先体反応

精子と卵子の間で受精が起こるには、精子がまず細胞膜と融合し、次に雌の卵子に侵入して受精する必要があります。精子細胞と卵子の細胞膜の融合は比較的簡単ですが、透明帯などの卵子の保護層を侵入するのは非常に困難です。そのため、精子細胞は先体反応と呼ばれるプロセスを経ます。これは、精子が卵子に近づくときに精子の先体で起こる反応です。

先体はゴルジ体由来の膜結合細胞小器官で、成熟した精子の先端によく存在し、受精に必要なさまざまな酵素や抗原を含んでいる。先体はその位置から「頂端小体」と呼ばれたり、精子が卵子に穴を開けるのを助けると考えられて「穿孔器」と呼ばれたりした。^[1]

精子が卵子の透明帯に近づくと、先体反応を開始するために必要な、先体を囲む膜が精子の頭部の細胞膜と融合し、先体の内容物が露出します。内容物には、卵子の細胞膜に結合するために必要な表面抗原と、卵子の堅い膜を破って受精を可能にする多数の酵素が含まれています。^[2]

先体反応の形態と結果には種によってかなりのばらつきがあります。いくつかの種では、先体反応の引き金は卵子を取り囲む層にあることが確認されています。

一部の下等動物種では、精子の頭部の頂点に突起（先体突起）が形成され、アクチン マイクロフィラメントのコアによって支えられています。先体突起の先端の膜は卵子の細胞膜と融合します。

ヒトデやウニなどの棘皮動物の中には、露出した先体内容物のかなりの部分に、精子を卵子の表面に一時的に留めておくタンパク質が含まれているものがあります。

哺乳類では、先体反応によりヒアルロニダーゼとアクロシンが放出されますが、受精におけるそれらの役割はまだ明らかではありません。先体反応は、精子が卵母細胞の透明帯に接触したときに開始されます。透明帯に接触すると、先体酵素が溶解し始め、アクチンフィラメントが透明帯に接触します。2つが出会うと、カルシウムの流入が起こり、シグナル伝達カスケードを引き起こします。その後、卵母細胞内の皮質顆粒が外膜に融合し、迅速なファストブロック反応が発生します。

さらに、卵母細胞内の皮質顆粒が外膜と融合し、急速なブロック反応が始まります。この反応により、既存の精子の細胞膜の一部が変化し、卵子の細胞膜との融合が促進されます。

精子浸透検査には、受精プロセス中に精子がどの程度うまく機能するかを評価する先体反応検査が含まれます。先体反応を適切に通過できない精子は卵子を受精させることができません。ただし、この問題は検査を受けた男性の約5％にのみ発生します。この検査はかなり高価であり、男性の生殖能力に関する情報は限られています。^[3]

他の事例では、アカネズミ（Apodemus sylvaticus）では、未熟な先体反応が精子の集合体の運動性を高め、受精を促進することがわかっています。^[4]

先体反応は、通常、受精の場である卵管膨大部で、精子が二次卵母細胞に侵入するときに起こります。先体反応に備えて、事前にいくつかの出来事が起こります。精子細胞は、一連の変化を経験します。そのひとつが「過活動運動パターン」を獲得することであり、その鞭毛が活発な鞭のような動きをすることで精子を子宮頸管と子宮腔を通って卵管峡部まで押し進めます。化学走性を含むさまざまなメカニズムが、精子が卵管膨大部の卵子に近づくのを助けます。卵子が接近すると、精子の外表面にある糖タンパク質が卵子の 透明帯にある糖タンパク質と結合します。

透明帯に到達する前に先体反応を開始できなかった精子は、透明帯を貫通することができません。先体反応はすでに起こっているため、精子は先体反応自体ではなく、尾部の機械的作用により透明帯を貫通することができます。^[5]

第一段階は放線冠の貫通であり、先体からヒアルロニダーゼを放出して卵母細胞を取り囲む卵丘細胞を消化し、精子の内膜に付着したアクロシンを露出させる。卵丘細胞は主にヒアルロン酸でできたゲル状の物質に埋め込まれており、卵巣で卵子とともに発達し、成長する際に卵子を支える。先体反応は精子細胞が透明帯に到達する前に起こらなければならない。^[5]

アクロシンは、露出すると、卵母細胞の透明帯と膜を消化し、侵入を可能にします。次に、精子の細胞膜の一部が卵細胞の膜と融合し、頭部の内容物が卵子に沈みます。マウスでは、透明帯を構成するタンパク質の 1 つである ZP3 が、精子上のパートナー分子 (β1,4-ガラクトシルトランスフェラーゼ受容体) に結合することが実証されています。この鍵と鍵穴のようなメカニズムは種特異的であり、異なる種の精子と卵子が融合するのを防ぎます。透明帯はまた、他の精子が結合するのを防ぐために Ca 顆粒を放出します。この結合が先体からの酵素の放出を引き起こし、精子が卵子と融合できるようにするという証拠がいくつかあります。同様のメカニズムが他の哺乳類でも発生する可能性がありますが、種間で透明帯タンパク質が多様であるため、関連するタンパク質と受容体は異なる可能性があります。

