Сперматогенез. Этапы сперматогенеза

Обновлено: 19.04.2024

Начальной фазой сперматогенеза является размножение сперматогоний путем митоза, большая часть клеток продолжает делиться, а меньшая часть вступает в стадию роста. В этот период клетки растут, накапливают питательные вещества, и потом превращаются в сперматоциты 1-го порядка. Следующая фаза созревание-деление, характеризуется двумя редукционными делениями, без интерфазы. В результате 1-го деления 1 сперматоцит 1-го порядка дает начало 2-м сперматоцитам 2-го порядка, а 2-ое деление-созревание приводит к появлению 4 сперматид. В фазу формирования происходит преобразование сперматид в сперматозоиды. Ядро сперматиды приобретает видоспецифическую форму, хроматин конденсируется. Комплекс Гольджи мигрирует к верхушке головки сперматозоида и образует чехлик и акросому. Акросома содержит сперматолизины (трипсин, гиалуронидаза).

Центриоли идут к противоположному полюсу, проксимальная центриоль образует колечко в области шейки, а дистальная центриоль дает начало аксонемме - осевой нити сперматозоида. Митохондрии укладываются в промежуточной части хвостика. Микрофиламенты окружают аксонемму в главном отделе хвостика, терминальный отдел хвостика представляет собой ресничку. Сперматозоиды - это мелкие, подвижные клетки, размером 30-60 мкм. В сперматозоиде различают головку и хвост. Головка сперматозоида имеет овоидную форму и включает в себя небольшое плотное ядро, окруженное тонким слоем цитоплазмы. Ядра сперматозоидов характеризуются высоким содержанием нуклеопротаминов и нуклеогистионов. Передняя половина ядра покрыта плоским мешочком, составляющим "чехлик" сперматозоида. В нем у переднего полюса располагается акросома. Чехлик и акросома являются производными комплекса Гольджи. Акросома содержит набор ферментов, среди которых важное место принадлежит гиалуронидазе и протеазам, способным растворять оболочки, покрывающие яйцеклетку. За головкой имеется кольцевидное сужение. Головка так же, как и хвостовой отдел, покрыта клеточной мембраной.

Хвостовой отдел сперматозоида состоит из связующих, промежуточных, главной и терминальной частей.

В связующей части или шейке располагаются центриоли - проксимальная и дистальная, от которой начинается осевая нить (аксонема). Промежуточная часть содержит 2 центральных и 9 пар периферических микротрубочек, окруженных расположенными по спирали митохондриями. Именно митохондрии обеспечивают энергией двигательную активность сперматозоидов, нарушение которой нередко связано с поражением процесса энергообразования в митохондриях. Главная часть по строению напоминает ресничку. Она окружена тонким фибриллярным влагалищем. Терминальная, или конечная часть содержит единичные сократительные филаменты.

Овогенез - это процесс образования и развития женских половых клеток.

Он включает в себя 3 фазы:

Фаза размножения. Сущностью фазы размножения является митотическое деление овогоний.

Фаза роста. Овогонии ростут, превращаясь в овоциты 1-го порядка.

Фаза созревания, как и во время сперматогенеза, включает в себя два деления, причем второе следует за первым без интерфазы, что приводит к уменьшению (редукции) числа хромосом вдвое, и набор из становится гаплоидным. При первом делении созревания овоцит 1-го порядка делится, в результате чего образуются овоцит 2-го порядка и небольшое редукционное тельце. Овоцит 2-го порядка получает почти всю массу накопленного желтка и поэтому остается столь же крупным по объему, как и овоцит 1-го порядка. Редукционное же тельце представляет собой мелкую клетку с небольшим количеством цитоплазмы. При втором делении созревания в результате деления овоцита 2-го порядка образуются одна яйцеклетка и второе редукционное тельце. Первое редукционное тельце иногда тоже делится на две одинаковые мелкие клетки. В результате этих преобразований овоцита 1-го порядка образуются одна яйцеклетка и три редукционных тельца.

Яйцеклетки - это наиболее крупные клетки. В цитоплазме яйцеклетки содержатся все органеллы (за исключением клеточного центра) и включения, основной из них - желток (лецитин). Желток - это включение, которое используется в яйцеклетке в качестве питательного вещества, кроме того под оволеммой содержатся кортикальные гранулы, которые являются производными комплекса Гольджи и образуют оболочку оплодотворения. В ядре яйцеклетки имеется гаплоидный набор хромосом, 22 являются соматическими и 1 (Х) половая.

Классификация яйцеклеток

По количеству желтка в цитоплазме:

По характеру расположения желтка в цитоплазме:

- изолецитальные - с равномерным распределением желтка;

- центролецитальные - желток располагается в центре яйцеклетки;

- телолецитальные - желточные зерна скапливаются у одного полюса яйцеклетки.

Эмбриональный период – эмбриогенез.

Эмбриональный период включает в себя следующие стадии или закономерности. Эти закономерности характерны (одинаковы) для всех классов животных и поэтому называются паленгенетическими признаками.

1.оплодотворение (процесс заканчивается образованием зиготы);

2. дробление (процесс заканчивается образованием морулы);

3. гаструляция (процесс заканчивается образованием 3-х зародышевых листков.

4. формированием осевых органов (зачатков органов);

5.гистогенез и органогенез, системогенез или образование систем органов.

