Andrologie
Soňa Kloudová
sona.kloudova@med.muni.cz 19.3.2024
Kapacitace
• Po maturaci v nadvarleti spermie stále zůstávají ve stavu, kdy nejsou schopny fertilizace
• V mužském těle zůstávají membrány spermií v klidovém stavu
• Kapaciatce se odehrává po depozici spermií do ženského pohlavního traktu (nebo po jejich resuspendaci ve fertilizačním médiu)
• Různé fyziologické změny na hlavičce, střední části a bičíku
• Aktivace adenylát cyklázy, fosforylace tyrosinových zbytků proteinů spermií, aktivace PAK (rodina kináz patřících mezi klíčové regulátory procesů vyžadujících práci cytoskelet) a PKC, odnětí cholesterolu z membrán - reorganizace lipidů v plasmatické membráně a zvýšení intracelulárního Ca2+, změna membránového potenciálu
• Kapacitované spermie vykazují aktivní pohyb - hyperaktivace, která zahrnuje aktivaci proteinů CatSper
• Heterogenita spermií v suspenzi (kapacituje pouze určitá populace spermií -> různá stádia kapacitace, degradace)
Glukóza       -zdroj energie pro kapacitace
-umožňuje spermiím fertilizovat oocyt Glykolýza - ATP
Zásadní role v kapacitaci: cholesterol, hydrogenuhličitan, Ca2+ aj. Přesná molekulární podstata zatím neobjasněna
Jakmile spermie zkapacitují -> hyperaktivovaný pohyb (tlačná síla) - asymetrické kmitání bičíku, zvýšení intracelulárního Ca2+- kontrolováno CatSper
-aktivace progesteronem
Catsper kanál - Ca2+-permeabilní, pH-dependentí, nízkonapěťový kanál, esenciální pro hyperaktivaci, chemotaxi, kapacitaci a akrozomální reakci - aktivace zvýšením intracelulárního pH
Hydrogenuhličitanový anion - jeho transport přes membránu spermií je elektrogenní, Na+ dependentní, zvyšuje pH, ovlivňuje cAMP metabolismus - stimulace adenylatcykláz -> zvýšení koncentrace cAMP -> aktivace PAK -> fosforylace různých proteinů
Změny na membráně - rychlé (asociace s HC03-/cAMP, PKA) a pomalé (eflux cholesterolu)
Časné změny: kolaps v a symetrii fosfolipidů (indukované hydrogenuhličitanovými ionty) -externalizace fosfatydilserinu a fosfatidilethanolaminu (skramblin , skrambláza) -reverzibilní, mediátorem je PKA
-předpoklad pro eflux cholesterolu (v médiu jej váže například BSA) ->jedním z důsledků by mohlo být oslabení vazby povrchových proteinů a změna v ustáleném intracelulárním iontovém prostředí
Odnětí cholesterolu z membrány je předpokladem pro zvýšenou fosforylaci proteinů
Ztráta povrchových proteinů -> odlišná organizace membrány (        ilizace membrái ) -> schopnost fúzovat s vnitřní akrozomální membánou i s membránou oocytu, odhalení receptoru pro indukci akrozomální reakce
• Změny v membránovém potenciálu -> iontové prostředí i iontové kanály samotné ovlivňují průběh motility, kapacitace, akrozomální reakce, regulaci intracelulárních messengerů
-nadvarle-vysoká koncentrace K+, nízká koncentrace Na+, a HCO3-
-ženský pohlavní trakt -nízká koncentrace K+, vysoká koncentrace Na+, a HC03~
Hyperpolarizace -zvýšení intracelulárního negativního napětí - regulace schopnosti produkovat intracelulární Ca2+
• Ca2+dependentní proces
• Fosforylace proteinů -o kinázách účastnících se procesů ve spermiích a o fosforylovaných proteinech je málo známo
-důležitá role-PKA a fosforylace tyrosinových zbytků
Hco-
L sfk
sAC
PDE 1
cAMP^Í Ser/Thr
i    5'AMP phosphatases
PKA (PPiv^PaA)
PKA SUBSTRATE PHOSPHORYLATION
\ I
t
TYROSINE PHOSPHORYLATION
0)
1 min
6 h
proteinu
HYPERACTIVATION     ACROSOME REACTION
SPERM FERTILIZING ABILITY
https://wwwTesearchgate.net/figure/Signaling-pathways-involved-in-human-sperm-capacitation-Two-pathways-are-required-to_fig4_236581743
• Hyperaktivace - změny odehrávající se v oblasti bičíku
- zásadní role AC a PKA, Catsper kanál
- 90% ATP generováno anaerobními mechanismy
- Změna progresivní motility na lokalizovanou energickou (předpokladem je, že se typy pohybu spermie střídají v reakci na chemické stimuly -> lokalizace oocytu); regulace odlišnými metabolickými drahami
- uvolnění spermií z rezervoáru oviduktu, průchod hledem v lumen oviduktu, průnik přes cumulus oophorus
(A)
(B)
5 Human sperm hyperactivation. Motility patterns of (A) non... | Download Scientific Diagram (researchgate.net)
Fast Events
Slow Events
Jakmile jsou spermie v kontaktu s izotonickým roztokem obsahujícím HC03a Ca2+,dojde k hyperaktivaci. Na molekulární úrovni tento proces závisí na zvýšení aktivity PKA a je zprostředkován Ca2+ a HC03~ koordinovanou stimulací atypické adenylyl cyklázy SACY.