最近の科学的証拠は、精子上のIZUMO1と呼ばれるタンパク質を露出させるためには先体反応が必要であることを示しています。反応がなければ、精子は透明帯を通過して卵子膜に到達することはできますが、融合することはできません。 ^[6]マウスの研究で見られるように、IZUMO1は卵母細胞タンパク質JUNOに結合し、結合すると精子と卵子は融合して2つの前核を形成します。^{[7] [8]}これらの前核は、受精卵に胚の形成に必要な遺伝物質を供給します。さらに、精子と卵母細胞の融合が完了すると、ホスホリパーゼCゼータが精子から放出されます。

侵入と融合に続いて、すべてが正常に行われていれば、ホスホリパーゼCゼータなどのタンパク質によって卵子の活性化プロセスが促進され、卵母細胞は活性化されたと言われる。これは、特定のタンパク質ホスホリパーゼCゼータによって誘導されると考えられている。卵母細胞は二次減数分裂を起こし、2つの半数体核（父方と母方）が融合して接合子を形成する。多精子受精を防ぎ、三倍体接合子が作られる可能性を最小限に抑えるために、最初の精子が卵子に入った直後に卵子の細胞膜にいくつかの変化が起こり、細胞膜が貫通不可能になる（JUNOの急速な消失など）。^[8]

精子は、透明帯に到達するかなり前に、また適切な培養培地内で 体外でも先体反応を開始することができます。これは、自発的先体反応 (SAR) と呼ばれます。

この現象は、ある意味では哺乳類種全体で生理的に正常であることがわかっています。先体反応は卵丘細胞を通過することで誘発され、そこから分泌されるホルモン（プロゲステロン、LPA、LPCなど）によって媒介されます。^{[6] [9] [10]}

しかし、この時点よりかなり前に女性の生殖器官内で、つまり体外で起こる、真に自発的な先体反応の生理学的役割は、別の現象です。

マウスでは、これは生理的に正常で一般的な現象として確立されています。完全に自発的な先体反応を起こしたマウスの精子は、卵子を受精させることができます。^[6]さらに、自発的な先体反応の率は、精子の競争が激しいApodemus sylvaticusなどのより乱交的な種で高くなります。^[11]

一方、ヒトの場合、実験上の制約（例えば、動物実験では蛍光精子を持つ遺伝子組み換えマウスを使用できるが、ヒトの研究では使用できない）のため、生理的受精において先体反応がどこで開始されるのかは議論の余地がある。^[10]

ヒト精子の体外SAR率と精子の質および受精率を関連付けることを目的とした研究が行われてきましたが、2018年現在、全体的な結果はまちまちであり、臨床的に有益ではないようです。^[12]

体外受精に卵細胞質内精子注入法（ ICSI）を使用する場合、先体反応を起こした精子を注入した卵母細胞（約40％）は、反応していない精子を注入した卵母細胞（約10％）よりも着床率が高くなります。反応した精子と反応していない精子の両方を注入した場合の着床率は約25％です。サイクルあたりの出産率も同じ傾向を示しています。^[13]

先体反応は、プロゲステロンや卵胞液、さらにより一般的に使用されるカルシウムイオノフォア A23187など、精子細胞が自然に遭遇する可能性のある物質によって体外で刺激される可能性があります。

複屈折顕微鏡法^[13] 、フローサイトメトリー^[14]、または蛍光顕微鏡法は、精子サンプルの先体の脱落または「先体反応」を評価するために使用できます。フローサイトメトリーと蛍光顕微鏡法は通常、FITC-PNA、FITC-PSA、FITC-ConAなどの蛍光標識レクチン、またはFITC-CD46などの蛍光標識抗体で染色した後に行われます。^[15]抗体/レクチンは先体領域のさまざまな部分に対して高い特異性を持ち、特定の部位（先体内容物/内膜/外膜）にのみ結合します。蛍光分子に結合すると、これらのプローブが結合した領域を視覚化できます。人工的に先体反応を誘発した精子細胞は、陽性対照として使用できます。

蛍光顕微鏡検査では、洗浄した精子細胞の塗抹標本を作成し、風乾し、透過処理した後、染色します。その後、このスライドを、プローブが先体領域に結合した場合に蛍光を発する波長の光の下で観察します。少なくとも 200 個の細胞が任意に考慮され、先体が無傷 (明るい緑色の蛍光を発する) または先体が反応した (プローブが存在しない、または赤道領域のみ) として分類されます。その後、カウントされた細胞の割合として表されます。

フローサイトメトリーによる評価では、洗浄した細胞を選択したプローブとともにインキュベートし、場合によっては再度通過させてから、フローサイトメーターでサンプリングします。前方散乱と側方散乱に従って細胞集団をゲーティングした後、結果データを分析できます (例: 平均蛍光の比較)。この技術では、多くの精子細胞は死ぬと先体を自然に失うため、ヨウ化プロピジウム(PI) などの生存率プローブも含め、死細胞を先体評価から除外できます。

• 皮質反応
• ハムスターの透明帯のない卵子の検査
• ＺＰ３

• 米国国立医学図書館の医学主題標目表(MeSH)における先体+反応
• Nosek, Thomas M. 「セクション 5/5ch8/s5ch8_21」。人間生理学の基礎。2016 年 3 月 24 日のオリジナルからアーカイブ。
• stanford.edu のアニメーション