se fixer sur la zone pellucide

ARTICLE DE REVUE
Capacit
Andrologie(1995), 5, n~3,361-368
des s p e r m a t o z o i d e s
zone pellucide
se fixer sur la
S. HAMAMAH,M. JEAN*,D. ROYERE,P. BARRIERE*
Unitd de Biologie de la Reproduction, Dgpartement de Gyndco-Obs, Reproduction humaine,
et Mddecine foetale, H6pital Bretonneau, 37044 Tours ; * Laboratoire de Biologie de la
Reproduction, Ddpartement de Gyngco-Obs, H6pital M~re-Enfant, 44035 Nantes
Mots clds : spermatozo[de, zone pellucide, inter-
RESUME
action.
Le spermatozoide apr~s sa libdration de
l'~pith~lium s~minif~re subit dans l'6pididyme u n e s~rie de modifications fonctionnelles et m~taboliques lui conf~rant
la capacit~ d'assurer la f6condation. La
f~condation est le processus essentiel de
la r e p r o d u c t i o n s e x u ~ e , e l l e p e r m e t
d'initier la f o r m a t i o n d'un n o u v e l ~tre
p a r la f u s i o n de d e u x c e l l u l e s germinales : le gamete male (spermatozoide)
et le gamete femelle (ovocyte).
P o u r q u e la f ~ c o n d a t i o n ait lieu, il faut
q u e les s p e r m a t o z o i d e s r e c o n n a i s s e n t
la z o n e p e l l u c i d e (ZP), s'y fixent, qu'ils
la p~n~trent et qu'il y ait f u s i o n avec la
m e m b r a n e p l a s m i q u e de l'ovocyte.
L'affinit~ des s p e r m a t o z o i d e s ~ reconnaitre et ~ se fixer sur la z o n e pellucide (ZP) a p p a r a i t a u c o u r s d u t r a n s i t
d a n s l'~pididyme, et elle est parall~le
l ' a c q u i s i t i o n d u p o u v o i r f ~ c o n d a n t , et
contr61~e par les a n d r o g ~ n e s
INTRODUCTION
Chez les MammiFeres, la f~condation est le
r ~ s u l t a t d'une succession d'~v~nements
complexes qui assurent, grace ~ la fusion de
deux gametes haplo~des (le spermatozoa'de
et l'ovocyte), la creation d'un nouvel individu. Les ~tapes initiales de reconnaissance
et d'interaction des gametes sont capitales
dans le d~roulement de la f~condation. Le
spermatozo~de doit d'abord reconnaitre la
zone pellucide de l'ovocyte, s'y fixer puis la
traverser pour finalement venir fusionner
avec la membrane plasmique de l'ovocyte.
L'interaction entre les gametes fait intervenir des molecules situ~es, d'une part sur la
t~te du spermatozolde et, d'autre part, sur
la zone pellucide de l'ovocyte.
La d~termination de la nature et du r61e
des molecules impliqu~es dans l'interaction
spermatozoides-zone pellucide repr~sente
un des axes de recherche les plus importants dans le diagnostic de l'inf~condit~
l'~chelle mol~culaire.
D e u x modalit~s d'interactions entre les
s p e r m a t o z o i d e s et la ZP o n t p u ~tre
observ~es : a) chez la plupart des mammif~res, la fixation des s p e r m a t o z o i d e s
n'a lieu que si la m e m b r a n e p l a s m i q u e
est intacte, il en est de mi~me chez l ~ o m me, b) c h e z le h a m s t e r , la f i x a t i o n d u
spermatozoide sur la ZP ne p e u t s'effectuer qu'apr~s la r~action acrosomique.
1. La m a t u r a t i o n
spermatozoides
~pididymaire
des
Au cours de la maturation ~pididymaire, le
spermatozoa'de subit des modifications qui
se caract~risent par :
361
9 le d6veloppement d'une motilit6 progressive,
9 l'acquisition d'une sp6cificit6 de reconnaissance et de fixation h l'ovocyte,
9 l'acquisition du pouvoir f6condant, et
9 la facult6 h induire un d6veloppement
embryonnaire normal.
