Чтобы произошло оплодотворение между сперматозоидом и яйцеклеткой , сперматозоид должен сначала слиться с плазматической мембраной, а затем проникнуть в женскую яйцеклетку, чтобы оплодотворить ее. Хотя слияние сперматозоида с плазматической мембраной яйцеклетки относительно простое, проникновение в защитные слои яйцеклетки, такие как пеллюцидная зона, представляет собой серьезную проблему. Таким образом, сперматозоиды проходят процесс, известный как акросомная реакция, то есть реакция, которая происходит в акросоме сперматозоида при его приближении к яйцеклетке.
Акросома представляет собой мембраносвязанную органеллу происхождения из аппарата Гольджи, обычно расположенную на кончике головки зрелого сперматозоида. Она содержит множество ферментов и антигенов, необходимых для оплодотворения. Когда-то его называли «апикальным телом» из-за его расположения или «перфораторием», поскольку предполагалось, что оно может помочь сперматозоиду проникнуть в яйцеклетку. [1]
Когда сперматозоид приближается к пеллюцидной зоне яйцеклетки, необходимой для инициации акросомной реакции, мембрана, окружающая акросому, сливается с плазматической мембраной головки спермия, обнажая содержимое акросомы. Содержимое включает поверхностные антигены, необходимые для связывания с клеточной мембраной яйцеклетки, а также многочисленные ферменты, которые отвечают за прорыв жесткой оболочки яйцеклетки и обеспечение возможности оплодотворения. [2]
Существуют значительные видовые различия в морфологии и последствиях акросомной реакции. У некоторых видов триггер акросомной реакции был идентифицирован в слое, окружающем яйцо.
У некоторых низших видов животных на вершине головки спермия образуется бугорок (акросомальный отросток), поддерживаемый ядром из актиновых микрофиламентов. Мембрана на кончике акросомального отростка сливается с плазматической мембраной яйцеклетки.
У некоторых иглокожих, в том числе у морских звезд и морских ежей , значительная часть обнаженного содержимого акросомы содержит белок, который временно удерживает сперму на поверхности яйцеклетки.
У млекопитающих в результате акросомной реакции высвобождаются гиалуронидаза и акрозин ; их роль в оплодотворении пока не ясна. Акросомальная реакция инициируется, когда сперматозоиды вступают в контакт с зоной пеллюцида ооцита . При контакте с зоной пеллюцида акросомальные ферменты начинают растворяться, и актиновая нить вступает в контакт с зоной пеллюцида. Как только они встречаются, происходит приток кальция, вызывающий сигнальный каскад. Затем кортикальные гранулы внутри ооцита сливаются с внешней мембраной, и происходит быстрая реакция блокады.
Более того, кортикальные гранулы внутри ооцита сливаются с внешней мембраной, инициируя быструю реакцию блокады. Эта реакция изменяет участок ранее существовавшей плазматической мембраны сперматозоида, способствуя слиянию с плазматической мембраной яйцеклетки.
Анализ проникновения сперматозоидов включает в себя тест на акросомную реакцию, который оценивает, насколько хорошо сперма может действовать в процессе оплодотворения. Сперматозоиды, которые не могут должным образом пройти акросомную реакцию, не смогут оплодотворить яйцеклетку. Однако эта проблема возникает только примерно у 5% мужчин, прошедших тест. Этот тест довольно дорогой и дает ограниченную информацию о фертильности мужчины. [3]
В других случаях, например, у лесной мыши Apodemus sylvaticus, было обнаружено, что преждевременные акросомные реакции вызывают повышенную подвижность агрегатов сперматозоидов, способствующую оплодотворению. [4]
Акросомальная реакция обычно происходит в ампуле фаллопиевой трубы (месте оплодотворения), когда сперматозоид проникает во вторичный яйцеклетку. Для подготовки к акросомной реакции предшествуют несколько событий. Сперматозоид приобретает «паттерн гиперактивной подвижности», благодаря которому его жгутик производит энергичные хлыстовые движения, которые продвигают сперму через цервикальный канал и полость матки, пока она не достигнет перешейка фаллопиевой трубы. Сперматозоид приближается к яйцеклетке в ампуле маточной трубы с помощью различных механизмов, в том числе хемотаксиса . Гликопротеины на внешней поверхности сперматозоида затем связываются с гликопротеинами на прозрачной зоне яйцеклетки.