Наряду с этим у разных классов животных проявляются и специфические – ценогенетические признаки (Ц.П.). Ц.П. формируются в процессе адаптации живых организмов к изменяющимся условиям развития, усложнения строения, изменения продолжительности эмбриогенеза. Удачные Ц.П. закреплялись в эмбриогенезах и проявлялись у классов выше организованных животных, т.об. превращались в паленгенетические признаки.

Что такое сперматогенез?

Сперматогенез – это процесс развития мужских половых клеток (сперматозоидов) под воздействием гормонов. Он происходит в мужских половых железах, которые называются семенниками, в семенных канальцах.

Стадии сперматогенеза и их продолжительность

Сперматогенез состоит из четырех стадий. Каждая стадия занимает примерно по 16 дней.

Фаза размножения

Незрелые клетки, находящиеся в семенниках, под воздействием гормонов делятся и превращаются в сперматогонии, клетки обычной формы с ядром внутри. В сперматогониях содержится двойной набор хромосом. Часть клеток остается на «скамье запасных», в резерве, а некоторые начинают расти и делиться, переходя во вторую фазу.

Фаза роста

Сперматогонии сильно увеличиваются в размерах. Изменяясь, они превращаются в сперматоциты первого порядка, которые все еще содержат двойной набор хромосом. Эти клетки смещаются ближе к просвету канальца.

Фаза созревания

После деления клетки становятся двумя сперматоцитами второго порядка, делятся вторично и превращаются в четыре сперматиды. В этих клетках содержится уже одинарный, а не двойной набор хромосом.

Фаза формирования

В последней фазе из сперматид формируются сперматозоиды, имеющие характерное, знакомое всем строение. Таким образом, из одной изначальной клетки, которая имела двойной набор хромосом, формируется четыре сперматозоида с одинарным набором хромосом, который характерен для половых клеток.

Что происходит в процессе сперматогенеза?

Стадии сперматогенеза поэтапно показывают, что в этом процессе под воздействием гормонов из незрелых (так называемых стволовых) клеток через рост и деление образуются мужские половые клетки – сперматозоиды.

Клетка постепенно меняется, вытягивается, растет, делится. В результате ядро превращается в головку сперматозоида, а телом и хвостом его становятся цитоплазма и оболочка клетки.

Все питание – кислород, углеводы, аминокислоты, витамины и другие полезные вещества в обязательном порядке поступают к созревающим сперматозоидам через поддерживающие клетки Сертоли, и продукты обмена тоже уходят через них.

На последней фазе сперматозоид примыкает к питающим его клеткам Сертоли и остается так до полного развития, получая необходимые для его роста и созревания полезные вещества.

Продолжительность сперматогенеза составляет 73-75 суток.

Как происходит сперматогенез?

Когда начинается сперматогенез? Клетки, из которых будут образовываться сперматозоиды, образуются в семенниках еще во время эмбрионального развития. Но процесс сперматогенеза запускается только во время полового созревания (10-14 лет) и происходит у большинства мужчин вплоть до самого конца жизни под воздействием определенных гормонов.

В ткани между семенными канальцами находятся клетки Лейдига, синтезирующие мужской половой гормон тестостерон.

Но для того, чтобы клетки Лейдига начали его вырабатывать, после полового созревания гипоталамус должен синтезировать гормон, под воздействием которого гипофиз будет производить вырабатывать фолликулостимулирующий гормон. Иными словами, регуляция сперматогенеза происходит по принципу домино – гипоталамус запускает процессы в гипофизе, гипофиз – в клетках Лейдига и клетках Сертоли.

Выброс мужских гормонов у мужчин происходит постоянно, на протяжении всей жизни, циклично и регулярно. Соответственно, постоянно и регулярно продолжается и процесс созревания сперматозоидов. В мужском организме всегда есть сперматозоиды в разных стадиях созревания.

Препараты для улучшения сперматогенеза

Когда говорят об улучшении сперматогенеза, это обычно означает, что не в порядке именно конечные клетки – созревшие сперматозоиды. Что может случиться со сперматозоидами? Они могут быть нежизнеспособными или их концентрация в сперме может быть слишком мала для зачатия. Сперматозоиды могут быть малоподвижными, иметь неправильное строение. А ДНК в них может быть нарушена.

Что же может повлиять на процесс формирования сперматозоидов?

Для нормального сперматогенеза температура в мошонке должна быть 35 оС. Именно она является оптимальной для развития сперматозоидов. Поэтому перегревание или переохлаждение сильно вредит сперматозоидам. Например, при перегреве образуются малоподвижные сперматозоиды.

Хронические заболевания, не выявленные заболевания (например, варикоцеле), скрытые воспаления, возраст старше 35 лет, нездоровый образ жизни, употребление алкоголя, курение – все это влияет на протекание процессов сперматогенеза. И на сами образующиеся в итоге сперматозоиды.

Поэтому для того, чтобы максимально улучшить качество сперматозоидов, нужно не только отказаться от нездорового образа жизни и вылечить заболевания, но и принимать витамины и минералы, которые необходимы для процессов сперматогенеза.

Витамин Е влияет на подвижность, строение, количество сперматозоидов. Защищает созревающие клетки от свободных радикалов.

Цинк необходим для синтеза гормонов, участвующих в сперматогенезе, то есть для фолликулостимулирующего гормона и тестостерона.

