Stručný průvodce etiketou savčích spermií

Mnozí biologové jsou s to přísahat na svázaný ročník časopisů Nature, Science nebo Cell jako na bibli či korán. Přesto se i v těchto slovutných periodikách může objevit chyba, jež by v podání mladého adepta biologie vyvolala u členů komise pro státní závěrečné zkoušky lapání po dechu, popřípadě zakuckání kávou. Jeden takový omyl je nesmazatelně zapsán do výtisku týdeníku Nature ze 7. června 2007. Na straně 650 namalovali Alan Colman a Justine Burleyová ¹⁾ do obrazového schématu oplozené myší vajíčko. Bičík spermie se na obrázku nachází mimo vajíčko. Colman a Burleyová se tak zařadili do početného zástupu hlasatelů mylné představy, podle které při oplození proniká do savčího vajíčka jen hlavička spermie s jadernou dědičnou informací, kdežto bičík včetně krčku a mitochondrií, které jsou v něm uloženy, je odhozen a zůstává venku.

Vytrvale ignorovaná pravda o bičíku

Historie tohoto oblíbeného omylu je dlouhá a její kořeny se ztrácejí v neznámu. Například už v roce 1935 vyšla kniha The Science of Life, ²⁾ jejíž autoři tvrdí: „Tím, že spermie oživí vajíčko, její činnost nekončí. Její hlavička se noří do nitra vajíčka, přičemž bičík zůstává venku, kde se ještě nějakou dobu vrtí, a pak zaniká.“

Skutečnost je ale jiná. U většiny živočichů a prakticky u všech savců si bere spermie při oplození bičík s sebou do vajíčka. Pohled na odhozený vrtící se bičík, bídně hynoucí mimo vajíčko, je ryze literární licencí. Jedinou známou výjimkou mezi savci je křečík čínský (Cricetulus griseus), který vlastní ze všech savců největší spermie. ³⁾ Jejich bičík i s krčkem zůstává před branami vaječné buňky. Spermie křečíka čínského pronikají až pod bílkovinný obal vajíčka (zona pellucida). U poloviny oplozených vajíček bičík spermie do cytoplazmy vajíčka vůbec nevstoupí a pod zona pellucida je jeho „konečná“. U druhé poloviny vajíček se sice spermie pokusí vstoupit do cytoplazmy vajíčka s bičíkem, ale ten je téměř okamžitě vyvržen.

Je otázka, nakolik stojí za touto výjimkou rozměry křečíkovy samčí pohlavní buňky. U octomilek, které jsou rekordmany ve velikosti spermií a díky obřímu bičíku mají spermie dlouhé až šest centimetrů, ⁴⁾ proniká při oplození do vajíčka aspoň část bičíku.

Výjimečné chování spermií křečíka bylo odhaleno až koncem šedesátých let minulého století, takže u zrodu omylu o odhazovaném bičíku zcela jistě nestálo. Fakt, že bičík spermie vstupuje do vajíčka, byl znám už v 19. století a velkou pozornost naopak budily výjimky. V roce 1929 věnoval americký biolog Frank Rattray Lillie ve své knize Problems of Fertilization ⁵⁾ velké místo bezobratlým nereidkám (rod Nereis) právě proto, že v rozporu s obecnými zvyklostmi živočišné říše odhazovaly bičík spermie při oplození vajíčka.

Omyly slavných

Proč se omyl o odvrženém bičíku savčí spermie tak zarputile drží při životě? V poslední době mu jistě dodal na životnosti zájem o mitochondriální DNA. Ta se dědí jen po matce a nikoli po otci. Typická savčí spermie však nese v krčku zhruba 50 až 75 mitochondrií. Pokud by byl bičík včetně krčku při oplození odvržen, nedostaly by se otcovy mitochondrie do zárodku a ryzí mateřská dědičnost mitochondriální DNA by byla bez větších potíží zajištěna. Víra v odvržení bičíku spermie je tedy velice pohodlná, a navíc „dává smysl“.

Pokušení uvěřit v „zavržený bičík“ propadli i věhlasní biologové. Jmenujme Richarda Dawkinse, který v knize Blind Watchmaker ⁶⁾ v roce 1986 napsal: „Všechny vaše mitochondrie jsou potomky malé populace, která k vám doputovala od vaší matky ve vajíčku. Spermie jsou příliš malé, než aby se do nich mitochondrie vešly, takže mitochondrie se dědí výhradně po mateřské linii a mužská těla jsou co do dědění mitochondrií slepými uličkami.“ Dawkins tedy zašel tak daleko, že spermiím mitochondrie zcela upřel. A proč? Protože „díky této náhodě [tj. díky absenci mitochondrií ve spermii – pozn. J. P.] můžeme využít mitochondrie k sledování našeho původu do minulosti po mateřské linii“.

