Published July 19, 2021
| Version v1
Publication
Open
Discrete Dynamic Model of the Mammalian Sperm Acrosome Reaction: The Influence of Acrosomal pH and Physiological Heterogeneity
- 1. Universidad Nacional Autónoma de México
- 2. Instituto Gulbenkian de Ciência
Description
The acrosome reaction (AR) is an exocytotic process essential for mammalian fertilization. It involves diverse physiological changes (biochemical, biophysical, and morphological) that culminate in the release of the acrosomal content to the extracellular medium as well as a reorganization of the plasma membrane (PM) that allows sperm to interact and fuse with the egg. In spite of many efforts, there are still important pending questions regarding the molecular mechanism regulating the AR. Particularly, the contribution of acrosomal alkalinization to AR triggering physiological conditions is not well understood. Also, the dependence of the proportion of sperm capable of undergoing AR on the physiological heterogeneity within a sperm population has not been studied. Here, we present a discrete mathematical model for the human sperm AR based on the physiological interactions among some of the main components of this complex exocytotic process. We show that this model can qualitatively reproduce diverse experimental results, and that it can be used to analyze how acrosomal pH (pH a ) and cell heterogeneity regulate AR. Our results confirm that a pH a increase can on its own trigger AR in a subpopulation of sperm, and furthermore, it indicates that this is a necessary step to trigger acrosomal exocytosis through progesterone, a known natural inducer of AR. Most importantly, we show that the proportion of sperm undergoing AR is directly related to the detailed structure of the population physiological heterogeneity.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تفاعل الجسيم الطرفي (AR) هو عملية خارجية ضرورية لإخصاب الثدييات. وهو ينطوي على تغييرات فسيولوجية متنوعة (كيميائية حيوية وفيزيائية حيوية ومورفولوجية) تتوج بإطلاق المحتوى الجسيمي الطرفي إلى الوسط خارج الخلية بالإضافة إلى إعادة تنظيم غشاء البلازما (PM) الذي يسمح للحيوانات المنوية بالتفاعل والاندماج مع البويضة. على الرغم من العديد من الجهود، لا تزال هناك أسئلة معلقة مهمة فيما يتعلق بالآلية الجزيئية التي تنظم الواقع المعزز. على وجه الخصوص، فإن مساهمة قلوية الجسيم الطرفي في الواقع المعزز التي تسبب الظروف الفسيولوجية ليست مفهومة جيدًا. أيضًا، لم يتم دراسة اعتماد نسبة الحيوانات المنوية القادرة على الخضوع للواقع المعزز على عدم التجانس الفسيولوجي داخل مجموعة الحيوانات المنوية. هنا، نقدم نموذجًا رياضيًا منفصلاً للحيوان المنوي البشري يعتمد على التفاعلات الفسيولوجية بين بعض المكونات الرئيسية لهذه العملية الطاردة المعقدة. نظهر أن هذا النموذج يمكن أن ينتج عنه نتائج تجريبية متنوعة نوعيًا، وأنه يمكن استخدامه لتحليل كيفية تنظيم الأس الهيدروجيني الجسيمي (الأس الهيدروجيني أ ) وعدم تجانس الخلايا للواقع المعزز. تؤكد نتائجنا أن زيادة درجة الحموضة يمكن أن تؤدي بمفردها إلى AR في مجموعة فرعية من الحيوانات المنوية، وعلاوة على ذلك، فإنها تشير إلى أن هذه خطوة ضرورية لتحفيز طرد الجسيمات الطرفية من خلال هرمون البروجسترون، وهو محفز طبيعي معروف لـ AR. الأهم من ذلك، نظهر أن نسبة الحيوانات المنوية التي تخضع للواقع المعزز ترتبط ارتباطًا مباشرًا بالهيكل التفصيلي للتباين الفسيولوجي للسكان.Translated Description (French)
La réaction acrosomique (RA) est un processus exocytotique essentiel à la fécondation des mammifères. Elle implique divers changements physiologiques (biochimiques, biophysiques et morphologiques) qui aboutissent à la libération du contenu acrosomal dans le milieu extracellulaire ainsi qu'à une réorganisation de la membrane plasmique (MP) qui permet aux spermatozoïdes d'interagir et de fusionner avec l'ovule. Malgré de nombreux efforts, il reste encore d'importantes questions en suspens concernant le mécanisme moléculaire régulant l'AR. En particulier, la contribution de l'alcalinisation acrosomale aux conditions physiologiques déclenchant la RA n'est pas bien comprise. De plus, la dépendance de la proportion de spermatozoïdes capables de subir une AR à l'hétérogénéité physiologique au sein d'une population de spermatozoïdes n'a pas été étudiée. Nous présentons ici un modèle mathématique discret pour la RA du sperme humain basé sur les interactions physiologiques entre certains des principaux composants de ce processus exocytotique complexe. Nous montrons que ce modèle peut reproduire qualitativement divers résultats expérimentaux, et qu'il peut être utilisé pour analyser comment le pH acrosomal (pH a ) et l'hétérogénéité cellulaire régulent la RA. Nos résultats confirment qu'une augmentation du pH peut à elle seule déclencher la RA dans une sous-population de spermatozoïdes, et de plus, cela indique qu'il s'agit d'une étape nécessaire pour déclencher l'exocytose acrosomique par la progestérone, un inducteur naturel connu de la RA. Plus important encore, nous montrons que la proportion de spermatozoïdes subissant une RA est directement liée à la structure détaillée de l'hétérogénéité physiologique de la population.Translated Description (Spanish)
La reacción acrosómica (RA) es un proceso exocitótico esencial para la fecundación de mamíferos. Implica diversos cambios fisiológicos (bioquímicos, biofísicos y morfológicos) que culminan en la liberación del contenido acrosómico al medio extracelular, así como una reorganización de la membrana plasmática (MP) que permite que los espermatozoides interactúen y se fusionen con el óvulo. A pesar de muchos esfuerzos, todavía quedan importantes preguntas pendientes sobre el mecanismo molecular que regula la RA. Particularmente, la contribución de la alcalinización acrosomal a las condiciones fisiológicas desencadenantes de AR no se comprende bien. Además, no se ha estudiado la dependencia de la proporción de espermatozoides capaces de sufrir RA de la heterogeneidad fisiológica dentro de una población de espermatozoides. Aquí, presentamos un modelo matemático discreto para la RA del esperma humano basado en las interacciones fisiológicas entre algunos de los componentes principales de este complejo proceso exocitótico. Mostramos que este modelo puede reproducir cualitativamente diversos resultados experimentales, y que se puede utilizar para analizar cómo el pH acrosómico (pH a) y la heterogeneidad celular regulan la RA. Nuestros resultados confirman que un aumento del pH a puede por sí solo desencadenar AR en una subpoblación de espermatozoides y, además, indica que este es un paso necesario para desencadenar la exocitosis acrosómica a través de la progesterona, un conocido inductor natural de AR. Lo más importante es que mostramos que la proporción de espermatozoides sometidos a RA está directamente relacionada con la estructura detallada de la heterogeneidad fisiológica de la población.Files
pdf.pdf
Files
(4.4 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:1e256c141b477a38b38a0f2528e9f589
|
4.4 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- النموذج الديناميكي المنفصل للتفاعل الجسيمي للحيوانات المنوية للثدييات: تأثير الأس الهيدروجيني الجسيمي وعدم التجانس الفسيولوجي
- Translated title (French)
- Modèle dynamique discret de la réaction acrosomique du sperme de mammifère : l'influence du pH acrosomique et de l'hétérogénéité physiologique
- Translated title (Spanish)
- Modelo dinámico discreto de la reacción del acrosoma espermático de mamíferos: la influencia del pH acrosómico y la heterogeneidad fisiológica
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3184653642
- DOI
- 10.3389/fphys.2021.682790
References
- https://openalex.org/W1558812914
- https://openalex.org/W1570735806
- https://openalex.org/W1870184698
- https://openalex.org/W1916857012
- https://openalex.org/W1933463815
- https://openalex.org/W1960824769
- https://openalex.org/W1965253511
- https://openalex.org/W1970002079
- https://openalex.org/W1971224531
- https://openalex.org/W1971335425
- https://openalex.org/W1975306276
- https://openalex.org/W1977229240
- https://openalex.org/W1982707744
- https://openalex.org/W1983930192
- https://openalex.org/W1986742807
- https://openalex.org/W1986849356
- https://openalex.org/W1986851982
- https://openalex.org/W1990139847
- https://openalex.org/W1990667548
- https://openalex.org/W1990762193
- https://openalex.org/W1995235229
- https://openalex.org/W1997778815
- https://openalex.org/W2008082064
- https://openalex.org/W2012374813
- https://openalex.org/W2012893337
- https://openalex.org/W2013822450
- https://openalex.org/W2014463976
- https://openalex.org/W2018142242
- https://openalex.org/W2019770785
- https://openalex.org/W2029178666
- https://openalex.org/W2032811716
- https://openalex.org/W2037601841
- https://openalex.org/W2038638531
- https://openalex.org/W2039948972
- https://openalex.org/W2043928508
- https://openalex.org/W2044883428
- https://openalex.org/W2045580924
- https://openalex.org/W2052247972
- https://openalex.org/W2065467053
- https://openalex.org/W2069567793
- https://openalex.org/W2072430284
- https://openalex.org/W2072538939
- https://openalex.org/W2077079040
- https://openalex.org/W2080284134
- https://openalex.org/W2085488303
- https://openalex.org/W2087148455
- https://openalex.org/W2090140627
- https://openalex.org/W2090376125
- https://openalex.org/W2093538523
- https://openalex.org/W2096199252
- https://openalex.org/W2103609214
- https://openalex.org/W2104174115
- https://openalex.org/W2104655601
- https://openalex.org/W2105841205
- https://openalex.org/W2108699138
- https://openalex.org/W2109279728
- https://openalex.org/W2115102751
- https://openalex.org/W2123737402
- https://openalex.org/W2124984913
- https://openalex.org/W2127489545
- https://openalex.org/W2127907300
- https://openalex.org/W2130148400
- https://openalex.org/W2130913355
- https://openalex.org/W2138399899
- https://openalex.org/W2141368462
- https://openalex.org/W2141948339
- https://openalex.org/W2142702062
- https://openalex.org/W2143259317
- https://openalex.org/W2144166443
- https://openalex.org/W2146713449
- https://openalex.org/W2147437660
- https://openalex.org/W2147904388
- https://openalex.org/W2150667140
- https://openalex.org/W2151510968
- https://openalex.org/W2151864598
- https://openalex.org/W2161008317
- https://openalex.org/W2162754718
- https://openalex.org/W2163175103
- https://openalex.org/W2164011912
- https://openalex.org/W2164250404
- https://openalex.org/W2164854177
- https://openalex.org/W2166856535
- https://openalex.org/W2166977866
- https://openalex.org/W2167684488
- https://openalex.org/W2167958098
- https://openalex.org/W2268838032
- https://openalex.org/W2305212430
- https://openalex.org/W2308299536
- https://openalex.org/W2311666017
- https://openalex.org/W2338721191
- https://openalex.org/W2345001147
- https://openalex.org/W2405238209
- https://openalex.org/W2419163840
- https://openalex.org/W2463177876
- https://openalex.org/W2466626736
- https://openalex.org/W2471501365
- https://openalex.org/W2610471268
- https://openalex.org/W2616366890
- https://openalex.org/W2666391093
- https://openalex.org/W2742841645
- https://openalex.org/W2770701126
- https://openalex.org/W2792206832
- https://openalex.org/W2806364518
- https://openalex.org/W2809745360
- https://openalex.org/W2887784185
- https://openalex.org/W2890638737
- https://openalex.org/W2896839817
- https://openalex.org/W2942356020
- https://openalex.org/W2949713225
- https://openalex.org/W3002698079
- https://openalex.org/W3007418371
- https://openalex.org/W3038887784
- https://openalex.org/W3081979328
- https://openalex.org/W3084553484
- https://openalex.org/W3110703950
- https://openalex.org/W58125149