M.Subf. - New approaches in idiopathic male subfertility #2

Η σύντηξη του ωαρίου με το σπερματοζωάριο καλείται γονιμοποίηση – στάδια και αποτελέσματα γονιμοποίησης

Η σύντηξη του ωαρίου με το σπερματοζωάριο οδηγεί στην ενεργοποίηση του ωαρίου, στο σχηματισμό του διπλοειδούς ζυγωτού και στην έναρξη της εμβρυογένεσης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το σπερματοζωάριο δεν είναι απολύτως απαραίτητο για την ενεργοποίηση του ωαρίου. Ένα ωάριο μπορεί κάλλιστα να ενεργοποιηθεί με διάφορους χημικούς και φυσικούς παράγοντες. Για παράδειγμα, το ωάριο ενός βατράχου ενεργοποιείται με το τσίμπημα μιας βελόνας. Άλλωστε, στους παρθενογενετικά αναπαραγόμενους οργανισμούς [συμπεριλαμβάνονται και ορισμένα σπονδυλωτά], η ενεργοποίηση του ωαρίου γίνεται χωρίς σπερματοζωάριο. Τα αρχικά γεγονότα της επαφής του σπερματοζωαρίου με το ωάριο εστιάζονται στην αλληλεπίδραση των μεμβρανών, μ’ επακόλουθο την ενεργοποίηση ειδικών βιοσυνθετικών διεργασιών. Σε αυτές περιλαμβάνονται η παραγωγή ATP, η σύνθεση πρωτεϊνών και η αντιγραφή του DNA.

Η σύντηξη των γαμετών στους ζωικούς οργανισμούς γίνεται με δύο τρόπους: Με εξωτερική γονιμοποίηση, στην περίπτωση των οργανισμών που ζουν σε υδάτινο περιβάλλον και με εσωτερική γονιμοποίηση, σε οργανισμούς που ζουν στην ξηρά. Στην πρώτη περίπτωση, τα σπερματοζωάρια και τα ωάρια ελευθερώνονται στο περιβάλλον [νερό], σε πολύ μεγάλες ποσότητες και όταν συναντηθούν γίνεται η γονιμοποίηση. Στη δεύτερη περίπτωση, η γονιμοποίηση γίνεται στο αναπαραγωγικό σύστημα του θηλυκού από το σπερματοζωάριο που εισάγεται από το αρσενικό άτομο.

Στα ανώτερα φυτά η γονιμοποίηση είναι εσωτερική με τη διαφορά ότι τα σπερματοζωάρια δεν κινούνται. Συναντώνται όμως με το ωάριο με τη διεργασία της επικονίασης.

Έχοντας σύντομα περιγράψει τη γονιμοποίηση σε όλα τα είδη οργανισμών, θα ασχοληθούμε με τη γονιμοποίηση στο ανθρώπινο είδος και θα αναφερθούμε στα αποτελέσματά της.

Η γονιμοποίηση συνήθως γίνεται στο μέσο διασταλμένο μέρος του ωαγωγού που ονομάζεται λήκυθος και είναι αποτέλεσμα από την ένωση ενός σπερματοζωαρίου με το ωάριο. Προτού να μπορεί να γίνει η διεργασία αυτή, το σπερματοζωάριο πρέπει να υποστεί μια φυσιολογική αλλαγή ή τροποποίηση που λέγεται ενεργοποίηση και μια δομική αλλαγή που λέγεται ακροσωμική αντίδραση. Η ενεργοποίηση μπορεί να είναι αποτέλεσμα από την αφαίρεση ενός προστατευτικού καλύμματος που περιβάλλει το σπερματοζωάριο. Κατά τη διάρκεια της ακροσωμικής αντίδρασης μικρά ανοίγματα δημιουργούνται στο τοίχωμα του ακροσώματος που είναι μια δομή σαν περίβλημα που σκεπάζει το μπροστινό μισό από το κεφάλι του σπερματοζωαρίου. Αυτά τα ανοίγματα επιτρέπουν να διαφεύγουν ένζυμα τα οποία ανοίγουν για το σπερματοζωάριο ένα μονοπάτι ανάμεσα από τον ακτινωτό στέφανο και τη διαφανή ζώνη, που είναι γύρω από το ωάριο.

