bound can be visualised. Sperm cells with artificially induced acrosome reactions may serve as positive controls. For fluorescence microscopy, a smear of washed sperm cells is made, air dried, permeabilized, and then stained. Such a slide is then viewed under the light of a wavelength that will cause the probe to fluoresce if it is bound to the acrosomal region. At least 200 cells are considered arbitrarily and classified as either acrosome intact (fluorescing bright green), or acrosome reacted (no probe present, or only on the equatorial region). It is then expressed as a percentage of the counted cells. For assessment with flow cytometry, the washed cells are incubated with the chosen probe, possibly passed again, then sampled in a flow cytometer. After gating the cell population according to forward and side scatter, the resulting data can be analyzed (E. g. mean fluorescences compared). With this technique, a probe for viability such as propidium iodide (PI) could also be included in order to exclude dead cells from the acrosome assessment, since many sperm cells will spontaneously lose their acrosome when they die.