Сперматозоиды, которым не удалось инициировать акросомную реакцию до достижения пеллюцидной зоны, не могут проникнуть в пеллюцидную зону. Поскольку акросомная реакция уже произошла, сперматозоиды могут проникнуть в зону пеллюцида благодаря механическому действию хвоста, а не из-за самой акросомной реакции. [5]
Первый этап - это проникновение лучистой короны путем высвобождения гиалуронидазы из акросомы для переваривания кумулюсных клеток, окружающих ооцит, и обнажения акрозина, прикрепленного к внутренней мембране сперматозоида. Клетки кумулюса погружены в гелеобразное вещество, состоящее в основном из гиалуроновой кислоты, развиваются в яичнике вместе с яйцеклеткой и поддерживают ее по мере ее роста. Акросомная реакция должна произойти до того, как сперматозоид достигнет прозрачной оболочки. [5]
Акрозин после воздействия переваривает пеллюцидную зону и мембрану ооцита, обеспечивая проникновение. Затем часть клеточной мембраны спермия сливается с мембраной яйцеклетки, и содержимое головки попадает в яйцеклетку. На мышах было продемонстрировано, что ZP3, один из белков, составляющих пеллюцидную зону, связывается с молекулой-партнером (с рецепторами β1,4-галактозилтрансферазы) на сперматозоидах. Этот механизм типа «замок и ключ» является видоспецифичным и предотвращает слияние сперматозоидов и яйцеклеток разных видов. Зона пеллюцида также выделяет гранулы кальция, чтобы предотвратить связывание других сперматозоидов. Есть некоторые свидетельства того, что именно это связывание заставляет акросому высвобождать ферменты, которые позволяют сперматозоиду сливаться с яйцеклеткой. Подобный механизм, вероятно, имеет место и у других млекопитающих, но разнообразие белков зоны у разных видов означает, что соответствующий белок и рецептор могут различаться.
Более поздние научные данные показывают, что акросомальная реакция необходима для воздействия на сперму белка под названием IZUMO1 : без реакции сперматозоиды все равно могут проникать через пеллюцидную зону к мембране яйцеклетки, но не могут сливаться. [6] Как показали исследования на мышах, IZUMO1 связывается с белком ооцита JUNO , и после соединения сперматозоид и яйцеклетка сливаются вместе, образуя два пронуклеуса. [7] [8] Эти пронуклеусы снабжают зиготу генетическим материалом, необходимым для формирования эмбриона. Кроме того, после завершения слияния сперматозоида и ооцита из спермы высвобождается фосфолипаза C-дзета.
После проникновения и слияния, если все происходит нормально, происходит процесс активации яйцеклетки, которому способствуют такие белки, как фосфолипаза C-дзета, и говорят, что ооцит активируется . Считается, что это индуцируется специфическим белком фосфолипазой с-дзета. Он подвергается вторичному мейотическому делению, и два гаплоидных ядра (отцовское и материнское) сливаются, образуя зиготу . Чтобы предотвратить полиспермию и свести к минимуму возможность образования триплоидной зиготы, некоторые изменения в клеточных мембранах яйцеклетки делают их непроницаемыми вскоре после того, как первый сперматозоид попадает в яйцеклетку (например, быстрая потеря JUNO). [8]
Сперматозоиды могут инициировать акросомальную реакцию задолго до достижения пеллюцидной оболочки, а также in vitro в соответствующей культуральной среде. Это называется спонтанной акросомной реакцией (САР).
