Oplođenje kao međureakcija membranskih molekula spermatozoida i jajne ćelije

Zašto je fuzija gameta klinički važna

Saznanje da poremećaji fuzije gameta mogu dovesti do nekih oblika infertiliteta kod ljudi daje ovoj problematici dodatni značaj i otvara nove mogućnosti lečenja. Nova strategija mogla bi biti usmerena upravo na regulisanje spermatozoidno-oocitne interakcije.

Hipoteza da se fuzija gameta zasniva na interakciji komplementarnih molekula spermatozoidne i oocitne membrane potvrđena je na velikom broju eksperimentalnih in vitro i in vivo modela. Pretpostavlja se da u tom procesu veliku ulogu igraju ćelijski adhezioni molekuli, odnosno integrini.

Koraci koji prethode oplođenju

Sama fuzija gameta samo je mali deo procesa koji vodi uspešnom oplođenju, pa su svi koraci koji joj prethode podjednako važni. Pripremne faze oplođenja podrazumevaju:

• maturaciju gameta;
• transport gameta;
• prepoznavanje i interakciju spermatozoida i zone pelucide;
• interakciju spermatozoida i oocite;
• samo fuzionisanje gameta.

Maturacija spermatozoida podrazumeva proces kapacitacije i prelazak u pobuđeno stanje, koje se karakteriše ekspresijom ćelijsko-ćelijskih adhezionih liganada. Fuzija membrana je pri tome jedan od ključnih procesa u mnogim biološkim fenomenima, kao što su transport između organela, endocitoza i egzocitoza, miogeneza i fertilizacija.

Specifičnost prepoznavanja membrana

U većini slučajeva fuzija membrana je specifičan proces, što podrazumeva prethodno prepoznavanje partnerske membrane sa kojom dolazi do fuzionisanja. Jednostavnije rečeno, fuzija membrana prilikom oplođenja znači obostrano prepoznavanje membrana spermatozoida i oocite.

To prepoznavanje je najčešće species-specifično: komplementarnu vezu spermatozoid-oocita mogu ostvariti samo gameti jedinki iste vrste, u suprotnom oplođenje izostaje.

Uloga receptora i adhezionih molekula

Veliki broj autora smatra da se veza između gameta ostvaruje preko komplementarnih molekula, membranskih receptora ili adhezionih molekula, a njihova komplementarnost i specifičnost mogu se uporediti sa vezom antitelo-antigen. Somatske ćelije i gameti eksprimiraju nekoliko različitih grupa adhezionih molekula, a u najznačajnije spadaju integrini, selektini, kadherini, sindekani i ADAM molekuli, odnosno metaloproteaze.

Vezivanje spermatozoida za zonu pelucidu u većini slučajeva je species-specifično. Sledi akrozomalna reakcija i oslobađanje proteolitičkih enzima, koji najverovatnije omogućavaju penetraciju spermatozoida kroz zonu pelucidu. Spermatozoidni receptori zatim reaguju sa komplementarnim molekulima na površini oocite, čime se ostvaruje vezivanje spermatozoida i oocite, prvi korak prema fuziji gameta i oplođenju.

Mnoga istraživanja su pokazala da je za oplođenje podjednako važna receptorska interakcija spermatozoida i zone pelucide, kao i receptorska interakcija spermatozoida i oocite.

Zona pelucida kao prvi nivo prepoznavanja

Prvi nivo ekspresije species-specifičnih receptora za ostvarivanje veze sa spermatozoidima lokalizovan je na samoj zoni pelucidi ili u njoj. Do tog saznanja se došlo pokušajima interspecijesnog oplođenja.

Pokazano je da se spermatozoidi jedne vrste mogu fuzionisati sa oocitom druge vrste, ali pod uslovom da je oocita oslobođena zone pelucide. Ako zona pelucida nije uklonjena, spermatozoidi druge vrste ne mogu prebroditi tu prepreku, verovatno zato što ne mogu ostvariti receptorsku vezu sa njenim adhezionim molekulima.

Fertilini i beta1-integrini

Fertilini su transmembranski molekuli sa osobinama ADAM porodice, a njihova uloga je prvenstveno u ostvarivanju spermatozoidno-oocitne veze. Molekuli PH-20 i PH-30 uglavnom se eksprimiraju na unutrašnjoj akrozomalnoj membrani, što ih čini operativnim samo u postakrozomalnoj fazi oplođenja. Anti-PH-30 monoklonska antitela reaguju uglavnom sa spermatozoidima postakrozomalne faze i efikasno ometaju njihovo vezivanje za oocitu.

