การปฏิสนธิและการจดจำเซลล์สืบพันธุ์

การปฏิสนธิคือกระบวนการที่อสุจิและไข่จดจำกัน จับกัน และหลอมรวมกันเพื่อสร้างไซโกต ซึ่งเป็นการฟื้นฟูจำนวนโครโมโซมแบบดิพลอยด์และกระตุ้นการพัฒนา การจดจำเซลล์สืบพันธุ์คือการจับคู่ระดับโมเลกุลที่ทำให้อสุจิของสปีชีส์ที่ถูกต้องจับกับชั้นหุ้มของไข่ และทำให้อสุจิเพียงตัวเดียวหลอมรวมกับเยื่อหุ้มเซลล์ไข่

Definition

การปฏิสนธิคือการรวมกันของอสุจิแบบแฮพลอยด์และไข่แบบแฮพลอยด์ ซึ่งเกิดจากการจดจำกันตามลำดับที่โซนาเพลลูซิดาและเยื่อหุ้มพลาสมาของไข่ ซึ่งก่อให้เกิดไซโกตแบบดิพลอยด์และกระตุ้นการทำงานของไข่และการป้องกันภาวะมีอสุจิหลายตัวเข้าปฏิสนธิ (polyspermy)

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการเพิ่มความสามารถในการปฏิสนธิของอสุจิ (sperm capacitation) และปฏิกิริยาอะโครโซม (acrosome reaction) การจับและการเจาะโซนาเพลลูซิดา (zona pellucida) คู่ตัวรับการหลอมรวม IZUMO1-JUNO บนเยื่อหุ้มอสุจิและไข่ การกระตุ้นไข่ และกลไกที่ป้องกันการปฏิสนธิโดยอสุจิมากกว่าหนึ่งตัว หัวข้อนี้ถือว่าการปฏิสนธิเป็นกระบวนการทางสรีรวิทยาและโมเลกุล ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิกเกี่ยวกับการตั้งครรภ์หรือการเจริญพันธุ์โดยอาศัยเทคโนโลยีช่วยการเจริญพันธุ์

Core questions

• อสุจิรู้จักและจับกับโซนาเพลลูซิดาของไข่ได้อย่างไร?
• โมเลกุลใดที่ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในการหลอมรวมของเยื่อหุ้มอสุจิและไข่?
• ไข่แน่ใจได้อย่างไรว่ามีอสุจิเพียงตัวเดียวที่ปฏิสนธิกับมัน?
• การเปลี่ยนแปลงใดในไข่ที่ถือเป็นการกระตุ้นหลังการหลอมรวม?

Key concepts

• การเพิ่มความสามารถในการปฏิสนธิของอสุจิ
• ปฏิกิริยาอะโครโซม
• ไกลโคโปรตีนของโซนาเพลลูซิดา (ZP1-ZP4)
• ตัวรับการหลอมรวม IZUMO1 และ JUNO
• การกระตุ้นไข่และการแกว่งตัวของแคลเซียม
• การป้องกันภาวะมีอสุจิหลายตัวเข้าปฏิสนธิ
• ปฏิกิริยาคอร์ติคอลและการแข็งตัวของโซนาเพลลูซิดา

Mechanisms

อสุจิที่ถูกหลั่งออกมาจะได้รับความสามารถในการปฏิสนธิผ่านกระบวนการเพิ่มความสามารถในการปฏิสนธิ (capacitation) ในระบบสืบพันธุ์เพศหญิง จากนั้นจะจับกับโซนาเพลลูซิดาของไข่ ซึ่งเป็นชั้นไกลโคโปรตีนที่มีองค์ประกอบ (รวมถึง ZP3) ที่ได้รับการระบุว่ามีฤทธิ์เป็นตัวรับอสุจิ การจับนี้ส่งเสริมปฏิกิริยาอะโครโซม (acrosome reaction) ซึ่งปล่อยเอนไซม์ที่ช่วยให้อสุจิเจาะโซนาเพลลูซิดาได้ ที่ผิวของไข่ โปรตีน IZUMO1 บนเยื่อหุ้มอสุจิจะจับกับตัวรับ JUNO บนไข่ ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่จำเป็นสำหรับการหลอมรวมของเยื่อหุ้มพลาสมาของอสุจิและไข่ การหลอมรวมนี้กระตุ้นการทำงานของไข่ รวมถึงการแกว่งตัวของแคลเซียมภายในเซลล์และปฏิกิริยาคอร์ติคอล (cortical reaction) ซึ่งปรับเปลี่ยนโซนาเพลลูซิดาและสร้างกลไกป้องกันภาวะมีอสุจิหลายตัวเข้าปฏิสนธิ เพื่อให้อสุจิเพียงตัวเดียวเท่านั้นที่ส่งมอบจีโนมของตน

Clinical relevance

ความเข้าใจเกี่ยวกับการจดจำเซลล์สืบพันธุ์เป็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์การมีบุตรยากและเทคโนโลยีช่วยการเจริญพันธุ์ เช่น การปฏิสนธินอกร่างกาย (in vitro fertilization) และการฉีดอสุจิเข้าเซลล์ไข่ (intracytoplasmic sperm injection) และอธิบายว่าเหตุใดข้อบกพร่องในการจับกับโซนาเพลลูซิดาหรือโมเลกุลการหลอมรวมจึงอาจทำให้การปฏิสนธิบกพร่องได้ บทความนี้อธิบายสรีรวิทยาพื้นฐานเป็นข้อมูลอ้างอิงและไม่ได้ให้คำแนะนำหรือการรักษาภาวะเจริญพันธุ์เฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

รายละเอียดระดับโมเลกุลส่วนใหญ่มาจากการศึกษาพันธุกรรมและชีวเคมีของหนู: การระบุไกลโคโปรตีนของโซนาเพลลูซิดาที่มีฤทธิ์เป็นตัวรับอสุจิ การแสดงให้เห็นว่า IZUMO1 จำเป็นสำหรับการหลอมรวมของอสุจิกับไข่ และการค้นพบ JUNO ในฐานะคู่ร่วมบนไข่ เนื่องจากมีการทดลองที่สำคัญในหนู วรรณกรรมจึงระบุว่ากลไกในมนุษย์โดยรวมแล้วมีการอนุรักษ์ไว้แต่ไม่เหมือนกันทุกประการ

History

งานวิจัยในศตวรรษที่ 20 ได้ยืนยันว่าโซนาเพลลูซิดาเป็นตำแหน่งของการจับอสุจิแบบจำเพาะสปีชีส์ โดย Bleil และ Wassarman ได้ระบุตัวรับไกลโคโปรตีนสำหรับอสุจิในปี 1980 พื้นฐานระดับโมเลกุลของการหลอมรวมเยื่อหุ้มเซลล์ได้รับการชี้แจงเมื่อ Inoue และคณะแสดงให้เห็นในปี 2005 ว่าโปรตีน Izumo ของอสุจิจำเป็นสำหรับการหลอมรวม และเมื่อ Bianchi และคณะระบุ JUNO เป็นตัวรับบนไข่ในปี 2014 ซึ่งเป็นการเติมเต็มคู่การจดจำที่ค้นหามานาน

Key figures

• Paul M. Wassarman
• Masaru Okabe
• Naokazu Inoue
• Gavin J. Wright
• Jeffrey D. Bleil

Seminal works

• bleil-wassarman-1980
• inoue-2005
• bianchi-2014

Frequently asked questions

อะไรที่หยุดไม่ให้อสุจิมากกว่าหนึ่งตัวปฏิสนธิกับไข่?

การหลอมรวมของอสุจิตัวแรกจะกระตุ้นปฏิกิริยาคอร์ติคอลและการเปลี่ยนแปลงของโซนาเพลลูซิดา ซึ่งรวมกันเป็นกลไกป้องกันภาวะมีอสุจิหลายตัวเข้าปฏิสนธิ ป้องกันไม่ให้อสุจิตัวอื่นจับหรือหลอมรวมได้

IZUMO1 และ JUNO คืออะไร?

IZUMO1 คือโปรตีนบนพื้นผิวอสุจิ และ JUNO คือตัวรับของมันบนพื้นผิวไข่ การจับกันของทั้งสองจำเป็นสำหรับการหลอมรวมของเยื่อหุ้มอสุจิและไข่ในระหว่างการปฏิสนธิ