Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Этап созревания сперматозоидов млекопитающих – биологический процесс, связанный с размножением.
Step in mammalian sperm maturation
a biological process related to reproduction
Капацитация – предпоследний этап созревания сперматозоидов млекопитающих, необходимый для приобретения ими способности к оплодотворению яйцеклетки. Этот этап представляет собой биохимическое событие; сперматозоиды нормально двигаются и выглядят зрелыми до начала капацитации. In vivo капацитация происходит после эякуляции, когда сперматозоиды покидают влагалище и попадают в верхние отделы женского репродуктивного тракта. Матка способствует процессу капацитации, выделяя стерол-связывающий альбумин, липопротеины, а также протеолитические и гликозидазные ферменты, такие как гепарин. Для целей экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) капацитация осуществляется путем инкубирования сперматозоидов, полученных либо в результате эякуляции, либо из эпидидимиса, в специальной среде в течение нескольких часов. Существуют различные методы проведения капацитации: простое промывание, миграция (swim-up), градиенты плотности и фильтрация. Цель состоит в том, чтобы изолировать максимально возможное количество подвижных сперматозоидов и удалить неподвижные или мертвые сперматозоиды. После капацитации in vivo или in vitro сперматозоиды должны пройти заключительный этап созревания – активацию, включающую акросомную реакцию. Сперматозоиды не млекопитающих не нуждаются в капацитации и готовы к оплодотворению яйцеклетки сразу после выхода из мужского организма.
Capacitation is the penultimate step in the maturation of mammalian spermatozoa and is required to render them competent to fertilize an oocyte. This step is a biochemical event; the sperm move normally and look mature prior to capacitation. In vivo, capacitation occurs after ejaculation, when the spermatozoa leave the vagina and enter the upper female reproductive tract. The uterus aids in the steps of capacitation by secreting sterol binding albumin, lipoproteins, and proteolytic and glycosidasic enzymes such as heparin. For purposes of in vitro fertilization, capacitation occurs by incubating spermatozoa that have either undergone ejaculation or have been extracted from the epididymis and incubated in a defined medium for several hours. There are different techniques to perform the capacitation step: simple washing, migration (swim up), density gradients, and filter. The objective is to isolate as many motile spermatozoa as possible and to eliminate non motile or dead spermatozoa. After either in vivo or in vitro capacitation the sperm must undergo the final maturation step, activation, involving the acrosome reaction. Non mammalian spermatozoa do not require this capacitation step and are ready to fertilize an oocyte immediately after release from the male.
Функция и механизм
Капацитация имеет два эффекта: дестабилизация акросомальной мембраны головки сперматозоида, позволяющая ей проникать через внешнюю оболочку яйцеклетки, и химические изменения в хвосте, обеспечивающие повышение подвижности сперматозоидов. Эти изменения облегчаются удалением стеролов (например, холестерина) и нековалентно связанных эпидидимальных/семенных гликопротеинов. В результате формируется более текучая мембрана с повышенной проницаемостью для ионов Ca2+. Приток Ca2+ вызывает увеличение внутриклеточного уровня цАМФ и, следовательно, повышение подвижности. Гиперактивация начинается одновременно с капацитацией и является следствием повышения уровня Ca2+. Она оказывает синергетическое стимулирующее действие с аденозином, увеличивая активность аденилатциклазы в сперматозоидах. Трипептидный пептид, способствующий оплодотворению (FPP), играет важную роль в регуляции капацитации. FPP вырабатывается в предстательной железе как компонент семенной жидкости. FPP контактирует со сперматозоидами во время эякуляции, при смешивании спермы и семенной жидкости. Высокие концентрации активного FPP препятствуют капацитации. После эякуляции концентрация FPP снижается в женском репродуктивном тракте.
Capacitation has two effects: destabilisation of the acrosomal sperm head membrane which allows it to penetrate the outer layer of the egg, and chemical changes in the tail that allow a greater mobility in the sperm. The changes are facilitated by the removal of sterols (e. g. cholesterol) and non covalently bound epididymal/seminal glycoproteins. The result is a more fluid membrane with an increased permeability to Ca2+ ion. An influx of Ca2+ produces increased intracellular cAMP levels and thus, an increase in motility. Hyperactivation coincides with the onset of capacitation and is the result of the increased Ca2+ levels. It has a synergistic stimulatory effect with adenosine that increases adenylyl cyclase activity in the sperm. The tripeptide fertilization promoting peptide (FPP) is essential for controlling capacitation. FPP is produced in the prostate gland as a component of the seminal fluid. FPP comes into contact with the spermatozoa during ejaculation, as the sperm and seminal fluid mix. High levels of active FPP prevent capacitation. After ejaculation, the concentration of FPP drops in the female reproductive tract.