Фолиевая кислота нужна, чтобы сперматозоид мог правильно развиваться, имел правильное строение и нормальный размер. Прием фолиевой кислоты достоверно снижает количество дефектных сперматозоидов.

В препарате Сперотон содержатся не только эти вещества, но и L-карнитин, улучшающий подвижность сперматозоидов.

Для того, чтобы улучшить результаты сперматогенеза, витамины и минералы следует принимать минимум 70 дней – именно столько времени требуется для того, чтобы созрели новые сперматозоиды.

Поэтому подготовка к зачатию должна начинаться за несколько месяцев.

Клетки сперматогенеза в спермограмме

Для того, чтобы проверить качественные показатели спермы, существует специальный анализ – спермограмма. На спермограмме оценивается качество спермы по следующим параметрам:

количество сперматозоидов;
подвижность сперматозоидов;
морфологические характеристики сперматозоидов (то есть, характеристики их строения);
количество и типы лейкоцитов (возможно, указывают на текущее воспаление);
количество и типы незрелых клеток (указываются просто по традиции, количество ни на что не влияет).

Таким образом, чаще всего оценивается именно качество и количество зрелых клеток сперматогенеза – сперматозоидов, ведь именно от их качества, количества, подвижности и строения зависит зачатие ребенка.

Нормальными считаются показатели, при которых в сперме:

объем эякулята от 1,5 мл и более;
общее количество сперматозоидов – от 39 млн и более;
подвижность сперматозоидов – от 40 % и более;
жизнеспособность – от 58 % и более;
морфология (строение) – 4 % и более.

Но если показатели спермограммы оказались далеки от нормы, не стоит делать поспешных выводов. Это повод посетить специалиста, проконсультироваться и следовать рекомендациям: начать вести здоровый образ жизни, принимать витаминно-минеральные комплексы для повышения фертильности, устранить воспаление или другие причины ухудшения сперматогенеза.

ФИЗИОЛОГИЯ СПЕРМАТОГЕНЕЗА

Процесс сперматогенеза — это длительная серия цитологических преобразований, в результате которых из относительно мало дифференцированной диплоидной клетки — сперматогонии формируются высокоспециализированные гаплоидные сперматозоиды. В семеннике половозрелых млекопитающих процессы сперматогенеза локализуются в эпителии, выстилающем семенные канальцы, так называемом сперматогенном эпителии.

Сперматогенез традиционно принято подразделять на три этапа — фаза размножения, фаза созревания, фаза формирования.

1-й этап — фаза размножения. Для этой фазы характерны митотические деления сперматогоний. При этом каждая следующая генерация клеток оказывается более дифференцированной, чем предыдущая.

Началу мейоза в созревающих мужских половых клетках предшествуют митотические деления сперматогоний, у млекопитающих число таких делений обычно равно 5-6.

Как всякая обновляющаяся популяция, популяция сперматогоний содержит стволовые клетки. Стволовые сперма- тогониальные клетки были идентифицированы морфологически еще в 70-х гг. XX в. У разных видов млекопитающих эти стволовые клетки получили разные названия. Так стволовые сперматогониальные клетки крыс, мышей и оленей обозначают как сперматогоний типа Ас, или А-изолирован- ные; стволовые клетки обезьян — типа А-темные, стволовые клетки человека — типа А-длинные.

Стволовые сперматогониальные клетки имеют характерные морфологические признаки. Обычно стволовая сперма- тогониальная клетка лежит изолированно, она не соединена цитоплазматическими мостиками с другими сперматогония- ми, имеет овальное или круглое ядро с диффузным хроматином, равномерно распределенным по ядру, содержащему одно или два четко очерченных ядрышка. В цитоплазме стволовой сперматогониальной клетки сравнительно мало органелл, имеется небольшое число митохондрий с поперечными или трубчатыми кристами, слабо развит эндоплазматический ретикулум и комплекс Гольджи. В то же время в цитоплазме этих клеток много свободных рибосом и полисом.

По некоторым данным стволовые сперматогониальные клетки могут быть разделены на две субпопуляции:

1. Сперматогоний типа А-стволовые долгоживущие, делятся спорадически, чтобы поддерживать пул стволовых клеток на неизмененном уровне. Число их постоянно и не зависит от стадии полового цикла сперматогенного эпителия. Митотическая активность этих клеток резко возрастает при сокращении числа сперматогоний типа А, например, после облучения.

2. Сперматогонии типа А-стволовые быстрообновляющие- ся, делятся один раз в течение каждого цикла сперматогенно- го эпителия. Деления этих сперматогоний приводят к появлению клеток, которые не могут завершить цитокинез и остаются соединенными цитоплазматическими мостиками. Появление таких сперматогоний типа А-спаренных рассматривается как первый шаг на пути к дифференцировке стволовых сперматогоний. В результате делений сперматогоний типа А-спаренных появляются цепочки клеток, соединенных цитоплазматическими мостиками. Такие клетки называют сперматогониями типа А-групповые, в последующем они трансформируются в сперматогонии типа А^ Далее происходит несколько последовательных делений (к примеру, у крыс и мышей — шесть), в результате которых сменяют друг друга сперматогонии типа А1-А4, промежуточного типа и типа Б.