11
1		
HC03 Transport	—(SACY)-	Ca2+ Channel
Phosphorylation of PKA substrates
■
Sperm Motility Activation
BSA	
►       1 X	
Cholesterol efflux
Phosphorylation of PKA substrates
1) Increase in Protein Tyrosine Phosphorylation
2) Hyperactivated Sperm Motility
3) Preparation for the Acrosome Reaction
https://www.semanticscholar.org/paper/Understanding-the-molecular-basis-of-sperm-through-Visconti/799a56f44a451fa6flf0c65f564f6de766e01851/figure/0
BSA indukovaná kapacitace
Akrozomální reakce
• Série morfologických změn během které se z akrozomu uvolňují různé proteiny a enzymy
• Proces splynutí vnější akrozomální membrány s plasmatickou membránou -> exocytace akrozomu
• Proces zahrnuje aktivaci PKC a proteinů SNARE (rodina proteinů hrajících zásadní roli při splývání membránových váčků- fúze membrán)
• Proces vyžaduje influx Ca2+ iontů -kanály spřažené s G proteiny
• Indikace zakončení kapacitace
• Nezbytným předpokladem akrozomální reakce je kapacitace spermií
• Pouze spermie s reagovaým akrozomem může fertilizovat oocyt
Acrosome intact Acrosome reacting Acrosome reacted
Capacitated human sperm
Capacitated human sperm exposed to AR inducer (ZP, Ca** ionophore)
Modulace AR:
• Ca2+ionoforA23187,ZP
• FITC-PSA (lektin pisum sativum konjugovaný s fluorescein
capacitated human sperm isothiokyanátem - značí akrozom
exposed to AR inducer and incubated with FITC-PSA Spermií)
Acrosome-intact sperm
Acrosome-reacted sperm
spermie intaktní akrozomy, spermie s reagujícími akrozomy
- test plodnosti: 2 typy defektů -předčasná AR (více než 20% spermií vykazuje spontánní AR), nebo nedostatečná AR (špatná odpověď na stimulaci AR)
https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/acrosome-reaction
IP3 receptor/channel akrozomální reakce se může
spoléhat na více redundantních mechanismů, zabraňujících vstupu do oscilačního stavu a udržujících vysokou klidovou hladinu vápníku (nezbytná pro úspěšnou exocytózu akrozomu a v konečném důsledku i fertilizaci oocytu)
Simons and Fauci 2017
Hypotézy jak kapacitace spouští akrozomální reakci:
-změna konformace receptoru -rozpoznávání specifickými agonisty, jako je zona pellucidaa/nebo progesteron
-párování downstream signálních molekul s receptorem (downstream signalizace)
-ukotvení proteinů přímo souvisejících s exocytózou např. (SNARE)
-změny ve složení a architektuře lipidů plazmatické membrány -> zvýšení fuzogenní povahy plazmatické membrány;
-změny potenciálu plazmatické membrány spermií (vliv na iontové kanály) -kombinace všech těchto možností.