Ces modifications des spermatozoides sont
accompagn6es de c h a n g e m e n t s dans les
caract6ristiques de surface m e m b r a n a i r e
qui contribuent au r e m p l a c e m e n t ou au
m a s q u a g e des compos6s de h a u t poids
mol6culaire par d ' a u t r e s de poids plus
r6duits [1]. Ces diff6rentes prot6ines, pour
la plupart sialyl6es ou glycosyl6es, sont
s6cr6t6es par l'6pith61ium 6pididymaire
sous l'action des androg6nes et se fixent
la membrane du spermatozoide [2]. La fixation de ces prot6ines entraine des modifications de la structure membranaire du spermatozoide [3] en relation avec les interactions avec la ZP [4, 5].
2. La capacitation
La capacitation des spermatozoides est une
6tape indispensable a la f6condation chez
t o u s l e s Mammif6res [6]. Elle correspond
aux modifications cellulaires et mol6culaires subies par le spermatozoide dans les
voies g6nitales femelles qui le pr6parent
subir la r6action acrosomique (RA) [7].
D ' u n e fa~on g 6 n 6 r a l e , la c a p a c i t a t i o n
e n t r a i n e des modifications importantes,
parmi lesquelles :
a) Les modifications membranaires du
spermatozo~de : pendant la m a t u r a t i o n
6pididymaire et au cours de l'6jaculation,
des prot~ines issues de l'~pididyme et des
glandes annexes se fixent au glycocalyx des
spermatozoides et inhibent leur pouvoir
f6condant en stabilisant la membrane [8].
Au cours de la capacitation, trois types de
changements sont en cause selon la nature
de la liaison de ces prot6ines avec la membrane plasmique :
9 des prot6ines fix6es au glycocalyx par des
liaisons non covalentes sont relargu6es
dans les voies g6nitales f6minines [9],
9 des prot6ines de structure ou d'origine
6pididymaire incorpor6es dans la membrane subissent une perte de r6sidus glucidiques confirm6e par la disparition progressive, au cours de la capacitation, de
lectines fLX6es ~ la surface du spermatozo'~'de [10], et
9 des prot6ines peuvent migrer et se redistribuer localement pour cr4er des zones
fluides, pauvres en prot6ines, qui sont les
futurs points de fusion, lors de la RA,
entre la membrane plasmique et la membrane acrosomique externe [11]. Selon le
mod61e propos6 par Davis et al. [12], la
d6stabilisation de la membrane du spermatozoide serait li6e a la diminution du
rapport cholest6rol / phospholipides associ6e ~ une augmentation de la perm6abilit6 au Ca++.
b) Le changement de motilitd
Le ph6nom~ne de capacitation s'accompagne d'une transformation des param6tres
du d6placement des spermatozoYdes en un
mouvement non lin6aire, caract6ris6 par un
battement flagellaire de forme asym6trique
et de forte amplitude. Ce mouvement particulier des spermatozo~des capacit6s est
appel6 ,&yperactivation, [7]. L'entr6e de
Ca++ dans la cellule, li6e ~ la d4stabilisation de la membrane, permettrait l'activation d'une ad6nylcyclase-Ca++d6pendante.
L ' a u g m e n t a t i o n du t a u x d'AMPc alors
observ6e serait responsable de la phosphorylation de la tubuline et du changement de
motilit6 [8].
Lors de leur transit dans les voies g6nitales
f~minines, la progression des spermatozoides est assur6e par des battements flagellaires sym4triques avec une fr4quence
importante et une faible amplitude. Lorsqu'ils parviennent au voisinage de l'ovocyte,
les spermatozoides capacit6s pr6sentent
alors cette mobilit6 hyperactiv6e et faible-
362
ment progressive. Chez l'Homme, ~ la diff6rence d'autres Mammif~res, la proportion
de spermatozo~des hyperactiv6s est faible et
voisine de 20% [13].
Pour les spermatozoYdes fix6s /t la ZP, le
b a t t e m e n t flagellaire de forte a m p l i t u d e
contribue, pour une part, ~ la progression
du spermatozo~de ~ travers cette enveloppe.
3. L e s s i t e s d'affinit~ de la z o n e p e l l u c i de p o u r l e s s p e r m a t o z o i d e s
La zone pellucide, enveloppe acellulaire
e n t o u r a n t l'ovocyte des Mammif~res, est
synth6tis6e au cours de la folliculog6n~se et
assure la protection de l'ovocyte puis de
l'embryon jusqu'au stade pr6-implantatoire
[14]. Elle est impliqu6e dans l'interaction
gam~tique en assurant la reconnaissance
homosp6cifique et la fixation des spermatozoides ainsi que le d 6 c l e n c h e m e n t de la
r6action acrosomique.
