Ақпарат

Сперматозоидтердің жұмыртқаға жылжуы

Сперматозоидтердің жұмыртқаға жылжуы


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Сперматозоид ұрық арқылы жүзіп, ұрықтандыру кезінде жұмыртқа жолындағы гаплоидты жұмыртқаға жетеді.

  • Шәует жатыр мойнына жеткенде, сперматозоид жұмыртқаға жету үшін не арқылы жүзеді?

  • Жатыр сперматозоидтың қозғалуына мүмкіндік беретін сұйықтықпен толығымен толтырылған ба, әлде сперматозоид тек эндометрия арқылы (жатырдың шырышты қабаты) жүзе ме?


Шәует жатыр мойнына жеткенде, сперматозоид жұмыртқаға жету үшін не арқылы жүзеді?

Жатыр мойнының шырышты қабаты арқылы жүзеді. Адамның сперматозоидтары жатыр мойны шырышында түзу жолмен жүзеді.

Жатыр сперматозоидтың қозғалуына мүмкіндік беретін сұйықтықпен толығымен толтырылған ба, әлде сперматозоид тек эндометрия арқылы (жатырдың шырышты қабаты) жүзе ме?

Иә, жатыр толығымен жатыр сұйықтығымен толтырылған. Оларға көптеген лейкоциттер шабуыл жасайды, ал әртүрлі жиырылулар көмектеседі.

Мен Суарестің 2006 жылғы шолуын оқуды ұсынар едім. Онда шәует моментінің барлық кезеңдері туралы өте жақсы ақпарат бар.


Генийдің соққысы: жаңа зерттеулер сперматозоидтардың сырғып кетпейтінін көрсетеді - олар штопор

1677 жылға қарай Антони ван Левенгук «микробиологияның атасы» ретінде өзінің мұрасын қалыптастыра бастады. Өзінің микроскоптарын жасаумен қатар, көбінесе өзін-өзі үйреткен ғалым тоған суындағы микроорганизмдерді алғаш зерттеп, оларды аңдар. Сондықтан Йохан Хам есімді медицина студенті адамның ұрығынан тірі болып көрінетін нәрсені байқаған кезде, ол оны ван Левенгукке әкелді.

Микроскоптың объективі арқылы ван Левенгук оны да көрді: біз қазір сперматозоид ретінде білетін «ұзын құйрығы бар кішкентай жер жаңғағын». Өзінің кейбір үлгілерін зерттегеннен кейін ван Левенгук сперматозоидтар «суда жүзіп жүрген жылан немесе жыланбалық сияқты құйрықтарының қозғалысымен» алға қарай қозғалатынын айтты.

Ғалымдар 350 жылға жуық уақыт бойы ван Левенгуктың адам шәуетінің құйрықтарын бүйірден екінші жаққа байлау арқылы сұйықтық арқылы қозғалады деген пікірін қолдады. Бірақ жаңа зерттеу жарияланған Ғылым жетістіктері Бұл кішкентай жаңғақтардың жыланбалықтар сияқты сырғанамайтынын көрсетеді. Керісінше, олар құмыралар сияқты штопор болады.

Ұлыбритания мен Мексикадан келген бір топ зерттеушілер сперматозоидтың қозғалысын 3D форматында түсіру үшін жоғары жылдамдықты камера мен басқа микроскопиялық құрылғыларды пайдаланды, бұл оның құйрығы шын мәнінде тек бір жағына қарайтынын және қайықпен қайықпен жүзуге тырысқаныңызды көрсетті. бір ескекпен, сіз бір жағына жабысу сізді шеңберге айналдыратынын білетін шығарсыз. Дегенмен, сперматозоидтар ақылды шешім тапты. Олар құйрықтары жан-жаққа соғылған сайын денелерін айналдырады, бұл оларды штопор қозғалысымен алға итермелейді.

Ван Левенгуктың бастапқы бақылауының ұзақ уақыт бойы даусыз қалуының себебі, ғалымдардың 2D технологиясымен сперматозоидтарды қарауды жалғастыруында. Тереңдік болмаса, сперматозоидтың айналатынын айта алмайсыз, ал құйрық айналуды аяқтамай, жай ғана әр жаққа жылжып бара жатқан сияқты. Бристоль университетінің оқытушысы және осы зерттеудің бірлескен авторы Гермес Гаделха өзінің The Conversation мақаласында түсіндіргендей, сперматозоидтардың мөлшері мен жылдамдығы оларды мұқият бақылауды қиындатады. Бір секундтан аз уақыт ішінде олар шамамен 20 қозғалысты аяқтай алады.

Бұл зерттеу ғасырлар бойы қателескенімізді түсінудің жай ғана соққы факторы үшін маңызды болғанымен, ол ерлердің бедеулігінің себептері туралы болашақ зерттеулерге де әсер етуі мүмкін. Басқаша айтқанда, сперматозоидтардың жұмыртқаға қалай баратынын жақсы түсіну бізге кейбіреулердің неге басқаларға қарағанда оны оңайырақ жасайтынын түсінуге көмектеседі.


Маса сперматозоидтарының еркек эякуляциясынан жұмыртқаға дейінгі жолы: механизмдер, молекулалар және зерттеу әдістері

Әйелдердің ұрпақты болу жолындағы масалардың сперматозоидтарының тағдыры кездейсоқ және толық емес қарастырылды, нәтижесінде ұрықтандыруға әкелетін сперматозоидтар мен әйелдердің өзара әрекеттесуін түсінуімізде айтарлықтай олқылықтар пайда болды. Басқа Diptera сияқты, масалардың сперматозоидтары өздерінің түпкілікті тағайындалған жері жұмыртқаға дейін күрделі саяхатқа ие. Копуляциядан кейін сперматозоидтар ұрықтандыру орнында қысқа уақыт өткізеді, онда олар гиперактивтенеді және сперматозоидтардың кіреберісіне тез жиналады. Бірнеше минут ішінде олар тар түтіктер арқылы сперматекаға дейін барады, мүмкін әйелдердің тасымалдауы мен сперматозоидтардың қозғалысының бірлескен күш-жігері арқылы. Әйел сперматозоидты қоректендіреді және оларды өмір бойы осы тұрақты сақтау органдарында сақтайды. Ол дайын болған кезде, әйел овуляциямен сперматозоидты босатуды үйлестіреді, ал төмендейтін жұмыртқа ұрықтандырылады. Бұл процесс микроскопия арқылы жақсы зерттелгенімен, сперматозоидтардың қозғалғыштығын, ұрпақты болу трактісі арқылы қозғалысын, техникалық қызмет көрсетуді және пайдалануды үйлестіретін молекулалық процестерге қатысты көптеген сұрақтар қалады. Бұл шолуда біз москит сперматозоидтарының жұмыртқаға саяхаты туралы қазіргі түсінікті сипаттаймыз, масалардың репродуктивті биологиясы туралы біліміміздегі олқылықтарға назар аударамыз. Масалар туралы ақпарат жеткіліксіз болған жағдайда, біз салыстыру үшін негіз ретінде Drosophila melanogaster сияқты басқа ағзалардағы ұқсас процестерді сипаттаймыз және сперматозоидтардың әйелдің ұрпақты болу жолын қалай сәтті өтетінін көрсететін болашақ зерттеу бағыттарын ұсынамыз. Мұндай зерттеулер вектор түрлерінің популяцияларын басқару үшін манипуляциялануы мүмкін молекулалық мақсаттарды бере алады. Мол. Қайта шығару. Dev. 83: 897-911, 2016 © 2016 Wiley Periodicals, Inc.