Η γονιμοποίηση μπορεί να συνοψισθεί στα ακόλουθα στάδια:

1/ Το σπερματοζωάριο περνάει ανάμεσα από τον ακτινωτό στέφανο [τα κύτταρα που περιβάλλουν το ωάριο].

2/ Το σπερματοζωάριο διέρχεται από τη διαφανή ζώνη φτιάχνοντας ένα μονοπάτι με τη δράση ενζύμων που ελευθερώνονται από το ακρόσωμα.

3/ Το κεφάλι του σπερματοζωαρίου κολλάει στην επιφάνεια του ωαρίου.

4/ Το ωάριο αντιδρά στο σπερματοζωάριο που έρχεται σε επαφή μαζί του με δύο τρόπους:

Η διαφανής ζώνη και η κυτταρικά μεμβράνη του ωαρίου αλλάζουν ώστε να περεμποδίζεται η είσοδος σε άλλα σπερματοζωάρια, και

Το δευτερογενές ωοκύτταρο τελειώνει τη δεύτερη μειωτική διαίρεση του και διώχνει το δεύτερο πολικό σωμάτιο.

Το ωάριο είναι τώρα εντελώς ώριμο και ο πυρήνας του καλείται θηλυκός προπυρήνας.

5/ Το κεφάλι του σπερματοζωαρίου μεγεθύνεται και σχηματίζει τον αρσενικό προπυρήνα. Η ουρά του σπερματοζωαρίου εκφυλίζεται.

6/ Ο αρσενικός και θηλυκός προπυρήνας ενώνονται στο κέντρο του ωαρίου όπου έρχονται σε επαφή, χάνουν τις πυρηνικές τους μεμβράνες και τα χρωμοσώματά τους ανακατεύονται.

Στον παρακάτω πίνακα(πίνακας 2) συνοψίζονται τα στάδια της γονιμοποίησης.

Fertilization phases

Αποτελέσματα της γονιμοποίησης

Αποκατάσταση του διπλοειδικού αριθμού των χρωμοσωμάτων

Η ένωση των δύο γεννητικών κυττάρων [που το καθένα έχει 23 χρωμοσώματα] σχηματίζει ένα ζυγωτή που είναι ένα κύτταρο διπλοειδικό με 46 χρωμοσώματα που είναι ο κανονικός αριθμός για το ανθρώπινο είδος. Το κάθε μέλος από το κάθε ένα από τα 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων προέρχεται από κάθε γονιό.

Διαφορές στο είδος

Επειδή τα μισά χρωμοσώματα προέρχονται από τη μητέρα και τα άλλα μισά από τον πατέρα ο ζυγωτής περιέχει ένα νέο συνδυασμό από χρωμοσώματα. Μέσα από κάθε χρωμόσωμα είναι πολλοί κληρονομικοί παράγοντες που ονομάζονται γονίδια και που το καθένα από αυτά διαφέρει από τα άλλα και ελέγχει την κληρονομικότητα για ένα ή πιο πολλά χαρακτηριστικά. Επομένως η γονιμοποίηση αποτελεί τη βάση για την κληρονομικότητα και από τους δύο γονιούς και εξασφαλίζει τις ποικιλίες του ανθρώπινου είδους.

Καθορισμός του φύλου

Το φύλο του εμβρύου καθορίζεται στη γονιμοποίηση από το είδος του σπερματοζωαρίου που γονιμοποιεί το ωάριο. Η γονιμοποίηση από ένα σπερματοζωάριο που φέρνει το Χ χρωμόσωμα θα παράγει ένα ζυγωτή ΧΧ το οποίο κανονικά θα αναπτυχθεί σε θηλυκό οργανισμό ενώ η γονιμοποίηση από ένα σπερματοζωάριο που φέρνει το Υ χρωμόσωμα θα σχηματίσει ένα ΧΥ ζυγωτή που κανονικά θα αναπτυχθεί σε ένα αρσενικό οργανισμό.

