Akrozomální reakce

Akrozomální reakce (také akrozomová reakce nebo akrosomální/akrosomová exocytosa) je exocytóza akrozomu (specifické organely spermií), která usnadní spermii proniknout glykoproteinovým obalem vajíčka – zonou pellucidou a umožní spojit se s vajíčkem (fúze gamet). U savců mohou akrozomovou reakci mohou podstoupit jen kapacitované spermie (spermie, které pobývaly určitou dobu v samičím reprodukčním traktu, dokud plně nedozrály)

Akrozom
akrozomální reakce
akrozomální reakce

Předpokládaný průběh akrozomální reakce

Kontakt se zonou pellucidou vyvolá výrazné zvýšení koncentrace Ca²⁺ v cytoplazmě spermie (vyšší než v průběhu kapacitace).
Během akrozomální reakce dochází k depolymeraci F-aktinu na G-aktin, což zpřístupní cytoplasmatickou membránu spermie vnější akrosomální membráně a umožní fúzi.^[1],^[2]
Dochází k fúzi cytoplasmatické membrány a vnější akrozomální membrány, objevují se tzv. fúzní póry a obsah akrozomu se dostává ven. Je buď volný anebo obalený membránou vzniklou fúzí
Odhalí se vnitřní akrozomální membrána, která obsahuje proteiny vázající zonu pellucidu a umožní spermii udržet se na místě. Dále nese proteiny, které zprostředkují fúzi spermie s cytoplazmatickou membránou vajíčka

Fúze membrán při akrozomální reakci
kontakt T-snare proteinů na vnitřku cytoplazmatické membrány se V-snare na vnější akrozomální membráně
obtočení T- a V-snare kolem sebe a přitažení membrán
vznik fúzního póru

Obálky vajíčka

U většiny druhů savců má vajíčko dvě obálky – shluk granulózních buněk corona radiata a glykoproteinový obal – zonu pellucidu. Právě kontakt se zonou pellucidou je přirozeným spouštěčem akrozomální reakce. Samotná zona pellucida se skládá převážně ze tří glykoproteinů – ZP1, ZP2 a ZP3, přičemž se předpokládá, že právě ZP3 je hlavním stimulátorem. Nicméně sám o sobě (bez ZP1 a ZP2) akrozomální reakci chopen vyvolat není.

Regulace akrosomální reakce

Akrozomální reakce je příkladem děje kontrolovaným poměrně složitými signalizačními kaskádami, jejichž vzájemné propojení a interakce dodnes nejsou plně objasněny. Akrozomální reakce je kontrolována pomocí enzymů PKA,PKC a PLC a výrazně zvýšenou koncentraci Ca²⁺ a depolymerací aktinu. Celý regulační proces navazuje a úzce souvisí s kapacitací

Kapacitace

prostředí pohlavního traktu samice způsobí:

odstranění dekapacitačních faktorů (faktorů zamezujících kapacitaci) – např. cholesterol, glykogelin S,…
nárůst koncentrace HCO₃⁻ a Ca²⁺, postupný nárůst koncentrace ROS
aktivace HCO₃^– dependentní adenyly cyklázy
nárůst konc. cAMP
aktivace PKA (pomocí cAMP) ( a PKC (pomocí Ca²⁺)

PKA modifikuje a aktivuje:

aktivace PLD1
- PLD1 vytváří PA (kyselina fosfatidová), která nepřímo stimuluje polymeraci aktinu (interakce s proteiny reagujícími s aktinem)
- přesun PLC do cytoplazmatické membrány
protein tyrosinová fosforylace proteinů v bičíku

Akrozomová reakce

interakce se zonou pellucidou: ještě se zvýší aktivita PKA a PKC a dojde k aktivaci PLC

dochází k výraznému nárůstu koncentrace Ca²⁺ (PKC aktivuje Ca²⁺ iontové kanály v plazmatické membráně a PKA s PLC (pomocí PI₃) zase ve vnější akrozomální membráně)
vysoká koncentrace Ca²⁺ vede k depolymeraci aktinu
vysoká koncentrace Ca²⁺ vede k aktivaci SNARE proteinů (pomocí proteinu Rab3) a jejich interakci.

(Navázání T a V-Snare na sebe, způsobí změnu jejich konformace, prudce se kolem sebe obtočí a přitáhnou membrány k sobě)

přiblížení membrán pomocí SNARE proteinů vede k fúzi vnější akrozomální membrány s plazmatickou membránou

^[3],^[4],^[4]^[5]

použité zkratky
zkratka	český název	anglický název	reakce
ROS	reaktivní kyslíkové readikály	reactive oxygen species	-
cAMP	cyklický adenosylnmonofosfát	cyclic adenosylmonophosphate	aktivace různých enzymů
PKA	proteinkináza A	proteinkinase A, cAMP dependentní proteinkináza	fosforylace proteinů na Ser/Thr
PKC	proteinkináza C	proteinkinase C, Ca²⁺ dependentní (a DAG dependentní) protein kináza	fosforylace proteinů na Ser/Thr
PLD1	fosfolipáza D1	phospholipase D1	hydrolýza fosfatidylcholinu na kyselinu fosfatidovou (PA) a cholin
PLC	fosfolipáza C	phospholipase C	fosfatidylinositolbisfosfátu (PIP₂) na inositoltrifosfát (PI₃) a diacylglycerol (DAG)

Fúze gamet

Odhalená vnitřní akrozomální membrána na sobě nese specifické proteiny (proteinové receptory – z proteinové rodiny ADAM), které jsou schopné interagovat s jinými proteiny na plazmatické membráně vajíčka (integriny, CD9). Touto interakcí dojde k přiblížení a nakonec i spojení těchto membrán – tedy k fúzi gamet.

