Dostęp do publikacji jest możliwy w Archiwum UJ

Miedź jest pierwiastkiem potrzebnym do prawidłowego przebiegu procesów życiowych każdej żywej komórki oraz niezbędnym mikroelementem dla wzrostu i rozwoju wszystkich organizmów żywych. Dzięki swoim zdolnościom oksydo-redukcyjnym, miedź jest kofaktorem wielu reakcji enzymatycznych, które pełnią kluczową rolę w tak podstawowych procesach metabolicznych jak oddychanie komórkowe, detoksykacja wolnych rodników, synteza neurotransmiterów czy przyswajanie żelaza. Niedobór miedzi skutkuje obniżeniem lub brakiem aktywności miedzio-zależnych enzymów, co prowadzi do poważnych zmian patologicznych w organizmie. Natomiast nadmiar miedzi może powadzić do uszkodzeń oksydacyjnych organelli komórkowych i materiału genetycznego, gdyż ten aktywny pierwiastek może wchodzić w reakcje prowadzące do powstawania wolnych rodników w komórce. Od długiego czasu znany był bardzo toksyczny wpływ miedzi na funkcjonowanie męskiego układu rozrodczego, ale badania ostatnich lat pokazały także, że jony miedzi są niezbędne do prawidłowego przebiegu procesu spermatogenezy, dlatego konieczne jest utrzymanie homeostazy tego pierwiastka w gonadzie męskiej. Wyniki naszych badań pokazują, że w jądrze, podczas procesu gametogenezy, oraz w najądrzu, w czasie dojrzewania plemnika, homeostaza miedzi jest ściśle kontrolowana i regulowana przez trzy grupy białek: transportery jednowartościowych jonów metali CTR1 (znany także jako SLC31A1) i CTR2 (znany także jako SLC31A2), białka ATP7A i ATP7B - ATPazy typu P wiążące kationy miedziowe oraz metalochaperony (ATOX1 i CCS). Otrzymane przez nas wyniki pokazały, że w trakcie procesu spermatogenezy, na wczesnych etapach podziału mejotycznego, miedź pobierana jest przez spermatogonia przy udziale białka CTR1 gdyż odpowiednio wysokie stężenie kationów miedziowych jest niezbędne dla zainicjowania mejozy. Po rozpoczęciu podziału redukcyjnego nadmiar miedzi usuwany jest z leptotenowych i pachytenowych spermatocytów I-rzędowych, przy udziale białka ATP7A. Po zakończeniu mejozy miedź usuwana jest ze spermatyd wydłużonych przy udziale białka ATP7B. W kanaliku plemnikotwórczym jony miedzi usunięte z komórek germinalnych pobierane są przez komórki Sertoliego, na co wskazuje ekspresja białka CTR1 na błonie tych komórek. W komórkach Sertoliego, miedź może zostać ponownie wykorzystana do produkcji białek miedziozależnych lub też, w razie jej nadmiaru, usunięta z kanalika plemnikotwórczego przez zlokalizowany w błonie bazalnej komórek Sertoliego eksporter ATP7A. Po zakończeniu spermiacji, wydłużone spermatydy przemieszczają się do najądrza, gdzie przebiega proces dojrzewania gamety. Nasze badania wykazały, że we wszystkich odcinkach najądrza zachodzi ekspresja białek związanych z regulacją metabolizmu miedzi. W komórkach nabłonkowych ekspresja białka ATP7B umożliwia wydzielanie miedzi do płynu najądrzowego w dwóch postaciach: związanej z ceruloplazminą i w formie jonów Cu+. Stężenie miedzi w płynie najądrzowym regulowane jest przez białko CTR1 zlokalizowane w błonie apikalnej komórek nabłonkowych, co umożliwia transport jonów Cu+ z płynu nasiennego do cytoplazmy oraz białko ATP7A zlokalizowane w błonie bazalnej tych komórek, co umożliwia usunięcie nadmiaru jonów Cu+ do krwioobiegu. Miedź z płynu najądrzowego pobierana jest przez plemniki przy udziale białka CTR1, które zlokalizowane jest w główce plemnika. Odpowiednio wysoki poziom miedzi w plemniku jest niezbędny do syntezy miedzio-zależnych enzymów biorących udział w produkcji energii oraz w procesach ochrony antyoksydacyjnej gamety. Nadmiar miedzi z plemnika może zostać usunięty przy pomocy białka ATP7B, które znajduje się we wstawce plemnika.

Copper is a trace element essential for metabolic processes in every living cell and is necessary for growth and development of all the living organisms. Due to its oxido-reductive properties, copper is a cofactor in many enzymatic reactions, which play an essential role in metabolic processes as elementary as cellular respiration, free radicals detoxification, neurotransmitters synthesis or iron metabolism. Disturbances in copper homeostasis lead to highly destructive processes in the organism. Copper deficiency results in a decrease or lack of the activity of many copper-dependent enzymes. Copper overload on the other hand can lead to oxidative damage of the cell organella and the genetic material as this reactive element can undergo reactions leading to free radical formation inside the cell. For many decades copper has been known as highly toxic for male reproduction system but investigation of the last years showed that copper is also essential for the process of spermatogenesis and thus it is necessary to maintain the homeostasis of this element in the male gonad. Our results have shown that in the testis during the gametogenesis process and in epididymis during sperm maturation copper uptake, transport and excretion are precisely controlled by three groups of proteins involved in copper metabolism: importers of monovalent metal ions CTR1 (also known as SLC31A1), and CTR2 (also known as SLC31A2), exporters ATP7A, ATP7B - type P ATPases that bind copper cations, and metalochaperones (ATOX1 and CCS). The results we obtained show that in the early phases of meiotic division, spermatogonias import high amounts of copper ions via CTR1 in order to reach the proper copper cation concentration as it is essential to begin meiotic division. When the meiotic division begins, in primary spermatocytes (leptotene and pachytene), ATP7A protein exports the excess of copper to protect the cells from copper overload and toxicity. After terminating the meiotic division, copper is exported from the elongated spermatides by ATP7B. In the seminiferous tubules the exported copper ions are taken up by Sertoli cells via CTR1 importer, which is suggested by the CTR1 expression on the cell membrane of those cells. In Sertoli cells copper can be incorporated into cupric proteins or - in the case of copper excess - removed from the seminiferous tubule via ATP7A transporter located in basal membrane of Sertoli cells. Once spermiation is finished, elongated spermatides are transferred to epididymis where they mature. Copper transport proteins are present in all three parts of epididymis. The expression of ATP7B in the epithelial cells enables the release of copper into the epididymal fluid in two forms: bound with ceruloplasmin or Cu+ ions. Copper concentration in the epididymal fluid is regulated by CTR1 and ATP7A. CTR1 protein is located in the apical membrane of the epithelial cells and enables transport of the Cu+ ions from the seminal fluid into the cytoplasm. ATP7A is located in the basal membrane of the same cells and enables the removal of the excess of the Cu+ ions by the blood circulation system. Copper is also taken up by the sperm cells from the epididymal fluid via CTR1 located in the sperm cell's head. Appropriate copper concentration in the sperm cell is required for the synthesis of the copperdependent enzymes that take part in the energy production and in the antioxidant protection of the gamete. The copper excess can be removed from the sperm cell via ATP7B located in the midpiece of the cell.