Fecondazione

La fecondazione è più una catena di eventi che un singolo fenomeno isolato. Infatti, l’interruzione di qualsiasi passo della catena causerà quasi certamente il fallimento della fecondazione. La catena inizia con un gruppo di cambiamenti che riguardano gli spermatozoi, che li prepara per il compito che li aspetta.

La fecondazione riuscita richiede non solo che uno spermatozoo e un uovo si fondano, ma che non più di uno spermatozoo si fonda con l’uovo. La fecondazione da parte di più di uno spermatozoo – polispermia – porta quasi inevitabilmente alla morte embrionale precoce. Alla fine della catena ci sono degli anelli che si sono evoluti per prevenire efficacemente la polispermia.

In sintesi, la fecondazione può essere descritta come i seguenti passi:

Captazione degli spermatozoi

Gli spermatozoi appena eiaculati non sono in grado o sono poco capaci di fecondare. Piuttosto, devono prima subire una serie di cambiamenti conosciuti collettivamente come capacitazione. La capacitazione è associata alla rimozione delle proteine del plasma seminale aderenti, alla riorganizzazione dei lipidi e delle proteine della membrana plasmatica. Sembra anche coinvolgere un afflusso di calcio extracellulare, un aumento dell’AMP ciclico e una diminuzione del pH intracellulare. I dettagli molecolari della capacitazione sembrano variare un po’ tra le specie.

La capacitazione avviene mentre gli spermatozoi risiedono nel tratto riproduttivo femminile per un periodo di tempo, come fanno normalmente durante il trasporto dei gameti. La lunghezza del tempo richiesto varia a seconda delle specie, ma di solito richiede diverse ore. Gli spermatozoi di molti mammiferi, compreso l’uomo, possono anche essere capacitati attraverso l’incubazione in alcuni mezzi di fecondazione.

Gli spermatozoi che hanno subito la capacitazione sono detti diventare iperattivi, e tra le altre cose, mostrano una motilità iperattiva. Tuttavia, la cosa più importante è che la capacitazione sembra destabilizzare la membrana dello spermatozoo per prepararlo alla reazione dell’acrosoma, come descritto di seguito.

Binding Sperma-Zona Pellucida

Il legame dello sperma alla zona pellucida è un’interazione recettore-ligando con un alto grado di specificità di specie. I gruppi di carboidrati sulle glicoproteine della zona pellucida funzionano come recettori dello sperma. La molecola dello spermatozoo che lega questo recettore non è conosciuta con certezza, e in effetti, ci possono essere diverse proteine che possono svolgere questa funzione.

La reazione dell’acrosoma

Il legame dello sperma alla zona pellucida è la parte facile della fecondazione. Lo spermatozoo affronta poi l’arduo compito di penetrare la zona pellucida per raggiungere l’ovocita. La risposta dell’evoluzione a questa sfida è l’acrosoma – un enorme lisosoma modificato che è pieno di enzimi che distruggono la zona e si trova intorno alla parte anteriore della testa dello spermatozoo – proprio dove è necessario. La stessa proteina della zona pellucida che serve come recettore dello sperma stimola anche una serie di eventi che portano a molte zone di fusione tra la membrana plasmatica e la membrana acrosomale esterna. La fusione della membrana (in realtà una esocitosi) e la vescicolazione espongono il contenuto acrosomiale, portando alla fuoriuscita degli enzimi acrosomiali dalla testa dello spermatozoo.

Man mano che la reazione acrosomiale procede e lo spermatozoo passa attraverso la zona pellucida, sempre più della membrana plasmatica e del contenuto acrosomiale vengono persi. Nel momento in cui lo spermatozoo attraversa la zona pellucida, l’intera superficie anteriore della sua testa, fino alla membrana acrosomale interna, è denudata.

L’animazione a destra mostra la reazione acrosomica, con gli enzimi acrosomici colorati in rosso. La valutazione dell’integrità degli acrosomi degli spermatozoi eiaculati è comunemente usata nell’analisi del seme.

Penetrazione della Zona Pellucida

La costante forza propulsiva della coda flagellante dello spermatozoo, in combinazione con gli enzimi acrosomiali, permette agli spermatozoi di creare un tratto attraverso la zona pellucida. Questi due fattori – la motilità e gli enzimi digestivi della zona – permettono agli spermatozoi di attraversare la zona pellucida. Alcuni ricercatori ritengono che la motilità degli spermatozoi sia di primaria importanza per la penetrazione della zona, permettendo allo sperma dei mammiferi a forma di coltello di farsi strada attraverso la zona pellucida.