Αρχή της αυλάκωσης

Η γονιμοποίηση του ωαρίου από ένα σπερματοζωάριο επίσης αρχίζει την αρχική ανθρώπινη εξέλιξη ερεθίζοντας το ζυγωτή να υποστεί αυλάκωση ή χωρισμό σε δύο βλαστομερίδια.

Πρωτεΐνες δέσμευσης στο σπέρμα ~ Υποδοχείς για τη διαφανή ζώνη

Ενώ παραπάνω περιγράψαμε τη σύνθεση της διαφανούς ζώνης, στο σημείο αυτό θα αναφερθούμε σε πρωτεΐνες που υπάρχουν στην επιφάνεια του σπέρματος και παράλληλα λειτουργούν ως υποδοχείς για τη διαφανή ζώνη. Τέτοιες πρωτεΐνες είναι:

Γαλακτοζυλτρανσφεράση

H γαλακτοζυλτρανσφεράση είναι ένα ένζυμο που βρίσκεται στην πλασματική μεμβράνη των σπερματοζωαρίων. Το ένζυμο αυτό, δεσμευόμενο σε υπολείμματα Ν-ακετυλογλυκοζαμίνης πάνω σε γλυκοσυζυγίες της διαφανούς ζώνης, προκαλεί την αναγνώριση σπερματοζωαρίου-ωαρίου. Επιπλέον, στο ποντίκι αλληλεπιδρά με την πρωτεΐνη ΖΡ3 της διαφανούς ζώνης, προκαλώντας έτσι τη δέσμευση σπερματοζωαρίου-διαφανούς ζώνης. Ωστόσο, το ένζυμο αυτό ενδεχομένως να μην υπάρχει στα ανθρώπινα σπερματοζωάρια.

D-Μαννοσιδάση

Η πρωτεΐνη αυτή συμμετέχει στη δέσμευση στη ΖΡ3 και στην ακροσωμική αντίδραση.

Κινάση της τυροσίνης(ZRK)

H πρωτεΐνη αυτή εξηγεί την αναγνώριση της ΖΡ3 και την επαγωγή του σήματος. Έκθεση σπερματοζωαρίων ανθρώπου και ποντικού σε ΖΡ3 έχει αποτέλεσμα αυτοφωσφορυλίωση υπολειμμάτων τυροσίνης πάνω σε υποθετικό υποδοχέα 95kDa που έχει ενεργότητα κινάσης της τυροσίνης (ZRK). Πρόσφατα από ομάδα ερευνητών(Saling and colleagues) ανέφεραν ότι παρασκευασμένη ανθρώπινη ΖΡ3 (hZP3rec), που εκφράζεται σε κύτταρα COS, διεγείρει φωσφορυλίωση τυροσίνης της ανθρώπινης ΖRΚ, in vivo και in vitro. Η τυρφοστίνη, ένας αναστολέας φωσφορυλίωσης τυροσίνης, ανέστειλε την πρόκληση της ακροσωμικής αντίδρασης από την hZP3rec. Αυτά τα αποτελέσματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η ανθρώπινη ΖRK είναι ένας υποδοχέας για την ανθρώπινη ΖΡ3 και ότι αυτή η διεγειρόμενη δραστηριότητα (μέσω προσδέματος) της κινάσης της τυροσίνης στα ανθρώπινα σπερματοζωάρια είναι σημαντική γιατί ρυθμίζει την εξωκυττάρωση στο ακρόσωμα αυτών. Ωστόσο, μια πρωτεΐνη 95 kDa (που περιέχει φωσφοτυροσίνη) και η οποία βρέθηκε στα σπερματοζωάρια των ποντικών, έχει δειχθεί ότι είναι μια μοναδική μορφή φωσφορυλιωμένης εξωκινάσης.