© 2016 Wiley Periodicals, Inc.

Фигуралар

Әйелдерге тән репродуктивті жүйе...

Culicinae ұрғашы масаларының типтік репродуктивті жолдары. А : Жеңілдетілген сагитальді диаграмма…

Шәует жолының кадр бойынша моделі...

Ұрықтандырудан алынған Culicinae әйел жыныс жолдары арқылы сперматозоидтар жолының кадр бойынша моделі (…

Сагиттальды бөлім Aedes…

Сагиттальды бөлім Aedes aegypti әйелдердің ұрпақты болу жолы (Джоблинг және Льюис, 1987).

2-суреттің аналогы, зерттелмеген, аз зерттелген және нашар түсінілген аспектілерін көрсететін мәтіні бар…


Зерттеушілер адам ұрығы шынымен қалай жүзетінін анықтады

1677 жылы Антон ван Левенгук, голландиялық ғалым және алғашқы құрама микроскопты ойлап тапқан, ақырында әріптестерінің қысымына түсіп, өзінің ұрығын зерттеу үшін құралды қолданды. Ол сипаттаған «жануарлар» жеке сперматозоидтар немесе сперматозоидтар ретінде белгілі болады. Әрқайсысының басы дөңгеленген, ал ван Левенгук ойлағандай, құйрығы оны сұйықтық арқылы шығару үшін екі жаққа жылжиды. Осы уақытқа дейін ғалымдардың адам ұрығы қозғалысы туралы білетіндерінің барлығы ван Левенгуктың қарапайым бақылауларына негізделген. Бірақ бүгін жарияланған мақала Ғылым жетістіктері Биологиялық функциялардың ең маңыздысы болып табылатын көбею туралы шамамен 350 жылдық болжамдарды өзгертті.

“Шәует функционалдық биологиясын түсінудің бүкіл дерлік тарихында толық жалған ақпарат бар және оны түзету қажет, бірақ бұл нағыз қиыншылық,”, дейді Скотт Питник, Сиракуз университетінде сперматозоидтар биологиясын зерттейтін эволюциялық биолог. зерттеуге қатыспайды. “Және бұл шын мәнінде сол сынаққа көтерілген және күрделі мәселені шешкен алғашқы зерттеулердің бірі.”

3-D микроскопия мен жетілдірілген математикалық талдауларды пайдалана отырып, Англиядағы Бристоль университетінің және Мексикадағы Ұлттық автономия университетінің халықаралық зерттеушілер тобы адам ұрығы құйрықтарының жылан тәрізді қозғалысы оптикалық иллюзия екенін анықтады. Шәует құйрықтары екі жаққа жылжудың орнына тек бір бағытта айналады. Басқа түзетулер болмаса, бір жақты инсульт сперматозоидтардың шеңбер бойымен жүзіп кетуіне және ешқашан белгіленген жерге, аналық жұмыртқаға жете алмауына әкеледі. Оның орнын толтыру үшін ғалымдар сперматозоидтың денесі немесе басы қарама-қарсы бағытта штопор тәрізді қозғалыста тәуелсіз айналады, бұл бүкіл жасушаның түзу сызықта алға жылжуына мүмкіндік береді.

“Біз тапқан нәрсені табамыз деп күткен жоқпыз,”,”,””,”,”̵Гермес Гадêлха, Бристоль университетіндегі Полиматтар зертханасының жетекшісі және зерттеудің жетекші авторы. “Жобаның мақсаты сперматозоидтардың үш өлшемде қалай қозғалатынын түсіну үшін ‘көк аспан’ [немесе кең] зерттеу болды. Ал нәтиже біздегі сенім жүйесін толығымен өзгертті.”

Ван Левенгуктың сперматозоидтардың қозғалғыштығын сипаттауындағы шектеулер оның өз кінәсі емес еді, ол сол кездегі ең озық технологияны қолданды. “Шын қозғалысты көру үшін сізге жасушамен бірге жүзу керек еді, және мұны істеу тәсілі, сіз GoPro камерасын алып, оны ұрықтың басына бекітіп, құйрығына қарасаңыз, ” Гадêлха дейді.

Шәует жасушасының қалай қозғалатыны туралы нақты суретті алу үшін Гадêла және оның командасы сперматозоидты ерітіндіге тігінен ілінді. Олар сперматозоид ерітіндісін қозғалысты сканерлеу үшін тұрақтандырылған 3-D микроскопқа орнатты, өйткені жоғары жылдамдықты камера көптеген бұрыштарда секундына 55 000 кадрдан астам түсірді. Олар сондай-ақ 3-D микроскопқа осы қасиеттерді электр зарядтарына түрлендіру арқылы қысым, үдеу және күштің өзгеруін өлшейтін пьезоэлектрлік құрылғыны бекітті. Бұл құрылғы сперматозоидтардың қозғалысы туралы ақпаратты метрдің миллионнан бір бөлігінен аз субмикрондық рұқсат деңгейінде жинады. Жетілдірілген математикалық түрлендірулер арқылы барлық машиналардан жиналған біріктірілген деректерді іске қосу арқылы ғалымдар қозғалыстың орташа мәндерін таба алды және «құйрықтардың шынайы бағытын» таба алды.

Әрбір сперматозоид өз осінің айналасында, сондай-ақ ортаңғы осьтің айналасында айналатын төбе тәрізді қозғалды. “Табиғат бізге симметрияға жетудің бірнеше жолы бар екенін айтады,”, дейді Гадêлха. “Сперма симметрия жасау үшін асимметрияны пайдаланады.”

Адамның сперматозоидтары тышқанның, егеуқұйрықтың ұрығы мен жгутикасының осылай жұмыс істейтін жалғыз микроорганизмдер емес. Хламидомонадалар, жасыл балдырлардың бір түрі, сондай-ақ асимметриялық қозғалыстар мен асимметриялық пішінге ие. Бұл, дейді Гадêлха, түрлер арасындағы ұйымдық құрылымдардағы әмбебаптылықтың көрсеткіші болуы мүмкін.

Сперматозоидтардың қозғалысы жүзудің ең тиімді жолы бола ма, жоқ па, оны анықтау қиын. “Біз табиғат заттарды оңтайландырады деп ойлағанды ​​ұнатамыз, бірақ бәсекелес аспектілер көп екенін әрқашан есте ұстауымыз керек. Шәует жасушасы жұмыртқаны жүзіп, табу үшін ғана жаратылған емес, ол химиялық белгілерді табуы, әртүрлі тұтқырлыққа жауап беруі, белсендіруі керек, дейді Гад”. “Әр кезеңде сізге осы нәрселерді жасауға мүмкіндік беретін жаңа супер күш қажет.”

Питниктің айтуынша, ағзадағы құрылымдық механизмдердің эволюциясын түсіну үшін бұл белгілі бір нәрсенің пішіні ол орындауға арналған жұмысқа арналған пішінді сәйкестендіру функциясының биологиялық тұжырымдамасын түсіну туралы. Шынайы сперматозоидты түсіну үшін оны оның тағайындалған, селективті ортада—әйелдердің ұрпақты болу жолында байқау керек, оны ғалымдар да көбірек зерттеуі керек. “Әйел – күрделі үш өлшемді орта.”, дейді Питник. “Және біз бұл туралы көп білмейміз және ішінара бұл биологиямен айналысудағы ерлердің тарихи, әдепсіз көзқарасы.”