На основании этих данных была предложена модель обновления сперматогоний, согласно которой популяция этих клеток может быть подразделена на три функциональных компартмента:

1) компартмент обновляющихся клеток, содержащий сперматогонии типа А-стволовые;
2) компартмент недифференцированных клеток, включающий сперматогонии типа А-спаренные и типа А-групповые, которые в отличие от сперматогоний типа А-стволовые соединены цитоплазматическими мостиками;
3) компартмент дифференцирующихся клеток, к которому относятся сперматогонии типа А1-А4, промежуточного типа и типа Б. В результате деления сперматогоний типа Б, которые являются последними в ряду митотически делящихся клеток, образуется новый тип клеток сперматогенно- го эпителия — сперматоциты I порядка и начинается следующий этап сперматогенеза — мейоз.
2-й этап — фаза созревания. В этот период осуществляется мейотическое деление, составляющее центральное событие в гаметогенезе. Во время мейоза происходит спаривание хромосом, кроссинговер — обмен генными локусами — и два деления созревания, приводящие к сокращению числа хромосом вдвое и образованию из диплоидных сперматоци- тов I порядка гаплоидных сперматпид.

3-й этап — фаза формирования, или спермиогенез. В этот период сперматиды в результате сложных цитоплазматических трансформаций превращаются в сперматозоиды. Гаплоидные сперматиды представляют собой округлые безжгу- тиковые клетки, совершенно не похожие на зрелые спермин млекопитающих. Для того, чтобы произошло оплодотворение, спермий должен встретить яйцо и соединиться с ним, поэтому в процессе спермиогенеза спермий претерпевает диф- ференцировку, позволяющую ему приобрести способность к движению и взаимодействию с яйцом.

Процесс дифференцировки спермия млекопитающих представлен на рисунке 4. Ее первый шаг заключается в образовании акросомного пузырька из аппарата Гольджи. Акросо- ма представляет собой ограниченную мембраной органеллу,

Рис. 4 Процессы, приводящие к формированию зрелого сперматозоида:

1 — ядро; 2 — митохондрии; 3 — аппарат Гольджи; 4 — акросомный пузырек; 5 — цен- триоль; 6 — жгутик; 7 — остатки аппарата Гольджи; 8 — микротрубочки; 9 — концевой отдел; 10 — хвост; 11— средняя часть; 12 — шейка; 13 — головка спермия; 14 — плазматическая мембрана; 15 — аксонема.

тесно прилегающую к передней части ядра сперматозоида. Акросома сперматозоидов млекопитающих содержит большое количество углеводов, в ней присутствуют ферменты лизосомной природы (гиалуронидаза, кислая фосфатаза, и др.), а также протеолитические ферменты (акрозин), которые впоследствии, воздействуя на оболочки яйцеклетки, облегчают проникновение в него сперматозоида.

Когда акросома сформируется, ядро поворачивается так, что акросомная шапочка оказывается обращенной к базальной мембране семенного канальца. Такой поворот необходим, поскольку у противоположного конца ядра из центрио- ли начинает формироваться жгутик, направленный в просвет канальца. Основной структурой жгутика является осевой комплекс, состоящий из двух центральных фибрилл — микротрубочек, окруженных девятью периферическими парными фибриллами.

Морфологические особенности спермиев различных видов млекопитающих: а — спермий морской свинки; б — спермий опоссума.

На последней стадии спермиогенеза ядро уплощается и конденсируется, остатки цитоплазмы отбрасываются, а митохондрии образуют кольцо вокруг основания жгутика. Сформировавшийся спермий выходит в просвет канальца. По форме головки спермин разных видов млекопитающих могут несколько отличаться друг от друга (рис. 5).

Подробный анализ процессов спермиогенеза, основанный на оценке изменений в акросомной системе сперматид, позволил выделить 16 из 18 этапов в развитии сперматид мыши, 15 этапов в спермиогенезе опоссума, 15 — морской свинки, 19 — северного оленя, 13 — девятипоясного броненосца, 16 — китайского хомячка, 16 — летучей мыши, 14 — у макак-резусов. У человека из-за нестойкости акросомной системы возникли определенные сложности в описании спермиогенеза, и в нем было выделено всего 6 стадий.

Созревающие мужские половые клетки крайне чувствительны к условиям среды. В частности они требуют поддержания постоянной температуры в мошонке (ниже температуры тела). Существует определенный механизм поддержания температуры в мошонке на постоянном уровне независимо от условий среды. В жаркую погоду мускульно-эластическая оболочка и мускул-подниматель семенника расслабляются. При этом мошонка увеличивается в размерах, а семенники отдаляются от туловища. Теплооотдача во внешнюю среду увеличивается. Этому способствует секреция потовых желез. В холодную погоду мускул-подниматель семенника и мускульно-эластическая оболочка сокращаются, семенники подтягиваются вверх и приближаются к телу животного. Кожа мошонки сморщивается, стенки ее утолщаются, а поверхность уменьшается, что значительно снижает теплоотдачу. Усиленная секреция сальных желез также обусловливает стабильность температуры. Выключение функции потовых и сальных желез при загрязнении мошонки или кожных поражениях приводит к нарушению сперматогенеза. Таким образом, при изменении температуры окружающего воздуха от 15°С до 38°С колебания температуры внутри семенников у быка составили только 2,3°С.