Les 6tudes r6alis6es chez la Souris [15] ont
fourni l'essentiel des informations disponibles actuellement sur la composition biochimique de la zone pellucide. Elle poss~de
une structure tridimensionnelle form6e de
3 glycoprot6ines majeures appel6es ZP1,
ZP2 et ZP3.
ZP2 et ZP3 sont associ6es en alternance et
f o r m e n t des f i l a m e n t s de l o n g u e u r (2-3
mm) et d'6paisseur (7-18 nm) uniformes.
Ces filaments sont reli6s entre eux par ZP1.
La glycoprot6ine ZP3 est constitu6e d'une
c o m p o s a n t e polypeptidique sur laquelle
sont greff6es des r6sidus oligosaccharidiques (fucose et N - a c 6 t y l - g l u c o s a m i n e
notamment).
Les 3 glycoprot6ines de la zone pellucide
(ZP1, ZP2 et ZP3), c l a s s 6 e s p a r o r d r e
d 6 c r o i s s a n t de poids m o l 6 c u l a i r e , sont
retrouv6es dans de n o m b r e u s e s espbces
(Tableau 1). Une s i m i l i t u d e de fonction
pour les glycoprot6ines de m6me nom reste
cependant ~ d6montrer. D'une faqon g6n6rale, cette architecture mol6culaire conf~re
la zone pellucide une structure dlastique,
perm6able aux enzymes, aux immunoglobulines et aux virus de petite taille.
La structure de la zone pellucide humaine,
d6sormais bien 6tablie [16, 17], est comparable ~ celle des autres Mammif'eres. Elle est
form6e des 3 glycoprot6ines majeures ZP1,
ZP2 et ZP3 avec des poids mol6culaires apparents respectifs de 97, 82 et 70 kD.
L'interaction spermatozoide-zone pellucide,
l'image des i n t e r a c t i o n s entre cellules
somatiques, serait du type ligand-r6cepteur
[18]. Selon le module propos6 chez la Souris
[19], l'interaction du spermatozoide avec la
zone p e l l u c i d e p e u t 6tre s 6 p a r 6 e en 2
6tapes :
9 la premiere 6tape d6bute par une liaison
labile et r6versible du spermatozo~de
avec la zone pellucide,
Tableau I : Glycoproteines de la zone p e l l u c i d e d a n s diverses esp~ces a n i m a l e s et chez l'homme.
Esp~ces
ZP 1
(kD)
ZP2
(kD)
ZP3
(kD)
Vache
Chien
Hamster
Cheval
Souris
Lapin
Porc
Homme
94-110
90-100
240
93-120
200
100-132
80-90
90-110
82-94
70-95
150
73-90
120
81-100
60-65
64-78
70-76
50-100
80
45-80
83
68-125
55-60
57-73
363
ZP4
(kD)
20-25
References
Florman & First, 1988
Maresh & Dunbar, 1987
Ahuja & Bolwel, 1983
Miller et al, 1992
Bleil & Wassarman, 1980
Dunbar et al, 1981
Hedrick & Wardrip, 1986
Shabanowitz & O'Rand, 1988
9 puis, l'interaction des chaines oligosaccharidiques de ZP3 avec un (ou plusieurs)
r~cepteur de la membrane plasmique du
spermatozo'ide ~tablit une liaison irreversible et sp~cifique entre les gametes.
Cette fixation primaire est ~ l'origine du
d~clenchement de la r~action acrosomique
(RA) [20].
Lorsque cette r~action s'est produite, l'interaction d'un r~cepteur situ~ sur la membrane i n t e r n e de l'acrosome (ou dans la
matrice acrosomique) avec un second ligand
de la zone pellucide (ZP2) devient possible :
c'est l'~tape de fixation secondaire [21].
Si chez la Souris, ZP3 est le seul composant
de la zone pellucide capable d'agir comme
site de r e c o n n a i s s a n c e initiale [22], les
principaux groupes de glycoprot~ines de la
zone pellucide h u m a i n e a u r a i e n t t o u s l e
rSle de ligands pour les prot~ines du spermatozoide h u m a i n [17] et pourraient tous
d~clencher la r~action acrosomique [22].
