Сперматогенез

Сперматогенез – процесс развития мужских половых клеток, приводящий к образованию спермиев. У различных организмов продолжительность сперматогенеза различна, например у крысы 48 дней, мыши – 35 дней, человека – 74-76 дней.

Мужские половые клетки никогда не развиваются в одиночку. Они организованы в синцитиально связанные клоны и сперматогенез – это история жизни клеточной популяции, которая неразрывно связана с телом животного (рис. 4). У большинства организмов сперматогенез протекает с участием вспомогательных соматических клеток, называемых фолликулярным эпителием. Сюда относятся опорные, питающие, защитные, клетки цисты, клетки Сертоли и др. Сперматогенез неотделим от специфического микроокружения половых клеток и обеспечивается вспомогательными клетками, формирующими структуру семенника. Каждая клетка оказывает влияние на соседнюю и сама находится под ее влиянием. Половые клетки в окружении соматических на ранних стадиях развития отделяются от сомы с помощью пограничного слоя соматических клеток, образуя цисту у насекомых или семенной каналец у млекопитающих, таким образом, обособляясь от широкого окружения – гонады или тела. Фолликулярные клетки выполняют опорную, трофическую, транспортную функции, а также участвуют в гормональной регуляции сперматогенеза. В зависимости от взаимоотношений половых и вспомогательных клеток формируются разные типы семенников.

Типы семенников у позвоночных

У позвоночных различают несколько типов семенников по их гистологическому строению.

Фолликулярный, или ампульный, тип семенника (круглоротые) является самым примитивным. Структурно-функциональная единица семенника – фолликул, образованный фолликулярными клетками, между отростками которых располагаются половые клетки. На последней стадии сперматогенеза сперматиды теряют связь с фолликулярными клетками и свободно располагаются в полости фолликула и дифференцируются в сперматозоиды.

Фолликулярно-цистный тип семенника (хвостатые амфибии, хрящевые рыбы) также образован семенным фолликулом, но половые клетки располагаются внутри карманообразных цист, сформированных фолликулярными клетками - сперматоцист. Каждая циста образована одной (рыбы) или несколькими (амфибии) фолликулярными клетками, отростки которых пронизывают полость цисты со сперматогониями. В каждой цисте половые клетки развиваются синхронно. Вся гонада поделена на зоны в зависимости от стадии сперматогенеза. В конце сперматогенеза стенка фолликула разрывается, и сперматозоиды выходят в семенные протоки.

Канальцево-цистный тип семенника (бесхвостые амфибии, костистые рыбы) представлен семенными канальцами, в которых фолликулярные клетки формируют цисты. Половые клетки развиваются внутри цист и тесно связаны с фолликулярными клетками. Сперматиды на стадии формирования погружены в цитоплазму фолликулярных клеток, и затем сформированные сперматозоиды выходят в просвет канальца.

Канальцевый тип семенника (рептилии, птицы, млекопитающие) образован семенными канальцами, в которых фолликулярный эпителий не формирует цист, а выстилает внутреннюю стенку канальца. В течение всего сперматогенеза между половыми и фолликулярными клетками (клетки Сертоли) сохраняется тесная связь. На уровне базальной мембраны клетки Сертоли не связаны друг с другом, а соседствуют с половыми клетками. Однако выше, над слоем сперматогониев клетки Сертоли образуют плотные контакты между боковыми стенками. Половые клетки располагаются в цитоплазме отростков клеток Сертоли, причем одна фолликулярная клетка связана с целой популяцией половых клеток. По мере созревания половых клеток процесс сперматогенеза смещается к центру канальца, и сформированные сперматозоиды выходят в просвет канальца (рис. 5).

Фазы сперматогенеза

Первичные половые клетки, оказавшись в формирующемся семеннике, включаются в его структуру, делятся и образуют сперматогонии – начинается процесс созревания мужских гамет. Сперматогенез включает четыре фазы: размножение, рост, созревание и формирование (рис. 6). В результате размножения, роста и созревания из сперматогониев образуются сперматиды, которые затем дифференцируются в сперматозоиды (стадия формирования).

