Введение
Для того чтобы произошло оплодотворение между сперматозоидом и яйцеклеткой, сперматозоид должен сначала слиться с плазматической мембраной, а затем проникнуть в женскую яйцеклетку для ее оплодотворения. Слияние сперматозоида с плазматической мембраной яйцеклетки происходит относительно легко, однако проникновение через защитные слои яйцеклетки, такие как лучистый венец и зона пеллюцида, представляет собой значительную проблему. Поэтому сперматозоиды проходят через процесс, известный как акросомная реакция – реакцию, происходящую в акросоме сперматозоида при приближении к яйцеклетке. Акросома – это мембранная органелла, образованная аппаратом Гольджи, обычно расположенная на кончике головки зрелого сперматозоида и содержащая разнообразные ферменты и антигены, необходимые для оплодотворения. Ранее ее называли «апикальным тельцем» из-за ее расположения или «перфораторием», предполагая, что она может помогать сперматозоиду проникать в яйцеклетку. По мере приближения сперматозоида к зоне пеллюцида яйцеклетки, что необходимо для инициирования акросомной реакции, мембрана, окружающая акросому, сливается с плазматической мембраной головки сперматозоида, обнажая содержимое акросомы. Это содержимое включает поверхностные антигены, необходимые для связывания с клеточной мембраной яйцеклетки, и множество ферментов, ответственных за разрушение прочной оболочки яйцеклетки и обеспечение возможности оплодотворения.
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.
Различия между видами
Существуют значительные видовые различия в морфологии и последствиях акросомной реакции. У ряда видов триггер акросомной реакции был выявлен в слое, окружающем яйцеклетку.
Иглокожие
У некоторых низших видов животных на вершине головки сперматозоида формируется вырост (акросомальный процесс), поддерживаемый ядром из актиновых микрофиламентов. Мембрана на кончике акросомального процесса сливается с плазматической мембраной яйцеклетки. У некоторых иглокожих, включая морских звезд и морских ежей, значительная часть обнаженного акросомального содержимого содержит белок, который временно фиксирует сперматозоид на поверхности яйца.
млекопитающие
У млекопитающих акросомная реакция высвобождает гиалуронидазу и акрозин; их роль в оплодотворении пока не установлена. Акросомная реакция инициируется при контакте сперматозоида с зоной пеллюциды яйцеклетки. При контакте с зоной пеллюциды акросомальные ферменты начинают действовать, и актиновое волокно вступает в контакт с зоной пеллюциды. Как только это происходит, наблюдается приток кальция, запускающий сигнальный каскад. Кортикальные гранулы внутри яйцеклетки затем сливаются с внешней мембраной, вызывая быструю реакцию блокировки. Более того, кортикальные гранулы внутри яйцеклетки сливаются с внешней мембраной, инициируя быструю реакцию блокирования. Эта реакция изменяет участок существующей плазматической мембраны сперматозоида, облегчая слияние с плазматической мембраной яйцеклетки. Анализ проникновения сперматозоидов включает тест акросомной реакции, который оценивает способность сперматозоида к оплодотворению. Сперматозоиды, не способные пройти акросомную реакцию должным образом, не смогут оплодотворить яйцеклетку. Однако эта проблема встречается лишь у 5% мужчин, проходящих это обследование. Этот тест достаточно дорогостоящий и предоставляет ограниченную информацию о фертильности мужчины. В других случаях, например, у лесной мыши Apodemus sylvaticus, преждевременные акросомные реакции привели к увеличению подвижности агрегатов сперматозоидов, способствуя оплодотворению.