K akrozomální reakci může dojít před setkáním se zónou pellucidou (u lidských spermií v 5-10%)
Spouštěč: folikulárnítekutina (progesteron), zona pellucida
Receptory pro ZP: receptory spřažené s G proteinem nebo tyrosin kinázové receptory
Změny v intracelulární koncentraci Ca2+ se projeví nejdříve v eqatoriálním segmentu -> šíří se po celé hlavě
ZP myši:ZPl,ZP2, ZP3
ZP člověka -4 glykoproteiny: ZP1, ZP2, ZP3, ZP4 -mutace je jednou z příčin neplodnosti ZP1, ZP3 a ZP4 -vazba na kapacitovanou spermii s intaktním akrozómem ZP2 -vazba na spermii s reagovaným akrozómem, hraje klíčovou roli N-glykosylace proteinů ZP - důležitá role v indukci akrozomální reakce
vejcovod: selektivní migrace spermií, přežití a získávání fertilizační schopnosti
- Uterotubální spojení-výběr subpopulace spermií vstupující do vejcovodu
- přítomnost vazebných míst pro spermie na luminálních epiteliálních buňkách ve vejcovodu - prodlužují životaschopnost spermií a hrají roli ve snížení Polyspermie
- kontrakce vejcovodu, které podporují migraci spermií směrem k místu oplodnění v ampule
- různé oblasti vejcovodu hrají různé role při regulaci funkcí spermií (v součinnosti s interakcemi s epiteliálními buňkami vejcovodu)
)
- čas ovulace vs. hormonální prostředí - regulace uvolňování spermií z luminálních epiteliálních buněk a usnadnění kapacitace
B
PM
Acrosome
OAM 1AM
Capacitation
Nucleus
• Albumin-mediated cholesterol efflux
• Removal of decapacitation factor?
• Interaction with cumulus cells through cytokines?
• Ca2+ influx T •Acrosomal pH t
• Soluble adenylyl cyclase T
• Protein kinase A and C t
• Tyrosine phosphorylation etc. t
Acrosome reaction
Acrosomal cap region
Equatorial segment
Phospholipase C64, SNARE proteins etc.
The cell biology of mammalian fertilization | Development | The Company of BiologistsThe cell biology of mammalian fertilization | Development | The Company of Biologists
Fertilizace
Komplexní proces o několika krocích, kompletní asi za 24 hodin Migrace přes kumulus
Adheze a penetrace (spermie musí podstoupit AR, proziknout přes ZP a adherovat k membráně oocytu)
Fuze plasmatických membrán
Nezbytné receptory spermie: Izumo 1 a SPACA 6 (sperm acrosome membráne associated protein)
Nezbytné receptory oocytu: Juno, a tetraspaniny CD9 a CD81
- aktivace oocytu a rychlý blok Polyspermie
- degradace bičíku a mitochondrií spermií
- vorba pronukleí-> splynutí -> zygota
Hlavní SOAF - PICZ, -> Ca2+vlna -absence této vlny má za následek selhání oplození (nevytvoří se prvojádra)
umělé oplodnění - kalcium ionofor A23187, pokusy s injekcí PICZ,
PLG;-objevuje se u spermií během spermiogeneze ve fázi prodlužující se spermatidy
https://www.googlexz/seaj^?q=plc+zeta+sperm&tbm=isch&ved=2ahUKEwipcYHmklCFAxUL4rslHRLRA6M
cCegQIABAA&oq=plc+zeta/sperm&gsJp=EgNpbWciDnBsYyB6ZXRhlHNwZXJtSPoZUPwHWOoXcAB4AJABAJgBTaABkAaqAQIxNbgBA8gBAPg
gewglFEAAYgATCAggQABíABBixA8ICDRAAGIAEGIoFGEMYsQPCAgoQABiABBiKBRhDwglHEAAYgAQYE8ICBhAAGB4YE8ICBBAAGB7CAgcQABiABBgYiAYB&sclient=im 4vE7_UPkqKPmAo&bih=953&biw=1920&hl=cs#imgrc=pOzDfS_i95m-6M
2. Membranes Fusion
3. Penetration
Normal Activation
2a. PLC£ Microinjection
2a. Ionophore Treatment
Artificial Activation
https://cellandbioscience.biomedcentral.eom/articles/10.1186/sl3578-020-00520-l/figures/l