Enzymy akrozomu

Obsah akrozomu tvoří různé lytické enzymy:

proteázy: akrosin (proteáza trypsinového typu exprimovaná pouze ve spermatogenních buňkách) a jeho prekurzor preakrosin, kalpain II, pepsidáza podobná kolagenáze, pepsidáza podobna katepsinu D
glykosidázy: β-galaktosidáza, hyaluronidáza, neuraminidáza, β-N-acetylglukosaminidáza
lipázy: fosfolipáza A2, fosfolipázy C
další – arylsulfatáza, …

Předčasná akrozomální reakce

nebo také nespecifická akrozomální reakce. V průběhu kapacitace (či po ní) některé spermie podstoupí zonou pellucidou nevyvolanou akrozomální reakci a uvolní tak obsah akrozomu. Předčasně akrozomově zreagované spermie (jinak označované za spermie s porušených/ chybějícím akrozomem) mají výrazně sníženou šanci oplodnit vajíčko.

Akrozomální reakce in vitro

Při výzkumu oplození a plodnosti (neboli fertilizace a fertility) je často zapotřebí vyvolat akrozomovou reakci . Proteiny zony pellucidy (ZPp) nejsou standardně komerčně dostupné (obzvláště lidské) . Důvodem je nefunkčnost transgenních ZPp. Využívá se tedy jiných látek, které jsou schopné akrozomovou reakci vyvolat uměle. Nejčastější je použití ionoforu Ca²⁺ (např. A23187 nebo ionomycin), který zprůchodní membránu pro Ca²⁺ a způsobí tak výrazné zvýšení cytoplazmatické koncentrace tohoto iontu. Dále se používá progesteron, který také dokáže zvýšit koncentraci cytoplazmatického Ca²⁺.^[6] Vysoká koncentrace Ca²⁺ u kapacitované spermie pak vede k akrozomové reakci. Úspěšnost akrozomální reakce lze dokázat běžnými histologickými barveními (např. May-Grünwaldovo barvení) nebo lektinovými studiemi (např. pomocí WGA, ConA) anebo protilátkami proti specifickým akrozomálním proteinům (např. akrosin) (akrozomálně zreagované spermie už tyto proteiny nemají, popř. pouze vázané na vnitřní akrozomální membránu)

Příklad vyvolání akrozomové reakce in vitro

K suspenzi kapacitovaných spermií v kapacitačním médiu se přidá A 23187 (konc. 10µM) a spermie se nechají inkubovat při T = 37 °C, 5% CO₂ atmosféře a 100% vlhkosti vzduchu po dobu 30min.^[7]

Související články

Odkazy

Reference

↑ Brener E, Rubinstein S, Cohen G, Shternall K, Rivlin J, Breitbart H, Remodeling of the actin cytoskeleton during mammalian sperm capacitation and acrosome reaction. Biol Reprod. 2003 Mar;68(3):837-45
↑ Breitbart H, Cohen G, Rubinstein S. Role of actin cytoskeleton in mammalian sperm capacitation and the acrosome reaction. Reproduction. 2005 Mar;129(3):263-8
↑ Breitbart H. „Signaling pathways in sperm capacitation and acrosome reaction.“ Cell Mol Biol (Noisy-le-grand). 2003 May;49(3):321-7.
↑ ^a ^b Ramalho-Santos J, Schatten G, Moreno RD.“ Control of membrane fusion during spermiogenesis and the acrosome reaction.“ Biol Reprod. 2002 Oct;67(4):1043-51.
↑ Breitbart H, Cohen G, Rubinstein S. Role of actin cytoskeleton in mammalian sperm capacitation and the acrosome reaction. Reproduction. 2005 Mar;129(3):263-8.
↑ Brucker C, Lipford GB. „The human sperm acrosome reaction: physiology and regulatory mechanisms. An update.“ Hum Reprod Update. 1995 Jan;1(1):51-62.
↑ Mendoza C, Carreras A, Moos J, Tesarik J., „Distinction between true acrosome reaction and degenerative acrosome loss by a one-step staining method using Pisum sativum agglutinin.“ J Reprod Fertil. 1992 Aug;95(3):755-63.

Literatura

Neil JD, „Knobil and Neill's Physiology of Reproduction“, Academic Press; 3 edition (12 Dec 2005), ISBN 0125154003

[1] Brener E, Rubinstein S, Cohen G, Shternall K, Rivlin J, Breitbart H, Remodeling of the actin cytoskeleton during mammalian sperm capacitation and acrosome reaction. Biol Reprod. 2003 Mar;68(3):837-45

[2] Breitbart H, Cohen G, Rubinstein S. Role of actin cytoskeleton in mammalian sperm capacitation and the acrosome reaction. Reproduction. 2005 Mar;129(3):263-8

[3] Breitbart H. „Signaling pathways in sperm capacitation and acrosome reaction.“ Cell Mol Biol (Noisy-le-grand). 2003 May;49(3):321-7.

[Ramalho-4] Ramalho-Santos J, Schatten G, Moreno RD.“ Control of membrane fusion during spermiogenesis and the acrosome reaction.“ Biol Reprod. 2002 Oct;67(4):1043-51.

[5] Breitbart H, Cohen G, Rubinstein S. Role of actin cytoskeleton in mammalian sperm capacitation and the acrosome reaction. Reproduction. 2005 Mar;129(3):263-8.

[6] Brucker C, Lipford GB. „The human sperm acrosome reaction: physiology and regulatory mechanisms. An update.“ Hum Reprod Update. 1995 Jan;1(1):51-62.

[7] Mendoza C, Carreras A, Moos J, Tesarik J., „Distinction between true acrosome reaction and degenerative acrosome loss by a one-step staining method using Pisum sativum agglutinin.“ J Reprod Fertil. 1992 Aug;95(3):755-63.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]