Шәует құйрығы құйрықты тек бір жаққа айналдырып, асимметриялы түрде қозғалады. Бұл сперматозоидтың 3D түрінде айналуына әкеледі. (polymaths-lab.com)

Дәрігерлер сперматозоидтардың қозғалысын көрсететін бұл жаңа ашу дүние жүзінде шамамен 50 миллион жұпқа әсер ететін бедеулікті емдеуге көмектесетінін айтады. Ерлердің биологиялық факторлары бедеулік жағдайларының орта есеппен 20-30 пайызына ғана жауапты және барлығында шамамен 50 пайызға ықпал етеді. Дегенмен, бұл статистика ЭКҰ және басқа фертильді емдеу деректері кең таралған елдерге негізделген, сондықтан сперматозоидтық факторлар жазылғаннан да маңыздырақ болуы мүмкін. “[Еркектер бедеулігі] шын мәнінде өте кең таралған, мүмкін жалпы жұртшылық түсінетіннен де жиі кездеседі”,”, Мэриленд штатындағы Shady Grove фертильді орталығының репродуктолог-урологы Кори Танрикут дейді. “Ал дәл қазір, егер сіз осы зерттеу туралы ойланғыңыз келсе, қазіргі уақытта бізде сперматозоидтардың қозғалғыштығын жақсарту немесе оңтайландырудың шектеулі құралдары бар.”

Ғалымдар сперматозоидтардың қозғалғыштығының іргелі молекулалық биологиясын неғұрлым дәл түсінсе, соғұрлым дәрігерлер бедеулікке байланысты қозғалғыштық мәселелерін шеше алады, дейді Танрикут. Ол осы саладағы болашақ жұмыстан алған білімі пациенттерге фертильді емдеудің агрессивті емес нұсқаларын ұсынуға немесе тіпті көмексіз жүкті болу мүмкіндігін жақсартуға көмектеседі деп үміттенеді.

Гадêла және оның командасының жаңалығының салдары да осы зерттеу сперматозоидтар туралы көрсететін нәрсенің шеңберінен шығуы мүмкін. Клетка организм ретінде айналадағы жағдайларға байланысты айналу моменті мен қозғалыс үлгілерін реттей отырып, бейсаналық есептеулер мен түзетулер жасайды. Бұл механизмдерді түсіну жұмсақ робототехника зерттеулері мен материалтану туралы ақпарат бере алады. Мысалы, Гадêлха’с студенттерінің бірі дененің шамалы, анықталмайтын тербелістері аяқ пен сирақ протездерін жасауда пайдалы болуы мүмкін екенін қарастырады.

Кортни Секстон туралы

Вашингтонда тұратын жазушы және зерттеуші Кортни Секстон адам мен жануарлардың өзара әрекеттесуін зерттейді. Ол 2020 жылғы AAAS бұқаралық ақпарат құралдарының стипендиаты және жазушыларға арналған коммерциялық емес The Inner Loop ұйымының негізін қалаушы және директоры.


Сперматозоидтардың қозғалысы үшін маңызды фермент контрацепцияның жаңа тәсілі үшін мақсатты қамтамасыз етеді

Зерттеушілер тобы сперматозоидтар қозғалысы үшін сперматозоидтардағы фермент қажет екенін анықтады. Бұл фермент жетіспейтін тышқандар ұрықтандыру үшін жұмыртқа жасушаларына қарай жүзе алмайтын сперматозоидтар шығарады.

GAPDS деп аталатын фермент негізінен адам ұрығында өндірілетін ферментпен бірдей. Зерттеушілер ферментті өшіретін препаратты жасау ерлердің контрацепциясының тиімді жаңа формасына негіз бола алады деп санайды. Сол сияқты, ферментті және онымен байланысты химиялық реакцияларды түсіну ер бедеулігінің кейбір түрлерін емдеуді түсінуге әкелуі мүмкін.

«Қазіргі уақытта ерлердің контрацептивін жасау әрекеттері ерлер гормондарымен манипуляциялауды қамтиды», - деді Дуэйн Александр, MD, NICHD директоры. «Бұл нәтиже тек сперматозоидтарға бағытталған және табиғи гормон деңгейіне әсер етпейтін контрацептивтің дамуына мүмкіндік беретін перспективалы жаңа мүмкіндік береді».

Ферменттер - химиялық реакцияға көмектесетін химиялық қосылыстар.

Зерттеуді Ұлттық денсаулық сақтау институттарының Бала денсаулығы және адам дамуының ұлттық институты қаржыландырды және 2004 жылдың 15 қарашасында Ұлттық ғылым академиясының онлайн ерте басылымының материалдарында шығады.

GAPDS, глицеральдегид 3-фосфатдегидрогеназа-S сөзінің қысқасы, гликолиз деп аталатын биохимиялық реакциялар сериясының негізгі ферменті болып табылады. Бұл реакциялар сериясы жасушаның қызметін энергиямен қамтамасыз ететін жасушалық отын түрін АТФ шығарады. GAPDS тек сперматозоидтарда (акронимдегі соңғы «S» сперматозоидты білдіреді) және сперматозоидтарды тудыратын прекурсорлық жасушаларда кездеседі. Дегенмен, сәйкес фермент дененің барлық жасушаларында бар.

GAPDS сперматозоидты алға жылжыту үшін алға-артқа итеретін жылан тәрізді құйрық сперматозоидында орналасқан. Бұрынғы зерттеулерде зерттеушілер гликолиз сперматозоидтардың қозғалысында рөл атқаратынын анықтады, бірақ сперматозоидтардағы АТФ жалпы мөлшерінің қанша бөлігі гликолиз нәтижесінде пайда болатынын білмеді. Ағымдағы зерттеуге дейін көптеген зерттеушілер құйрықтың қозғалысына арналған АТФ-ның көп бөлігі митохондрия деп аталатын жасушалық денелерден келеді деп есептеді, олар гликолизге қарағанда көбірек АТФ жасайды.

Ағымдағы зерттеуде Чапел Хиллдегі Солтүстік Каролина университетінің Медицина мектебінің Ph.D докторы Дебора О'Брайен және оның әріптестері жұмыртқаны алға жылжыту және ұрықтандыру үшін сперматозоидтар GAPDS және гликолизді қажет ететінін анықтауға тырысты. Молекулярлық-генетикалық әдістерді қолдана отырып, олар генетикалық тұрғыдан GAPDS шығаруға қабілетсіз тышқандардың штаммын жасады. Тышқандар әдетте қабылдағыш ұрғашы тышқандармен жұптасса да, аналықтары жүкті болмады. Зерттеушілер тышқандардың сперматозоидтарын микроскоппен зерттеген кезде, сперматозоидтар аздап бүйірден екінші жаққа қозғалысты көрсетті, бірақ алға жылжи алмады.

«Біз бұл тұжырымға қатты таң қалдық», - деді доктор О'Брайен. Сперматозоидтердің қозғалғыштығы мен АТФ түзілуінің барлығы дерлік осы ферментке байланысты екені анықталды».