Размножение

Сперматогонии – это шаровидные клетки небольших размеров. Характерно шаровидное ядро с порошкообразно рассеянным хроматином (низкий обмен, слабый синтез РНК, редко делятся, устойчивы к облучению). Уже перед наступлением периода полового созревания сперматогонии интенсивно делятся митотически. Размножившиеся сперматогонии остаются в состоянии относительного покоя до полового созревания организма.

Рост

С наступлением полового созревания митотическое деление сперматогоний меняется, возникают неравноценные клетки. Одни клетки остаются маленькими – это диплоидные стволовые клетки, которые растут, делятся и снова дают 2 дочерние клетки, одна из которых опять становится стволовой. Другие клетки растут, увеличиваясь в объеме почти в 4 раза, и дифференцируются в сперматоцит первого порядка. Ядро находится в покоящейся предмейотической стадии (пролептотена), характеризующейся конденсацией хроматина и специфическими цитологическими изменениями, в частности, накоплением РНК. В ходе сперматогониальных делений цитокинез не доходит до конца. В результате незавершенных делений клетки формируют синцитий, в котором они сообщаются друг с другом посредством цитоплазматических мостиков диаметром 1 мкм. Последовательные деления дают клоны взаимосвязанных клеток.

Созревание

Сперматоцит I порядка претерпевает затем два быстро сменяющихся деления мейоза. В результате первого деления созревания образуется два сперматоцита второго порядка, а после второго деления - образуются сперматиды (незрелые гаплоидные гаметы). Сперматиды – это небольшие, обычно округлые безжгутиковые клетки с богатой цитоплазмой, погружены в мягкие тела клеток Сертоли и находятся в составе синцитиального клона. Сперматиды претерпевают дифференцировку в сперматозоиды в процессе спермиогенеза.

Формирование (спермиогенез)

Стадия спермиогенеза необходима для того, чтобы сперматиды приобрели способность к движению и взаимодействию с яйцом для осуществления оплодотворения. Это происходит путем формирования сперматиды в сперматозоид.

Процесс перестройки сперматиды в сперматозоид начинается с того, что в зоне сетчатого аппарата Гольджи возникает уплотненная гранула (акробласт), прилежащая к поверхности ядра (рис. 7). Акробласт увеличивается в размерах и шапочкой охватывает ядро, а в его центре формируется уплотненное тельце - акросома. Акросома обычно имеет форму колпачка и содержит спермолизины, необходимые сперматозоиду для проникновения через оболочки яйца в процессе оплодотворения (морской еж). У других животных (некоторые насекомые, костистые рыбы) акросома не образуется, и сперматозоиды проникают в яйцо при оплодотворении через особые отверстия – микропиле. Одновременно с образованием акросомы происходят изменения в ядре. Оно значительно уменьшается в объеме, уплотняется, экспрессия генов в нем прекращается, хроматин конденсируется и становится метаболически инертным, кариоплазма элиминируется. Ядро поворачивается и располагается в той части клетки, которая станет головкой сперматозоида. Ядро вместе с акросомой образуют головку сперматозоида.

Центриоли и митохондрии перемещаются под ядро, в область формирования шейки сперматозоида. Проксимальная центриоль прилегает к ядерной оболочке и остается частью клетки сперматозоида, а дистальная – становится базальным тельцем и формирует аксонему жгутика, который потом превращается в осевую нить хвоста сперматозоида. Жгутики имеют сложное строение. Аксонема – главная двигательная структура жгутика. Она образована двумя центральными одиночными микротрубочками и кольцом из девяти двойных периферических фибрилл (дуплетов). Одна микротрубочка из каждого дуплета содержит 11, а другая – 13 микрофиламентов, образованных белком тубулином. Другой белок микротрубочек – динеин – гидролизует молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), при этом выделенная химическая энергия преобразуется в механическую, и происходит движение сперматозоида. Такой осевой комплекс микротрубочек «9(2)+2» сохранился во всем царстве эукариот, что показывает исключительную эффективность этой организации для передачи энергии в процессе движения.

