Cortical reaction

The cortical reaction is a process initiated during fertilization that prevents polyspermy, the fusion of multiple sperm with one egg. In contrast to the fast block of polyspermy which immediately but temporarily blocks additional sperm from fertilizing the egg, the cortical reaction gradually establishes a permanent barrier to sperm entry and functions as the main part of the slow block of polyspermy in many animals.

To create this barrier, cortical granules, specialized secretory vesicles located within the egg's cortex (the region directly below the plasma membrane), are fused with the egg's plasma membrane. This releases the contents of the cortical granules outside the cell, where they modify an existing extracellular matrix to make it impenetrable to sperm entry. The cortical granules contain proteases that clip perivitelline tether proteins, peroxidases that harden the vitelline envelope, and glycosaminoglycans that attract water into the perivitelline space, causing it to expand and form the hyaline layer. The trigger for the cortical granules to exocytose is the release of calcium ions from cortical smooth endoplasmic reticulum in response to sperm binding to the egg.

The migration of cortical granules from their synthesis in the Golgi apparatus to the cortex region has been shown to be mediated by actin filaments in frogs and mice, and by microtubules in other mammals.^[1] This migration is commonly used to assess and classify the maturity of developing oocytes.^[2]

In most animals, the extracellular matrix present around the egg is the vitelline envelope which becomes the fertilization membrane following the cortical reaction. In mammals, however, the extracellular matrix modified by the cortical reaction is the zona pellucida. This modification of the zona pellucida is known as the zona reaction or zona hardening. Although highly conserved across the animal kingdom, the cortical reaction shows great diversity between species. While much has been learned about the identity and function of the contents of the cortical granules in the highly accessible sea urchin, little is known about the contents of cortical granules in mammals.

إن التفاعل القشري داخل البويضة مماثل للتفاعل الأكروسومي داخل الحيوانات المنوية، حيث يندمج الأكروسوم، وهو حويصلة إفرازية متخصصة متماثلة مع الحبيبات القشرية، مع الغشاء البلازمي لخلية الحيوانات المنوية لإطلاق محتوياته التي تعمل على تحلل الغلاف الصلب للبويضة وتسمح للحيوانات المنوية بالارتباط بالبويضة والاندماج معها.

رُصد التفاعل القشري والحبيبات القشرية لأول مرة عام 1910 على يد إيثيل براون هارفي في قنافذ البحر. وكان ديربيس قد عرّف غشاء الإخصاب سابقًا عندما لاحظ اندماج الحيوانات المنوية والبويضات في قنافذ البحر؛ إلا أن العلماء اعتقدوا أن السائل المنوي أو مواد كيميائية أخرى يحملها الحيوان المنوي إلى البويضة هي التي تُسبب تصلب غشاء الإخصاب. ^{[ 3 ]} درست إيثيل براون هارفي الآليات التي تحدث بعد تلامس الحيوانات المنوية والتي تؤدي إلى إطلاق الكالسيوم وتكوين غشاء الإخصاب. ^{[ 4 ]} اكتُشفت الحبيبات القشرية في الفقاريات لأول مرة في بويضات الهامستر عام 1956 على يد سي آر أوستن باستخدام مجهر التباين الطوري. ^{[ 1 ]}  

في نموذج قنفذ البحر المدروس جيدًا ، تُعدّل محتويات الحبيبات غلافًا بروتينيًا على السطح الخارجي للغشاء البلازمي (الطبقة المحية) مما يؤدي إلى انفصاله عنه. تُمارس بروتينات الحبيبات القشرية المنفصلة ضغطًا تناضحيًا غروانيًا، مما يدفع الماء إلى الفراغ بين الغشاء البلازمي والطبقة المحية، فتتمدد الطبقة المحية مبتعدةً عن سطح البويضة. يُمكن رؤية هذه الظاهرة بسهولة تحت المجهر، وتُعرف باسم "ارتفاع غلاف الإخصاب". تلتصق بعض محتويات الحبيبات السابقة بغلاف الإخصاب، حيث تخضع لتعديلات وروابط متقاطعة واسعة النطاق. مع ارتفاع غلاف الإخصاب، تُرفع الحيوانات المنوية غير المخصبة بعيدًا عن الغشاء البلازمي للبويضة، ولأنها لا تستطيع المرور عبر غلاف الإخصاب، فإنها تُمنع من دخول البويضة. لذلك، يمنع التفاعل القشري الإخصاب المتعدد ، وهو حدث مميت. أحد مكونات الحبيبات القشرية الأخرى، وهو الهيالين الغني بالسكريات المتعددة، يبقى ملتصقًا بالسطح الخارجي للغشاء البلازمي، ويصبح جزءًا من الطبقة الهيالينية.

على الرغم من دراسة العديد من الثدييات، تُعدّ الفئران أفضل النماذج الحيوانية المدروسة لفهم التفاعل القشري في الثدييات. يبلغ  قطر معظم الحبيبات القشرية في الثدييات 0.2-0.6 ميكرومتر. ^{[ 2 ]} ترتبط الحبيبات القشرية بغشاء البويضة بفضل بروتينات SNARE، التي تُشكّل مُركّبًا مُثبّتًا مع بروتينات أخرى. ^{[ 2 ] [ 5 ]} عند ملامسة الحيوان المنوي لغشاء البويضة، تُستحث موجة كالسيوم عبر مسار PIP2 _الذي يتضمن إنتاج IP3. يرتبط IP3 بعد ذلك بمستقبله على الشبكة الإندوبلازمية، مما يُحفّز إطلاق الكالسيوم في السيتوبلازم. ^{[ 2 ]} يُحفّز إطلاق الكالسيوم تغييرًا في مُركّب بروتين SNARE، ويُسهّل هذا التغيير اندماج الحبيبة القشرية مع غشاء البويضة، مُطلقًا الحبيبات في الفراغ المحيط بالبويضة. يؤدي التفاعل القشري إلى تعديل في المنطقة الشفافة يمنع تعدد الإخصاب. تقوم الإنزيمات التي تفرزها الحبيبات القشرية بهضم البروتينات السكرية لمستقبلات الحيوانات المنوية ZP2 وZP3، مما يمنعها من الارتباط بالحيوانات المنوية. ويُشار إلى هذه العملية عادةً باسم تصلب المنطقة الشفافة.

• تفاعل الأكروسوم - التفاعل المماثل في أكروسوم الحيوان المنوي

• هالي إس إيه، ويسيل جي إم. حبيبات قشرة قنفذ البحر تنظم عملية التحلل البروتيني بواسطة بروتياز السيرين 1 لحبيبات القشرة أثناء الإخصاب. بيولوجيا الخلية الجزيئية. مايو 2004؛ 15 (5): 2084-92.
• سادلر تي دبليو. علم الأجنة الطبي لـ لانغمان. بالتيمور: ليبينكوت ويليامز وويلكنز، 2006.

• التحلل البروتيني المنظم بواسطة بروتياز السيرين الحبيبي القشري 1 أثناء الإخصاب