| www.big-archive.ru Большой информационный архив |
|
Сперматогенез |
|
|
|
Сперматогенез (от греч. sperma, spermatos — семя, genesis — происхождение, возникновение) представляет собой превращение первичных половых клеток в зрелые сперматозоиды. Этим термином обозначают и спермиогенез. Сперматогенез можно разделить на три основные стадии: размножение клеток путем митоза, мейоз и спермиогенез. Митоз первичных половых клеток происходит на протяжении всей жизни мужчины, начиная с периода полового созревания. Митотически активные клетки, находящиеся вблизи наружной стенки семенных канальцев, известны под названием сперматогоний (рис. 57). Сперматогонии А представляют собой популяцию стволовых клеток. В ней имеется группа темных неделящихся клеток, которые, вероятно, образуют «долгосрочный резерв». Некоторые из этих клеток превращаются в митотически активные бледные клетки, а в конечном счете - в сперматогонии В, которые делятся митотически, дифференцируются в сперматоциты 1-го порядка и вступают в мейоз. Сперматогонии В не всегда располагаются на базальной мембране. Они отличаются от сперматогоний своими округлыми ядрами, содержащими конденсированный хроматин, располагающийся либо вблизи нуклеолеммы, либо вблизи ядрышка. В их цитоплазме содержатся свободные рибосомы, митохондрии, достаточно хорошо выраженный комплекс Гольджи, гранулярный эндоплазматический ретикулум.
Для превращения светлой сперматогонии в сперматогонию требуется четыре последовательных митотических деления, при которых генетически клетки не меняются, но происходит их морфофунюфональная перестройка. После того как в этих клетках пройдет последнее самоудвоение ДНК, они получают название прелептотенных сперматоцитов 1-го порядка, имеющих большое ядро с хорошо видимыми обособленными хромосомами, по-прежнему содержащее их полный диплоидный набор; теперь они готовы к прохождению мейотической стадии сперматогенеза. Сперматоциты 1-го порядка, или первичные сперматоциты, соединены между собой межклеточными мостиками, которые остаются при митозе сперматогонии А благодаря неполному разделению клеток. Последующие поколения клеток также остаются соединенными между собой, в результате чего образуется синцитий, клетки которого составляют клон. Клетки синцития делятся синхронно, лишь единичные клетки не делятся. Во время первого деления мейоза (мейоз I) каждый такой сперматоцит 1-го порядка делится на две дочерние клетки. В это время на гистологическом препарате можно наблюдать характерные фигуры разделяющихся хромосом на стадиях метафазной пластинки, анафазы, обособления ядер и образования перетяжки клеток. В результате мейоза I образуются две дочерние клетки — сперматоциты 2-го порядка, каждый из которых содержит гаплоидный набор (23) d-хромосом (d-хромосома — хромосома после репликации ДНК, которая состоит из двух дочерних молекул ДНК). Вторичные сперматоциты расположены ближе к просвету канальца. Во время второго деления мейоза (мейоз II) из каждого сперматоцита 2-го порядка образуются две сперматиды. Таким образом, в результате деления одной сперматогонии образуются четыре сперматиды, каждая из которых обладает гаплоидным набором хромосом (рис. 58). Сперматида — мелкая клетка округлой формы с крупным ядром, которое впоследствии приобретает овоидную форму и располагается эксцентрично (ближе к стенке канальца). Процесс первого мейотического деления у человека занимает несколько недель, тогда как второе завершается в течение 8 ч, поэтому сперматоциты 2-го порядка найти на препаратах трудно. В результате мейотической фазы сперматогенеза образуются четыре гаплоидные сперматиды, содержащие по 22 соматические и 1 половой хромосоме. В отличие от образования женских половых клеток, где всегда образуются гаметы, содержащие женскую Х-хромосому, при сперматогенезе образуются различные сочетания аутосомных и половых хромосом: половина клеток содержит половую Х-хромосому, половина — Y-хромосому. Таким образом, сперматозоиды можно условно разделить на «женские» (X) и «мужские» (Y): первые после оплодотворения дадут женский пол (XX), вторые - мужской (XY). Суммарно из одной стволовой сперма-то гонии образуются 64 сперматиды. По мере созревания клетки продвигаются от базальной мембраны к просвету канальца, и в различных участках канальца можно наблюдать сперматогенные клетки на разных этапах развития и дифференцировки (рис. 59, 60). Важная особенность сперматогенеза заключается в том, что в ходе последовательных делений цитокинез (расхождение клеток) не доходит до конца. Клетки остаются связанными между собой посредством цитоплазматических мостиков диаметром 1—2 мкм, образуя синцитий. Поскольку молекулы и ионы легко проникают через межклеточные мостики, клетки такого клона развиваются синхронно. Такая связь нарушается только при достижении ими стадии сперматид. Генетически сперматиды представляют собой конечный продукт мейоза. Но, прекращая деление, они подвергаются глубоким преобразованиям, превращаясь из относительно обычных на вид клеток в чрезвычайно специализированные — сперматозоиды. Третий период сперматогенеза — превращение сперматид в сперматозоиды — носит название спермиогенез, или метаморфоз сперматид. В ходе сложного процесса спермиогенеза сперматиды дифференцируются в зрелые сперматозоиды. Дифференцирующие сперматиды лежат в углублениях плазматической мембраны клеток Сертоли. При спермиогенезе область ядра, обращенная к стенке семенного канальца, постепенно вытягивается и заостряется. Комплекс Гольджи формирует гранулы, которые сливаются между собой, образуя акросомальную гранулу (акробласт), контактирующую с апикальной частью ядра. Одновременно гиперплазирующиеся мешочки комплекса Гольджи окружают акросомальную гранулу, в результате чего образуется акросома, содержащая протеолитические ферменты (в основном гиалуронидазу и трипсиноподобный акрозин), которые при контакте с яйцеклеткой разрушают ее прозрачную зону. При отсутствии или недоразвитии акросомы сперматозоид теряет способность оплодотворять яйцеклетку. Из одной центриоли начинают образовываться микротрубочки, группирующиеся сначала по три, а затем по две, к ним мигрируют митохондрии, образующие вокруг микротрубочек характерную спиральную структуру. Формируется специализированная органелла движения — жгутик. Одновременно большинство внутриклеточных структур редуцируется. В результате примерно за 16 дней круглая сперматида со сферическим ядром превращается в чрезвычайно специализированную клетку, имеющую маленькую головку длиной 5 мкм и шириной 3 мкм, подвижный хвост длиной 50 мкм,
предназначенный для единственной задачи — доставки наследственного материала отца в материнскую яйцеклетку (см. рис. 59). В процессе спермиогенеза существенно уменьшается количество цитоплазмы формирующегося сперматозоида. Большая часть ее образует остаточное тельце, которое отделяется от клетки и фагоцитируется поддерживающим эпителиоцитом, или сустентоцитом (клеткой Сертоли). Меньшая часть цитоплазмы покрывает тонким слоем ядро, связующую, промежуточную и не полностью главную части сперматозоида. Разделение клеток одного клона происходит на последних этапах формирования сперматозоидов, которые отделяются от клеток Сертоли и попадают в просвет канальца, где находится жидкость, вырабатываемая клетками Сертоли. Спермий (сперматозоид, сперматозоон) человека длиной около 65 мкм, имеет головку и жгутик (хвостовой конец), покрыт, словно чехлом, цитоплазматической мембраной (рис. 61). Удлиненная и закругленная (спереди) головка (длина около 5 мкм, ширина около 3 мкм и толщина около 1 мкм) заполнена в основном ядром. С точки зрения гидродинамики, головка наиболее приспособлена для выполнения функции продвижения в жидкости половых путей женщины, проникновения в яйцеклетку и внесения в нее ДНК. Плотное ядро заполнено конденсированным хроматином, лишь некоторые участки его имеют более светлый вид - это ядерные пузырьки. Каждый сперматозоид имеет 22 хромосомы — аутосомы — и одну половую Х- или Y-хромосому. Почти все ядро сперматозоида окутано акросомой, отделенной узкой щелью от цитолеммы и наружной ядерной мембраны. Ядерные поры имеются лишь в дистальном отделе ядра в области связующей части. Уплощенная, несколько вогнутая дистальная часть ядра, лежащая на базальной чашечке -тонкой пластинке мелкозернистого электронно-плотного вещества, образует сочленяющую ямку. Жгутик, или хвостовой конец, сперматозоида состоит из связующей, промежуточной, главной и конечной (терминальной) части. Связующая часть длиной около 1 мкм, начинается базальной чашечкой, содержит проксимальную и дистальную центриоли, окруженные столбчатым основанием, образованным девятью сегментированными полосатыми столбами, являющимися отростками плотных столбов. Проксимально полосатые столбы формируют головку, которая контактирует с базальной чашечкой. От промежуточной части через весь жгутик проходит аксонема, состоящая из девяти периферических двойных и одной пары центральных микротрубочек. Каждая периферическая двойная трубочка состоит из более электронно-плотной трубочки А, снабженной двумя «ручками», и менее плотной трубочки В, лишенной «ручек». От каждой трубочки А к центральной паре отходит полоска осмиофильного вещества, содержащего сократительный белок динеин. Через промежуточную часть длиной около 7 мкм и толщиной около 1 мкм вокруг аксонемы проходят девять плотных продольно ориентированных волокон, окруженных митохондриальным влагалищем, образованным спирально расположенными митохондриями с хорошо развитыми кристами.