Сейчас известно, что в определенном смысле это явление физиологически нормально для всех видов млекопитающих. Акросомная реакция индуцируется прохождением через клетки кумулюса офоруса , опосредованно секретируемыми ими гормонами (такими как прогестерон , LPA , LPC ). [6] [9] [10]
Однако физиологическая роль истинно спонтанной акросомальной реакции, возникающей задолго до этого момента в женских репродуктивных путях или in vitro , представляет собой отдельный феномен.
У мышей установлено, что это физиологически нормально и распространено. Мышиные сперматозоиды, подвергшиеся полностью спонтанной акросомной реакции, все еще способны оплодотворять яйцеклетки. [6] Кроме того, скорость спонтанной акросомной реакции выше у более беспорядочных видов, таких как Apodemus sylvaticus , которые сталкиваются с высоким уровнем конкуренции сперматозоидов. [11]
С другой стороны, у людей остается спорным вопрос о том, где именно инициируется акросомная реакция при физиологическом оплодотворении, из-за экспериментальных ограничений (например, в исследованиях на животных можно использовать трансгенных мышей с флуоресцентными сперматозоидами, а в исследованиях на людях - нет). [10]
Были проведены исследования с целью связать уровень SAR in vitro в человеческой сперме с качеством спермы и скоростью оплодотворения, но общие результаты неоднозначны и по состоянию на 2018 год не кажутся клинически полезными. [12]
При использовании интрацитоплазматической инъекции сперматозоида (ИКСИ) для ЭКО частота имплантации выше в ооцитах, в которые инъецировали сперматозоиды, подвергшиеся акросомной реакции (~40%), по сравнению с ооцитами, в которые вводили непрореагировавшие сперматозоиды (~10%). Частота имплантации составляет ~25% при инъекции как прореагировавших, так и непрореагировавших сперматозоидов. Скорость доставки за цикл следует той же тенденции. [13]
Акросомную реакцию можно стимулировать in vitro веществами, с которыми сперматозоиды могут встречаться в природе, например, прогестероном или фолликулярной жидкостью , а также более часто используемым ионофором кальция A23187 .
Двулучепреломляющая микроскопия, [13] проточная цитометрия [14] или флуоресцентная микроскопия могут использоваться для оценки выделения акросомы или «акросомной реакции» образца спермы. Проточная цитометрия и флуоресцентная микроскопия обычно выполняются после окрашивания флуоресцеинированным лектином , таким как FITC-PNA, FITC-PSA, FITC-ConA, или флуоресцеинированным антителом, таким как FITC-CD46. [15] Антитела/лектины обладают высокой специфичностью к различным частям акросомальной области и связываются только с определенным участком (содержимое акросомы/внутренняя/внешняя мембрана). Если они связаны с флуоресцентной молекулой, можно визуализировать области, где эти зонды связались. Сперматозоиды с искусственно вызванными акросомными реакциями могут служить положительным контролем.
Для флуоресцентной микроскопии изготавливают мазок отмытых сперматозоидов, высушивают на воздухе, пермеабилизируют, а затем окрашивают. Такое предметное стекло затем просматривают под светом с длиной волны, которая вызывает флуоресценцию зонда, если он связан с акросомальной областью. По меньшей мере 200 клеток считаются произвольно и классифицируются как интактные акросомы (флуоресцирующие ярко-зеленым цветом) или прореагировавшие акросомы (зонд отсутствует или находится только в экваториальной области). Затем его выражают в процентах от подсчитанных клеток.
Для оценки с помощью проточной цитометрии промытые клетки инкубируют с выбранным зондом, возможно пропускают повторно, затем отбирают образцы в проточном цитометре. После стробирования популяции клеток в соответствии с прямым и боковым рассеянием полученные данные можно проанализировать (например, сравнить среднюю флуоресценцию). С помощью этого метода можно также включить зонд на жизнеспособность, такой как йодид пропидия (PI), чтобы исключить мертвые клетки из оценки акросомы, поскольку многие сперматозоиды спонтанно теряют свою акросому, когда они умирают.