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September 03, 2022

精子嗅覚受容体:精子の移動、成熟、受精における精子嗅覚受容体の走化性行動を促進する卵巣匂い物質様生体分子より

Ovarian odorant-like biomolecules in promoting chemotaxis behavior of spermatozoa olfactory receptors during migration, maturation, and fertilization

https://mefj.springeropen.com/articles/10.1186/s43043-020-00049-w

精子の移動、成熟、受精における精子嗅覚受容体の走化性行動を促進する卵巣匂い物質様生体分子

Spermatozoa olfactory receptors

精子嗅覚受容体

Olfactory receptors (ORs), otherwise known as odorant receptors (ORs), are usually localized on the cell membrane of the olfactory neurons and concerns with the identification of odorant molecules [76]. They have majorly comprised of G-protein-coupled receptors (GPCRs) that form the biggest genetic group within the human genome, with the body genetic make-up encoding approximately 1000 ORs [77, 78]. In mammals, ORs are expressed in the olfactory epithelium nose with a higher affinity to attract a wide range of odorants as well as utilizing the chemical properties of odorant molecules to mediate the sense of smell.

嗅覚受容体(OR)は、匂い物質受容体(OR)としても知られており、通常、嗅神経細胞の細胞膜に局在しており、匂い物質の分子の識別に関与しています[76]。それらは主にヒトゲノム内で最大の遺伝子グループを形成するGタンパク質共役型受容体(GPCRs)で構成されており、身体の遺伝子構成は約1000の嗅覚受容体(OR)をコードする[77, 78]。哺乳類では、ORは嗅覚上皮の鼻に高い親和性で発現し、広範囲の匂い物質を引き付けるとともに、匂い物質分子の化学的性質を利用して嗅覚を媒介する。

G-protein-coupled receptors (GPCRs):Gタンパク質共役型受容体(GPCRs)

Interestingly, it has been reported that ORs are not only found in the nose. They can also be expressed in other tissues such as the cardiac cells, autonomic nervous system, spleen, prostate, and testis with wide distribution on the sperm cell [79, 80]. More than 20 members of the olfactory receptors (ORs) family have been identified in sperm cells playing different roles at various stages in the movement (e.g., speed, strength, and direction) of spermatozoa towards the egg while genomics analysis revealed that approximately 50 receptors could be expressed in the testis [81, 82].

興味深いことに,嗅覚受容体ORは鼻の中だけに存在するのではないことが報告されている.それらはまた、心臓細胞、自律神経系、脾臓、前立腺、精巣などの他の組織で発現し、精子細胞上に広く分布することができる [79, 80]。精子細胞では20以上の嗅覚受容体(OR)ファミリーが同定されており、精子が卵子に向かう移動(例えば、速度、強さ、方向)の様々な段階で異なる役割を果たす一方、ゲノム解析により精巣では約50の受容体が発現していることが明らかになりました [81, 82]。

These ORs are structurally similar to those receptors found in the olfactory epithelium mediating the sense of smell. They are usually found in the mid-piece region and the flagellum in the mature spermatozoa [83]. Real-time PCR analysis of human testicular biopsy identified the presence of a specific receptor, human olfactory receptor 17-4 (hOR17-4) in the testis, and on the surface of a mature sperm cell, while proteomics analysis of seminal fluid shows the expression of 8 different ORs gene encoded as OR4S1, OR4C13, OR5R1, OR1I1, OR2M7, OR2T2, OR4AJ1, and OR2M3 localized on the surface of sperm cells [3, 84].

これらの嗅覚受容体ORは、嗅覚を媒介する嗅上皮に見られる受容体と構造的に類似している。これらは通常、成熟した精子のミッドピース領域と鞭毛に存在する [83] 。ヒト精巣生検のリアルタイムPCR解析では、精巣と成熟精子細胞表面にヒト嗅覚受容体17-4(hOR17-4)が存在することが確認され、精液のプロテオミクス解析では、精子細胞表面にOR4S1, OR4C13, OR5R1, OR1I1, OR2M7, OR2T2, OR4AJ1, OR2M3という8種類の嗅覚遺伝子(コードされています)が発現しています [3, 84].

Although the exact expression status and physiological significance of the different testicular ORs are yet to be fully explained, works of literature have reported that hOR17-4 and mOR23 can influence the chemotactic movement of sperm cells towards the egg by identifying different stimuli and activating cellular transduction signals which interpret these stimuli into a coordinated movement pattern [2, 85].