Beta subjedinica PH-30 molekula sadrži solubilnu sekvencu od približno pedeset aminokiselina, za koju se pretpostavlja da učestvuje u prepoznavanju i vezivanju oocitnih receptora. Promena redosleda aminokiselina u toj sekvenci efikasno inhibira vezivanje spermatozoida za jajnu ćeliju i fuzionisanje gameta. Fertilini su otkriveni i na spermatozoidima čoveka: redosled aminokiselina humanog PH-30 proteina pokazuje 90% sličnosti sa fertilinom majmuna, 56% sa fertilinom hrčka i 55% sa mišjim fertilinom.

Beta1-integrini su membranski molekuli koji se mogu dokazati na ćelijama trofoblasta, endometrijuma, na spermatozoidima i na imunskim ćelijama, a učestvuju u ostvarivanju ćelijsko-ćelijske veze, kao i veze između ćelija i ekstracelularnog matriksa. Imunohistohemijska istraživanja anti-beta1-integrinskim antitelima pokazala su da spermatozoidi u preakrozomalnoj fazi eksprimiraju veoma mali broj ovih proteina, a u postakrozomalnoj znatno veći, što ukazuje da je njihova uloga uglavnom u vezivanju spermatozoida i oocite. Kod infertilnih muškaraca sa teratooligospermijom ekspresija beta1-integrina bila je znatno slabija i u pre- i u postakrozomalnoj fazi.

Fibronektin, vitronektin i laminin

Ova tri adheziona molekula takođe doprinose spermatozoidno-oocitnoj adhezionoj reakciji, a njihovo prisustvo potvrđeno je i na spermatozoidnoj i na oocitnoj membrani. Blokiranje ovih molekula specifičnim antitelima u in vitro uslovima dovodi do potpune inhibicije vezivanja spermatozoida za oolemu.

Na oocitnoj membrani eksprimiraju se i receptor za C3 komponentu komplementa i beta2-integrin. Oni u spermatozoidno-oocitnoj interakciji učestvuju najverovatnije preko spermatozoidnih PH-20 i PH-30 molekula. Blokiranje beta2-integrina i receptora za C3 specifičnim monoklonskim antitelima in vitro inhibira interakciju ljudskih spermatozoida i jajne ćelije hrčka oslobođene zone pelucide.

Inhibitori komplementa CD35, CD46, CD55 i CD59 dokazani su na akrozomalnoj membrani spermatozoida. Nizak potencijal inhibicije komplementa aktiviranog antispermatozoidnim antitelima ukazuje na to da uloga ovih molekula nije strogo vezana za inhibiciju komplementa. Na isto ukazuju i podaci da anti-CD46 i anti-CD59 antitela inhibiraju vezivanje spermatozoida za oocitu i samu fuziju gameta, dok anti-CD55 antitela blokiraju akrozomalnu reakciju, što govori o značaju CD55 molekula za akrozomalnu reakciju i penetraciju kroz zonu pelucidu.

Kalmodulin i događaji posle fuzije

Kalmodulin pripada membranskim molekulima postakrozomalne reakcije i najbolje se eksprimira na unutrašnjoj akrozomalnoj membrani. Molekuli kalmodulina učestvuju u fuzionisanju gameta, ali i u procesima koji slede nakon fuzije membrana, a nedavno je potvrđena i interakcija kalmodulina spermatozoidne membrane sa citoplazmatskim receptorima oocite. Istraživanja interakcije spermatozoidne membrane i citoplazme oocite još su u početnoj fazi, pa je uloga kalmodulina u postfuzionoj fazi oplođenja i dalje nedovoljno jasna.

Sastav adhezionih molekula ooleme veoma je sličan sastavu adhezionih molekula spermatozoidne membrane. Za razliku od spermatozoida, oocita ne eksprimira MHC antigene klase I, ali eksprimira sve tri izoforme Fc-gama receptora (Fc-gama I, II i III), za koje je potvrđeno da mogu vezati Fc fragment antispermatozoidnih antitela vezanih za spermatozoide.