O devět let později v knize Rivers out of Eden ⁷⁾ korigoval Dawkins svůj chybný náhled na věc jen kosmetickou úpravou. Spermie v krčku mitochondrie vzal na milost, když napsal: „Spermie jsou příliš malé, než aby obsahovaly více než několik málo mitochondrií.“ Ale průnik bičíku do vajíčka ještě nestrávil a nadále tvrdil, že „tyto mitochondrie jsou odhozeny s bičíkem, když je hlavička spermie pohlcena vajíčkem při oplození“.

Otcovy mitochondrie nechává mizet spolu s odvrženým bičíkem i oxfordský profesor genetiky Bryan Sykes, u nás proslulý knihou Sedm dcer Eviných. Dokonce i přední světová vývojová bioložka a laureátka Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu (r. 1995) Christiane Nüssleinová-Volhardová píše ve své půvabné knize Coming to Life: ⁸⁾ „Jakmile spermie pronikne k vajíčku, odhodí bičík a do vajíčka pronikne jen jádro a centrozom spermie.“

Stejně macešsky nakládají s bičíkem i mnohé věhlasné encyklopedie nebo některé učebnice středoškolské či vysokoškolské biologie. Faktem ale zůstává, že bičík a krček spermií vstupují do vajíčka při oplození i s otcovými mitochondriemi.

Shakespearovské drama ve vajíčku

Vezmeme-li na vědomí vstup bičíku a krčku spermie do oplozeného vajíčka, musíme se nějak vypořádat s faktem, že se do zárodku dostávají i otcovy mitochondrie, ale potomek otcovskou mitochondriální dědičnou informaci za normálních okolností nedědí. Jak je to zařízeno?

Na začátku vývoje obsahuje oplozené vajíčko přinejmenším 100 000 mitochondrií ⁹⁾ pocházejících od matky a zhruba 60 mitochondrií od otce. Každá mitochondrie obsahuje příslušnou DNA. ¹⁰⁾ Podívejme se blíže na osud otcových mitochondrií, jež se dostaly do zárodku se spermií. Tyto mitochondrie se drží pohromadě a během vývoje embrya postupně mizí, až po nich v zárodku nezůstane ani stopa. K tomuto ortelu jsou mitochondrie spermií předurčeny už během vývoje v samcově těle. Při vyzrávání spermií ve varleti se na membrány mitochondrií v krčku spermie vážou molekuly ubikvitinu (Vesmír 84, 73, 2005/2). Takto „označkované“ mitochondrie jsou odsouzeny k destrukci. Aby nebyly zlikvidovány dříve, než splní svou úlohu, jsou jejich ubikvitinové značky „zamaskovány“, což se děje při průchodu spermie nadvarletem. Díky tomu mohou mitochondrie v krčku bičíku zásobovat spermii energií při náročné pouti pohlavním traktem samice i při vlastním oplození. Celou tu dobu si s sebou nesou rozsudek smrti v podobě maskovaného ubikvitinu. Až po průniku do vajíčka je ubikvitin na mitochondriích v krčku spermie znovu odhalen. Tím je rozsudek smrti rozpečetěn, přečten, a potom i vykonán. Mitochondrie jsou zničeny proteazomem. ¹¹⁾ Zkáza mitochondrií spermie je někdy přirovnávána k osudu hrdinů Shakespearova Hamleta. Shakespearovští nešťastníci Rosencrantz a Guildenstern doručí do rukou anglického vladaře dopis, v němž jsou odsouzeni k smrti. Mitochondrie ze spermií cejchované ubikvitinem jsou na tom po vstupu do cytoplazmy vajíčka podobně. ¹²⁾

Klony a mitochondrie

Z každého pravidla existují výjimky a ty se najdou i v případě dědění otcovských mitochondrií. Vajíčko oplozené spermií cizího druhu není s to vykonat popravu mitochondrií, jež se spermií přicestovaly. Mezidruhoví kříženci proto dědí vedle mateřských mitochondrií i určité množství mitochondrií otcovských. Velkou pozornost vyvolal v roce 2002 případ osmadvacetiletého muže, který se narodil se svalovou dystrofií způsobenou mutací (ztrátou dvou písmen genetického kódu) jednoho z genů uložených v mitochondriální DNA. Genetické analýzy prokázaly, že muž nese ve svalech dva typy mitochondrií, přičemž mutací jsou postiženy mitochondrie, které zřejmě zdědil od otce.

Bizarní konstelace mitochondrií nastává při klonování přenosem jader tělních buněk – tedy metodou, jakou přišla v roce 1996 na svět ovce Dolly ¹³⁾ – kdy se střetnou mitochondrie dvou různých jedinců. Vajíčko zbavené vlastní dědičné informace je spojeno s tělní buňkou. Takto vzniklý klon sdílí s „předlohou“ jadernou dědičnou informaci. S mitochondriální DNA je to složitější. K zhruba 100 000 mitochondrií vajíčka přidá somatická buňka několik tisíc vlastních mitochondrií. V zárodku klonu vzniká mitochondriální směska, ¹⁴⁾ jejíž konečné složení se poněkud vymyká kupeckým počtům.

V buňkách mnoha dospělých klonů nebyly často mitochondrie „předlohy“ vůbec nalezeny. Klon má výhradně mitochondrie pocházející z vajíčka použitého ke klonování. To platilo například pro ovci Dolly. Není však jasné, zda mitochondrie pocházející z tělní buňky v těchto případech zcela chybějí, nebo je jich tak málo, že je laboratorní metody nedokážou odhalit. Jindy však pochází více než polovina mitochondrií v buňkách klonu z tělní buňky. To je mnohonásobně více, než odpovídá původnímu podílu těchto mitochondrií ve vytvořeném zárodku klonu. Důvody, proč někdy mitochondrie pocházející z tělní buňky mizí a jindy jejich podíl naopak dramaticky roste, zůstávají nejasné. Svou roli tu zřejmě sehrává fakt, že zárodek nevytváří nové mitochondrie množením všech svých mitochondrií, ale využívá k tomu jen zlomek jejich původní populace.

Paradoxní situace v dědění mitochondrií byla pozorována u klonů makaka rhesus, které získal v roce 1997 tým vedený americkým biologem Donem Wolfem. Makakové Neti a Ditto vznikli spojením vajíčka zbaveného jaderné dědičné informace s buňkou odebranou z raných zárodků, které byly tvořeny 8 až 12 buňkami (blastomerami). V blastomerách ještě nebyla dokončena likvidace mitochondrií pocházejících ze spermie a byly tu přítomny mitochondrie jak mateřské, tak otcovské. V zárodku klonu se tedy sešly mitochondrie hned tří jedinců. Mitochondrie matky embrya, jehož blastomera byla použita ke klonování, mitochondrie otce tohoto embrya a mitochondrie vajíčka použitého k vytvoření klonu. V buňkách klonů opic se dochovaly mitochondrie ze všech tří zdrojů.

V případě klonů není jasné, jaké má přítomnost dvou (u Ditta a Netiho dokonce tří) různých populací mitochondrií následky. Někteří odborníci ale poukazují na fakt, že mnohá zdravotní postižení klonů připomínají defekty vyvolané poškozením mitochondrií.

Dobré důvody pro mitochondriální jednotu

Zárodek vzniklý přirozeným oplozením má pro likvidaci otcovských mitochondrií pocházejících ze spermie hned několik dobrých důvodů. Pokud by v buňce byly přítomny dvě populace mitochondrií, mohlo by mezi nimi dojít ke konfliktu. Mitochondrie se množí mnohem rychleji než buňka, jež je hostí. Překotné množení by mohlo být výhodné pro jednu z populací mitochondrií, která by z množících se buněk postupně vytlačila populaci mitochondriálních konkurentů. Pro samotné buňky i pro tkáně a orgány, které jsou z nich vytvářeny, by to však výhodné být nemuselo. Na konflikt mitochondrií by nakonec doplatil sám živočich. Proto je výhodnější, když se souboji mitochondrií předejde likvidací jedné z mitochondriálních populací.

To, že jsou likvidovány otcovy mitochondrie přicházející se spermií, není náhodné. Kromě jejich nízkého počtu a faktu, že v prostředí vajíčka představují snadno odhalitelné vetřelce, může svou roli sehrávat i fakt, že tyto mitochondrie mají za sebou tvrdou práci na výrobě energie pro pohyb spermie. Při výrobě energie vznikají volné radikály, které narušují mitochondrii včetně její DNA, a tak by dědictví mitochondrií po otci bylo pro potomka danajským darem. Dědil by opotřebované mitochondrie v kvalitě „second handu“. Je proto lepší, aby pro další vývoj použil mitochondrie z vajíčka. Samičí pohlavní buňka dává svým mitochondriím mnohem méně zabrat, a jsou tedy k dispozici v podstatně lepší kvalitě.

