Факультет

Студентам

Посетителям

Акросомная реакция

Как уже было отмечено, у многих животных первичное связывание половых клеток осуществляется в ходе так называемой акросомной реакции.

Акросомная реакция в деталях существенно различается у разных видов животных в зависимости от структурных и функциональных особенностей сперматозоидов. Сущность этой реакции, однако, неизменна: она состоит в секреции содержимого акросомного пузырька. В результате экзоцитоза находящиеся в акросомном пузырьке гидролитические ферменты попадают на поверхность яйца и разрушают оболочки, прикрывающие его плазматическую мембрану.

Известны, по крайней мере, два типа акросомной реакции. В одном случае акросомная реакция служит необходимым условием связывания гамет. Так, например, у иглокожих в результате экзоцитоза содержимого акросомного пузырька на поверхности спермия открываются молекулы, которые обеспечивают его закрепление на яйцеклетке. Возможны, однако, и обратные отношения, когда акросомная реакция становится возможной лишь после закрепления сперматозоида на поверхности яйца. Этот тип взаимодействий характерен для млекопитающих.

Триггером акросомной реакции у иглокожих служат некоторые компоненты студенистой оболочки яйца. Так, у морской звезды Asterina pectinifera в студенистой оболочке выявлен сульфатированный гликопротеин (ARIS, acrosome reaction inducible substance), который при наличии особого кофактора видоспецифически индуцирует акросомную реакцию. У морских ежей аналогичную функцию выполняют гликопротеины 82 и 138 кДа. Восприятие этих сигналов обеспечивается соответствующими рецепторами мембраны спермия, в частности гликопротеином, который, возможно, является Са2+-каналом или же эффектором поступления внешнего Са2+.

В результате активации указанных рецепторов увеличивается концентрация Са2+ в цитозоле клетки, усиливается выход Н+ и повышается pH внутри сперматозоида. Как известно, увеличение концентрации ионов кальция в клетке обычно служит предпосылкой различного рода секреторных процессов, будь то секреция инсулина в клетках поджелудочной железы или выделение нейротрансмиттеров в синаптических окончаниях. У сперматозоида повышение уровня внутриклеточного кальция сверх определенного порога служит сигналом к началу экзоцитоза содержимого акросомного пузырька, в ходе которого мембрана пузырька сливается с Плазматической мембраной сперматозоида. Благодаря этому содержимое пузырька секретируется во внешнюю среду, а различные гидролитические ферменты, находившиеся в акросомном пузырьке, приходят в контакт со студенистой и желточной оболочками яйца и начинают их разрушать.

Повышение внутриклеточного pH, обусловленное выведением Н+ и поступлением Na+, вызывает по крайней мере, два важных события. Во-первых, происходит полимеризация актина, сосредоточенного в субакросомальной области спермия морского ежа в виде мономеров. Благодаря этому возникает акросомная нить, образованная актиновыми микрофиламентами и мембраной акросомного пузырька. Во-вторых, защелачивание внутренней среды спермия способствует активации АТФазы и тем самым интенсификации движения жгута сперматозоида.

В результате экзоцитоза содержимого акросомного пузырька и формирования акросомной нити на ее поверхности оказывается один из главных компонентов мембраны акросомной гранулы — биндин (от англ. to bind — связывать). Первоначально биндин транслируется как крупная молекула, насчитывающая более 480 аминокислотных остатков (а. о.). Однако примерно половина этой молекулы играет вспомогательную роль при транспортировке и упаковке биндина в акросомной грануле на завершающих стадиях сперматогенеза. Зрелый биндин у разных видов морских ежей имеет в своем составе всего 220-240 а. о. Оказалось, что в составе биндинов, выделенных из спермиев представителей разных групп морских ежей (Clypeasteroidea, Arbaciidae, Strongylocentrotiidae), которые в ходе эволюции разошлись около 200 млн лет тому назад, имеется консервативная последовательность примерно из 60 а. о. Эта консервативная центральная область фланкирована более изменчивыми аминотерминальной и карбокситерминалыюй областями. Замечательной особенностью этих участков является то, что они содержат повторяющиеся элементы, благодаря которым биндин приобретает свойства белкового клея, придающие ему дополнительные адгезивные свойства Изолированный биндин видоспецифически агглютинирует яйца, что указывает на наличие на поверхности яиц особых рецепторов биндина. Рецептором биндина у морских ежей служит комплекс из четырех одинаковых гликопротеиновых субъединиц Каждая субъединица 350 кДа имеет короткую карбокситерминальную цитоплазматическую область, трансмембранную область и, наконец, внеклеточный взаимодействующий с биндином домен, часть которого имеет структурное сходство с белком теплового шока Hsp 70. Во внеклеточном домене выявлена зона с высоким содержанием цистеина. Как полагают, именно здесь образуются дисульфидные мостики, соединяющие субъединицы в гомотетрамер — функционально активный рецептор биндина. Яйцо морского ежа содержит около 1,25·106 молекул этого рецептора, которые распределены на поверхности яйца неравномерно, что в известной степени предопределяет возможную область проникновения сперматозоида в яйцо. Предполагается, что кроме связывания сперматозоида с яйцом биндин участвует в процессе слияния мембран взаимодействующих гамет.

У млекопитающих акросомной реакции предшествует заякоривание спермия на оболочке яйца. Акросомная нить у них не образуется. Аналогом желточной оболочки у млекопитающих служит zona pellucida, которая представляет собой своего рода внеклеточный матрикс, образующийся вокруг ооцита в период роста последнего. При оплодотворении zona pellucida выполняет несколько важных функций, в том числе она обеспечивает узнавание яйца спермием, первичное связывание спермия, запуск акросомной реакции и, наконец, блокировку полиспермии. Zona pellucida образована гликопротеинами, число разновидностей которых у разных видов млекопитающих колеблется от 2 до 4. У мыши выделены три гликопротеина ZP. ZP2 и ZP3 образуют гетеродимеры, которые соединяются в виде цепочек. ZP1 образуют гомодимеры, служащие поперечными связками этих цепочек. Главным компонентом является гликопротеин ZP3 (83 кДа), который кроме структурной выполняет еще, по крайней мере, две функции, обеспечивая первичное связывание сперматозоида и индуцируя акросомную реакцию. Карбокситерминальная область белка ZP3 сильно гликозилирована. Эта углеводная часть молекулы играет главную роль в связывании сперматозоида. Что касается акросомной реакции, то она определяется и углеводной и белковой частями этого гликопротеина.

Первичное связывание гамет у мыши обеспечивается, по меньшей мере, тремя разными белками плазматической мембраны сперматозоида, взаимодействующими с гликопротеином ZP3. Во-первых, это упоминавшаяся уже галактозилтрансфераза мембраны спермия, которая взаимодействует с терминальной N-ацетилглюкозаминной группой олигосахарида, входящего в состав ZP3. Во-вторых, у сперматозоида имеется особый рецептор, взаимодействующий с остатком галактозы ZP3, и, наконец, на поверхности мужской гаметы обнаружена протеаза, которая специфически связывается с определенным участком гликопротеина ZP3. После оплодотворения ZP3 под действием гликозидаз кортикальных гранул ооцита модифицируется и утрачивает свою биологическую активность. Гомологи ZP3 выявлены у других млекопитающих и человека. По-видимому, у млекопитающих разных видов имеется своя специфика молекулярных механизмов первичного (до акросомной реакции) и вторичного (после нее) связывания сперматозоида на поверхности оболочки яйца. У мыши во вторичном заякоривании участвует белок ZP2. У спермиев свиньи оно опосредуется содержащимся в акросоме проакрозином, предшественником протеолитического фермента акрозина. Проакрозин в качестве молекулы адгезии функционирует как белок, способный к связыванию фукозы zona pellucida. Особые белки связывания обнаружены и у морской свинки.

Условием начала акросомной реакции у сперматозоидов мыши, по-видимому, является его взаимодействие с олигосахаридами молекулы ZP3. Предполагается, что начало акросомной реакции обусловлено агрегацией соответствующих рецепторов (белок 95 кДа и другие) в плоскости плазматической мембраны спермия. Эта агрегация стимулирует активность встроенной в мембрану тирозинкиназы и инициирует тем самым цепь процессов, ведущих к акросомному экзоцитозу.

Закрепление сперматозоида на яйцевой оболочке создает условия, обеспечивающие высокую локальную концентрацию протеолитических ферментов, излившихся из акросомного пузырька. Важную роль в разрушении zona pellucida играет, например, β-N-ацетилглюкозаминидаза, которая высвобождается при акросомной реакции и облегчает прохождение спермия сквозь яйцевую оболочку.

У моллюска Hciliotis rufescens (морское ушко) в ходе акросомной реакции выделяется белок лизин (16 кДа), который образует отверстие в желточной оболочке яйца на основе неферментативного стоихиометрического механизма. Действие лизина в высшей степени видоспецифично.

Так или иначе, в результате акросомной реакции оболочка яйца подвергается энергичному разрушению. Прохождению сперматозоида сквозь оболочки яйца способствует и усиление двигательной активности жгута. Все это приводит к установлению тесного контакта между плазматическими мембранами мужской и женской гамет.

Ключевым элементом механизма активации акросомной реакции сперматозоидов животных служат гуаниннуклеотид-связывающие белки, или G-белки. Эти белки плазматической мембраны играют роль посредника между рецепторами мембраны и разнообразными белками-эффекторами клетки. G-белки стимулируют или ингибируют эффективные белки, интегрируя сигналы от разного рода рецепторов, усиливая сигналы рецептора и т. п.

Участие G-белков в процессах активации гамет, по-видимому, является одним из древнейших свойств эукариот. Известно, например, что у дрожжей Saccharomyces cerevisiac в половом процессе участвуют клетки а — и α-типов спаривания, которые вырабатывают особые факторы спаривания — феромоны. Показано, что феромоны одного партнера активируют G-белки другого партнера, запуская, таким образом, целый ряд процессов, необходимых для спаривания клеток: блокируются клеточные деления, высвобождаются ионы кальция, изменяется активность транскрипции генов. В частности, начинается экспрессия генов молекул адгезии — агглютининов, обеспечивающих взаимное связывание клеток. Феромоны индуцируют также экспрессию генов fusl и fus2, белковые продукты которых локализуются на вершинах клеточных отростков и обеспечивают слияние взаимодействующих клеток.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: