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¿Los espermatozoides exhibirán quimiotaxis hacia la sacarosa?

¿Los espermatozoides exhibirán quimiotaxis hacia la sacarosa?


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Me preguntaba si los espermatozoides exhibirán quimiotaxis hacia la sacarosa. Uno de mis amigos me dijo que los espermatozoides mueren en presencia de sales. Así que supongo que los espermatozoides se alejarán de la sal. ¿Alguien puede darme alguna referencia relacionada con esta área?


ACTUALIZAR (Respuesta para ¿por qué sacarosa?):

Así que debería haber dejado las cosas más claras. Estaba pensando en hacer un experimento tomando algunos espermatozoides y sus efectos sobre el azúcar y la sal y luego verlos con un microscopio plegable. Como no soy biólogo, quería una guía. Las sustancias comunes disponibles que me vinieron a la mente fueron el azúcar y la sal.


Si busca en Google "sucrosa quimiotaxis de esperma", aprenderá algunas cosas de interés. En particular, el artículo de wikipedia sobre la quimiotaxis de los espermatozoides indica que los quimioatrayentes importantes para los espermatozoides (las cosas que atraen a los espermatozoides a través de la quimiotaxis) son varias moléculas de señalización emitidas por el óvulo.

No está claro por qué pensaría necesariamente que la sacarosa atraería los espermatozoides o que la sal los repelería. En el primer caso (sacarosa), no es obvio por qué los espermatozoides esperarían ver sacarosa. Si mal no recuerdo, la sacarosa es bastante rara en la fisiología animal, excepto como fuente de energía en las plantas que comen los animales; y la sacarosa se descompone en gran parte en monosacáridos incluso antes de que salga del intestino delgado, por lo que no es como si estuviera circulando en el cuerpo. Por ejemplo, un protocolo de laboratorio para estudiar la quimiotaxis de esperma animal sugiere agregar sacarosa como agente densificante que no interfiere con la quimiotaxis, lo que sugiere que los espermatozoides son bastante independientes de la sacarosa. En el segundo caso (sal), no es obvio que los espermatozoides eviten necesariamente las cosas que los matan. ¡Esas cosas pueden estar relacionadas con hacer su trabajo! Se espera que la mayoría de los espermatozoides mueran en la estrategia reproductiva humana.

En pocas palabras: hay una gran cantidad de espermatozoides que compiten muy duro entre sí para encontrar y fertilizar un óvulo, no para encontrar sacarosa o evitar la sal. La quimiotaxis que exhiben los espermatozoides tenderá a ayudarlos a lograr este objetivo. Entonces parece (según wikipedia) que siguen las señales que dicen 'huevo', no las que dicen 'azúcar'.

Actualizar: Lo siento, acabo de ver la actualización de Q. Gracias por la aclaración, ¡suena divertido! Tengo curiosidad por los Foldscopes.

Si lo que quieres es hacer un experimento, entonces creo que has tenido un gran comienzo sabiendo primero que la sal interfiere con su motilidad. Ese es un experimento de control, p. Ej. lo primero que debe hacer es asegurarse de que el mundo funcione como otras personas dicen que debería funcionar. (Primera regla de la ciencia experimental: ¡nunca confíes en nadie!). Busque un protocolo que sugiera una concentración de sal inhibidora de los espermatozoides (idealmente sal kosher, no sal de mesa que tiene un montón de otras cosas como yodo). Coloque los espermatozoides en esa concentración de sal y luego también en un medio donde deberían mostrar quimiotaxis (el protocolo al que me vinculé podría ser útil aquí). Vea si puede reproducir la inhibición de la sal, idealmente en un medio que sea idéntico al medio que permite la quimiotaxis.

A continuación, pruebe otras cosas. Desafortunadamente, los quimioatrayentes son probablemente proteínas / moléculas pequeñas que no se pueden comprar en el supermercado. Pero podrías intentar ser creativo. No puedo recomendar éticamente que intentes encontrar una fuente humana, porque eso se vuelve extraño bastante rápido, aunque es una sugerencia obvia (supongo que estás hablando de esperma humano). Potencialmente, existe una fuente animal para tales cosas que no es demasiado cara.

Sin embargo, podría decirse al diablo con los quimioatrayentes y la quimiotaxis, y tratar de entender la motilidad de los espermatozoides. Puede probar otros choques osmóticos, con productos químicos simples y baratos como la glicina. Parece que hay alguna literatura que indica que los iones de calcio afectan la motilidad de los espermatozoides. O podrías jugar con el pH, usando vinagre o lejía, o con la temperatura. Apuesto a que todos ellos afectan la motilidad de los espermatozoides (probablemente para peor). O puede probar los efectos de varias hierbas hippies extrañas de la tienda naturista. Parece que solo estás buscando un experimento fácil y divertido, y si ese es tu objetivo, te sugiero que pruebes un montón de cosas y veas qué sucede. De esa forma, es más probable que encuentres algo interesante.

Si lo que quieres es un experimento más elaborado, entonces creo que vale la pena que te sientes y trates de leer cómo funcionan los espermatozoides, y luego diseña un experimento que realmente pruebe una hipótesis con claridad. No soy un experto aquí, pero el artículo de Yoshida al que me vinculo parece que tiene una buena revisión de la literatura.

Espero que ayude.


Incluso cuando es débil, el olor a ovario atrae los espermatozoides

Se sabe que los ratones tienen un agudo sentido del olfato, pero no solo sus narices son hábiles para detectar un olor, muestra un nuevo estudio.

En la revista Analytical Chemistry de esta semana, los científicos de la Universidad de Indiana en Bloomington informan sobre la maquinaria bioquímica que permite que los espermatozoides de ratón sigan los olores más débiles. Incluso cuando los extractos de ovario se diluyeron 100.000 veces, algunos espermatozoides aún encontraron su marca.

"Se sabe que los espermatozoides exhiben quimiotaxis hacia extractos de varios órganos reproductores femeninos, pero se desconoce el papel de la quimiotaxis en la reproducción", dijo Stephen C. Jacobson, profesor asociado de química de la IUB. "No se han identificado las sustancias químicas que realmente atraen a los espermatozoides. El estudio sistemático de varios compuestos liberados por los órganos reproductores femeninos en diversas condiciones podría mejorar nuestra comprensión de estos procesos".

Comprender por qué, cómo y cuándo los espermatozoides se sienten atraídos por los ovarios puede ayudar a los científicos a comprender los problemas de la concepción humana.

"Los defectos en la quimiotaxis de los espermatozoides pueden ser una causa de infertilidad y, en consecuencia, la quimiotaxis de los espermatozoides podría usarse potencialmente como una herramienta de diagnóstico para determinar la calidad de los espermatozoides o como un procedimiento terapéutico en la infertilidad masculina", dijo Jacobson.

El proyecto es una colaboración entre grupos de investigación liderados por Jacobson y el profesor distinguido de química de la IUB, Milos V. Novotny. Su trabajo condujo al desarrollo de un dispositivo de "flujo continuo", una especie de cinta de correr líquida para los espermatozoides, que permite a los investigadores seguir el movimiento lateral de los espermatozoides a medida que las células nadan a través de un medio líquido.

El dispositivo alimenta tres corrientes de líquido en una sola cámara. Más allá de la cámara, los flujos se dividen en tres corrientes de salida. El caudal se puede regular simplemente elevando o bajando la altura del medio fuente, en este caso una solución tampón. Los investigadores colocaron un microscopio y una cámara en el dispositivo y luego grabaron un video de los espermatozoides durante los ensayos.

"Combinamos en un dispositivo de microfluidos la capacidad de generar un gradiente químico con el transporte de espermatozoides para evaluar la quimiotaxis de los espermatozoides", dijo Jacobson. “El uso de dispositivos de microfluidos parece ser un enfoque ideal para controlar con precisión el gradiente químico y rastrear con precisión los eventos quimiotácticos. Esta combinación condujo a una mayor repetibilidad en las condiciones experimentales durante el transcurso de los ensayos, lo que actualmente no es posible con los ensayos convencionales. Estos resultados son un primer paso importante para tener una plataforma fácil de usar para evaluar y cuantificar rápidamente la quimiotaxis ".

Los investigadores esperan que su dispositivo ayude a otros científicos a examinar con mayor precisión la quimiotaxis de todos los tipos de células. El método también elimina el fenómeno de "atrapamiento", que hace que los resultados del estudio se vuelvan ambiguos.

"La capacidad de diferenciar la quimiotaxis del atrapamiento ayuda a determinar si los espermatozoides fueron atraídos por la sustancia de prueba o la velocidad de nado se redujo cerca de la sustancia de prueba", dijo Jacobson. "En el último caso, la sustancia de prueba puede haber tenido una influencia negativa en los espermatozoides, lo que resultó en la supresión de su movimiento".

Novotny es el ex-alumno de Lilly Chemistry en el Departamento de Química de Bloomington de la Universidad de Indiana, donde también dirige el Instituto de Investigación de Feromonas.

Los científicos de la IUB, Sachiko Koyama y Dragos Amarie, dirigieron los experimentos y fueron asistidos por Helena A. Soini. El estudio fue apoyado por la Universidad de Indiana y el Fondo de la Cátedra de Antiguos Alumnos de Química de Lilly. Analytical Chemistry es una revista de la American Chemical Society.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad de Indiana. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.


Equinodermos, Parte B

Hussein Hamzeh,. U. Benjamin Kaupp, en Métodos en biología celular, 2019

1.1 La vía de la señalización

La quimiotaxis de esperma se ha estudiado principalmente en erizos de mar, pero también en otros invertebrados marinos (Carre & amp Sardet, 1981 Guerrero et al., 2010 Kaupp, 2012 Shiba, Baba, Inoue, & amp Yoshida, 2008 Ward, Brokaw, Garbers, & amp Vacquier, 1985). Los erizos de mar viven en colonias en el fondo del mar y liberan óvulos y espermatozoides en el agua de mar para la fertilización externa. Tras el desove, los gametos se dispensan a escala macroscópica mediante el flujo de agua. Los huevos de erizo de mar tienen entre 75 y 150 μm de diámetro. Para aumentar su volumen objetivo efectivo en varios órdenes de magnitud, los huevos liberan péptidos quimioatrayentes específicos de la especie (de 8 a 15 aminoácidos de longitud). El quimioatrayente del erizo de mar A. punctulata, llamado resact, se compone de 14 residuos de aminoácidos. Una estimación sugiere que los espermatozoides se sienten atraídos por el óvulo desde una distancia de aproximadamente 0,5 cm (Kashikar et al., 2012).

Proporcionar una descripción completa de todas las moléculas involucradas va más allá del alcance de esta revisión. Para un resumen más detallado, nos referimos a revisiones anteriores en A. punctulata (Kaupp & amp Alvarez, 2016 Kaupp & amp Strünker, 2017 Wachten, Jikeli y amp Kaupp, 2017) o Strongylocentrotus purpuratus esperma (Darszon, Guerrero, Galindo, Nishigaki, & amp Wood, 2008 Darszon, Nishigaki, Beltran, & amp Trevino, 2011 Nishigaki et al., 2014). Los componentes de señalización más importantes se muestran en la Fig. 1 A. La unión de resact a un quimiorreceptor ubicado a lo largo del flagelo del esperma activa una vía de señalización celular. El quimiorreceptor pertenece a la familia de las guanilato ciclasas (GC) que atraviesan la membrana, que sintetizan el mensajero celular 3 ', 5' monofosfato de guanosina cíclico (cGMP) (Garbers et al., 1988 Kaupp et al., 2003). El primer evento de señalización es un aumento de cGMP. A su vez, cGMP abre canales regulados por nucleótidos cíclicos selectivos de K + (CNGK) y los iones de K + abandonan la célula (Bönigk et al., 2009 Galindo, de la Vega-Beltrán, Labarca, Vacquier, & amp Darszon, 2007 Strünker et al. al., 2006). La hiperpolarización resultante: el potencial de membrana (Vmetro) en reposo es de aproximadamente - 50 mV - evoca un aumento simultáneo del pH intracelular (pHI) y concentración de Na + ([Na +]I) a través de un intercambiador de Na + / H + dependiente de voltaje específico de esperma (sNHE) (Lee & amp Garbers, 1986 Nomura & amp Vacquier, 2006 Seifert et al., 2015 Wang, King, Quill, Doolittle, & amp Garbers, 2003 Windler et al., 2018). La alcalinización cambia la dependencia del voltaje del canal de Ca 2 + específico del esperma CatSper (canal catiónico del esperma) a voltajes más negativos. Este cambio permite que CatSper se abra durante la recuperación de la hiperpolarización (Seifert et al., 2015). El consiguiente aumento de la concentración de Ca 2 + intracelular ([Ca 2 +]I) modula el latido flagelar. La recuperación de la hiperpolarización implica una corriente de entrada de Na + transportada por canales activados por hiperpolarización y activados por nucleótidos cíclicos (HCN) (Gauss, Seifert y amp Kaupp, 1998 Seifert et al., 2015), cierre de los canales de CNGK tras la hidrólisis de cGMP por una fosfodiesterasa (PDE), o una combinación de ambos. La restauración de los niveles de referencia de Ca 2 + se logra mediante un intercambiador de Na + / Ca 2 + / K + (NCKX) y un Ca 2 + -ATPase (PMCA) (Gunaratne & amp Vacquier, 2006 Su & amp Vacquier, 2002, 2006). La figura 1 B muestra cuatro señales principales durante la quimiotaxis: un cambio en Vmetro, pHI, [Na +]Iy [Ca 2 +]I medido en el dispositivo de flujo detenido como se explica más adelante en el texto. Las respuestas de fluorescencia superpuestas ilustran la secuencia de eventos de señalización: primera hiperpolarización, seguida de exportación e importación de Na + simultáneas, y finalmente un aumento de Ca 2 +.

Figura 1 . Modelo de vía de señalización que controla la dirección quimiotáctica de A. punctulata esperma. (A) La unión del reactivo quimioatrayente al receptor del quimioatrayente (GC) estimula la síntesis de cGMP, que abre los canales de K + (CNGK) e hiperpolariza la célula. La hiperpolarización activa un intercambiador de sodio / protones (sNHE), la consiguiente alcalinización intracelular desplaza la dependencia del voltaje del canal de Ca 2 + CatSper a potenciales de membrana más negativos. Durante la recuperación de la hiperpolarización, probablemente facilitada por la actividad del canal HCN1 / HCN2, los canales CatSper se abren y el Ca 2 + fluye hacia la célula. Finalmente, se extruye Ca 2 + y los niveles basales se restauran mediante un intercambiador de Na + / Ca 2 + -K + (NCKX) y una bomba de Ca 2 + (PMCA). (B) Las señales representan cambios en Ca 2 + (azul, Fluo-4), Vmetro (rojo, FluoVolt), pHI (verde, rojo pHrodo) y Na + (negro, ANG2). Los espermatozoides se mezclaron primero con ASW y luego se estimularon mediante la foto-liberación de cGMP de cGMP enjauladas con DEACM. Se registraron las señales de los espermatozoides del mismo animal y luego se alinearon en el pulso UV.

Panel (A): Modificado según Kaupp, U.B. y ampamp Strünker, T. (2017). Señalización en los espermatozoides: más diferente que similar. Tendencias en biología celular, 27, 101–109.


Los espermatozoides de ratón exhiben quimiotaxis a alurina, un miembro truncado de la familia de proteínas secretoras ricas en cisteína

Allurina, una proteína de 21 kDa aislada de gelatina de huevo de rana Xenopus laevis, se ha demostrado previamente que atrae el esperma de rana en ensayos microscópicos y de dos cámaras. La clonación y secuenciación de ADNc ha demostrado que la alurina es un miembro truncado de la familia de proteínas secretoras ricas en cisteína (CRISP), cuyos miembros incluyen proteínas de unión a espermatozoides de mamíferos que se ha postulado que desempeñan funciones en la espermatogénesis, la capacitación de los espermatozoides y la unión de espermatozoides con óvulos en mamíferos. Aquí, mostramos que la alurina es un quimioatrayente para los espermatozoides de ratón, según lo determinado por una estimulación de 2,5 veces el paso de los espermatozoides a través de una membrana porosa y por el análisis de las trayectorias de los espermatozoides dentro de un gradiente de alurina como se observa por microscopía de lapso de tiempo. La quimiotaxis estuvo acompañada de un cambio general en la trayectoria de circular a lineal, lo que aumentó el movimiento de los espermatozoides a lo largo del eje del gradiente. La alurina no aumentó la velocidad de los espermatozoides, aunque sí produjo un aumento modesto en la frecuencia de los latidos flagelares. Se observó que la alurina conjugada con Oregon Green 488 se unía a la región subecuatorial de la cabeza del esperma de ratón y a la parte media del flagelo. Estos hallazgos demuestran que los espermatozoides han conservado la capacidad de unirse y responder a proteínas Crisp truncadas durante 300 millones de años de evolución de vertebrados.

Reflejos

► Los espermatozoides de ratón exhiben una motilidad dirigida a la alurina, un quimioatrayente anfibio. ► La alurina conjugada con verde de Oregón se une al esperma de ratón en un patrón específico de la región. ► Allurin estimula un modesto aumento en la frecuencia de los latidos. ► Los espermatozoides de ratón no muestran aumentos de velocidad en respuesta a la alurina. ► Los espermatozoides han conservado la respuesta a la alurina durante más de 300 millones de años de evolución.


Resultados y discusión

Para probar la función de la calaxina en la regulación de la motilidad de los espermatozoides en la quimiotaxis, utilizamos un inhibidor de las proteínas de la familia del sensor de calcio neuronal, repaglinida, que se une específicamente a la calaxina en los flagelos de los espermatozoides (Fig. S1) (13). Primero preguntamos si la calaxina juega un papel crítico en la quimiotaxis de los espermatozoides. Durante los movimientos quimiotácticos, los espermatozoides muestran un movimiento de giro único asociado con un cambio flagelar a una forma de onda asimétrica, seguido de un movimiento en línea recta (11). Observamos movimiento quimiotáctico de los espermatozoides hacia un capilar de vidrio lleno de SAAF en ausencia y presencia de repaglinida (Fig.1A ). Los espermatozoides en agua de mar artificial de control (ASW) con disolvente (DMSO) al 0,5% (vol / vol) mostraron una quimiotaxis muy fuerte hacia el capilar de vidrio. Sin embargo, los espermatozoides en el ASW que contienen repaglinida 150 & # x000b5M no exhibieron el movimiento de giro único y mostraron una quimiotaxis menos efectiva (Fig.1A ). El análisis del índice de quimiotaxis de ecuación lineal (LECI) (11) mostró cuantitativamente una disminución significativa de la propiedad quimiotáctica promovida por repaglinida en & # x0003e100 & # x000b5M (Fig.1B ). La velocidad de nado de los espermatozoides no mostró cambios drásticos después del tratamiento con repaglinida (Fig.1C ). Una hipótesis es que la pérdida del comportamiento quimiotáctico por repaglinida podría deberse a un efecto sobre KATP canales (13). Sin embargo, el tratamiento con glibenclamida, un K específicoATP inhibidor del canal, no tuvo efecto sobre el comportamiento quimiotáctico (Fig.1B ). Estos datos sugieren que la calaxina es esencial para la quimiotaxis de los espermatozoides.

La repaglinida inhibe la quimiotaxis de los espermatozoides. (A) Trayectorias de los espermatozoides hacia un capilar lleno de SAAF (rojo) en ausencia (Superior) y presencia (Más bajo) de repaglinida 150 & # x000b5M. (Barra de escala, 100 & # x000b5m.) Se muestran las trayectorias de tres espermatozoides representativos (Derecha). (B) Cuantificación de quimiotaxis mediante LECI. norte = 12 & # x0201328. (C) La repaglinida no altera significativamente la velocidad de nado de los espermatozoides durante la quimiotaxis. norte = 30. (D) Visualización de pseudocolor de [Ca 2+]I mientras los espermatozoides nadan hacia un quimioatrayente en ausencia (DMSO) o presencia de repaglinida 150 & # x000b5M. Las trayectorias de los espermatozoides y la posición relativa al quimioatrayente (rojo) se muestran en pseudocolor de la parte flagelar (Derecha). (mi) Intensidad fluorescente máxima de Fluo-8H de la parte flagelar durante la quimiotaxis. El tratamiento con repaglinida no altera el [Ca 2+] máximoI. norte = 12 & # x0201321. Flechas en A y D indicar la dirección del movimiento. *PAG & # x0003c 0,01 frente a 0 & # x000b5M **PAG & # x0003c 0,001 frente a 0 & # x000b5M.