4. Les r ~ c e p t e u r s du s p e r m a t o z o i d e
pour la zone pellucide
Si la nature et la localisation des r~cepteurs
spermatiques impliqu~s dans l'interaction
avec la zone pellucide ne sont pas encore
totalement pr~cis~es, le rSle des prot~ines
de la membrane plasmique du spermatozoade a c e p e n d a n t pu ~tre ~tabli dans plusieurs esp~ces (Tableau 2).
Chez la Souris, une galactosyltransf~rase
port~e par la membrane plasmique du spermatozo~de pourrait ~tre impliqu~e dans la
reconnaissance et la fixation des spermatozo~des [23, 24]. La liaison avec la zone pellucide r~sulterait donc d'un pontage entre
la membrane plasmique du spermatozo~de
et un r~sidu N-ac~ty]glucosamine de la ZP3
par l'interm~diaire de cette enzyme.
Chez l'Homme, il n'y aurait pas de galactosyltransf~rase mais, une alpha-D-mannosidase, retrouv~e ~ la surface du spermatozoide serait le r~cepteur pour ZP3 [25].
Grace ~ des anticorps anti-phosphotyrosine
(anti P-Tyr), des prot~ines servant de subs t r a t ~ des prot~ines-kinases ont ~galement pu ~tre identifi~es dans les spermatozo~des murins [26] et humains [27]. Apr~s
c a p a c i t a t i o n , 15% des s p e r m a t o z o ' / d e s
m u r i n s et 50% des s p e r m a t o z o Y d e s
h u m a i n s poss~dent des r~sidus P-Tyr au
niveau de la r~gion acrosomique. Chez la
Souris, l ' i n c u b a t i o n de spermatozo~des
capacit6s avec des pellucides dissoutes fait
a p p a r a i t r e u n e r~activit~ i m p o r t a n t e
l'anticorps anti P-Tyr pour une prot~ine de
95 kD, appel~e P95 [26]. Chez l'Homme, la
phosphorylation sur tyrosine d'une prot~ine de 94 kD est ~galement stimul~e par
l'exposition ~ des pellucides dissoutes [27].
Ainsi, ~ l'image de la Souris off la P95 se
fixe ~ ZP3 [26], la P94 du spermatozo~de
h u m a i n pourrait ~tre impliqu~e dans l'interaction avec la zone pellucide [27]. L'analogie retrouvSe entre 3 prot~ines du spermatozo~de h u m a i n (16, 18 et 19 kD) et la
RSA (~,Rabbit Sperm Antigenic) qui interagit de fa~on sp~cifique avec la zone pellucide, est ~galement en faveur du rSle de ces
prot~ines comme r~cepteurs pour la zone
pellucide chez l'Homme [28].
Une fois fix~ ~ la zone pellucide (fixation
primaire), le spermatozo~de effectue sa
r~action acrosomique. Ce processus d'exocytose assure, d'une part, la liberation du
contenu acrosomique et, d'autre part, l'externalisation de la m e m b r a n e interne de
l'acrosome [29].
L'acrosine est une prot~ase localis~e dans
l'acrosome des spermatozo~des de Mammif'eres sous sa forme inactive, la proacrosine.
Cette enzyme pourrait ~tre impliqu~e dans
la fixation secondaire qui intervient entre
]e spermatozo~de en cours de r~action acrosomique et les chaines saccharidiques de
ZP2 [30]. Les mouvements flagellaires associ~s ~ l ' h y d r o l y s e s~lective de ZP1 p a r
l'acrosine lib~r~e lors de la r~action acrosomique assurent la progression du spermatozo~de ~ travers la zone pellucide [31].
364
Tableau 2 : Prot$ines et glycoprotdines de la membrane p l a s m i q u e de spermatozofdes
impliqudes dans la fixation sur la ZP.
Esp~ces
Prot4ines et Glycoprot4ines de spermatozoides (kD)
I
II
III
IV
95
15
16-19
Leyton et al, 1989
Lopez et al, 1985
Bleil et al, 1990
Poirier et al, 1986
O'Rand et al, 1985
Peterson et al, 1985
O'Rand et al, 1985
Brown et al, 1985
45-54
56
Souris
33
R6f~rences
70
63-88
67
45
45-53
53
30
38
< 20
16-18
18
Lapin
64
54
32
14-18
O'Rand et al, 1985
Homme
60
35
16-19
O'Rand et al, 1990
Naz et al, 1991
Porc
dans l'acrosome, en dig6rant localement
les glycoprot6ines de la zone pellucide,
favorisent la progression du spermatozoide ~ travers cette structure ;
Chez la Souris, apr6s l'6tape de fixation primaire du spermatozoide, ZP3 est inactiv6e
en ZP3f [15] p e r d a n t ainsi sa capacit6
fLxer de nouveaux spermatozoides. Apr6s la
fixation secondaire, la prot6olyse de ZP2
qui emp~che la p6n6tration de spermatozoides surnum6raires [30] compl6te le processus de blocage de la polyspermie. Ces
modifications de ZP2 et ZP3, observ6es au
cours de la f6condation de l'ovocyte de Souris, sont provoqu6es par la lib6ration dans
l'espace p4rivitellin des enzymes des granules corticaux [32]. Chez l'Homme, le blocage de la polyspermie pourrait ~tre associ6
une d6gradation de ZP1 [17].
9 il permet l'externalisation de la membrane i n t e r n e de l ' a c r o s o m e : le s y s t ~ m e
proacrosine-acrosine li6 ~ cette membrane interne peut alors interagir avec ZP2
et 6tablir ainsi la Gxation secondaire du
spermatozoide avec la zone pellucide.
a) Ddclenchement de la r d a c t i o n acrosomique
Chez l'Homme, dans un milieu capacitant,
10 ~ 20% des spermatozoides peuvent subir
spontan6ment la RA [33]. M~me si ces sperm a t o z o i d e s p e u v e n t se fixer ~ la ZP, il
apparait cependant que l'ach~vement de la
RA ~ distance de l'ovocyte rend le spermatozoide incapable de p6n6trer la zone pellucide [34].
5. La r4action a c r o s o m i q u e
Chez les Mammif6res, la r6action acrosomique (RA) est caract6ris6e par la fusion et
la v6siculisation des membranes plasmique
et acrosomique externe (Figure 1). Ce processus d'exocytose a deux cons6quences :
C h e z de n o m b r e u x M a m m i f 6 r e s d o n t
l'Homme, la RA peut 6tre d6clench6e par
l'incubation des spermatozoides avec des
zones pellucides homologues dissoutes.
9 il assure la lib6ration du contenu acrosomique : la h y a l u r o n i d a s e et l'acrosine,
deux enzymes prot6olytiques pr6sentes
365
Chez la Souris, en plus de son r61e de r6cepteur pour le spermatozo~de, ZP3 intervient
dans le d6clenchement de la RA. Le squelette peptidique de cette glycoprot6ine est responsable de l'induction de la RA alors que
les r6sidus saccharidiques de ZP3 sont impliqu6s dans la fixation primaire du spermatozoYde h la zone pellucide. Selon Leyton et al.
[35], ZP3 en se fLxant h la P95 du spermatozo~de entrainerait une agr6gation des r6cepteurs dans la membrane du gamete mille.
Cette agr6gation stimulerait l'activit6 d'une
prot6ine-kinase intrins~que, provoquant
l'autophosphorylation du r6cepteur et le
d6clenchement de la cascade d'6v6nements
cellulaires et mol6culaires de la RA.
gras insatur6s et en lysophospholipides.
La lysophosphatidylcholine et la lysop h o s p h a t i d y l 6 t h a n o l a m i n e ainsi produi~es auraient une action sur la fusion
des m e m b r a n e s p l a s m i q u e et acrosomique externe. L'albumine s6rique pourrait 61iminer les acides gras form6s pour
6citer l'inhibition de la phospholipase A2
ou jouer un r61e de ch61ateur pour le cholest6rol. En diminuant ainsi le rapport
cho~est6rol / phospholipides, l'albumine
s6rique participerait h la d6stabilisation
membranaire et, h terme, h la RA.
Chez l'Homme, cette question reste controvers6e malgr6 plusieurs travaux en faveur
du r61e de ZP3 dans l'induction de la RA
[36] n o t a m m e n t en raison du fort degr6
d ' h o m o l o g i e e n t r e les ARN m e s s a g e r s
humain et murin de ZP3 [37].
Du fait des r61es majeurs de la ZP dans le
processus de la f6condation :
b) Aspects moldculaires de la rdaction
acrosomique
L' a u g m e n t a t i o n de la perm6abilit6 au
Ca++ de la membrane plasmique, cons6quence de la c a p a c i t a t i o n , c o n s t i t u e le
signal de d6part de la RA. L'entr6e du Ca++
dans le spermatozo~de a plusieurs cons6quences qui vont aboutir h l'exocytose du
contenu acrosomique :
9 le Ca++ stimule un systbme ad6nylcyclase/AMPc. L'AMPc qui joue le r61e de
second messager active des prot6inesk i n a s e s et provoque la lib6ration de
stocks de Ca++ intracellulaire.