Бұл кезде зерттеушілер GAPDS жоқ сперматозоидтар жұмыртқаға қарай алға қарай жүзе алмайтынын біледі, бірақ олар GAPDS жетіспейтін сперматозоидтар жанасатын жұмыртқаларды ұрықтандыруға болатынын анықтау үшін зерттеулер жүргізген жоқ.

Доктор О'Брайеннің зерттеуі контрацепцияның жаңа түрлеріне негіз болатын қосылыстарды анықтауға және бедеулікті емдеуде пайдалы болуы мүмкін түсініктерді беруге ұмтылатын NICHD-ның репродуктивті зерттеулердегі мамандандырылған кооперативтік орталықтар бағдарламасының бөлігі ретінде қаржыландырылды.

GAPDS-тің адам формасы GAPD2 ретінде белгілі, деп түсіндірді NICHD репродуктивті ғылымдар филиалының PhD докторы, Мамандандырылған орталықтар бағдарламасының әкімшісі Луи Де Паоло. Ферментке кедергі келтіретін препарат еркектердің гормоналды емес контрацепциясының тиімді құралы болуы мүмкін.

Бір мүмкіндік, деп қосты ол, ерлердің сперматозоидтардың қозғалғыштығына кедергі жасау үшін қабылдауы мүмкін препарат. Тағы бір мүмкіндік - әйелдің ұрпақты болу жолында сақталуы мүмкін дәрі, олар онымен байланыста болған кезде сперматозоидтардың қозғалысын тоқтата алады.

Доктор Де Паоло ерлердің контрацепцияға қарсы таблеткаларын жасау әрекеттері аталық бездердің жұмысын уақытша тоқтататын дәрілерді қамтитынын атап өтті. Бұл препараттар сперматозоидтарды өндіруді ғана емес, сонымен қатар қалыпты репродуктивті жұмыс үшін қажетті ерлер гормонының тестостеронын өндіруді тежейді. Мұндай емдеу әдетте жетіспейтін тестостеронды жасанды құралдармен алмастыруды және простата обыры қаупін арттыратын процесті қамтиды. GAPD2-ге кедергі келтіретін препарат тестостерон деңгейіне әсер етпейтінін айтты.

Сол сияқты, GAPD2 жұмысын зерттеу ер бедеулігін емдеуге әкелетін түсініктерді бере алады.

Доктор Де Паоло: «Бір зерттеу бедеу еркектердің үлгісінде шамамен 81 пайызында моторикасында ақаулары бар сперматозоид бар екенін көрсетті.

Бұл ерлердің кейбірінде GAPD2 қалыпты өндірісіне кедергі келтіретін генетикалық ақау болуы мүмкін, деп қосты ол. GAPD2 жұмысын қалпына келтіретін препарат олардың бедеулігін емдеуді қамтамасыз етуі мүмкін. АТФ түзетін гликолиз жолындағы ұқсас молекулалық ақаулар сперматозоидтардың қозғалысына да кедергі келтіруі мүмкін және басқа емдеу әдістеріне назар аударуы мүмкін.

«Бұл тұжырым болашақта ерлердің құнарлылығын реттеуді зерттеу үшін бірнеше қызықты жаңа мүмкіндіктер ашты», - деді ол.


Құстар эмбрионның қалыпты дамуын қамтамасыз ету үшін жұмыртқаға ену үшін бірнеше сперматозоидты қажет етеді

Адамдардан айырмашылығы, құстар балапандарының қалыпты дамуы үшін жұмыртқаға ену үшін бірнеше сперматозоидты қажет етеді.

Шеффилд университетінің ғалымдарының жаңа зерттеуі эмбрион дамуының ерте кезеңдерінде «қосымша» сперматозоидтардың функционалды рөлі бар екенін анықтады. Жұмыртқаға бірнеше сперматозоидтардың енуі өлімге әкелетін адамдар мен басқа сүтқоректілерден бұл өте ерекшеленеді.

Зерттеушілер сонымен қатар аналық құстардың жұмыртқаға түсетін сперматозоидтардың санын реттей алатынын анықтады, бұл ұрықтандыру үшін жеткілікті сперматозоидтардың болуын қамтамасыз етеді, әсіресе ұрықтандырылған сперматозоидтардың саны шектеулі болған кезде.

Университеттің Жануарлар және өсімдіктер туралы ғылымдар бөлімінің докторы Никола Хеммингс басқарған зерттеу репродуктивті биологиядағы басты жұмбақ болып табылатын полиспермияның биологиялық мәні туралы түсінік береді.

Құс жұмыртқасына түсетін қосымша сперматозоидтардың ұрықтануда немесе эмбрионның ерте дамуында қандай да бір рөлі бар ма, бұл табиғат әлемінде бұрыннан келе жатқан сұрақ. Алғашқы зерттеулер көрсеткендей, құс жұмыртқасына өте аз сперматозоидтар енсе, эмбрионның аман қалуы екіталай.

Доктор Хеммингс былай деп түсіндірді: «Біздің зерттеулеріміз адамдар мен басқа сүтқоректілерден айырмашылығы, құстардағы эмбриондардың қалыпты дамуын қамтамасыз ету үшін бір сперматозоид жеткіліксіз екенін көрсетті.

"Құс жұмыртқасына бір ғана сперматозоид енген кезде, ұрықтандыру қалыпты түрде жүруі мүмкін, бірақ нәтижесінде пайда болған эмбрион өте ерте кезеңде өлуі мүмкін. Бұл таңқаларлық, өйткені адамның немесе сүтқоректілердің жұмыртқасына біреуден көп сперматозоид енген кезде -- біз бұл процесс деп атаймыз. полиспермия -- жұмыртқа жойылады.

«Полиспермия әдетте көбею үшін нашар деп саналды, бірақ біздің нәтижелеріміз кейбір жануарлар топтарында полиспермия қажет болуы мүмкін екенін көрсетеді».

Зерттеу журналда бүгін (28 қазан 2015 ж., сәрсенбі) жарияланған Корольдік қоғамының еңбектері Б.

Доктор Хеммингс былай деп қосты: "Бұл тұжырымдар ұрықтандырудағы сперматозоидтардың рөлі туралы көзқарасымызды қызықты кеңейтеді. "Қосымша" сперматозоидтар эмбрионның қалыптасуы мен дамуының ерте кезеңдеріне қалай үлес қосатынын болжау өте қызықты".


Бұл мақала мен үшін қызықты болды, өйткені мен репродуктивті биологияны оқыту әдісі ерлер мен әйелдерді бейнелеудегі стереотиптік әдіспен параллельді екендігі туралы ешқашан ойлаған емеспін. Эмили Мартиннің «Жұмыртқа және сперматозоид» мақаласындағы бір абзац маған ерекше әсер етті:

«Дегенерация әйелдің өмір бойы жалғасады: жыныстық жетілу кезінде 300 000 жұмыртқа қалады, ал менопауза кезінде аз ғана жұмыртқа болады. «Әйелдің репродуктивті өмірінің 40 жылында небәрі 400-ден 500-ге дейін жұмыртқа шығады», - деп жазады авторлар. «Қалғандарының бәрі азғындайды. Неліктен жұмыртқалардың аналық безде өлу үшін пайда болатыны әлі күнге дейін жұмбақ.» Нағыз жұмбақ - еркектердің сперматозоидтарын көп өндіру неліктен ысырапшыл болып көрінбейді. Ер адам орта есеппен алпыс жыл репродуктивті өмірінде тәулігіне 100 миллион (10’) сперматозоидты «шығарады» деп есептесек, ол өмірінде екі триллионнан астам шәует шығарады. Әйел қырық жылдық репродуктивті өмірінде ай айына бір жұмыртқа немесе жылына он үш жұмыртқа «піседі» деп есептесек, ол өмірінде барлығы бес жүз жұмыртқа болады. Бірақ «қалдықтар» сөзі артық, тым көп өндірілген дегенді білдіреді. Екі-үш ұрпақ деп есептейтін болсақ, әйел әрбір туылған нәресте үшін екі жүзге жуық жұмыртқаны босқа тастайды. Әрбір туылған нәресте үшін ер адам бір триллионнан (10 12) астам сперматозоидты ысырап етеді».