Процесс
Акросомальная реакция обычно происходит в ампуле фаллопиевой трубы, месте оплодотворения, когда сперматозоид проникает во вторичный ооцит. Предыдущие события подготавливают акросомальную реакцию. Сперматозоид претерпевает ряд изменений, в том числе приобретает "гиперактивную подвижность", при которой его жгутик производит энергичные, хлыстообразные движения, проталкивающие сперматозоиды через шейный канал и полость матки до перешейка маточной трубы. Различные механизмы, включая хемотаксис, помогают сперматозоидам приблизиться к яйцеклетке в ампуле фаллопиевой трубы. Как только они оказываются в непосредственной близости, гликопротеины на внешней поверхности сперматозоида связываются с гликопротеинами на зоне пеллюцида яйцеклетки. Сперматозоиды, не инициировавшие акросомальную реакцию до достижения зоны пеллюцида, не способны проникать сквозь нее. Поскольку акросомальная реакция уже произошла, сперматозоиды могут проникать в зону пеллюцида благодаря механическому действию хвоста, а не вследствие самой акросомальной реакции. Первая стадия – проникновение через лучистый венец, посредством высвобождения гиалуронидазы из акросомы для переваривания кумулюсных клеток, окружающих ооцит, и обнажения акрозина, прикрепленного к внутренней мембране сперматозоида. Кумулюсные клетки встроены в гелеобразное вещество, состоящее преимущественно из гиалуроновой кислоты, которое развивается в яичнике вместе с яйцеклеткой и поддерживает ее рост. Акросомальная реакция должна произойти до того, как сперматозоид достигнет зоны пеллюцида. Как показано в исследованиях на мышах, IZUMO1 связывается с белком ооцита JUNO, и после связывания сперматозоид и яйцеклетка сливаются, образуя два пронуклеуса. Эти пронуклеусы снабжают зиготу генетическим материалом, необходимым для формирования эмбриона. Кроме того, после завершения слияния сперматозоида и яйцеклетки из сперматозоида высвобождается фосфолипаза C-дзета. После проникновения и слияния, при нормальном течении процесса, происходит активация яйцеклетки, облегчаемая такими белками, как фосфолипаза C-дзета, и ооцит считается активированным. Считается, что это индуцируется специфическим белком – фосфолипазой C-дзета. Ооцит подвергается вторичному мейотическому делению, и два гаплоидных ядра (отцовское и материнское) сливаются, образуя зиготу. Для предотвращения полиспермии и минимизации вероятности образования триплоидной зиготы, ряд изменений в клеточных мембранах яйцеклетки делают их непроницаемыми вскоре после проникновения первой спермы (например, быстрая потеря JUNO). Однако физиологическая роль истинно спонтанной акросомальной реакции, происходящей задолго до этого момента в женских репродуктивных путях или in vitro, является отдельным явлением. У мышей она хорошо установлена как физиологически нормальная и распространенная. Мышиные сперматозоиды, прошедшие полную спонтанную акросомальную реакцию, все еще способны оплодотворять яйцеклетки. У людей, напротив, остается предметом споров вопрос о том, где именно инициируется акросомальная реакция при физиологическом оплодотворении, из-за экспериментальных ограничений (например, в исследованиях на животных могут использоваться трансгенные мыши с флуоресцентными сперматозоидами, в то время как в исследованиях на людях это невозможно).
Зачатие in vitro
При использовании интрацитоплазматической инъекции сперматозоидов (ICSI) при ЭКО, частота имплантации выше в яйцеклетках, в которые вводят сперматозоиды, прошедшие акросомную реакцию (~40%), по сравнению с яйцеклетками, в которые вводят сперматозоиды, не прошедшие акросомную реакцию (~10%). Частота имплантации составляет около 25% при инъекции как сперматозоидов, прошедших реакцию, так и не прошедших реакцию. Показатель рождаемости на цикл следует той же закономерности. Акросомную реакцию можно стимулировать in vitro веществами, с которыми сперматозоид может столкнуться в естественных условиях, такими как прогестерон или фолликулярная жидкость, а также более часто используемым ионофором кальция A23187.
Оценка
Для оценки сбрасывания акросомы или "акросомной реакции" образца спермы можно использовать бирефрингентную или флуоресцентную микроскопию. Потоковая цитометрия и флуоресцентная микроскопия обычно проводятся после окрашивания флуоресцеинированным лектином, таким как FITC PNA, FITC PSA, FITC ConA, или флуоресцеинированным антителом, таким как FITC CD46. Антитела/лектины обладают высокой специфичностью к различным участкам акросомальной области и связываются только с определенным местом (акросомальное содержимое/ внутренняя/ наружная мембрана). Если они связаны с флуоресцентной молекулой, области, где эти зонды связались, можно визуализировать. Сперматозоиды с искусственно индуцированной акросомной реакцией могут служить положительными контролями. Для флуоресцентной микроскопии готовят мазок из промытых сперматозоидов, высушивают на воздухе, пермеабилизируют, а затем окрашивают. Затем такой препарат рассматривают в свете с длиной волны, которая вызывает флуоресценцию зонда при его связывании с акросомальной областью. Оценивают как минимум 200 клеток и классифицируют их как с неповрежденной акросомой (ярко-зеленое свечение) или с акросомой, прошедшей реакцию (отсутствие зонда или его наличие только в экваториальной области). Результат выражают в процентах от общего числа подсчитанных клеток. Для оценки с помощью проточной цитометрии промытые клетки инкубируют с выбранным зондом, возможно, повторно прогоняют через прибор, а затем анализируют в проточном цитометре. После выделения популяции клеток по параметрам прямого и бокового рассеяния полученные данные анализируют (например, сравнивают среднюю флуоресценцию). При использовании этой методики можно также включить зонд для определения жизнеспособности, такой как пропидиум-йодид (PI), чтобы исключить мертвые клетки из оценки акросомы, поскольку многие сперматозоиды спонтанно теряют акросому после гибели.