Λεκτίνη

Η λεκτίνη τύπου C (εξαρτώμενη από Ca²⁺) στα ανθρώπινα σπερματοζωάρια είναι υποδοχέας της Ζώνης. Αυτή η λεκτίνη είναι μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη με περιοχές αναγνώρισης υδατανθράκων στο C-άκρο του εξωκυτταρικού τμήματος και μια Ν-τελική κυτοπλασματική ‘άγκυρα’. Αυτή η πρωτεΐνη χαρακτηρίστηκε ως η μοναδική πρωτεΐνη 50kDa στην πλασματική μεμβράνη της κεφαλής των σπερματοζωαρίων που επικαλύπτει το ακρόσωμα.

Πρωτεΐνες δέσμευσης στο σπέρμα ~ υποδοχείς για τη διαφανή ζώνη, με κάποιο ρόλο στην ακροσωμική αντίδραση

Εφόσον στο σπέρμα υπάρχουν πολλοί υποδοχείς - πρωτεΐνες δέσμευσης της ΖΡ3, είναι πιθανό ότι:

Πολλοί υποδοχείς – πρωτεΐνες δέσμευσης στο σπέρμα, να συμμετέχουν στις λειτουργίες της ΖΡ3, την πρωταρχική δέσμευση του σπέρματος και την πρόκληση της ακροσωμικής αντίδρασης.

Η ΖΡ3 αλληλεπιδρά και ενεργοποιεί ένα τύπο σπερματικού υποδοχέα με την επόμενη ενεργοποίηση άλλου υποδοχέα.

Τέτοιες πρωτεΐνες στον άνθρωπο είναι:

ZRK (zona receptor kinase)

Είναι μια πρωτεΐνη 95 kDa με χαρακτηριστικά πρωτεΐνης κινάσης της τυροσίνης.

FA-1 αντιγόνο

Είναι μια πρωτεΐνη 51 kDa που είναι κινάση της τυροσίνης.

Σπερματικός υποδοχέας γλυκίνης / κανάλι CL^-

Ο υποδοχέας αυτός παίζει ρόλο καθώς αρχίζει η ακροσωμική αντίδραση.

Αλληλεπίδραση των σπερματοζωαρίων με τη διαφανή ζώνη και η ανάπτυξη της ακροσωμικής αντίδρασης

Η διαφανής ζώνη εμπλέκεται σε γεγονότα της γονιμοποίησης των ωαρίων των θηλαστικών, όπως: η αναγνώριση και η δέσμευση του σπέρματος, η διέγερση της ακροσωμικής αντίδρασης και η παρεμπόδιση της πολυσπερμίας. Από το γεγονός ότι μόνο εκείνα τα σπερματοζωάρια που έχουν αντιδράσει ακροσωμικά μπορούν να διαπερνούν τη διαφανή ζώνη, γίνεται αντιληπτό ότι η ακροσωμική αντίδραση είναι μείζονος σημασίας για την γονιμοποίηση των ωαρίων των θηλαστικών.

Ο τόπος με τον οποίο γίνεται η ακροσωμική αντίδραση στον άνθρωπο είναι παρόμοιος με των άλλων θηλαστικών. Η ακροσωμική αντίδραση αποτελεί διαδοχική διαδικασία συγχώνευσης της ακροσωμικής μεμβράνης και της πλασματικής μεμβράνης που την καλύπτει. Με τον τρόπο αυτό απελευθερώνονται διαλυτά συστατικά του ακροσώματος και κατ’ επέκταση διευκολύνεται το πέρασμα των σπερματοζωαρίων διαμέσου της διαφανούς ζώνης. Στη συνέχεια συντίθενται κύστες, σχηματιζόμενες από ακροσωμική και πλασματική μεμβράνη, οι οποίες αφού παραμείνουν για μεγάλο χρονικό διάστημα στην κεφαλή των σπερματοζωαρίων, διασκορπίζονται.

Φυσιολογικοί παράγοντες που προκα&