La quimiotaxis de los espermatozoides se acompaña de un [Ca 2+] oscilatorioI aumento, seguido de cambios de asimetría flagelar (Película S1). Para excluir la posibilidad de que repaglinida altere la quimiotaxis al inhibir la [Ca 2+] oscilatoriaI aumento, comparamos [Ca 2+]I dinámica visualizada por Fluo-8H durante la quimiotaxis de los espermatozoides en ausencia y presencia de repaglinida. Los espermatozoides tratados con repaglinida mostraron un aumento transitorio de [Ca 2+]I cerca del quimioatrayente similar al esperma de control (Fig.1D Película S2). La intensidad máxima promedio de fluorescencia de Fluo-8H durante la quimiotaxis no se vio afectada por repaglinida (Fig.1mi ). Estos resultados sugieren que la inhibición de la forma de onda flagelar por repaglinida no se debe a un efecto sobre [Ca 2+]I, sino para dirigir la acción sobre calaxin.

Para comprender cómo la repaglinida inhibe la quimiotaxis, se analizó en detalle la asimetría de la forma de onda flagelar utilizando una cámara de alta velocidad. En el turno quimiotáctico, los espermatozoides muestran un cambio transitorio en la asimetría flagelar (Fig.2A Película S3). Los espermatozoides tratados con repaglinida 150 & # x000b5M continuaron mostrando una asimetría flagelar transitoria, pero la trayectoria del movimiento fue inestable debido al giro incompleto, lo que resultó en un movimiento quimiotáctico menos efectivo (Película S4). Curiosamente, los espermatozoides tratados con repaglinida no pudieron mantener una forma de onda asimétrica y rápidamente regresaron a una forma simétrica, en contraste con los espermatozoides de control, que mostraron una fuerte asimetría durante un turno (Fig.2A , asteriscos Movies S3 y S4). El análisis detallado reveló que los espermatozoides tratados con repaglinida mostraron múltiples cambios asimétricos durante un turno (Fig.2B , puntas de flecha Fig.2C ), y la duración del estado asimétrico se redujo (Fig.2 B, Centrar, y D ). Tal disminución en la duración podría resultar en la pérdida de un giro fuerte esencial para el movimiento quimiotáctico. La onda flagelar se compone de una gran curva principal (curva P) y una curva inversa más pequeña (curva R) (9) (ver Fig. S3). La asimetría de la forma de onda flagelar en el giro quimiotáctico se acompañó de un aumento de la curvatura de la curva P y una disminución de la curvatura de la curva R. Los espermatozoides tratados con repaglinida lograron una asimetría de forma de onda similar a la de los espermatozoides de control (Fig.2B , Derecha), y como resultado los índices asimétricos máximos fueron los mismos que los observados en los espermatozoides de control (Fig.2mi ). La disminución de la duración de la forma de onda asimétrica y la restauración resultante de la forma de onda simétrica condujeron a una orientación débil del movimiento de los espermatozoides hacia el quimioatrayente.

El tratamiento con repaglinida reduce la sostenibilidad de la forma de onda flagelar asimétrica en los giros quimiotácticos. (A) Imágenes secuenciales de espermatozoides. Los asteriscos corresponden a la primera o dos puntas de flecha en B. (B) (Izquierda) Trayectorias de los espermatozoides en un movimiento de turno. Las flechas indican la dirección del movimiento. Las puntas de flecha indican puntos de asimetría. (Centrar) Índice asimétrico. Los datos brutos en puntos se suavizan (línea continua). (Derecha) Curvaturas flagelares máximas de curvatura principal (azul) e inversa (roja) durante un giro quimiotáctico. (C) La repaglinida aumenta el número de asimetrías durante un turno quimiotáctico. norte = 8 & # x0201310. (D) La duración de una asimetría se reduce significativamente con repaglinida. norte = 12 & # x0201342. (mi) La repaglinida no altera significativamente el índice asimétrico máximo durante la quimiotaxis. norte = 6 & # x0201310. *PAG & # x0003c 0,05 frente a 0 & # x000b5M, **PAG & # x0003c 0,01 frente a 0 & # x000b5M.

A continuación, para examinar el efecto directo de repaglinida sobre los axonemas flagelares, utilizamos un modelo en el que los espermatozoides se desmembranaban con Triton X-100 al 0,04% y se reactivaban con ATP 1 mM. Se agregaron varias concentraciones de Ca 2+ a la solución de reactivación y se analizó la forma de onda de los espermatozoides. Los espermatozoides reactivados mostraron cambios dependientes de Ca 2+ en la asimetría de la forma de onda flagelar, como se informó anteriormente (8). Los flagelos de esperma mostraron una forma de onda más asimétrica en soluciones que contenían una alta concentración de Ca 2+ (Fig.3 A y B ). Análisis de índices asimétricos en varios [Ca 2+]I indicó que la asimetría flagelar se volvió significativa a más de 10 & # x022126 M Ca 2+ (Fig.3B ). Sin embargo, la flexión flagelar de los espermatozoides reactivados tratados con repaglinida 150 & # x000b5M se atenuó a concentraciones altas de Ca 2+, aunque la flexión flagelar se propagó a concentraciones bajas de Ca 2+ (Fig. 3C ). La comparación de la curvatura de flexión a lo largo de la longitud del flagelo a concentraciones de Ca 2+ entre 10 & # x0221210 M (pCa10) y 10 & # x022125 M (pCa5) mostró que el tratamiento con repaglinida afectó en gran medida la propagación de la flexión, especialmente en la porción distal de los flagelos en pCa5 ( Fig. 3C ). Se observó un efecto similar con el anticuerpo específico contra calaxina (Fig.3D ). Esta atenuación de onda se produjo tanto en la curva P como en la curva R en pCa5 y en la curva P en pCa10 (Fig.3 C y D ). El tratamiento con glibenclamida no tuvo efecto sobre la amplitud flagelar tanto a concentraciones bajas como altas de Ca 2+ (Fig. S2). Un inhibidor de calmodulina W-7 redujo ligeramente la curvatura de la curva en P, pero no causó una atenuación significativa de la curvatura flagelar (Fig. S2), lo que indica que la atenuación de la curvatura flagelar se debe a la inhibición específica de calaxina, no a la de proteínas similares a CaM. en el axonema.

Calaxin regula la propagación de la flexión flagelar asimétrica suprimiendo el deslizamiento de microtúbulos impulsado por dineína. (A) Patrón de flexión flagelar en pCa10 (Izquierda) y pCa5 (Derecha). Se eligieron veinte formas de plegado cada 5 ms. La curvatura flagelar se traza contra la distancia desde la base del flagelo (Más bajo). Se sobrescriben los datos de 20 formas de onda. (B) Los índices asimétricos flagelares de los flagelos de un modelo de esperma desmembranado se representaron gráficamente a diversas concentraciones de Ca 2+. norte = 18 & # x0201319. *PAG & # x0003c 0,05 frente a pCa10, **PAG & # x0003c 0,001 frente a pCa10. (C y D) Patrón de flexión flagelar y la curvatura en pCa10 (Izquierda) y pCa5 (Derecha) en presencia de repaglinida 150 & # x000b5M (C) o anticuerpo anti-calaxina (D). (Fondo) La curvatura flagelar máxima frente a la distancia desde la base del flagelo se traza para las curvas P y R. norte = 30 & # x0201340. *PAG & # x0003c 0.01, **PAG & # x0003c 0,001.