9 le Ca++ inhibe des ATPases membranaires entrainant un afflux de protons et
une augmentation du pH de l'acrosome.
Cette alcalinisation du contenu acrosomique pourrait stimuler la transformation de proacrosine en acrosine.
9 le Ca++ stimule une activit6 phospholipase A2 par l'interm6diaire de l'acrosine.
La p h o s p h o l i p a s e A2 t r a n s f o r m e les
phospholipides membranaires en acides
CONCLUSION
9 interaction avec les spermatozoi'des,
9 induction de la faction acrosomique et
9 le contr61e de la polyspermie, la ZP est le
cible attractive pour le d6veloppement
d'un vaccin contraceptif.
Des analyses immunologiques ont r6v616 la
pr6sence au sein de la ZP d'antig~nes sp6cifiques d'esp~ce impliqu6s dans la reconnaissance de spermatozoYdes pour la ZP, ayant
une r6action crois6e avec d'autres esp6ces
de mammif6res.
366
REFERENCES
1. DACHEUN JL, DACHEUX F. : M a t u r a t i o n membranaire des spermatozo~des 6pididymaires. Contracept
Fertil Sex 1990 ; 18 : 538-540.
2. KOHANE AC, GONZALES-ECHEVERRIAFM, P1NEIRO L,
BI~QUI~R JA. : Interaction of proteins of epididyreal origin with spermatozoa. Biol Reprod 1980 ;
23 : 737-744.
3. FRASER LR. : Mechanisms controlling m a m m a l i a n
fertilization. In : Oxford reviews of reproductive
biology. J R Clarke ed., Clanedon Press, Oxford,
1984, 174-195.
4. GONZALEZ-ECHEVERRIA F., CUASNICU P., PIAZZA A,
PINEIRO L, BLAQUIERJ. : Addition of an androgenfree epididymal protein extract increases the ability
of immature h a m s t e r spermatozoa to fertilize in vivo
and in vitro. J Reprod Fertil 1984 ; 71 : 433-437.
5 . MOORE H., HARTMAN W. : In vitro development of
the fertilizing ability of h a m s t e r epididymal spermatozoa after co-culture with epithelium from the
proximal cauda epididymis. J Reprod Fertil 1986 ;
78 : 347-352.
6. AUSTIN c a . : C a p a c i t a t i o n of spermatozoa. I n t J
Fertil 1967 ; 12 : 25-31.
7. YANAGIMACHI R. : M e c h a n i s m s of fertilization in
mammals. In : Fertilization and embryonic development in vitro. M a s t r o i a n n i L, Biggers JD eds,
New-York, Plenum Press, 1981, 81-187.
18. KOPF GS, WILDE MW. : Signal t r a n s d u c t i o n processes leading to acrosomal exocytosis in Mammalian spermatozoa. TEM September/October. Elsevier, Science, Publishing Co, 1990, 362-368.
19. BLEIL JD, WASSARMANPM. : Galactose at the nonreducing t e r m i n u s of O-linked oligosaccharides of
m o u s e egg z o n a p e l l u c i d a g l y c o p r o t e i n ZP3 is
essential for the glycoprotein's sperm receptor activ i t y . P r o c N a t l A c a d Sci U S A 1 9 8 8 a ; 85 :
6778-6782.
20. SALING PM. : M a m m a l i a n sperm interaction with
e x t r a c e l l u l a r m a t r i c e s of t h e egg. Oxford Rev
Reprod Biol 1989 ; 11 : 339-388.
8. SIDHU KS, GURAYASS. : Cellular and molecular biology of c a p a c i t a t i o n a n d a c r o s o m e r e a c t i o n in
m a m m a l i a n spermatozoa. I n t Rev Cytol 1989 ; 118
: 231-280.
S., SCHOLLER R. : Lateral diffusion of a
h u m a n sperm-head antigen during incubation in a
capacitation medium and the induction of acrosome reaction in vitro. J Reprod Fertil 1987 ; 80 :
545-562.
9. VILLARROYA
10. KOEHLER JK. : Lectins as probes of the spermatozoon surface. Arch Androl 1981 ; 6 : 197-217.
11. SuzuKI F., ANAGIMACmR. : Changes in the distribut i o n of i n t r a - m e m b r a n e o u s
particles and
filipin-reactive m e m b r a n e sterols d u r i n g in vitro
capacitation of golden hamster. Garnetc Rcs 1989 ;
23 : 335-347.