Для терморегуляции семенников большое значение имеют особенности их кровоснабжения. Внутренняя семенная артерия берет начало от аорты в поясничной области и по пути к паховому каналу проходит длинный извилистый путь. Это, наряду со сравнительно небольшим диаметром артерии, способствует охлаждению артериальной крови на пути к семеннику. В области пахового канала артерия находится в тесном контакте с массивным венозным сплетением внутренней семенной вены, в результате чего создаются благоприятные условия для охлаждения артериальной крови. В жаркую погоду приток крови к семенникам ослабляется, в холодную усиливается.

Если семенник экспериментального животного с помощью лигатур фиксировать в брюшной полости или в том случае, если у животного или человека не происходит опущения семенника в мошонку, то возникает состояние крип- торхизма. При этом из канальцев неопустившегося семенника исчезает большинство половых клеток и остаются только клетки Сертоли. В настоящее время известно, что и они при температуре брюшной полости оказываются функционально неполноценными.

Чувствительность развивающихся зародышевых клеток к температуре брюшной полости определяется тем, что лизо- сомы сперматоцитов и сперматид при 37°С более лабильны, чем лизосомы клеток Сертоли или гепатоцитов. Причиной регрессии половых клеток и является, очевидно, высвобождение лизосомных ферментов.

После того, как было установлено, что все половые клетки в ходе сперматогенеза развиваются в составе клонального синцития, т. е. соединены межклеточными мостиками, стала понятной давно обнаруженная синхронность дифферен- цировки половых клеток одной генерации. Однако для сперматогенеза млекопитающих характерно синхронное развитие не только половых клеток одной генерации, но и половых клеток нескольких генераций. На поперечных срезах семенных канальцев можно видеть четыре или пять генераций клеток сперматогенного эпителия, расположенных концентрическими слоями. При этом клетки более ранних генераций лежат ближе к собственной оболочке семенного канальца. Распределение половых клеток разных стадий развития в составе сперматогенного эпителия не является случайным, они образуют группы или сочетания строго постоянного состава. Поскольку каждая генерация половых клеток по мере развития преобразуется из одной категории клеток в другую, микроскопическая картина в данном участке семенного канальца постоянно меняется и одно сочетание клеток сперматогенного эпителия заменяется другим.

Полная серия морфологических изменений, наблюдающихся между появлением двух одинаковых сочетаний клеток сперматогенного эпителия в одном участке семенного канальца, получила название цикла сперматогенного эпителия. Часть цикла, характеризующаяся определенным сочетанием клеток, принято называть стадией цикла сперматогенного эпителия и обозначать римскими цифрами. Было выделено 12 стадий в цикле сперматогенного эпителия мыши, морской свинки, некоторых обезьян, 11 стадий — в цикле сперматогенного эпителия летучей мыши, 10 стадий — в цикле северного оленя, опоссума, речного бобра, броненосца, 8 стадий — в цикле кролика и собаки, 7 стадий — в цикле верблюда.

Продолжительность цикла сперматогенного эпителия является постоянной величиной для данного вида животных и варьирует от 8,6 до 17 дней. У человека продолжительность цикла сперматогенного эпителия оказалась равной 16 дням. Было показано, что цикл сперматогенного эпителия не изменяется под влиянием гормональных и других факторов (гипофизэктомия, введение тестостерона, лютеи- низирующего гормона, фолликулостимулирующего гормона, тимэктомия, повышение температуры, изменение продолжительности светового дня и др.).

Для каждого вида время, которое требуется для полного превращения сперматогонии в сперматозоид, является постоянным.

У мыши все развитие от стволовой клетки до сперматозоида длится 34,5 суток. Сперматогониальные стадии продолжаются 8 суток, мейоз длится 13 суток и спермиогенез занимает еще 13,5 суток. У человека развитие спермиев завершается через 74 суток. Продолжительность сперматогенеза у крысы составляет 48 дней, у мыши — 35 дней, у некоторых обезьян — 44 дня.

Сперматогенез в семенниках млекопитающих может продолжаться постоянно. Каждый час в семеннике человека образуется около 100 млн спермиев, а при каждой эякуляции выделяется около 200 млн спермиев.

Сперматогенез: через тернии к звездам

Новость

Сперматозоиды образуются в яичках, а именно в извитых семенных канальцах. Стенка семенного канальца делится базальной мембраной на люминальную и адлюминальную стороны. На люминальной стороне расположены клетки Сертоли (сустентоциты) и предшественники половых клеток (сперматогонии, сперматоциты I и II порядков и сперматиды).

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: На определенном этапе сперматогенеза созревающие половые клетки должны пройти сквозь один из самых прочных барьеров в организме — гемато-тестикулярный барьер. Горячие споры о том, как им это удается, кипели в научном мире в течение десятилетий. Двум исследователям из США удалось разгадать эту загадку.

Конкурс «био/мол/текст»-2012

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

Сперматогенез — то есть, процесс созревания мужских половых клеток — это долгий путь постепенной дифференцировки, в результате которой из крупных, неподвижных стволовых клеток получаются маленькие, мобильные, терминально дифференцированные сперматозоиды. Схема сперматогенеза изображена на рисунке 1, и прежде, чем читать дальше, я советую читателю внимательно ее изучить.