Před oplozením se smeká

Z hlediska dědičnosti mitochondriální DNA se důsledky likvidace otcovských mitochondrií v oplozeném vajíčku neliší od situace, kdy by byly mitochondrie odvrženy s bičíkem spermie a do vajíčka se vůbec nedostaly. A tak se nabízí otázka, zda má cenu bazírovat na faktu, že si spermie bere bičík do vajíčka s sebou, a odmítat názor, podle kterého spermie odkládá bičík jako zablácené galoše ještě na prahu samičí pohlavní buňky. Není to jen rarita, na kterou chytají učitelé studenty při zkoušení? Má vůbec nějaké praktické využití?

Má! Příkladů se nabízí hned několik. Bičík zavlečený při oplození do vajíčka spermií bedlivě sledují embryologové provádějící oplození ve zkumavce (tzv. oplození in vitro čili IVF). Při něm hrozí, že se vajíčko začne vyvíjet, aniž do něj pronikne spermie. Tento proces se označuje jako partenogeneze. Vzniká tak embryo, které se zpočátku celkem zdárně vyvíjí, ale naděje na dokončení vývoje a narození mláděte je u něj nulová. Savci vzniklí partenogenezí hynou ještě před narozením. Jedním ze spolehlivých znaků, jimiž lze odlišit partenogeneticky se vyvíjející vajíčko od vajíčka oplozeného, je právě bičík spermie. Ten je v cytoplazmě oplozeného vajíčka jasně patrný, kdežto v partenogenetickém vajíčku pochopitelně chybí.

Právě při léčbě neplodnosti oplozením in vitro se embryologové snaží, aby co nejvíce kopírovali procesy probíhající po přirozeném oplození. Platí to i o proceduře označované jako intracytoplazmatická injekce spermie (zkratkou ICSI). Při ní je spermie vstříknuta tenkou skleněnou kapilárou přímo do cytoplazmy vajíčka. Kritici, kteří podlehli omylu o odvrženém bičíku, někdy metodě ICSI vytýkají, že je nepřirozená, protože je při ní do vajíčka vnášena spermie i s bičíkem. V tom jsou ale na omylu. Bičík do vajíčka patří. Kupodivu až donedávna jen málokoho vzrušovalo, že při oplození metodou ICSI vstupuje do vajíčka jiná část spermie, která při oplození přirozeném zůstává venku, akrozom.

Tato část se podobá čepičce, jež je nasazena na přední část hlavičky spermie. Obsahuje komplex rozkladných enzymů. Před vstupem do vajíčka se spermie zbavuje membrán akrozomu i jeho obsahu. Enzymy akrozomu se proto za normálních okolností do vajíčka nikdy nedostanou. Tým japonských a amerických biologů vedený Ryuzem Yanagimachim z Havajské univerzity v Honolulu prokázal, že u některých druhů (např. u křečka) je vstup spermie s „nesmeknutou“ čapkou akrozomu pro vajíčko smrtící. U jiných druhů (např. u myši) sice není akrozomální čapka na hlavičce spermie při vstupu do vajíčka „smrtelným hříchem“, ale následný vývoj embrya je přítomností akrozomu přece jen neblaze poznamenán. Když donutíme spermie použité při oplození metodou ICSI nejprve čapku akrozomu „smeknout“, má to na výsledky oplození a počet narozených mláďat blahodárný vliv.

V současné době se rodí 1 až 2 % všech dětí díky oplození in vitro a v některých zemích se metoda ICSI podílí na narození „dětí ze zkumavky“ více než polovinou. Podle Ryuza Yanagimachiho je vysoce pravděpodobné, že odstranění akrozomu ze spermie před její injekcí do vajíčka úspěšnost metody ICSI výrazně zvýší.

Není tedy jedno, co si s sebou spermie do vajíčka přináší. Pokud bychom podlehli oblíbeným a tvrdošíjně tradovaným omylům, mohli bychom nutit spermie, aby při oplození in vitro vstupovaly do vajíčka bosky (tj. bez bičíku), ale zato s čepicí (akrozomem) na hlavě. A to v situaci, kdy každá slušně vychovaná spermie ví, že bičík se při oplození neodkládá, avšak akrozom se smeká.