21. BLEIL JD, WASSARMAN PM. : I d e n t i f i c a t i o n of a
secondary sperm receptor in the mouse egg zona
pellucida : role in maitenance of binding of acrosome-reacted sperm to egg. Dev Biol 1988b ; 126 :
376-385.
22. WASSARMAN PM, BLEIL JD, FLORMAN HM, GREVE
JM, ROLLER RJ, SALZMANN GS. : N a t u r e of t h e
mouse egg's receptor for sperm. In: Hedrick JL ed,
The molevular and cellular biology of fertilization,
New-York, P l e n u m Press, 1986, 55-77.
23. LOPEZ LC, BAYNA EM, L1TOFF D, SHAeER NL, SHAPER JH, SHUR BD. : Receptor function of mouse
sperm surface galactosyl-transferase during fertilization. J Cell Biol 1985 ; 101 : 1501-1510.
24. MACEK MB, SHUR BD. : Protein carbohydrate comp l e m e n t a r y in m a m m a l i a n g a m e t e recognition.
Gamete Res 1988 ; 20 : 93-109.
12. DAWS BK, BYRNE R., HUNGUND B. : Studies on the
m e c h a n i s m of capacitation. II. Evidence for lipid
t r a n s f e r between plasma m e m b r a n e of r a t sperm
and s e r u m a l b u m i n d u r i n g capacitation in vitro.
Biochim Biophys Acta 1979 ; 558 : 257-266.
13. ROBERTSON L, WOLF DP, TASH JS. : T e m p o r a l
changes in motility p a r a m e t e r s related to acrosomal status : identification and characterization of
populations of hyperactivated h u m a n sperm. Biol
Reprod 1988 ; 39 : 797-805.
14. DIETL J. : U l t r a s t u c t u r a l aspects of the developing
m a m m a l i a n zona pellucida. In Dietl J editor: The
m a m m a l i a n egg coat : s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n .
Springer-Verlag, Berlin, 1989, 49-60.
25. TULSIANI DRP, SKUDLAREKMD, ORGEBIN-CRIST MC.
: Human sperm plasma membrane possess
a l p h a - D - m a n n o s i d a s e activity b u t no galactosylt r a n s f e r a s e a c t i v i t y . Biol R e p r o d 1990 ; 42 :
843-858.
26. LEYTON L, SALING PM. : 95kD sperm proteins bind
ZP3 and serve as tyrosine kinase substrates in response to zona binding. Cell 1989 ; 57 : 1123-1130.
27. NAZ RK, AHMAD K., KUMAR R. : Role of m e m b r a n e
phosphotyrosine proteins in h u m a n spermatozoal
function. J Cell Sci 1991 ; 99 : 157-163.
15. BLEIL JD, WASSARMANPM. : Structure and function
of the zona pellucida : identification and characterization of the proteins of the mouse oocyte's zona
pellucida. Dev Biol 1980a ; 76 : 185-203.
16. SHABANOWITZRB, O'RAND MG. : Characterization
of t h e h u m a n zona pellucida from fertilized a n d
u n f e r t i l i z e d eggs. J Reprod F e r t i l 1988a ; 82 :
151-161.
17. SHABANOWITZRB, O'RAND MG. : Molecular changes
in the h u m a n zona pellucida associated with fertilization and h u m a n sperm-zona interactions. Ann
N Acad Sci 1988b ; 541 : 621-632.
28. O'RAND MG, WIDGREEN EL, NIKOLAJCZYK BS,
RICHARDSON RT, SHABANOWITZRB. : Receptors for
zona pellucida on h u m a n spermatozoa. In : Gamete interaction: Prospects for immunocontraception,
Wiley-Liss Inc, 1990, 213-224.
29. YANAGIMACHIR. : M a m m a l i a n fertilization. In: The
physiology of reproduction. Knobil E. Neill J eds,
New-York, Raven Press Ltd, 1988.
30. BLEIL JD, WASSARMANPM. : Identification of a secondary sperm receptor in the mouse egg zona pellucida: role in maitenance of binding of acrosome-reacted sperm to egg. Dev Biol 1988b ; 126 : 376-385.
