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.

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.