Индукция
Поскольку вспомогательные репродуктивные технологии, такие как экстракорпоральное оплодотворение (IVF) или внутриматочная инсеминация (IUI), требуют индукции фертильности сперматозоидов вне нормальных биологических параметров, было разработано множество методов для индукции этого процесса в сперматозоидах млекопитающих. Сперматозоиды получают посредством эякуляции или из придатков яичка и оставляют для разжижения при комнатной температуре. Затем фертильность может быть индуцирована путем добавления сред, предназначенных для имитации электролитного состава фаллопиевых труб, где происходит оплодотворение. Эти среды различаются в зависимости от вида, но основаны на солевом растворе и содержат энергетические субстраты, такие как лактат, пируват и, возможно, глюкозу. Для облегчения удаления холестерина из мембраны сперматозоида необходим акцептор холестерина, которым всегда является альбумин. В исследованиях на животных in vitro обычно используется бычий сывороточный альбумин, а альбумин сыворотки человека (HSA) – для индукции фертильности спермы человека. Бикарбонат является важным компонентом сред, индуцирующих фертильность, поскольку он ко-транспортируется в цитозоль, где активирует растворимую аденилатциклазу (sAC), а также действует как буфер pH, необходимый для предотвращения снижения pH в культуре – необходимое дополнение при инкубации клеток при 5% CO2, что обычно используется, хотя и не обязательно. Хлорид кальция добавляется для облегчения притока ионов кальция. В моделях на животных обычно в качестве основы используется среда Tyrode's albumin lactate pyruvate (TALP), содержащая все эти компоненты. У людей используется жидкость маточных труб человека (HTF). Эти среды могут быть дополнены другими химическими веществами для индукции гиперактивированной подвижности сперматозоидов и/или акросомной реакции. Для экстракорпорального оплодотворения животных in vitro кофеин в концентрации 5 мМ является сильным индуктором фертильности сперматозоидов in vitro. Ионофоры кальция также идеально подходят для индукции фертильности. Катехоламины, такие как норэпинефрин, в низких концентрациях, как было показано, способствуют индукции акросомной реакции.
Because assisted reproductive technologies, or ARTs, such as in vitro fertilization (IVF) or intrauterine insemination (IUI) require the induction of sperm cell capacitation outside of normal biological parameters, numerous methods have been developed to induce this process in mammalian sperm cells. Sperm cells are harvested through ejaculation or harvested from the caudal epididymis and allowed to liquefy at room temperature. Capacitation can then be induced by adding media designed to mimic the electrolytic composition of the fallopian tubes, where fertilization occurs. These media vary between species, but are saline based and contain energy substrates such as lactate, pyruvate, and possibly glucose. A cholesterol acceptor is required to facilitate the removal of cholesterol from the sperm cell membrane, which is always albumin. Bovine serum albumin is typically used for in vitro animal studies, and human serum albumin (HSA) is used in human sperm capacitation induction. Bicarbonate is a vital component of capacitation inducing media, as it is co transported into the cytosol where it activates soluble adenylyl cyclase (sAC) as well as acts as a pH buffer necessary to prevent decreasing the pH in the culture, a necessary addition when incubating cells at 5% CO2 as is generally used although not required. Calcium chloride is added to facilitated the influx via of calcium cations. In animal models, Tyrode's albumin lactate pyruvate (TALP) medium is typically used as a base, which contains each of these components. In humans, human tubal fluid (HTF) is used. These media can be supplemented with other chemicals to induce hyperactivated sperm motility and/or the acrosome reaction. For animal in vitro fertilization, caffeine at 5 mM concentration is a strong inducer of sperm capacitation in vitro. Calcium ionophores are also ideal to induce capacitation. Catecholamines such as norepinephrine at low concentrations have been shown to assist in acrosome reaction induction.
Измерение
Было разработано множество методов оценки степени капацитации сперматозоидов в условиях in vitro. Компьютерный анализ спермы (CASA) был разработан в 1980-х годах для измерения кинематики сперматозоидов. CASA использует фазово-контрастную микроскопию в сочетании с программным обеспечением для отслеживания сперматозоидов с целью анализа параметров их подвижности. Хотя измерения подвижности критически важны для выявления наличия гиперактивной подвижности, были разработаны дополнительные методы для определения акросомной реакции. Простой метод использует краситель Coomassie brilliant blue G250 для окрашивания клеток, что позволяет визуально оценить состояние акросомы – неповрежденную или подвергшуюся реакции. Более сложные методы используют флуоресцентную или электронную микроскопию. Флуоресцеиноконъюгированный арахисовый агглютинин (FITC PNA) или агглютинин гороха (FITC PSA) могут быть использованы для флуоресцентной маркировки акросомы сперматозоидов, что позволяет оценить состояние акросомы с помощью флуоресцентного микроскопа.
Numerous methods have been developed to assess the degree to which sperm cells are undergoing capacitation in vitro. Computer aided sperm analysis (CASA) was developed in the 1980s for measuring sperm kinematics. CASA uses phase contrast microscopy combined with sperm tracking software to analyze sperm motility parameters. While motility measurements are critical for identifying the presence of hyperactive motility, additional methods have been developed to identify the occurrence of the acrosome reaction. A simple method uses Coomassie brilliant blue G250 to stain cells, providing visual evidence of intact or reacted acrosomes. More advanced techniques employ fluorescent or electron microscopy methods. Fluorescein conjugated Peanut agglutinin (FITC PNA) or Pisum sativum agglutinin (FITC PSA) can be used to fluorescently tag the acrosome of sperm cells, which can be then used to assess the status of the acrosome using a fluorescent microscope.
Открытие
Об открытии этого процесса независимо сообщили в 1951 году Мин Чуэ Чанг и Колин Рассел Остин.
The discovery of this process was independently reported in 1951 by both Min Chueh Chang and Colin Russell Austin.