Рисунок 1. Схема сперматогенеза. В этом процессе почти все клетки при делении не до конца расходятся, образуя синцитий, благодаря чему все физиологические процессы в них синхронизируются, и они могут одновременно совершать какие-то действия, например, двигаться или делиться. Сперматогенез можно разбить на такие стадии: 1) Все начинается с так называемых «недифференцированных сперматогониев». Они все обладают свойствами стволовых клеток [1], [2]. Делятся они довольно вяло и безалаберно (то есть не в строго определенные моменты времени, а когда попало). Иногда они делают «шаг назад» по этой схеме, превращаясь в клетки предшествующих типов (например, два A_paired-сперматогония могут преспокойно поделиться и превратиться в пару A_single) — это нужно, чтобы поддерживать популяцию стволовых клеток, а также регулировать итоговый выход сперматозоидов. 2) На следующей ступени находятся чуть более дифференцированные A_1—4-сперматогонии. В отличие от своих предшественников (и так же, как и все последующие типы клеток), они делятся уже не когда попало, а «по часам», в строго определенные моменты времени, которые называются стадиями цикла семенного эпителия. Кроме того, на этом этапе наблюдается массовая гибель некоторых клонов клеток, необходимая для уменьшения итогового выхода спермы. И вот A₄ дают при делении. 3) Еще более дифференцированные промежуточные и В-сперматогонии, при делении которых получаются. 4) Сильнодифференцированные сперматоциты первого порядка, которые вступают в мейоз и дают вначале сперматоциты второго порядка, а затем. 5) Сперматиды, которые не делятся, а только созревают, дифференцируются, из круглых становятся вытянутыми и наконец превращаются в. 6) Сперматозоиды, которые уплывают прочь, оставляя после себя так называемое остаточное тельце, состоящее из ненужной больше цитоплазмы.

схема автора статьи по [3] и [4]

Все описанные на рисунке 1 процессы происходят в семенных канальцах — тонких трубочках внутри мужских яичек. Представим себе такую трубочку в поперечном разрезе — получится кольцо. На самой наружной части этого кольца, базальной пластинке, вальяжно распластались A_s-сперматогонии. По мере дифференцировки, на каждом следующем этапе сперматогенеза, клетки (точнее, цепочки клеток, которые показаны на рис. 1) все сильнее сдвигаются оттуда ко внутренней части кольца (по направлению к его просвету), пока, наконец, почти дозревшие сперматиды не уплывают куда-то вдаль по этому просвету, по дороге окончательно созревая.

Созревающие половые клетки находятся в семенных канальцах не одни — помимо них там присутствуют так называемые клетки-няньки (nurse cells), которые поддерживают их, питают и защищают. Эти вспомогательные клетки называются клетками Сертоли, и когда мы говорим, что по мере дифференцировки половые клетки продвигаются от наружной части извитого канальца ко внутренней, это означает, что они движутся там сквозь «строй» клеток Сертоли (рис. 2).

Рисунок 2. Участок поперечного разреза семенного канальца от базальной пластинки до просвета. Показано взаимное положение созревающих половых клеток и клеток Сертоли, а также расположение плотных контактов, образующих гемато-тестикулярный барьер. Обратите внимание, насколько велики клетки Сертоли по сравнению с созревающими половыми клетками: одна клетка Сертоли занимает все расстояние от базальной мембраны до просвета канальца.

И вот тут есть одна загвоздка. Дело в том, что проход через клетки Сертоли в одном месте накрепко заперт, и кажется, что пройти по нему невозможно.

Участок этот называется гемато-тестикулярным барьером (ГТБ). Он образован необычайно прочными межклеточными соединениями — плотными контактами (см. tight junction) — и располагается как раз там, где клетки окончательно перестают быть стволовыми и отправляются в необратимое путешествие по пути терминальной дифференцировки. То есть, сразу после того места, где сперматоциты первого порядка начинают готовиться к первому делению мейоза (поскольку они в этот момент находятся на стадии прелептотены, то называются прелептотеновыми сперматоцитами) и перед тем участком, где находятся пахитеновые (находящиеся на мейотической стадии пахитены) сперматоциты.

Зачем же необходим этот непреодолимый барьер? Как минимум по двум причинам.

Во-первых, для того, чтобы отделить стволовые клетки от дифференцированных. Дело в том, что для поддержания состояния «стволовости» клеткам необходимо особое микроокружение, так называемая «ниша» (см. stem cell niche) — «ареол» определенных веществ, которые не дают этим клеткам дифференцироваться и заставляют их быть стволовыми. Если в эту нишу попадут дифференцирующиеся клетки, то о всякой дифференцировке можно будет забыть: они начнут возвращаться в стволовое состояние и никогда уже не дадут начало сперматозоидам. Столь же печальны и перспективы стволовых клеток, попавших в микроокружение, необходимое для дифференцировки: они навсегда перестанут быть стволовыми, дифференцируются и в виде дозревающих на ходу сперматид уплывут вдаль по просвету канальца.

Во-вторых, и может быть, и в-главных, гемато-тестикулярный барьер необходим для того, чтобы ни в коем случае не допустить попадания дифференцирующихся половых клеток в кровь и в лимфу. Дело в том, что по мере дифференцировки на этих клетках появляется все больше и больше антигенов, и встреча их с антителами (которые в огромных количествах плавают в лимфе и крови) неминуемо приведет к аутоиммунной реакции, что может плохо кончиться как для бедных половых клеток, так и для организма в целом.

Итак, получается, что барьер этот крепок и непреодолим. И в то же время очевидно, что каким-то образом созревающим клеткам удается сквозь него пробираться. Как же это возможно?