Binding sperma-ovocita

Una volta che lo sperma penetra la zona pellucida, si lega e si fonde con la membrana plasmatica dell’ovocita. Il legame avviene nella regione posteriore (post-acrosomale) della testa dello spermatozoo.

La natura molecolare del legame spermatozoo-ovocita non è completamente risolta. Un candidato principale in alcune specie è una glicoproteina spermatica dimerica chiamata fertilina, che si lega a una proteina nella membrana plasmatica dell’ovocita e può anche indurre la fusione. È interessante notare che gli esseri umani e le scimmie hanno mutazioni inattivanti nel gene che codifica una delle subunità della fertilina, suggerendo che usano una molecola diversa per legare gli ovociti.

Attivazione dell’uovo e la reazione corticale

Prima della fecondazione, l’uovo è in uno stato quiescente, arrestato nella metafase della seconda divisione meiotica. Dopo il legame di uno spermatozoo, l’uovo subisce rapidamente una serie di cambiamenti metabolici e fisici che collettivamente sono chiamati attivazione dell’uovo. Gli effetti principali includono un aumento della concentrazione intracellulare di calcio, il completamento della seconda divisione meiotica e la cosiddetta reazione corticale.

La reazione corticale si riferisce a una massiccia esocitosi di granuli corticali osservata poco dopo la fusione spermatozoo-oocita. I granuli corticali contengono una miscela di enzimi, comprese diverse proteasi, che si diffondono nella zona pellucida dopo l’esocitosi dall’uovo. Queste proteasi alterano la struttura della zona pellucida, inducendo quella che è conosciuta come la reazione della zona. I componenti dei granuli corticali possono anche interagire con la membrana plasmatica dell’ovocita.

La reazione della zona

La reazione della zona si riferisce a un’alterazione della struttura della zona pellucida catalizzata dalle proteasi dei granuli corticali. L’importanza critica della reazione di zona è che rappresenta il principale blocco alla polispermia nella maggior parte dei mammiferi. Questo effetto è il risultato di due cambiamenti misurabili indotti nella zona pellucida:

  1. La zona pellucida si indurisce. In parole povere, questo è analogo all’indurimento del cemento. Gli spermatozoi che non hanno finito di attraversare la zona pellucida nel momento in cui si verifica l’indurimento sono fermati sulle loro tracce.
  2. I recettori dello sperma nella zona pellucida sono distrutti. Pertanto, qualsiasi spermatozoo che non si è ancora legato alla zona pellucida non sarà più in grado di legarsi, per non parlare della fecondazione dell’uovo.

La perdita dei recettori dello sperma può essere dimostrata mescolando lo sperma con entrambi gli ovociti non fecondati (che non hanno ancora subito la reazione della zona) ed embrioni a due cellule (che hanno precedentemente subito le reazioni corticali e della zona). In questo esperimento, gli spermatozoi si attaccano avidamente alla zona pellucida degli ovociti, ma non riescono a legarsi agli embrioni a due cellule.

Eventi successivi alla fecondazione

Dopo la fusione dello spermatozoo fecondatore con l’ovocita, la testa dello spermatozoo viene incorporata nel citoplasma dell’uovo. L’involucro nucleare dello spermatozoo si disperde e la cromatina si allenta rapidamente dal suo stato strettamente imballato in un processo chiamato decondensazione. Nei vertebrati, altri componenti dello sperma, compresi i mitocondri, vengono degradati piuttosto che incorporati nell’embrione.

La cromatina sia dello sperma che dell’uovo sono presto incapsulati in una membrana nucleare, formando il pronucleo. L’immagine a destra mostra un embrione di coniglio a una cellula poco dopo la fecondazione – questo embrione è stato fecondato da due spermatozoi, portando alla formazione di tre pronuclei, e probabilmente morirà entro pochi giorni. Passa il cursore del mouse sull’immagine per identificare i pronuclei.

Ogni pronucleo contiene un genoma aploide. Essi migrano insieme, le loro membrane si rompono e i due genomi si condensano in cromosomi, ricostituendo così un organismo diploide.