367
31. DUNBARBS, DUDKIEWICZAB, BUNDMANDS. : Proteolysis of specific porcine zona pellucida glycoproteins by boar acrosin. Biol Reprod 1985 ; 32 :
618-630.
as it p e r m i t s t h e i n i t i a t i o n a n d t h e form a t i o n of a n e w b e i n g by t h e f u s i o n of
t w o g e r m i n a l cells : t h e m a l e g a m e t e
(spermatozoa) and the female gamete
(oocyte). F o r f e r t i l i z a t i o n to o c c u r t h e
SPZ m u s t r e c o g n i z e t h e z o n a p e l l u e i d a
(ZP), b i n d to it, p e n e t r a t e it a n d f u s e
with the oocyte plasma membrane.
32. WOLF DP, LANZENDORFSE. : Fertilization in man.
In : A comparative overview of mammalian fertilization. D u n b a r BS, O ' R a n d MG eds, P l e n u m
Press, New-York, 1991, 385-400.
33. WOLF DP, BOLDTZ. BYRDW. BECHTOLKB. : Acrosoreal status evaluation in human ejaculated sperm
with monoclonal antibodies. Biol Reprod 1985 ; 32
: 1157- 1162.
34. TESARIKJ. : Reconnaissance gam6tique et interaction du sperme avec la zone pellucide. Contracept
Fertil Sex 1990 ; 18 : 546-548.
35. LEYTONL, BUNCH D, LE GUEN P. SELUB M, SALING
P. : Regulation of acrosomal exocytosis by sperm
binding to the zona pellucida. In: Gamete interact i o n : P r o s p e c t s for i m m u n o c o n t r a c e p t i o n ,
Wiley-Liss Inc, 1990, 225-238.
36. TESARIKJ., TESTARTJ. : Human sperm-egg interactions and t h e i r disorders: i m p l i c a t i o n s in t h e
management of infertility. Human Reprod 1989 ;
4 : 729-741.
37. CHAMBERLAINME, DEAN J. : Human homolog of the
mouse sperm receptor. Proc Natl Acad Sci USA
1990 ; 87 : 6014-6018.
ABSTRACT
Sperm-Zona pellucida interactions
S. HAMAMAH,M. JEAN,D. ROYERE,P. BARRnmE
After liberation from the seminiferous
e p i t h e l i u m , t h e s p e r m a t o z o a (SPZ),
u n d e r g o in t h e e p i d i d y m i s a s e r i e o f
functional and metabolic modificat i o n s r e s u l t i n g t h e c a p a c i t y to e n s u r e
f e r t i l i z a t i o n . F e r t i l i z a t i o n is t h e f u n d a m e n t a l p r o c e s s in s e x u a l r e p r o d u c t i o n
S p e r m b i n d i n g to t h e ZP is a n e a r l y ,
c r u c i a l e v e n t l e a d i n g to f e r t i l i z a t i o n
and pre-embryo development. In mammals, s p e r m - Z P b i n d i n g follows a serie
o f s t e p s t h a t o c c u r in a w e l l - d e f i n e d
c h r o n o l o g i c a l o r d e r : a) A l o o s e assoc i a t i o n b e t w e e n SPZ a n d ZP r e f e r r e d
t o as ,,attachment,,. T h i s s h o r t l i v e d
interaction
is h e t e r o s p e c i f i c ,
b)
A t t a c h m e n t is f o l l o w e d by a m o r e dist i n c t a n d p e r s i s t e n t a s s o c i a t i o n of SPZ
w i t h ZP, t h u s c a l l e d ,,binding,,. T h i s
s p e r m - z o n a i n t e r a c t i o n is species-specific, irreversible and mediated by
complementary receptors present on
t h e SPZ h e a d a n d t h e ZP. e) T h e b o u n d
SPZ then undergoes the aerosome
r e a c t i o n (AR). W h i c h i n v o l v e s f u s i o n
a n d v e s i c u l a t i o n of t h e SPZ o u t e r acrosomal membrane and plasma membran e l e a d i n g to t h e r e l e a s e of a c r o s o m a l
c o n t e n t s a n d t h e e x p o s u r e of t h e i n n e r
a c r o s o m a l m e m b r a n e . T h i s A R is
e s s e n t i a l for SPZ p a s s a g e t h r o u g h t h e
ZP a n d to access to t h e o o c y t e p l a s m a
membrane
where gamete fusion
occurs.
K e y w o r d s : zona pellucida, sperm receptor.
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