Данный вопрос мучил умы ученых на протяжении многих десятилетий, пока, наконец, двое американских исследователей в серии простых, но элегантных экспериментов не расставили все по своим местам [5].

Использованная ими методика заключалась в следующем. Они брали семенные канальцы мышей, окрашивали их на белки, характерные только для плотных контактов, и белки, встречающиеся только в межклеточных мостиках клеточных клонов, а затем рассматривали получившиеся препараты под конфокальным микроскопом. Таким образом они могли рассмотреть взаимное расположение ГТБ и цепочек проходящих через него клеток.

Однако как же «поймать» клетки именно в тот момент, когда они преодолевают барьер? На первый взгляд, это можно сделать только путем долгих и скучных проб и ошибок, однако все гораздо проще, чем кажется. Дело в том, что сперматогенез в семенных канальцах проходит волнами, и каждая новая волна начинается тогда, когда предыдущая еще не закончилась. Иными словами, в тот момент, когда A₁-сперматогонии начинают делиться где-то возле базальной пластинки, клетки предыдущей волны сперматогенеза находятся еще только на полпути к просвету канальца. Волны сперматогенеза синхронизированы между собой (это нужно, чтобы обеспечить стабильный и постоянный выход сперматозоидов), и поэтому, зная, где находятся клетки одной из волн сперматогенеза, можно точно сказать, где находятся клетки других волн. В данном случае исследователи выбирали те препараты, где почти дозревшие сперматиды покидали просвет канальца — это означало, что клетки одной из последующих волн сперматогенеза уже дошли до стадии прелептотеновых сперматоцитов и как раз собираются преодолевать гемато-тестикулярный барьер. (Узнать больше о стадиях цикла семенного эпителия и волнах сперматогенеза можно в классической статье [6].)

И выяснилась удивительная вещь. Оказалось, что барьер во время сперматогенеза не рвется. Вместо этого откуда-то возникает новый, второй слой барьера, в результате чего цепочки сперматоцитов (находящихся уже на стадии лептотены) окружаются барьером, как связки сосисок — полиэтиленовой упаковкой (рис. 3). Причем исследователям нигде не удалось увидеть, чтобы край какой-нибудь цепочки где-то прорывал один из слоев барьера — то есть, в любой момент прохождения сперматоцитов барьер остается целым и невредимым. Однако когда сперматоциты проходят область барьера, он снова становится однослойным.

Рисунок 3. Сперматоциты, проходящие через ГТБ. Желтым цветом показано окрашивание на белок клаудин 11 (CLDN11), один из главных компонентов плотных контактов — таким образом, положение этого белка показывает положение барьера. Красным цветом показано окрашивание на белок TEX14, один из компонентов межклеточных мостиков — по его положению можно понять положение цепочек сперматоцитов. Синим цветом показаны ядра клеток, окрашенные с помощью краски DAPI. S — клетки Сертоли. Головкой стрелочки показано место соединения трех клеток Сертоли. Видно, что барьер окружает сперматоциты со всех сторон, образуя отдельный закрытый компартмент (показан звездочкой).

Подробнее разбираясь, каким же образом появляется новый слой барьера, ученые обнаружили, что большое значение в этом процессе играет белок клаудин 3, один из представителей обширного семейства клаудинов. Белки этого семейства являются одним из главных компонентов плотных контактов.

У каждого клаудина свой «характер» и своя роль при образовании или поддержании плотных контактов. И вот клаудин 3 нужен как раз при образовании новых контактов — в старых он практически не встречается. Так и в этот раз — исследователи показали, что новый слой барьера образуется при активном участии клаудина 3, однако по мере «старения» барьера клаудин 3 заменяется своим «родственником», клаудином 11, и, в конце концов, вовсе исчезает из плотных контактов (рис. 4).

Рисунок 4. Схема движения сперматоцитов сквозь барьер. Клетки Сертоли показаны розовым, цепочки сперматоцитов — голубым, барьер — золотистым. Базальная пластинка находится в верхней части рисунка, просвет канальца — в нижней. Для того, чтобы разобраться, что тут происходит, нужно очень хорошее пространственное воображение. а — Сперматоциты отрываются от базальной пластинки и упираются в барьер, что вызывает экспрессию в клетках Сертоли белка клаудина 3 (CLDN3) и появление этого белка в больших количествах на базальной поверхности клеток Сертоли. В барьере же клаудина 3 нет, зато есть клаудин 11. б — При участии клаудина 3 образуется новый слой барьера, и сперматоциты оказываются окружены барьером со всех сторон. в — Сперматоциты двигаются дальше, старый слой барьера разрушается, а в новом клаудин 3 постепенно замещается клаудином 11.

Иными словами, картина выглядит примерно так. Цепочки сперматоцитов при своем движении к апикальной (обращенной в просвет) части канальца упираются в ГТБ. Тогда с базальной части этих сперматоцитов образуется новый, второй слой барьера, в результате чего сперматоциты оказываются внутри отдельного компартмента (той самой «сосисочной оболочки»). Двигаясь дальше, сперматоциты разрушают старый, апикальный слой, в результате чего новый, базальный слой остается единственным барьером — ну, до тех пор, конечно, пока к нему не подойдет новая партия сперматоцитов. То есть, получается, что при движении через него сперматоцитов барьер не разрушается и не сдвигается, а, можно сказать, самообновляется. Не правда ли, красивая картина возникает перед глазами?

Первоначальная версия этой статьи опубликована на «Элементах» [7].