Митохондрии синтезируют АТФ, необходимую для движения жгутика. До сих пор окончательно не выяснена роль плотных волокон. Возможно, они вместе с динеином участвуют в осуществлении движений сперматозоида. Плотное кольцо, связанное с цитолеммой, находится на границе между промежуточной и главной частями сперматозоида. На этом уровне заканчивается митохондриальное и начинается волокнистое влагалище. Через главную часть жгутика длиной около 45 мкм и толщиной около 0,5 мкм проходит аксонема, окруженная лежащим под цитолеммой волокнистым влагалищем. Последнее представляет собой тонкофибриллярный чехол, состоящий из двух продольных столбов, расположенных друг против друга, от которых в обе стороны отходят циркулярно расположенные фибриллы. В проксимальной половине главной части между волокнистым влагалищем и аксонемой проходит семь плотных волокон, остальные два трансформировались в продольные столбы волокнистого влагалища. При переходе проксимальной половины главной части в дистальную плотные волокна заканчиваются, и далее аксонема окружена лишь волокнистым влагалищем, которое простирается до начала конечной (терминальной) части, образованной покрытой цитолеммой аксонемой. В самом конце жгутика описанная структура аксонемы нарушается и количество микротрубочек уменьшается. Суммарно у человека развитие сперматозоидов происходит в течение 74 (73—75) суток, и каждый час их в яичках образуется около 100 млн штук (Гилберт С, 1995). Однако сперматозоид, образовавшийся в яичке, еще не способен оплодотворить: жгутик пока не может самостоятельно двигаться и ферменты акросомы не «созрели» для проникновения через защитные оболочки яйцеклетки. Эти свойства сперматозоид приобретает в результате перехода через придаток яичка. Сложный процесс сперматогенеза регулируется множеством гормонов. Соматотропный гормон гипофиза стимулирует рост и размножение сперма-то гоний. ГТРГ, воздействуя на гипофиз, вызывает синтез и секрецию Л Г и ФСГ. ФСГ обеспечивает превращение сперматогоний в спермациты. Л Г, пролактин и тестостерон (его синтез и секрецию стимулирует ЛГ) способствую превращению сперматоцитов в сперматиды. Сперматогенез протекает с влиянием ФСГ и тестостерона. После полового созревания гипоталамус начинает выделять гонадотропшт рилизинг-гормон, под влиянием которого гипофиз секретирует фолликулостимулирующий (ФСГ) и лютеинизирующий гормон (ЛГ), воздействующий на эпителиосперматогенный слой извитых семенных канальцев и на клетки Лейдига. Последние выделяют большое количество тестостерона. Под влиянием ФСГ гипофиза клетки Сертоли синтезируют андрогенсвязывающий белок (АСБ), который, связываясь с тестостероном, образует комплекс АСБ-Т, непосредственно влияющий на сперматогенез. Кроме того, клетки Сертоли вырабатывают полипептид ингибин, тормозящий секрецию ГТГРГ и ФСГ. Вместе с тем сегодня известно, что тестостерон поступает в извитые семенные канальцы и непосредственно по ультрамикроскопическим канальцам, идущим от клеток Лейдига к клеткам Сертоли. Однако гормональное воздействие не ограничивается описанными гормонами. Тиреоидные гормоны и кортикостероиды влияют на процесс связывания тестостерона клеточными рецепторами сперматогенного эпителия. Простагландины оказывают модулирующее влияние на действие Л Г. Ряд гормонов регулируют количественную сторону сперматогенеза. Это, в первую очередь, тестостерон, а также эстрогены и ингибин. Они воздействуют по типу обратных связей на выработку ГТРГ и ФСГ. В яичке имеется три типа клеток: собственно клетки сперматогенеза, интерстициальные эндокриноциты (клетки Лейдига) и клетки Сертоли. Каждая из них выполняет уникальные биологические функции, и их тесное и гармоничное взаимодействие является обязательным условием нормального протекания сперматогенеза (рис. 62). Интерстициальные эндокриноциты (клетки Лейдига) скоплениями по 3-5 расположены в межканальцевых пространствах - интерстиции. Количество клеток Лейдига у молодого мужчины около 500 млн. Гипофизарный гормон ЛГ, действуя на соответствующие поверхностные рецепторы, вызывает образование в клетках Лейдига андрогенов — мужских половых гормонов тестостерона (преобладает) и андростерона. Средняя суточная продукция тестостерона в организме 20—40-летних мужчин составляет 4—7 мг. Исходным субстратом для синтеза тестостерона является холестерин крови. Этот процесс идет с образованием нескольких промежуточных метаболитов: холестерин — прегненолон — андростендиол — тестостерон. Возможен второй путь, в котором одним из предшественников является прогестерон. Совокупность этих реакций происходит в гладком эндоплазматическом ретикулуме, который имеет вид сложнопереплетающихся трубочек в цитоплазме клеток Лейдига. Большая часть синтезированного тестостерона (97—98%) циркулирует в организме в виде устойчивого комплекса с белками плазмы (секс-стероидсвязывающим глобулином, альбумином и др.). Лишь около 2% тестостерона •циркулирует в свободном виде и подвергается интенсивному метаболизму только в клетках-мишенях. В этом процессе ключевая роль принадлежит ферменту йаредуктазе, которая превращает тестостерон в его более активную форму. Тестостерон влияет практически на все клетки мужского организма. Основными эффектами тестостерона у мужчин является: — половая дифференцировка по мужскому типу в эмбриогенезе; — половая дифференцировка мозга и формирование его структур, обеспечивающих мужскую сексуальность, включая мужское половое поведение; — развитие первичных (половые органы) и вторичных половых признаков. Вторичные половые признаки (рост волос на лице и на лобке, становление голоса, мышечное развитие) появляются в период полового созревания и свидетельствуют о наступлении половой зрелости;
— серьезное воздействие в пубертатном периоде; на лимботические и корковые структуры ответственные за сексуальность и эротические эмоции (я называю это «эротизацией мозга»); — общее (генерализованное) анаболическое действие (воздействие на обменные процессы, образование органических веществ, в первую очередь белка), обеспечивающее рост скелета и скелетной мускулатуры, распределение подкожной жировой клетчатки и т.д.; — стимуляция эритропоэза; — задержание в организме азота, фосфора, кальция, калия; — активация транскрипции (синтез РНК); — регуляция сперматогенеза. Андрогены производят два действия, одинаково важных для фертильности мужчины. Во-первых, значительное количество тестостерона выделяется периферическую кровь и поддерживает мужское либидо, половое влечение и потенцию. Во-вторых, близость клеток Лейдига к семенным канальцам создает высокую (в 10 раз больше, чем в периферической крови) концентрацию тестостерона в самом яичке, что необходимо для поддержания нормального сперматогенеза внутри комплекса клетки Сертоли — сперматогенные клетки. Тестостерон — основной стимулятор сперматогенеза. Андростерон необходим для нормального полового развития мужчины. Кроме андрогенов клетки Лейдига вырабатывают активин, стимулирующий выработку ФСГ. У мужчин в возрасте от 25 до 45 лет содержание тестостерона в крови колеблется в пределах от 12 до 40 нмоль/л (колебания в течение суток достигают 30%), максимальное его количество вырабатывается утром, а в годовом цикле - весной. Клетки простаты, семенных пузырьков, гладкие мышечные клетки сосудов пещеристых тел и других органов мужской половой системы, клетки кожных структур, а также гипоталамуса и коры полушарий большого мозга содержат огромное