Calaxin tiene tres motivos de unión a Ca2 + (mano EF) (aminoácidos 62 & # x0201390, 98 & # x02013126 y 151 & # x02013166) (12). La asociación de calcio con calaxina se investigó mediante calorimetría de titulación isotérmica (ITC Fig.4A ). Los datos de ITC para Ca 2+ podrían ajustarse a un modelo de unión secuencial de tres sitios, consistente con la predicción del motivo (Fig.4A ). Dos de los tres motivos EF-hand exhibieron unión endotérmica (& # x02206H1 = 8.0 kcal / mol y Ka1 = 2,3 & # x000d7 10 5 M & # x022121 & # x02206H2 = 5,1 kcal / mol y Ka2 = 2.2 & # x000d7 10 5 M & # x022121), y uno era un sitio exotérmico (& # x02206H3 = & # x022123.4 kcal / mol y Ka3 = 3,5 & # x000d7 10 4 M & # x022121). La entalpía positiva refleja interacciones hidrófobas, como en los casos de la unión del Ca 2+ a la calmodulina (14) y la unión del ácido (+) - abscísico (ABA) a PYL1 (15).

La unión de Ca 2+ a calaxina suprime la translocación de microtúbulos impulsada por dineína. (A) Calorimetría de titulación isotérmica que muestra tres sitios de unión para Ca 2+ en calaxin. (Fondo) Ubicación de tres motivos de unión a Ca2 + de mano EF en calaxina. (B) Imágenes secuenciales de campo oscuro de la translocación de microtúbulos en pCa10 o pCa5 en presencia o ausencia de calaxina. Las flechas indican la dirección de la translocación. Las puntas de flecha representan los extremos menos (amarillo) o más (verde) de los microtúbulos. (C) Velocidad de translocación de microtúbulos. (Superior) Calaxin suprime drásticamente la translocación en pCa5. norte = 73 & # x02013129. (Más bajo) Repaglinida (norte = 40 & # x0201371), anticuerpo anti-calaxina (norte = 107 & # x02013128), y una mutación en EF-hand 2 de calaxin (norte = 89 & # x0201395) cancelar la supresión de la translocación de microtúbulos mediada por calaxina. Barra abierta, barra cerrada de control, presencia de repaglinida, anticuerpo anti-calaxina o un mutante de calaxina. *PAG & # x0003c 0.01, **PAG & # x0003c 0,001. (D) Modelo propuesto de función de calaxina en la quimiotaxis de espermatozoides. Un quimioatrayente induce el influjo de Ca 2+ y aumenta el [Ca 2+]I desencadena la asimetría de la forma de onda flagelar. La unión de Ca 2+ da como resultado un cambio conformacional en la calaxina, su asociación con el dominio motor dineína, la supresión del deslizamiento de los microtúbulos y la propagación de una onda asimétrica necesaria para el movimiento de giro.

Finalmente, debido a que la calaxina es un fuerte candidato para un regulador directo de la actividad motora de la dineína (12), preguntamos si la calaxina modula el deslizamiento de los microtúbulos singlete polimerizados por la dineína del brazo externo purificada in vitro. Después de unir la dineína del brazo externo a un portaobjetos de vidrio en una cámara, se agregaron microtúbulos en presencia de ATP 1 mM y se registró la translocación de los microtúbulos (Fig.4B Películas S5, S6, S7 y S8). Dineína del brazo exterior de Ciona microtúbulos translocados de esperma a 4,6 & # x000b1 1,5 & # x003bcm / s en pCa10. El aumento de la concentración de Ca 2+ a pCa5 tuvo un pequeño efecto sobre la velocidad de translocación (Fig.4C ). Sin embargo, la adición de calaxina redujo significativamente la velocidad de translocación de microtúbulos en pCa5 (Fig.4C ). La repaglinida canceló la supresión de la translocación de microtúbulos en pCa5 (Fig.4C ). Un anticuerpo específico contra calaxin también canceló el efecto supresor de calaxin (Fig.4C ). Para interrumpir la unión de Ca 2+ de calaxina, preparamos un mutante de calaxina con sustitución de E118A en el motivo 2 de mano EF (Fig.4A ). El mutante E118A de calaxin no mostró supresión de la translocación de microtúbulos incluso en pCa5 (Fig.4C ).

Análisis de Clamidia mutantes indica que las dineínas del brazo externo son esenciales para la conversión de la asimetría de la forma de onda en respuesta a cambios en la concentración de Ca 2+ (16 & # x0201318). Calaxin se une a la cadena pesada & # x003b2 de la dineína del brazo externo (12, 19) y suprime el deslizamiento de los microtúbulos a altas concentraciones de Ca 2+ (Fig. 4 B y C ). Es probable que se requiera tal supresión para propagar la curvatura asimétrica. De hecho, tanto las curvas P como las R de los espermatozoides desmembranados se atenúan con el tratamiento con repaglinida, un inhibidor de calaxina (Fig.3C ) o por anticuerpo anti-calaxina (Fig.3D ). Durante la quimiotaxis de los espermatozoides tratados con repaglinida, la forma de onda asimétrica no se propaga sino que se vuelve prematuramente simétrica (Fig.2A ). En general, se acepta que la propagación de la curvatura flagelar resulta del deslizamiento alterno de microtúbulos dobles impulsados ​​por dineínas. La retroalimentación mecánica de una curva afecta el deslizamiento de los microtúbulos en una curva adyacente (20). Por lo tanto, la supresión del deslizamiento de microtúbulos por calaxina podría afectar la curva adyacente para propagar una forma de onda asimétrica (Fig.4D ).

Conversión de forma de onda asimétrica en Clamidia los flagelos ocurren en & # x0223c10 & # x022126 M Ca 2+ en el tipo salvaje pero no en mutantes sin brazos externos (17). Unión de microtúbulos sensibles a ATP de Clamidia La dineína del brazo externo es crítica entre & # x0223c10 & # x022126 M y & # x0223c10 & # x022125 M Ca 2+ (21). Aunque el nivel basal de [Ca 2+]I es demasiado bajo (& # x0003c10 & # x022127 M) para estimar usando Fluo-8H en Ciona esperma, índice asimétrico máximo durante el movimiento de giro quimiotáctico (Fig.2mi ) fue comparable a la del esperma desmembranado en & # x0223c10 & # x022125 M Ca 2+ (Fig.3B ), lo que sugiere que el máximo [Ca 2+]I durante el turno quimiotáctico es & # x0223c10 & # x022125 M. Esta sugerencia es compatible con el hecho de que [Ca 2+]I aumenta de 10 & # x022127 a 10 & # x022126 M por el espectro quimioatrayente en los erizos de mar (22). La supresión del deslizamiento de microtúbulos in vitro es significativa en & # x0223c10 & # x022125 M (Fig.4C ) y es consistente tanto con la respuesta de Ca 2+ en los flagelos de los espermatozoides (Fig.3) como con la interacción hidrofóbica formada por la unión de Ca 2+ a dos motivos de mano EF, como sugiere ITC (Fig.4A ). Estos resultados apoyan aún más la idea de que la supresión de la actividad de translocación de microtúbulos de dineína dependiente de Ca 2+ por calaxina es un requisito previo para el movimiento de giro durante la quimiotaxis de los espermatozoides (Fig.4D ). Por lo tanto, la regulación de la dineína del brazo externo mediada por Ca 2+ se considera fundamental para la propagación adecuada de la forma de onda flagelar asimétrica. El presente estudio demuestra no solo el papel esencial de la calaxina en la quimiotaxis de los espermatozoides, sino también la importancia de la dineína del brazo externo en la regulación dependiente de Ca 2+ de la curvatura flagelar asimétrica. Debido a que la calaxina está comúnmente presente en los cilios y flagelos de los metazoos (12), es probable que estudios adicionales conduzcan a descubrimientos importantes en la regulación dependiente de Ca 2+ de varios procesos mediados por cilios.


¿Los espermatozoides exhibirán quimiotaxis hacia la sacarosa? - biología

Los rasgos de comportamiento de los espermatozoides se adaptan a la estrategia reproductiva que emplea cada especie. En las especies poliandrosas, los espermatozoides a menudo forman grupos móviles, lo que podría ser ventajoso para competir con los espermatozoides de otros machos [1]. A pesar de esta supuesta ventaja para el éxito reproductivo [2, 3], se sabe poco acerca de cómo los espermatozoides forman tales conjuntos funcionales. Anteriormente, informamos que los machos del calamar costero Loligo bleekeri producen dos euspermatozoos morfológicamente diferentes que están vinculados a comportamientos de apareamiento claramente diferentes [4]. Los machos consorte y zapatilla usan dos sitios de inseminación distintos, uno dentro y otro fuera del cuerpo de la hembra, respectivamente. Aquí, mostramos que los espermatozoides liberan una molécula que se atrae a sí mismos que hace que solo los espermatozoides de las zapatillas se aglomeren. Identificamos CO2 como quimioatrayente de esperma y anhidrasa carbónica flagelar unida a la membrana como su sensor. La señalización descendente es el resultado de la generación de H + extracelular, la acidosis intracelular y la recuperación de la acidosis. Estos eventos de señalización provocan un comportamiento de giro dependiente de Ca 2+, lo que resulta en un enjambre quimiotáctico. Estos resultados iluminan la evolución en bifurcación de los espermatozoides subyacentes a las distintas estrategias de fertilización de esta especie.

Gráficamente abstracto

Reflejos

► Los machos de calamar pequeños y furtivos producen espermatozoides que se transforman en CO2 ► Los espermatozoides de zapatilla, pero no de consorte, acidifican su pH intracelular debido a la acidificación extracelular por la anhidrasa carbónica ► La recuperación de la acidosis intracelular evoca un enjambre quimiotáctico dependiente de Ca 2+ ► El enjambre de espermatozoides de zapatilla podría ser una adaptación evolutiva a las tácticas de apareamiento


Beneficios de la microescala

El uso de un dispositivo de microfluidos para estos experimentos es beneficioso porque ayuda a capturar un entorno más realista en el que estudiar la quimiotaxis de los espermatozoides. The sizes of fallopian tubes can range from 7 to 12 cm. in length, but the diameter of tube is normally less than 1 cm. Therefore, it makes sense that this kind of assay would be performed on a device that is relatively of the same scale. While the channel sizes for our device are definitely much smaller than that of the correct anatomical structure, the use of a microscale device will facilitate more accurate results than say an assay that is much larger than that of anatomical structures. Furthermore, it is unlikely that larger models would be able to efficiently capture what we are trying to assess. The gradients in larger devices would take longer to diffuse, and it would potentially take longer for sperm to detect. In a microfluidic assay, the gradients will form rather quickly, and it should take no time at all for the sperm to detect the gradients and to migrate more quickly.


Resultados y discusión

Attractant Plumes Surrounding Eggs.

Field measurements within giant kelp forests (Macrocystis pyrifera) previously characterized the mixing properties of fluid into which abalone naturally spawn (13). These determinations specified the range of fluid-dynamic conditions for testing in present laboratory trials. Shears were 4.8 to 13.4 s −1 in adjacent open habitats, in contrast to 0.3 to 2.4 s −1 within the native crevices and under ledges where adult red abalone live and spawn (13). Spawning abalone thus aggregated at sites where water motion was substantially retarded (Fig. 1).

Theoretically, surface areas and volumes of egg-derived tryptophan plumes peaked in still water or in weak shears and decreased thereafter (Fig. 2 and Table S1). Weak shears (0.1–0.5 s −1 ) and slow flows [Pe of 1.5–7.5 Peclet number is a dimensionless ratio, reflecting flow speed (i.e., advection) relative to coefficient of molecular diffusion for l -tryptophan) resulted in elevated concentrations that decreased with increasing distance from an egg. The plumes thus expanded along the principal flow axis, relative to diffusion alone (i.e., still water Fig. 2B and Table S1). In contrast, strong shears (2.0–10.0 s −1 ) and fast flows (Pe of 30–151) rapidly reduced tryptophan concentrations below threshold in all but a very small region near the eggs (Fig. 2 mi y GRAMO). Consequently, plume-maximizing shears were those most closely simulating flows in native spawning habitats (13).

Theoretical concentration distributions (nmol L −1 , in pseudocolor) of tryptophan surrounding red abalone eggs (black spheres) in still-water and in Taylor–Couette flows. Each plot is a 2D slice, cut through the center of an egg (AGRAMO). White arrows denote flow velocity vectors (speeds and directions). los X axis is parallel to the direction of flow and the y axis is orthogonal to flow, but parallel to the direction of shear. Tryptophan plumes were produced through 3D numerical simulations that used a coupled convection-diffusion model, taking into account egg rotation rate at each shear, and assuming a constant and continuous tryptophan release over the entire egg surface for 4 min at 0.18 fmol egg −1 min −1 (SI Materials and Methods). Model parameters (flow speed and direction, fluid shear, attractant release rate and diffusion coefficient, egg diameter and rotational velocity, water temperature) accurately portrayed conditions in our current experiments on sperm behavior, gamete encounter rates, and fertilization success. (Scale bar, 200 μm.)

Effects of Chemical Communication and Fluid Shear on Sperm Behavior.

Results of Taylor–Couette flow experiments strongly supported the theoretical predictions, validating the physical model of tryptophan plume dynamics (Materiales y métodos provides details on Taylor–Couette apparatus and experimental protocols). Sperm swam faster and navigated directly toward egg surfaces within the predicted plumes (Fig. 3 A y B y 4 A y C). In contrast, male gametes positioned outside of the plumes swam slower and did not orient significantly with respect to an egg (Figs. 3 A y C y 4 F y H). Shear exerted a strong modulatory effect on sperm behavior (Tables S2 and S3). Swim speed and orientation toward an egg peaked at the weakest shears tested (0.1–0.5 s −1 ) and then decreased as shear strengthened. At 2.0 to 10.0 s −1 , flow-generated torques increasingly overwhelmed sperm behavior (13). These higher shears prevented male gametes from swimming actively across streamlines. Sperm aligned parallel to streamlines and cells tumbled at frequencies predicted by theory for passively transported particles (13). Whereas weak shears promoted, strong shears inhibited sperm locomotory performance and suppressed the attractant plume of egg-derived chemical signals.

(A) Representative swimming paths of individual red abalone sperm surrounding conspecific eggs in FSW as a function of shear. For each experimental treatment, a dashed line denotes the predicted behavioral threshold concentration (3 × 10 −10 mol L −1 ). This line demarcates the theoretical active space (i.e., closer to egg) from inactive space (i.e., further from egg) of an attractant plume. Active space was defined as the portion of a plume maintaining tryptophan greater than the threshold level that caused faster sperm swimming and orientation with respect to a chemical gradient. Small circles are successive digital images of sperm heads captured at 0.033-s intervals, and each arrowhead denotes the direction of travel for an individual cell. Sperm displacement caused by flow was subtracted on a frame-by-frame basis, so each computer-generated path reflects the actual track swum. To eliminate selection bias, a random numbers generator was used in choosing representative paths for each flow treatment. Orientation rosettes show distributions of directional tracks by sperm populations positioned inside (B) o afuera (C) the active spaces of hypothesized tryptophan plumes. Para B y C, complete data sets, not representative paths, were used to establish distributions and in calculating mean unit vector lengths (r) and angular headings (θ) relative to a line between each sperm head and the center of an egg. Sperm moving directly toward an egg would follow a 0° heading. A Rayleigh test (z-value) was used to compare each mean direction against a uniform circular distribution, and to calculate the PAG valor. Sperm orientation toward an egg was significant inside the predicted active space at 0, 0.1, 0.5, 1.0, and 2.0 s −1 (V test: tu ≥ 2.65, norte ≥ 26 PAG < 0.04, all comparisons).

Effects of fluid shear on direction of sperm swimming with respect to an egg (A y F) (as described in more detail in Fig. 3), direction of sperm swimming with respect to flow (B y GRAMO), sperm translational swim speed (C y H), sperm encounter rate with a theoretical, tryptophan active space surrounding an egg (D), and sperm–egg encounter rate (mi). Male gametes were imaged while swimming either “inside” or “outside” the active spaces of theoretical tryptophan plumes. Complete data sets, not representative paths, were used to establish mean unit vector lengths (r) with respect to an origin in A, B, F, y GRAMO. Experiments were performed in the presence of FSW alone (solid line) or with addition of active or denatured tryptophanase (dotted or dashed lines, respectively). Each dependent variable was described as a function of log-shear, using least-squares regression to establish the best fit (F tests for FSW and denatured enzyme treatments: F ≥ 7.39, df ≥ 1, 116 PAG < 0.001, all comparisons). Symbols are mean values (±SEM), and error bars are smaller than symbol sizes in some cases.

Effects of Chemical Communication and Fluid Shear on Sperm–Egg Encounter Rate and Fertilization Success.

Straighter and faster paths need not indicate that chemically mediated behavior increases encounter rates, or ultimately enhances fertilization success. As a function of shear, magnitudes of sperm swim speed and orientation (relative to an egg surface), male–female gamete contact rates, and percentages of fertilized eggs, all were highly correlated (Pearson product–moment correlation, r 2 ≥ 0.73, df = 6 PAG < 0.05, all comparisons Figs. 4 and 5 and Tables S2–S5). Thus, fertilization success could be forecasted accurately from sperm swimming behavior alone.

Effects of fluid shear on fertilization success (i.e., percentage of fertilized eggs). Egg density was held constant (10 3 cells mL −1 ) and, in separate treatments, sperm density was tested at (A) 10 6 , (B) 10 5 , or (C) 10 4 cells mL −1 . Experiments were performed in the presence of FSW alone (solid line) or with addition of active or denatured tryptophanase (dotted or dashed lines, respectively). Fertilization success was described as a function of log-shear, using least-squares regression to establish the best fit (F tests: F ≥ 50.5, df ≥ 1, 58 PAG < 0.001, all comparisons). Symbols are mean values (±SEM), and error bars are smaller than symbols in some cases.

Similar trends emerged across all sperm treatments. The percentages of fertilized eggs peaked at 0.1 to 0.5 s −1 , and then decreased as shear increased. At sperm concentrations of 10 5 and 10 4 cells mL −1 , maximal percentages of fertilized eggs were approximately 1.5 times those measured in still water (Fig. 5 B y C). In contrast, the maximal value decreased (1.2 times) slightly at a higher sperm density (10 6 cells mL −1 ), as overall fertilization levels approached saturation (an asymptote of 100% eggs fertilized Fig. 5A). Compared with still water, fertilization success was elevated significantly at 0.1 to 0.5 s −1 , was approximately the same at 1.0 to 2.0 s −1 , and was depressed significantly at 4.0 to 10.0 s −1 (Fig. 5 and Table S5). Weak shears therefore promoted sperm chemoattraction as well as reproductive success.

As always, correlation does not imply causation. Whereas results showed a strong association between egg-derived attractant plumes and sperm behavioral performance, these experiments were not designed to show a cause-and-effect relationship. Consequently, we determined whether eliminating the chemical signal around eggs would prevent fertilization. Freshly spawned eggs and sperm were placed in Taylor–Couette chambers containing filtered seawater (FSW) as before, but now with addition of activated or denatured (i.e., boiled) tryptophanase (2 μg mL −1 ). This enzyme, when active, selectively digests free tryptophan in solution.

The addition of activated tryptophanase had profound consequences for sperm–egg interactions. First, the enzyme did not affect sperm membranes, receptors, or behaviors, or the proclivity of male or female gametes for fertilization (22). It did, however, extinguish the signal surrounding an egg, as evidenced by sperm inability to navigate within hypothesized plumes, even from a distance of 100 μm, or less (Fig. 6 and Tables S6 and S7). HPLC indicated no measurable accumulation of tryptophan in seawater, when both enzyme and eggs were present. Second, elimination of the tryptophan and sperm chemoattraction precipitated a significant decrease in gamete encounter rate and fertilization success (Figs. 4 and 5 and Tables S8 and S9). Conversely, there was no decay in sperm navigation (toward an egg) and swim speed, encounter rate, or fertilization with the denatured tryptophanase (Figs. 4 and 5, Fig. S2, and Tables S6–S9). Tryptophan release by eggs, therefore, was a causative agent and critical determinant of fertilization success.

Effects of fluid shear and tryptophanase on representative swimming paths of individual red abalone sperm (A) and on orientation distributions of directional tracks by sperm populations positioned inside (B) o afuera (C) of theoretical tryptophan plumes surrounding eggs. All experimental procedures and analyses, except for enzyme addition, were the same as described for Fig. 3. A Rayleigh test (z-value) was used to compare each mean direction against a uniform circular distribution, and to calculate the PAG valor. Sperm orientation toward an egg was not significant in still water and at each tested shear (V tests: tu ≤ 1.38 PAG ≥ 0.39).

Sperm chemoattraction and fluid shear each had significant effects on fertilization dynamics. Which process plays the ascendant role? To answer this question, we performed a series of stepwise multiple regressions on the fertilization data. Taken as a whole, our experiments measured percentages of fertilized eggs over a wide range of shears (0–10 s −1 , from abalone spawning to open kelp forest habitats), sperm densities (10 4 –10 6 cells mL −1 , from sperm-limiting to sperm-saturating conditions), and in the presence of active or denatured tryptophanase. Shear—not chemoattraction—explained most (55–64%) of the variation in fertilization success at low sperm densities (10 4 and 10 5 sperm mL −1 Table S10). In contrast, at a high sperm density (10 6 mL −1 ), chemoattraction had a significantly greater impact (67% of variation in fertilization). Thus, shear dominated chemical communication only under limiting sperm conditions. Shear did not damage either sperm or eggs (13). Instead, acting to facilitate or inhibit, it modulated the strength of chemically mediated, gamete interactions.

Chemical Communication, Fluid Shear, and Evolution of Sexual Reproduction.

The evolution of gamete size and morphology is a major unsolved problem in reproductive biology. Under conditions in which reproductive success is chronically limited by sperm availability, adults and gametes are under selection for mechanisms that increase sperm–egg contact (25). One such mechanism could involve changes in the physical size of the egg, because enlarging the “target” increases the probability of sperm–egg collision (25 ⇓ –27). Models of evolution have focused, traditionally, on postzygotic consequences of egg size for larval or juvenile survivorship (28, 29). Another implication of the target size hypothesis, however, is that prezygotic benefits to fertilization could drive the evolution of egg size and, in turn, anisogamy (25).

To date, theoretical models of gamete size evolution have not considered effects of fluid motion on sperm–egg encounter probabilities. Because shear is a natural feature of nearly all reproductive habitats, it may exert strong selective pressure on gamete morphology. In fact, shear initiates egg rotation at an angular velocity directly proportional to gamete size (i.e., radius) (11, 13, 30). As a consequence of this rotation, fluid accelerates when it approaches an egg, compressing or closing streamlines and locally increasing shear stress near an egg surface. The likelihood of sperm “slipping” around an egg surface, rather than encountering it, increases significantly with rotation rate (13). Thus, a larger egg is not always a better target.

For red abalone, chemoattraction provides a cheap evolutionary alternative for increasing egg target size without enlarging cytoplasmic and/or cell volume. Egg cytoplasm is an expensive commodity. It contains a vast array of organic molecules and provides a rich biochemical environment for synthesizing natural products after fusion, as required in embryo development (31). In contrast, the free amino acid l -tryptophan is taken up by maternal abalone from a dietary source and incorporated directly in egg cytoplasm during oogenesis. Thus, signal production, as well as release (via diffusion), consumes little or no metabolic energy and expends less than 1% of total cytoplasmic tryptophan reserves (24). Whereas tryptophan acts as a sperm attractant, it also is a precursor for synthesizing many neurotransmitters and neuromodulators. As a metabolic substrate essential to the development of the larval nervous system, tryptophan could be an honest indicator of egg fitness for prospective sperm suitors (32). Furthermore, red abalone eggs stop releasing tryptophan as they age and become infertile (24). Our results, therefore, suggest that endogenous signaling pathways have been coopted for external communication, as an adaptation to increase the likelihood of reproductive success. Because egg signaling and sperm response are possibly tuned to meet specific fluid-dynamic constraints, shear may act as a critical selective pressure that drives gamete evolution and determines fitness.


Cell migration

Cell migration is a central process in the development and maintenance of multicellular organisms. Processes such as tissue formation during embryonic development, wound healing, and immune responses, all require the orchestrated movement of cells in particular directions to specific locations. Errors during this process have serious consequences, including intellectual disability, vascular disease, tumor formation and metastasis. An understanding of the mechanism by which cells migrate may lead to the development of novel therapeutic strategies for controlling, for example, invasive tumor cells.

Cells often migrate in response to specific external signals, including chemical signals and mechanical signals. Due to a highly viscous environment, cells need to permanently produce forces in order to move. Cells achieve active movement by very different mechanisms. Many less complex prokaryotic organisms (and sperm cells) use flagella or cilia to propel themselves. Eukaryotic cell migration typically is far more complex and can consist of combinations of different migration mechanisms. It generally involves drastic changes in cell shape which are driven by the cytoskeleton, for instance a series of contractions and expansions due to cytoplasmic displacement. Two very distinct migration scenarios are crawling motion (most commonly studied) and blebbing motility.

The migration of cultured cells attached to a surface is commonly studied using microscopy. As cell movement is very slow (only a few µm/minute), time-lapse microscopy videos are recorded of the migrating cells to speed up the movement. Such videos reveal that the leading cell front is very active with a characteristic behavior of successive contractions and expansions. It is generally accepted that the leading front is the main motor that pulls the cell forward.

Migración celular: Phase images of BSC 1 cells migrating in a scratch assay in the absence of serum over a period of 15 hours.


The stochastic dance of circling sperm cells: sperm chemotaxis in the plane

Biological systems such as single cells must function in the presence of fluctuations. It has been shown in a two-dimensional experimental setup that sea urchin sperm cells move toward a source of chemoattractant along planar trochoidal swimming paths, i.e. drifting circles. In these experiments, a pronounced variability of the swimming paths is observed. We present a theoretical description of sperm chemotaxis in two dimensions which takes fluctuations into account. We derive a coarse-grained theory of stochastic sperm swimming paths in a concentration field of chemoattractant. Fluctuations enter as multiplicative noise in the equations for the sperm swimming path. We discuss the stochastic properties of sperm swimming and predict a concentration-dependence of the effective diffusion constant of sperm swimming which could be tested in experiments.

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GENERAL SCIENTIFIC SUMMARY Introduction and background. Sensing the environment and moving actively in it are fundamental aspects of life. In many species, sperm cells can sense chemical cues from the egg and as a response actively steer towards the egg. This phenomenon of sperm chemotaxis is commonly studied in a two-dimensional experimental setup. In the absence of chemoattractant, sperm cells swim along circular paths. In the presence of a chemoattractant concentration gradient, however, their swimming circles drift on average gradient-upwards. A pronounced variability of the swimming paths is usually observed.

Resultados principales. We develop a theoretical description of sperm chemotaxis taking into account nonequilibrium fluctuations. We employ a stochastic differential geometric description of the noisy swimming paths. We make a prediction about the effective diffusion coefficient of sperm swimming circles which can be tested in experiments: in our theory, this diffusion coefficient depends on the chemoattractant concentration measuring this dependence should reveal properties of the chemotactic signaling network such as its sensitivity threshold.

Wider implications. We have studied a particular biological example of cell locomotion guided by cellular signaling sytems which have to cope with imperfect sensory inputs and signal processing and still navigate the cell in a robust way. Similiar demands apply not only to sperm cells, but to many active cellular processes guided by external signals and in particular the locomotion of many microorganisms.

Figura. Simulated sperm swimming path (green) in a concentration gradient of a chemoattractant (blue). The sperm cell is equipped with a cellular signaling system which elicits a noisy chemotactic swimming response. The resulting sperm swimming path can be described as a swimming circle whose center (red) moves stochastically with net drift gradient-upwards.

This article was amended on 19 December 2008 to include the email address for F Jülicher.


Ver el vídeo: Identificada una proteína para el reconocimiento entre el óvulo y los espermatozoídes (Septiembre 2022).