異なる精巣の 嗅覚受容体OR の正確な発現状態と生理的意義はまだ十分に説明されていないが,文献によると hOR17-4 と mOR23 は,異なる刺激を識別し,これらの刺激を解釈して協調運動パターンにする細胞伝達シグナルを活性化することによって,卵子に向かって精子細胞の走化性移動に影響を与えることが報告されている [2, 85]

The ORs, hOR17-4, and mOR23 can influence the spermatogenic process, promote epididymal growth, influence acrosome reaction, and initiate flagella movement in the mature spermatozoa to enhance sperm-oocyte interaction in addition to their significant role in chemotaxis [81]. On the other hand, ORs can facilitate cell-to-cell communication as well as identifying internal and external ligands [86].

嗅覚受容体OR、hOR17-4、およびmOR23は、走化性における重要な役割に加えて、精子形成過程に影響を与え、精巣上体成長を促進し、先体反応に影響を与え、成熟精子における鞭毛運動を開始して精子 - 卵母細胞相互作用を増強することができる[81]。一方、嗅覚受容体ORは細胞間通信を促進し、内部および外部のリガンドを同定することができる[86]。

Testis 精巣
mid-piece region 
Flagellum 鞭毛 ミッドピース領域
Proteomic analysis プロテオーム解析
プロテオーム解析(Proteomic analysis)、またはプロテオミクス(Proteomics)は、特に構造と機能を対象としたタンパク質の大規模な研究のことである[1][2]。タンパク質は細胞の代謝経路の重要な構成要素として生物にとって必須の物質である。
seminal fluid 精液
spermatogenic process, 精子形成プロセス、
epididymal growth,精巣上体の成長
acrosome reaction, 先体反応
ligands:リガンド 細胞の表面に存在する特定の受容体に特異的に結合する物質。ホルモンや神経伝達物質など。

For fertilization to occur, capacitated sperm cells must be guided towards the egg. This is usually mediated by chemotaxis in addition to oviductal contraction and thermotaxis that moves the spermatozoa from the storage site towards the fallopian tube [87]. As the sperm cells move closer to the egg, the spermatozoa ORs become activated by some chemoattractant originating from the ovary, FF, and the female reproductive tract [88, 89]. Thus, guiding sperm cells towards the egg because a larger proportion of the sperm cells become non-responsive to chemoattractant after capacitation and unable to reach the egg [83, 90]. The odorants, in the form of chemoattractants in the FF, binds to the ORs in the sperm cell to activate the G-protein-coupled receptors, thereby initiating signal transduction via adenylyl cyclase-III. This signaling pathway increases intracellular calcium ions by opening the cyclic-nucleotide-gated channel with a resultant increase in motility [91].

受精が起こるためには、受精能獲得精子細胞が卵子の方へ誘導される必要がある。これは通常、精子を貯蔵場所から卵管に向かって移動させる卵管収縮と走熱性に加えて、走化性によって媒介される[87]精子細胞が卵子に近づくと、卵巣、卵胞液(FF)、女性の生殖路に由来する何らかの化学誘引物質によって精子嗅覚受容体ORが活性化する[88, 89]このように、精子細胞を卵子の方へ誘導するのは、受精能獲得に化学誘引物質に反応しなくなり、卵子に到達できなくなる精子細胞の割合が増えるからである [83, 90]。卵胞液(FF)の化学誘引物質の形をした匂い物質は,精子細胞の嗅覚受容体ORに結合してGタンパク質共役型受容体を活性化し,それによってアデニル酸シクラーゼ-IIIを介したシグナル伝達が開始される.このシグナル伝達経路は, 環状ヌクレオチド感受性チャネル を開くことによって細胞内のカルシウムイオンを増加させ,その結果,運動性が増加する[91].

capacitated 受精能獲得
oviductal contraction 卵管収縮
thermotaxis 走熱性
chemoattractant 化学誘引物質(化学遊走物質)
adenylyl cyclase-III アデニル酸シクラーゼ-III
cyclic-nucleotide-gated channel 環状ヌクレオチド感受性チャネル

用語

受精
http://www.chugaiigaku.jp/upfile/browse/browse2210.pdf

2 受精能獲得1,2) 射出された精子,あるいは精巣上体精子は,充分な運動性を持っていても 直ちに卵子に進入することはできない.通常,精子は雌性生殖路を移動して はじめて卵子と出会うので,この過程で受精能を獲得する仕組みを備えてい る.この過程は受精能獲得(キャパシテーション)と呼ばれる.体外受精で は適切な培養液で前培養することによって誘導することができる.しかし, 長時間の前培養は精子 DNA の損傷を引き起こすので体外受精における精子 の前培養時間には注意が必要である.