количество рецепторов к тестостерону. Тестостерон действует на клетки-мишени только после превращения в 5а-дегидротесто-стерон (5а-ДГТ). Это превращение осуществляется непосредственно в клетках-мишенях. При этом последний не влияет на гипоталамус и гипофиз. Андрогены (главным образом тестостерон) воздействуют по принципу обратных связей на гипоталамус и на лимбическую систему; которая формирует половое поведение и одновременно агрессивность. У мужчин тестостерон влияет на формирование и других форм поведения. Для этого необходимо некое пороговое содержание гормона в крови — 3—6 нмоль/л (1—2 нг/мл), его увеличение в этом смысле неэффективно. Андрогены влияют на системы мозга, связанные с эмоциональными и когнитивными факторами сексуальной реакции (Bancroft J., 1989, Bancroft J., и Wu F.C.W., 1983). Тестостерон влияет на двигательные нейроны, иннервирующие поперечнополосатые мышцы мочеполовой диафрагмы, сокращение которых обуславливает ригидность полового члена. В женском организме андрогены секретируются корой надпочечника и стромальными клетками яичника. У женщин они регулируют половое влечение, реактивность и чувствительность половых органов, стимулируют либидо. Частота половых контактов, сексуальные мысли и фантазии, половая привлекательность, половые мотивации — все это определяется тестостероном (Bancroft J. et al., 1980). При этом частота половых контактов пропорциональна содержанию тестостерона в крови, которое наиболее высоко в предовуляторном периоде. Сустентоциты (клетки Сертоли) своим основанием лежат на стенке семенного канальца, а апикальным обращены в просвет. Их функция регулируется гипофизарным ФСГ, к которому на поверхности клеток имеются рецепторы. Клетки Сертоли выполняют ряд функций, обеспечивающих нормальное развитие сперматогенных клеток: 1) выделение в просвет извитых семенных канальцев жидкости, в которой плавают сперматозоиды; 2) питание (трофику) посредством доставки кислорода и питательных веществ из тканевой жидкости; 3) фагоцитоз в отношении цитоплазматических фрагментов сперматид при спермиогенезе; 4) выделение гормоноподобного вещества ингибина, которое посредством обратной связи участвует в регуляции выработки ФСГ (кроме ингибина тормозящее действие на секрецию ФСГ оказывают тестостерон и эстрадиол); 5) выработка и выделение в приканальцевую лимфу эстрогенов; 6) выработка андрогенсвязывающего белка (АСБ) - белка-переносчика, в комплексе с которым тестостерон способен оказывать стимулирующее действие на сперматогенез; 7) формирование гематотестикулярного барьера (ГТБ), обеспечивающего иммунологическую изоляцию сперматогенных клеток от остального организма. Последнее особенно важно, поскольку половые клетки появляются в период, когда иммунная система полностью сформирована и реагирует на любые новые антигены как на врагов. Клетки сперматогенеза, начиная с момента завершения мейоза I, генетически, а следовательно и иммунологически, отличаются от исходных («знакомых») форм, и против них могут выработаться активированные Т-лимфоциты и антитела. Этому препятствует ГТБ, изолирующий сперматогенные клетки от крови, а точнее, Т-лимфоцитов-хелперов, являющихся инициатором иммунологических реакций. Главным элементом ГТБ являются клетки Сертоли, три ряда контактов между которыми образуют своеобразную систему «шлюзов», через которую по направлению к просвету канальца проходят клетки сперматогенеза по мере своего созревания от сперматогоний до сперматозоидов. Эти контакты препятствуют попаданию антигенов зрелых половых клеток в кровоток и таким образом препятствуют ауто-иммунизации — развитию аутоиммунного воспалительного процесса, приводящего к нарушению сперматогенной функции яичек.
|
|
|
|
|