Менің ойымша, бұл тармақ маңызды, өйткені мақалада көрсетілген элементтердің бірі - әйелдер мен олардың денесі еркектерден төмен. Бұл репродуктивті биологияға қатысты қолданатын мысал, жыныстық жетілу кезінде әйелде жұмыртқалардың белгілі бір саны болады. Әйелдің репродуктивті өмірінде олардың аз ғана бөлігі ғана шығарылады және оның қанша баласы бар екеніне байланысты бірнешеуі ғана балаға айналады. Еркектерде миллиондаған және миллиондаған сперматозоидтар «босқа» кетеді. Дегенмен, жұмыртқаларын ысырап етушілер ретінде әйелдер көрінеді. Әйелдердің жұмыртқалары адам болып қалыптасу процесі неғұрлым ұзақ болғанымен, олар төмен болып саналады. Әйелдер мен олардың денелері маңызды емес немесе жағымсыз деп сипатталуы әдейі деп ойламаймын. Дегенмен, олар төмен деп сипатталады және мен бұл мәселе оқулықтарда айтыла ма деп ойлаймын. Сондай-ақ, процестердің теңдігі мен дәлдігін атап өту керек деп ойлаймын.

Бұл тармақта түсік түсіру туралы ой туындады және дәл қазір осы мәселе бойынша пікірталас. Бұл абзац жұмыртқа немесе сперматозоид қосылмаса және ұрықтанбаса, «босқа кететінін» айтады, бұл өмірдің тұжырымдамадан басталатынын білдіреді. Менің ойымша, бұл параграфқа өмірдің нақты қашан басталатынын және өмір бірінші триместрден кейін деп есептелетін болса, олар шынымен ысырап бола ма, немесе ол қандай болуы мүмкін деген сұрақ қою арқылы дауға болады. Менің жеке көзқарасым, егер жұмыртқа мен сперматозоидтар кездесіп, балаға айналмаса, мен мұны ысырап деп санамаймын. Менің ойымша, біздің денеміз бен жынысымыз тек ұрпақты болу үшін жасалған емес. Неліктен шамамен бір триллион сперматозоид шәует шығаруда екенін және өмірді құру үшін тек біреуі ғана қажет екенін білмеймін. Мен сондай-ақ жұмыртқаның аналық безден неліктен ай сайын шығатынын білмеймін, бірақ жүктілік үшін тек бірнешееуін қолдануға болады. Бірақ егер бұл жасушалар шынымен толығымен босқа кетсе, біздің денеміз бұлай жұмыс істемейді деп ойлаймын.

Тағы бір ерекше тармақ болды:

«Жақында жүргізілген зерттеуде зерттеушілер сперматозоидтың құйрығының механикалық күші туралы сұрақтар қоя бастады. (Зертхананың мақсаты сперматозоидқа жергілікті әсер ететін контрацепция құралын жасау болды.) Олар сперматозоидтың алға қарай итерілуі өте әлсіз екенін анықтады, бұл сперматозоидтар күшті енушілер деген болжамға қайшы келеді.4O Алға қарай итерудің орнына, сперматозоидтың басы негізінен алға-артқа қозғалатыны байқалды. Шәует құйрығының бүйірлік қозғалысы басын оның алға қозғалысына қарағанда он есе күшті күшпен бүйіріне жылжытады. Сондықтан сперматозоидтың жалпы күші аймақты механикалық түрде бұзуға жеткілікті күшті болса да, оның күшінің көп бөлігі алға емес, бүйірге бағытталады. Шын мәнінде, оның ең күшті тенденциясы, он есе, жұмыртқаны жұлып алуға әрекеттену арқылы қашу. Олай болса, сперматозоидтар олармен байланысқан кез келген жасуша бетінен қашу үшін өте тиімді болуы керек. Ал жұмыртқаның беті сперматозоидты ұстап, олардың сыртқа шығып кетуіне жол бермейтіндей етіп жасалуы керек. Әйтпесе, жұмыртқаға сперматозоид жететін болса, аз».

Ең алдымен, бұл зерттеуді кім жүргізсе де, кімнің (ерлер мен әйелдердің) жақсы ұсынылғандығы туралы алаңдағанына таң қалдым, олар сперматозоидтардың қалай қозғалатынын тереңірек зерттеді. Бұл бастапқыда жұмысты қалай өңдеу керектігін көру үшін жасалса керек, бірақ оған қарамастан, біреу оған соншалықты терең қарап, оны ерлер мен әйелдердің қоғамда қалай көрінетінімен салыстырды. Дегенмен, мен олардың жасағанына қуаныштымын. Менің ойымша, бұл параграф әйелдердің күшін, біз қалай және не ұсынатынымызды көрсететін көзқарасты қамтиды. Бұл жағдайда жұмыртқа сперматозоидқа қарсы тұрады және оған енжар ​​түрде енуіне мүмкіндік бермейді.

Мақалада сперматозоидтың «он есе күшті тенденциясы жұмыртқаны жұлып алуға әрекеттену арқылы қашып кету» деп айтқаны мені шатастырды. Бұл мені шатастырды, өйткені мен оның ерлер/әйелдер динамикасымен қалай байланысты екенін білмедім. Бұл әйелдер жағын ерекше күшті және үстемдік етіп көрсетті, бұл еркектік қасиет. Мен олардың жұмыртқаның немесе әйелдердің маңызды емес әлсіз бөліктері емес екенін көрсетуге тырысқанын түсінемін. Дегенмен, менің ойымша, бұл біздің тең екенімізді көрсету керек деп ойладым. Менің ойымша, сіз гендерлік мәселелерде қай тарапты ұстансаңыз да, біреуі әрқашан екіншісінен жақсырақ немесе күштірек ретінде бейнеленетін сияқты. Менің ойымша, біз тең болу үшін жаратылғанбыз, бірақ біз олай суреттелмейміз.

Жалпы, мақала маған ұнады. Оны оқу оңай болды, мен бұрын ешқашан репродуктивті биологияның дәл осылай суреттелгенін көрген емеспін және бұл туралы ешқашан ойлаған да емеспін. Мен мәселені осылай қарау қызықты деп ойладым және біздің ұрпақты болу процестерін қалай үйрету керек және туралы сөйлесу керек деп ойладым.


Оқу ақпараты

Зерттеу жарияланды: 31 шілде, 2020 жыл

Зерттеу автор(лар)ы: Гермес Гаделха, Пол Эрнандес-Эррера, Фернандо Монтойя, Альберто Дарсон және Габриэль Коркиди

Зерттеу орындалды: Бристоль университеті және Мексика ұлттық автономия университеті

Зерттеуді қаржыландырды: H.G. және P.H.-H. Dirección General de Asuntos del Personal Académico PREI/UNAM DGAP/DFA/2337/2018 және CJIC/CTIC/0961/2019 стипендиясының қолдауын мойындаңыз. H.G. DTP EPSRC қолдауын мойындайды. Г.К. және AD Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología Conacyt 253952, 255914 және Fronteras 71 қаржылық қолдауын мойындайды.

Шикі деректердің қолжетімділігі: Деректер мен материалдардың қолжетімділігі: Жұмыстағы қорытындыларды бағалау үшін қажетті барлық деректер қағазда және/немесе Қосымша материалдарда бар. Осы мақалаға қатысты қосымша деректер авторлардан сұралуы мүмкін. https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba5168/tab-figures-data

Таңдаулы сурет несиесі: Pixabay сайтынан Герд Альтманның суреті


Сперматозоид жұмыртқамен кездескен кезде

Сперматозоид пен жұмыртқаның байланысуы жасуша бетіндегі екі ақуыз арқылы жүзеге асады. Бұл ақуыздардың құрылымдық талдауы жеке және кешенді түрде тану процесін және одан кейінгі сперматозоид пен жұмыртқаның қосылуын түсінуге мүмкіндік береді. Хаттарды қараңыз 562 б. & 566 б

Екі ақуыздың - сперматозоидтар өндіретін Izumo1 және оның жұмыртқадағы рецепторы Джуно арасындағы өзара әрекеттесу адамның ұрықтануына мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл өзара әрекеттестіктің егжей-тегжейлері түсініксіз болды. Екі қағазда, Айдын т.б. 1 (562 бет) және Ohto т.б. 2 (566 бет) атомдық деңгейдегі рұқсатта рентгендік кристаллография арқылы анықталған Izumo1, Juno және екі ақуыздың кешендегі құрылымдарын ұсынады.

Адамның копуляциясынан кейін қозғалғыш сперматозоидтар әйелдің фаллопиялық түтіктеріндегі жұмыртқаларға қарай жылжиды. Әйелдердің ұрпақты болу жолының қышқыл ортасы белсендіру кезеңін тудырады, онда сперматозоидтар гипермобилді болып, жұмыртқаның сыртқы қорғаныс қабатына енеді. Екінші белсендіру қадамы сперматозоидтар zona pellucida - жұмыртқаны қоршап тұрған қатты ішкі қабатпен байланысқанда немесе аз уақыт бұрын орын алады. Бұл қадам кезінде акросома - сперматозоидтың басының ұшында орналасқан органоид - zona pellucida-ны бұзатын ас қорыту ферменттерін шығарады. Бұл акросома реакциясы сперматозоидтың жұмыртқа қабықшасындағы Джуномен байланысуына мүмкіндік береді, содан кейін екі жасушаның мембранасы біріктіріліп, жасушалар біріктіріледі. Өз кезегінде, жұмыртқа зона pellucida гликопротеиндерін айқастырып, оны өтпейтін етіп, көптеген сперматозоидтармен ұрықтандыруды болдырмайтын ферменттерді шығарады (полиспермия) 3,4 .

Жапондық неке ғибадатханасының атымен аталған Izumo1 алғаш рет 2005 жылы сперматозоид-жұмыртқа синтезін 5 бөгейтін антиденемен байланысуы арқылы анықталды. Ақуыз ішкі акросомалық мембранада акросома реакциясы пайда болғанша, ішкі мембрана жасуша бетінің бір бөлігіне айналғанға дейін жасуша ішінде жасырын қалады. Римдік махаббат пен неке құдайының атымен аталған Юно 6 жылдан кейін әйелдің құнарлылығы, сперматозоид пен жұмыртқа мембранасының қосылуы және Izumo1 арқылы жұмыртқаны байланыстыру үшін қажет мембраналық белок ретінде анықталды. Juno тышқанының бір құрылымы биыл 7 жылы жарық көрді, ал екіншісі жақын арада жарияланады Табиғат коммуникациялары 8 . Бірақ Izumo1, адам Juno және Juno-Izumo1 кешенінің жасушадан тыс доменінің құрылымдары белгісіз болып қалды.

Джуно бастапқыда фолий рецепторы-δ деп аталды және адамның фолий рецепторлары 6 (фолий қышқылы және оның туындылары үшін рецепторлар) 60%-ға жуық амин қышқылы сәйкестігін бөліседі. 7,8 тышқандардағы Juno құрылымдары және қазіргі зерттеулер белоктың фолий рецепторлары 9,10 : глобулярлы, сегіз дисульфидтік байланыспен (S–S) тұрақтандырылған және терең, лиганд- байлайтын қалта. Бірақ Джуноның лигандтарды байланыстыратын қалтасындағы бірнеше негізгі аминқышқылдарының қалдықтары фолий рецепторларынан ерекшеленеді, бұл Джуно фолаттарды байланыстыра алмайтындығына сәйкес 4 .

Both groups find that the extracellular region of Izumo1 has two domains — a four-helix bundle at the protein's amino terminus and an immunoglobulin-like domain at the carboxy terminus. The two domains are connected by a hinge region consisting of a β-hairpin structure with loops at either end that are anchored to the two folded domains by disulfide bonds. The researchers show that Izumo1 and Juno form a high-affinity complex in a 1:1 ratio. A surface of Juno distant from the pocket binds the outside of the hinge and makes contacts with both Izumo1 domains (Fig. 1).

Aydin т.б. 1 and Ohto т.б. 2 have solved the structures of the human sperm protein Izumo1 and its egg receptor Juno. Izumo1 is shown in ribbon form and Juno in a surface representation. Izumo1 consists of two folded domains on either side of a connecting hinge (orange). When Izumo1 is in its free state, the hinge is more flexible and may allow the protein to adopt more-bent conformations than when it is bound to Juno (possible conformation change indicated by black arrow). Juno binding stabilizes the hinge, fixing it in an elongated conformation. This might expose disulfide bonds (S–S yellow) for disulfide-exchange reactions to promote Izumo1 dimerization and subsequent sperm–egg membrane fusion.

Ohto and colleagues crystallized structures of free and Juno-bound Izumo1 in the same elongated conformation. By contrast, Aydin т.б. report that Izumo1 alone adopts a boomerang-shaped conformation, in which the hinge is almost 40° more closed than that of Juno-bound Izumo1. The authors validated the approximate shape using a technique known as small-angle X-ray scattering. This provides low-resolution structural information about the protein in solution, thereby avoiding potential conformational biases that can arise in X-ray crystallography owing to crystal packing. These data indicate that the boomerang-shaped conformation is probably the predominant conformation of Izumo1 in solution. Moreover, although Juno binds to the outer hinge surface, the region most strongly stabilized by this binding seems to be inside the hinge. This suggests that the hinge can adopt different positions in Izumo1 alone, but that Juno fixes the conformation of Izumo1 by simultaneously binding to both domains.

Although binding interfaces are typically the most evolutionarily conserved surfaces of proteins, the Izumo1–Juno interface is less conserved than the remainder of either protein. Both groups suggest that variation at the binding surfaces might contribute to species specificity during fertilization, because sperm–egg fusions retain some specificity even if the zona pellucida (the main block to cross-species fertilization) is removed 11 . Ohto and colleagues introduced genetic mutations into mouse Izumo1 that strongly reduced the affinity of the Izumo1–Juno interaction. Expression of wild-type Izumo1 in monkey kidney cells (which do not normally express Izumo1) enabled these cells to bind efficiently to mouse eggs that lacked the zona pellucida, whereas cells that expressed the mutant protein could not. These results clearly confirm the interface identified in these structures and its importance in mediating sperm–egg docking.

Why would a protein-binding receptor evolve from a folate receptor? It is tempting to speculate that an unidentified, non-folate ligand might bind the pocket of Juno to modulate the receptor's activity. Folate receptors are exquisitely pH-sensitive and release folic acid under acidic conditions 10 , and Ohto т.б. demonstrated that slight acidification drastically decreased Juno's affinity for Izumo1. Together, ligand binding and pH changes could enable Juno to regulate Izumo1 binding at multiple levels.

Although the interaction between Izumo1 and Juno in sperm–egg recognition and adhesion has been structurally and biophysically characterized, the transition from initial binding to membrane fusion remains unclear. Izumo1 stays in the membrane following binding, whereas Juno is shed. This shedding might rapidly block polyspermy before the slow hardening of the zona pellucida is completed 6 . Previous work 12 suggests that Izumo1 undergoes stable dimerization through a disulfide-exchange reaction, dissociating from Juno to enable recruitment of membrane-fusion machinery. Indeed, Ohto т.б. provide evidence that the disulfide bonds in Izumo1 are easily broken — perhaps stabilization of Izumo1 following Juno binding could expose disulfides for exchange. Testing this hypothesis and determining how Izumo1–Juno binding triggers membrane fusion will require the identification of proteins that bind to Izumo1 after Juno shedding, and the reconstitution of events that follow initial binding in cells. Footnote 1


Movement of sperm to the egg - Biology

For fertilisation, millions of sperm cells race toward the egg by rhythmically wagging their tail. How they head to the goal straight is unknown. A new study reveals that a chemical modification on proteins controls the sperm tail’s behaviour, and in its absence, amazingly, sperm turns to swim circularly, rather than to swim straight toward the egg, causing defects in male fertility.

Credits: ParallelVision – Pixabay

Sudarshan Gadadhar is Postdoctoral Research Fellow at Institut Curie, Université Paris sciences et lettres, CNRS UMR3348, Orsay, France.

Sudarshan Gadadhar is also an author of the original article

Carsten Janke is Professor at Université Paris-Saclay, CNRS UMR3348, Orsay, France.

Carsten Janke is also an author of the original article

In-house Scientific Editor

Mammalian fertilisation is a dynamic, spectacular event. Millions of sperm race toward the egg, and only one winner can eventually fuse with it and lead to a new life. A sperm is a special type of cell with a tail-like appendage (named flagellum) allowing it to swim straight (imagine how a tadpole swims!). In a new study, we asked how a sperm heads to the goal straight.

Rhythmic movements of the sperm tail are driven by elongated stretches of protein filaments called cytoskeleton. Like the human skeleton forms the basic shape of our body, the cytoskeleton defines the shape of the cell. Beyond being an architectural framework, microtubules – key components of the cytoskeleton – help the sperm wag its tail and move forward by using in-house 'motor' proteins called dyneins. Dyneins can convert chemical energy into mechanical force, and they can do this locally by 'walking' along elongated microtubule fibres. Thousands of dyneins walk back and forth on adjacent microtubule fibres in coordination, and in turn, rhythmically bend and straighten the sperm tail. This resembles how paddles are moved in synchrony to move a galley forward. On the galley the rowers are coordinated by a supervisor, but what about the dyneins?

A chemical decoration on proteins called glycylation is likely the trick. We know this type of protein modification happens on microtubules. Interestingly, glycylated microtubules have been only found in sperm tails and similar structures. This suggests that the glycylation may give a unique function to microtubules in sperm tails, which is potentially associated with the tails' dynamic movements. However, this chemical modification has been poorly investigated and its biological meaning remains unclear.

To explore the role of microtubule glycylation in sperm tail dynamics, we used genetically engineered mice. Using mice as a model animal is beneficial because they share a very similar genetic background and physiology with humans. In other words, what happens in mice most probably occurs in humans too. We edited the DNA of mice to remove the genes that are essential for glycylation. Comparing these mice lacking glycylation with normal mice, we can understand the biological function of this chemical modification.

To our surprise, the lack of glycylation did not lead to any distinct defects in mouse behaviour and general health. However, when it comes to fertilisation, the male mice showed a reduced fertilisation capacity and an abnormal sperm swim style. Notably, the lack of glycylation altered the beat of sperm tails, which was less frequent and less symmetrical. Moreover, the sperm tails were more curved towards the sperm head. As a result, the glycylation-deficient sperm could no longer swim along a straight line and tended to swim in circles. This finding reveals that glycylation is essential for keeping the rhythmic beats of sperm tails, and important for the sperm not to get lost during the travel.

To take a deeper look, we next explored how internal architectures of a sperm tail look at the molecular scale in amazing detail using a cutting-edge microscopy named cryo electron microscopy. While the overall molecular architectures of the sperm tail were unaffected in the absence of glycylation, we found that dyneins were particularly disorganised. This suggests that glycylation on microtubules serves as the 'galley supervisor' that assures the coordinated movement of the dyneins. It also explains why the sperm turned to circularly swim when glycylation was absent.

In summary, we demonstrated that glycylation – a tiny chemical decoration on proteins – arranges dyneins along microtubules, which leads to the rhythmic movement of sperm tails and efficient fertilisation in mice. As we expect this happens in humans as well, our results shed light on a new molecular mechanism possibly causing male infertility. It's noteworthy that various cells have appendages called cilia that are structurally related to sperm tails. Dysfunctional cilia with the lack of motility cause diseases called ciliopathies, which widely affect different organs. Since microtubule glycylation is also present in cilia, future studies will extend our understanding of the potential roles of glycylation in health and disease.


The Long, Winding Tale of Sperm Science

Scott Pitnick’s tattoo isn't exactly subtle. The massive black-and-white sperm twists and spires up his right forearm, appearing to burrow in and out of his skin before emerging into a fist-sized head on his bicep. Nor is the Syracuse University biologist reserved about his unusual body art, which once made an appearance in a montage of notable scientist tattoos published in The Guardian.
 
For Pitnick, his intricate ink reflects his deep fascination in sperm’s “unbelievably unique biology.” Consider, he says, that sperm are the only cells in the body destined to be cast forth into a foreign environment—a feat that requires dramatic physical changes as they travel from the testes into a woman’s reproductive tract.

Related Content

“No other cells do that,” says Pitnick, who has been studying sperm for more than 20 years. “They have this autonomy.”

In his lab, Pitnick engineers the heads of fruit fly sperm to glow a ghostly red and green so that he can observe them moving through dissected female fly reproductive tracts. He hopes his work will help reveal how sperm behave within female bodies, an area of research that's still in its relative infancy. These kinds of innovations could one day explain the great diversity of sperm shape and size across the animal kingdom. Moreover, they could ultimately help researchers develop human infertility treatments, as well as more effective male contraceptives.

“We understand almost nothing about sperm function, what sperm do,” Pitnick says. Many of the answers to these unknowns likely hide within the other half of sperm’s puzzle: female bodies. 

This might come as a disappointment to the courageous biologists who first looked upon sperm cells in their full glory in the㺑th and 18th century, using the then-revolutionary microscope. These early sperm scientists found themselves tasked with answering the most basic of questions, for instance: Are sperm living animals? Are they parasites? And, Does each sperm contain a tiny pre-formed adult human curled up inside? (We’ll get to that one later.)

Leeuwenhoek's early microscopic observations of rabbit sperm (figs. 1-4) and dog sperm (figs. 5-8). (Wikimedia Commons)

The person with the dubious honor of being the first to study sperm in detail was Anton van Leeuwenhoek, a Dutchman who developed the early compound microscope. Van Leeuwenhoek first used his new tool to examine more chaste subjects such as bee stingers, human lice and lake water in the mid-1670s. 

Colleagues urged him to turn his lens to semen. But he worried it would be indecent to write about semen and intercourse, and so he stalled. Finally, in 1677, he gave in. Examining his own ejaculate, he was immediately struck by the tiny “animalcules” he found wriggling inside.

Hesitant to even share his findings with colleagues—let alone get a wriggler tattooed on his arm—van Leeuwenhoek hesitantly wrote to the Royal Society of London about his discovery in 1677. “If your Lordship should consider that these observations may disgust or scandalise the learned, I earnestly beg your Lordship to regard them as private and to publish or destroy them as your Lordship sees fit.”

His Lordship (aka the president of the Royal Society) did opt to publish van Leeuwenhoek’s findings in the journal Philosophical Transactions in 1678—thus begetting the brand new field of sperm biology. 

It’s hard to overstate how mysterious these squirming, microscopic commas would have appeared to scientists at the time. Before the discovery of these “animalcules,” theories of how humans made more humans ranged widely, says Bob Montgomerie, a biologist who studies animal reproduction at Queen’s University in Canada. For example, some believed that vapor emitted by male ejaculate somehow stimulated females to make babies, while others believed that men actually made babies and transferred them to females for incubation. 

“You can imagine how difficult it is when you have no idea what is going on,” says Montgomerie. That is: without being able to see sperm and eggs, these scientists were really just pulling theories out of thin air.

In the 17th century, many researchers believed each spermatozoa contained a tiny, completely pre-formed human within it, as illustrated in this 1695 sketch by Nicolaas Hartsoeker. (Wikimedia Commons)

Even after van Leeuwenhoek discovered sperm in 1677, roughly 200 years passed before scientists agreed on how humans formed. Two primary fields of thought emerged along the way: On the one hand, the “preformationists” believed that each spermatozoa—or each egg, depending on who you asked—contained a tiny, completely pre-formed human. Under this theory, the egg—or sperm—simply provided a place for development to occur.

On the other hand, “epigenesists” argued that both males and females contributed material to form a new organism, though they weren’t sure who contributed exactly what. Discoveries throughout the 1700s offered more evidence for this argument, including the 1759 discovery that chicks develop organs incrementally. (Montgomerie notes this in the book Sperm Biology: An Evolutionary Perspective, which was edited by colleagues including Pitnick.)

With improvements to the microscope, mid-19th century researchers observed embryonic development within sea urchin eggs, which are conveniently transparent. These observations continued to disprove the concept of preformation, and allowed researchers to begin asking how sperm and egg work together to create new organisms.

Sperm research also shed light on other body systems. In the 1960s, researchers identified the protein dynein, which is responsible for sperm movement. “It turns out that the same motor protein is responsible for all kinds of processes that go on in cells,” says Charles Lindemann, a professor emeritus at Oakland University in Michigan who studied sperm motility. Today we know that dynein is involved in the movement of microscopic cellular structures like cilia and flagella, which are key to many bodily functions.

Still, early progress in fertility research was slow to take off. There simply weren’t very many working scientists back then at all, let alone sperm scientists, says Montgomerie. He estimates that there were only several dozen people researching sperm at that time by comparison, roughly 400,000 scientists study cancer today. “There were some people doing it, but maybe not enough,” says Montgomerie.

Pitnick adds that the few early researchers who did study sperm may not have fully appreciated the role of the female reproductive system in the fertility equation—an oversight that could explain why this area is still such a mystery today. “Part of that is a male bias in biology to think the female is not an important part of the story, and that goes way back in sperm biology to this whole idea of preformation,” says Pitnick.

On the more technical side, observing sperm move within the female is logistically very challenging. As Pitnick points out, it’s pretty hard to get a camera inside a female reproductive tract.

That's the genius behind his glowing fruit fly sperm and the ability to monitor them in real time. The video above shows the removed reproductive tract of a female fruit fly, which Pitnick has kept intact in a saline solution. When it was living, that female was mated to a green-sperm male, and then re-mated a few days later with a red-sperm male. Only the heads of the sperm are tagged with the fluorescent protein, so the tails of the sperm cannot be seen. 

With this kind of technology, Pitnick can gain insight into why so much variety exists in the shape and size of sperm. For example, the glowing sperm he studies have mega-long tails reaching up to 6 centimeters in length when unwound—roughly the length of your pinky finger, and the longest known in the animal kingdom. He has spent decades trying to understand why a fly would evolve this way, and has finally honed in on the female reproductive tract as the source for his answer.

While Pitnick focuses on flies, sperm have also captured the attention of modern scientists trying to help human couples trying to conceive. Pitnick’s findings could inadvertently help with this task. “In many cases, it is a compatibility difference between a specific male and female, and they don’t know the underlying mechanism,” he says. “Understanding sperm-female interactions can certainly shed light on understanding new explanations for infertility, and possibly new solutions for it.”

Basic sperm research will also help expedite progress in developing male contraceptives, says Daniel Johnston, chief of the Contraception Research Branch at the National Institutes of Health. So far, researchers have tried everything from gels to pills, but an effective, reliable male birth control remains elusive. Johnston says scientists still face the most basic of questions: what болып табылады sperm, anyways? 

Sperm cells vary incredibly across the animal kingdom. This single fruit fly sperm cell can reach several centimeters long when unfurled. (Romano Dalla)

“We need to really understand what makes up a sperm,” says Johnston, who has worked to describe the full protein contents of sperm—an important first step in understanding how to design effective contraceptives. “When you understand that, you can potentially start understanding what we need to inhibit.”

Recently, a private group called the Male Contraceptive Initiative launched a competition that will fund one innovative contraceptive research project.* Gunda Georg, a medicinal chemist at the University of Minnesota, has made it through the first round of the contest for her research on infertility-associated genes in mice that could ultimately be used to develop a male birth control pill.

Her current research helps determine appropriate dosage levels for such pharmaceuticals and assess potential side effects. After all, “if a man stops taking the pill, he has to completely return to normal,” Georg says.

Johnston is pleased to have the opportunity to support this type of research at the NIH, both out of interest in moving male contraceptives forward but also out of a fundamental intrigue in sperm that hasn’t let up over his 25-year career. “Sperm are fascinating," says Johnston. "There is nothing like them.”

Pitnick, naturally, agrees. The bashfulness that scientists like van Leeuwenhoek demonstrated in the early days, he says, has subsided in the field. “I don’t think there are too many biologists today that have any kind of discomfort level talking about this stuff,” says Pitnick. And for him, personally? “I love this biology,” he says. “I’ll talk to anyone about it who is willing to listen.”

Editor's Note, June 7, 2017: This piece originally stated that the Male Contraceptive Initiative was housed under the NIH it is a private endeavor.

About Laura Poppick

Laura is a freelance writer based in Portland, Maine and a regular contributor to the Science section.