Сперматогенез. Этапы сперматогенеза

а) Сперматогенез. Во время развития эмбриона первичные зародышевые клетки мигрируют в семенники и становятся незрелыми зародышевыми клетками, называемыми сперматогониями, которые располагаются в два или три слоя на внутренней поверхности семявыносящих канальцев (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок А ниже).

А. Поперечный срез семенного канальца.
Б. Стадии развития сперматозоида из сперматогонии

Сперматогония путем митотических делений, берущих начало в пубертатном периоде, начинает продолжительный процесс пролиферации и дифференциации и, проходя определенные стадии развития, образует сперматозоиды (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок Б выше).

б) Этапы сперматогенеза. Сперматогенез осуществляется в семявыносящих канальцах во время зрелой половой жизни в результате стимуляции гонадотропными гормонами передней доли гипофиза. Этот процесс начинается приблизительно в возрасте 13 лет и продолжается на протяжении большей части остальной жизни, заметно снижаясь в старости. На первой стадии сперматогенеза сперматогония перемещается среди клеток Сертоли по направлению к просвету семявыносящего канальца. Клетки Сертоли представляют собой очень крупные клетки с перетекающими выростами цитоплазмы и окружают развивающуюся спер-матогонию на всем ее пути по направлению к центральному просвету канальца.

в) Мейоз. Сперматогонии, прошедшие через слой клеток Сертоли как через барьер, путем последовательных преобразований увеличиваются, формируя крупный сперматоцит первого порядка (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже).

Деление клеток во время сперматогенеза.
Во время эмбрионального развития первичные зародышевые клетки мигрируют в семенник, где они становятся сперматогониями.
Во время пубертатного периода (обычно в возрасте 12-14 лет) сперматогонии быстро пролиферируют посредством митоза.
В некоторых из них начинается мейоз, приводящий к образованию первичных сперматоцитов, которые, пройдя стадию первого мейотического деления, становятся вторичными сперматоцитами.
После второго мейотического деления вторичные сперматоциты образуют сперматиды, которые, дифференцируясь, образуют сперматозоиды

Каждый из них, в свою очередь, посредством мейотических делений образует сперматоцит второго порядка. На протяжении нескольких дней эти клетки также делятся, образуя сперматиды, которые, пройдя через стадии превращений, становятся сперматозоидами (спермиями).

Во время преобразований от стадии сперматоцита до стадии сперматиды 46 хромосом (23 пары хромосом) сперматоцита делятся так, что 23 хромосомы идут в одну сперматиду, а другие 23 — в другую. Точно так же делятся гены хромосом. Таким образом, половина генетических характеристик будущего плода обеспечивается отцом, половина — матерью.

В целом период сперматогенеза от сперматогонии до сперматозоида занимает около 74 дней.

в) Половые хромосомы. В каждой сперматогонии одна из 23 пар хромосом несет генетическую информацию, которая предопределяет пол будущего плода. Эта пара состоит из одной Х-хромосомы, которую называют женской хромосомой, и одной Y-хромосомы — мужской хромосомы. Во время мейотического деления мужская Y-хромосома идет в одну сперматиду, которая затем становится мужским спермием, а женская Х-хромосома идет в другую сперматиду, которая становится женским спермием. Пол будущего плода определяется тем, какой из этих двух типов спермиев оплодотворит яйцеклетку. Это обсуждается далее в отдельной статье на сайте (просим вас пользоваться формой поиска выше).

г) Образование сперматозоидов. Первоначально образовавшиеся сперматиды все еще обладают обычными признаками эпителиоидных клеток, но скоро они начинают дифференцироваться и вытягиваться, становясь сперматозоидами. Как показано на рисунке ниже, каждый сперматозоид состоит из головки и хвоста.

Строение сперматозоида человека

Головка включает плотное ядро клетки с тонким слоем цитоплазмы и мембрану клетки, окружающую ее снаружи. Снаружи 2/3 передней части головки составляет акросома (в виде толстой шапочки), которая формируется главным образом из аппарата Гольджи. Акросома содержит набор ферментов, подобных найденным в лизосомах типичных клеток, включая гиалуронидазу (которая переваривает протеогликаны волокон тканей) и мощный протеолитический фермент (который может переваривать белки). Эти ферменты играют важную роль, позволяя спермию проникать в яйцеклетку и оплодотворять ее.

Хвост сперматозоида, названный жгутиком, имеет три главных компонента:

(1) центральный скелет, состоящий из 11 микротрубочек, вместе называемых аксонемой (структурой, подобной ресничкам на поверхности некоторых типов клеток, рассмотренных в отдельной статье на сайте - просим вас пользоваться формой поиска выше);

(2) тонкую клеточную мембрану, покрывающую аксонему;

(3) скопление митохондрий вокруг аксонемы на проксимальной части хвоста (называемое телом хвоста).

Возвратно-поступательные движения жгутика (хвоста) обеспечивают передвижение спермия. Подвижность сперматозоида является результатом ритмических продольно скользящих движений передних и задних трубочек, образующих аксонему. Энергия для этого процесса доставляется в форме аденозинтрифосфата, синтезируемого в теле и хвосте.

Нормальный спермий движется в жидкой среде со скоростью от 1 до 4 мм/мин. Это позволяет ему продвигаться по женским половым путям навстречу яйцеклетке.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Читайте также: