Uno, nessuno e centomila
Durante la fecondazione del riccio di mare, lo spermatozoo attivante innesca una serie di eventi morfologici e fisiologici, come la depolarizzazione della membrana plasmatica dell'uovo, l'inizio del segnale di calcio concomitanti con i cambiamenti nella dinamica del citoscheletro di actina corticale1 ed il sollevamento della membrana di fecondazione (Figura 1), a seguito dell'esocitosi dei granuli corticali2. È ampiamente accettato che i cambiamenti rapidi del potenziale di membrana indotti dallo spermatozoo dopo fusione con l'uovo che sono dipendenti dall’entrata del sodio, esercitino la funzione di bloccare l'ingresso di ulteriori spermatozoi (blocco rapido)3, mentre il sollevamento della membrana di fecondazione costituirebbe una barriera meccanica alla loro penetrazione (blocco lento)4. In contrasto con la visione dogmatica, abbiamo fornito evidenza che la riduzione della quantità di sodio esterno nell'acqua di mare in cui vengono fecondate le uova non induce la fecondazione polispermica come ci si aspetterebbe per l’ipotesi corrente che pone l’accento proprio sul rapido cambiamento elettrico della membrana plasmatica dell'uovo nel prevenire la polispermia (Figura 2). Inoltre, abbiamo dimostrato che lo sviluppo anormale delle uova fecondate in acqua di mare a basso contenuto di sodio (Figura 3) è dovuto ad alterazioni della dinamica dei filamenti di actina e non è il risultato della formazione di multipli aster spermatici. I nostri risultati hanno anche dimostrato che la membrana di fecondazione, il cui sollevamento è peraltro troppo lento per agire da blocco meccanico alla polispermia, è inefficiente per garantire la monospermia anche quando è completamente sollevata5,6. Suggeriamo quindi che, alla fecondazione, è il rapido cambiamento strutturale del citoscheletro dell'actina corticale dell'uovo – e non la depolarizzazione della membrana plasmatica – che impedisce l'ingresso di spermatozoi supernumerari. I nostri risultati concordano con l'ipotesi suggerita da Ernest Everett Just un secolo fa, secondo la quale l'integrità e i cambiamenti della struttura dell'ectoplasma (la regione esterna del citoplasma dell'uovo) sono cruciali per la normale risposta dell’uovo durante la fecondazione2. In linea con questa ipotesi, il nostro Laboratorio ha ampiamente dimostrato che le uova di stella e riccio di mare sono penetrate da più spermatozoi quando l’actina del citoscheletro della superficie dell'uovo è alterata da agenti che ne influenzano la sua organizzazione strutturale e dinamica. Tali risultati confermano le osservazioni sperimentali di Ernest Everett Just, che soleva affermare: ... Normalmente le uova che sono monospermiche possono essere rese polispermiche mediante trattamento sperimentale come staling (lunga permanenza in acqua di mare), trattamento con alcali, acidi o veleni, sottoposte a basse temperature, in breve, metodi che inducono lesioni o che le rendono fragili ... e ... la loro polispermia è pertanto un segno di debolezza e quindi patologica7...
Riferimenti Bibliografici
1. Santella L, Limatola N, Vasilev F, Chun J.T.(2018) Maturation and fertilization of echinoderm eggs: Role of actin cytoskeleton dynamics. Biochem. Biophys. Res. Commun. 506, 361-371.
2. Just E E. (1919) The fertilization-reaction in Echinarachnius Parma. I. Cortical response of the egg to insemination. Biol. Bull. 36, 1-10.
3. Jaffe L A. (1976). Fast block to polyspermy in sea urchin eggs is electrically mediated. Nature 261, 68-71.
4. Gilbert, Scott F. (2014) Developmental Biology, 10th ed. Sunderland, MA USA: Sinauer Associates, Inc. Publishers. p. 129.
5. Limatola N, Vasilev F, Chun J T, Santella L. (2019). Sodium-mediated fast electrical depolarization does not prevent polyspermic fertilization in Paracentrotus lividus eggs. Zygote 27, 241-249. page 1 of 9.
6. Dale B. (2019) New experimental data refuting the idea of a fast electrical block to polyspermy in sea urchin eggs. Zygote. 27, 193-194.
7. Just E E. (1939) The Biology of the Cell Surface. P. Blakiston’s Son & Co., Philadelphia, USA.
Figura 1. Reazione corticale in un uovo intatto di Paracentrotus lividus. Immagine in campo chiaro al microscopio ottico (pannello di sinistra) ed al microscopio elettronico a scansione (pannello di destra) dei vari momenti della reazione corticale dopo inseminazione di uova di P. lividus (a e b). Il contatto dello spermatozoo fecondante con la membrana plasmatica dell’uovo genera una fossetta sulla superficie ed il sollevamento della membrana di fecondazione (FE) (c e d). Pochi secondi dopo la concavità diventa più pronunciata in concomitanza con la penetrazione dello spermatozoo nell’uovo (freccia in e). Alcuni minuti dopo, lo spermatozoo completa la sua incorporazione mentre la membrana di fecondazione è completamente sollevata su tutta la superficie dell’uovo (e ed f). Le frecce bianche indicano il sito dopo lo spermatozoo ha preso contatto con l’uovo e dove sarà incorporato nella cellula. Barra graduata = 10 µm.
Figura 2. La fecondazione di uova di Paracentrotus lividus in acqua di mare a basso contenuto di sodio non induce polispermia. Le uova di P. lividus sono state trasferite dall'acqua di mare naturale a quella artificiale contenente varie quantità di Na+ e fecondate. In 50 mM di Na+ la penetrazione di più di uno spermatozoo nell'uovo si è verificata molto raramente. È interessante notare che gli spermatozoi colorati con Hoechst 33342 sono sempre entrati ai poli opposti dell'uovo (frecce) mettendo in discussione l'esistenza o l'efficacia della depolarizzazione rapida della mmebrana plasmatica come meccanismo di blocco alla polispermia. Il sollevamento della membrana di fecondazione è visibile in campo chiaro.
Figura 3. Sviluppo embrionale di uova monospermiche di riccio di mare fecondate in acqua di mare a basso contenuto di Na+. Immagini in campo chiaro di embrioni 1 giorno dopo fecondazione.