Chemotaxis
走化性
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B5%B0%E5%8C%96%E6%80%A7

走化性(そうかせい、英:chemotaxis)とは、生物体(単一の細胞や多細胞の生物体を問わず、細胞や細菌など)の周囲に存在する特定の化学物質の濃度勾配に対して方向性を持った行動を起こす現象のことであり、化学走性(かがくそうせい)ともいう。 この現象はたとえば細菌がブドウ糖のような栄養分子の濃度勾配のもっとも大きな方向に向かって移動するために、あるいはフェノールのような毒性物質から逃げるために重要である。多細胞生物でも走化性は通常の生命活動においてだけでなく、その生命の初期(たとえば受精の際の精子の卵への運動)やそれに続く諸段階(神経細胞やリンパ球の遊走など)にも必須の性質である。しかしがんの転移では、動物の走化性を起こす機構がくずれることもわかっている。

化学誘引物質  走化性より

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B5%B0%E5%8C%96%E6%80%A7

化学誘引物質(Chemoattractant, 化学遊走物質とも)および化学忌避物質(Chemorepellent)は、運動性の細胞にそれぞれ正または負の走化性を引き起こす効果を持った無機物あるいは有機物である。化学誘引物質の効果は既知あるいは未知の走化性受容体を通して発現するが、あるリガンドが化学誘引物質の側面を持つかどうかは標的細胞に対して特異的であり、濃度依存的である。もっともよく研究されている化学誘引物質はホルミルペプチドとケモカインである。化学忌避物質への反応は体軸性の泳動となって現れるが、これは細菌の基本的な運動現象と考えられている。化学忌避物質として最もよく研究されているのは無機塩類、アミノ酸およびケモカインである。

アデニリルシクラーゼ
https://numon.pdbj.org/mom/251?l=ja

アデニリルシクラーゼ(adenylyl cyclase)は信号増幅器である。ホルモンの結合を細胞への応答に変換する信号伝達の流れで中心的な役割を果たす。アドレナリン(adrenaline)やグルカゴン(glucagon)のようなホルモンがGタンパク質共役受容体(G-Protein Coupled Receptor、GPCR)に結合し、これがGタンパク質を活性化して、その次にアデニリルシクラーゼを活性化する。そしてアデニリルシクラーゼは触媒反応を行い、ATPから2つのリン酸を切り出して、残ったリン酸に結合を付け足す。この結果できる環状AMP(cyclic AMP、cAMP)という分子は放出されて、素早く細胞中に行き渡り、さまざまなタンパク質の機能を制御する。この役割において、環状AMPは、ホルモンが持ってきた元の情報を伝える二次伝達物質(second messenger)と呼ばれることがよくある。さらなる利点として、この過程で信号は増幅される。なぜならアデニリルシクラーゼは活性化されるとたくさんの環状AMP分子を作り出す酵素だからである。

精子と精液の違いは何ですか?
https://www.netinbag.com/ja/physiology/what-is-the-difference-between-sperm-and-semen.html

精子はオスの生殖細胞であり、メスの卵である卵と融合して、最終的に生殖の原因となる受精プロセスを促進します。 ヒトの精子細胞は半数体です。つまり、典型的な細胞の染色体の半分が含まれています。 これにより、半数体である精子と卵子の組み合わせが、二倍体細胞に典型的な46の染色体を満たすことができます。

精巣で生成された精子は、完全に成熟するまでに数ヶ月かかります。 それらは、ヘッド、ミッドピース、テールからなる3つの主要な領域で構成されています。 頭部には遺伝物質が含まれており、雌の卵を貫通できるように設計されていますが、ミッドピースには精子内でエネルギーを生成できる細胞小器官があります。 尾は主に、比較的粘性のある精液を操縦するための重要な特性である移動の手段として機能します。

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