Митохондрии располагаются в шейном отделе и окружают основание жгутика кольцом, от которого исходит энергия для его подвижности. У некоторых животных в сперматидах меняется ультраструктура митохондрий, которые сливаются и формируют хондросому.

Сперматиды утрачивают большую часть цитоплазмы вместе с некоторыми органеллами (эндоплазматический ретикулум, рибосомы). Цитоплазма по мере роста хвоста постепенно смещается на него, сползая с ядра и сосредотачиваясь в средней части формирующегося сперматозоида. Остальная часть цитоплазмы сбрасывается и распадается в просвете семенного канальца или поглощается фолликулярными клетками. Фолликулярные клетки продуцируют жидкость, накапливающуюся в просвете канальца. С этой жидкостью отделяются готовые сперматозоиды, становящиеся свободными клетками. Таким образом, из каждой начальной клетки (сперматогония) образуется 4 сперматиды и, следовательно, 4 сперматозоида.

Строение сперматозоидов

Сперматозоиды различных животных, относящихся к разным таксономическим группам, сильно отличаются друг от друга по размерам и соотношением в них различных частей (рис. 8). Не установлено никакой зависимости между размерами тела животного и длиной сперматозоида. Однако все они обладают некоторыми общими чертами, связанными с их основными функциями - способностью к выживанию и оплодотворению, а именно активации яйцеклетки и введению своей ДНК в женскую половую клетку.

На основании общих признаков сперматозоиды делятся на бесхвостых и хвостатых.

Бесхвостые спермии различны по своему строению, имеют причудливые формы и встречаются у некоторых беспозвоночных животных (многие круглые черви, ракообразные). Например, у аскариды спермий имеет вид конуса, в расширенной части которого располагается ядро, митохондрии, аппарат Гольджи. Наиболее разнообразны бесхвостые спермии у ракообразных. У одних они шаровидные, у других – в виде короткой ленты или отросчатой клетки. У 10-ногих раков сперматозоиды особенно своеобразны: имеют головку, шейку и особую капсулу. В шейке залегает проксимальная центриоль, и отходят три отростка. Капсула хитиноподобная и сложная, заполнена веществом, способным взрываться. У клещей в большинстве случаев сперматозоиды крупные, чечевицеобразные или округлые и почти неподвижные.

Хвостатые – это типичные спермии. Они являются более древним типом спермиев и широко распространены среди почти всех типов и классов животных – от губок до позвоночных. Обычно сперматозоид имеет форму нити с шаровидным или яйцевидным утолщением на конце. В спермии типичного вида морфологически различают следующие отделы: головку, шейку, промежуточную или среднюю часть и хвостовой отдел (рис. 7).

Снаружи спермий одет протоплазматической пленкой, которая в области головки утолщается и принимает вид колпачка. Головка состоит из акросомы и ядра. Акросома возникает из аппарата Гольджи сперматиды и образует, кроме собственно акросомы, лежащей поверх ядра, двухслойную мембрану – головной чехлик сперматозоида, идущий вдоль внешней поверхности ядра. В акросоме содержится фермент – гиалуронидаза, под влиянием которого растворяются мукополисахариды, скрепляющие фолликулярные клетки яйцеклетки. Акросома играет важную роль в проникновении сперматозоида в яйцо при оплодотворении и в активации яйца и стимуляции его к дальнейшему развитию. У некоторых видов, главным образом, у морских беспозвоночных, акросома при соприкосновении сперматозоида с яйцеклеткой выделяет акросомную нить.

Ядро сперматозоида содержит мужской наследственный материал в виде плотного хроматина, который представляет собой концентрированный дезоксирибонуклеопротеид, молекулы которого располагаются параллельно в ядре.

В шейке сперматозоида расположены две центриоли: проксимальная и дистальная. Они лежат под прямым углом друг к другу. Из дистальной центриоли образуется соединенная с ней осевая нить хвоста сперматозоида, а проксимальная центриоль играет важную роль в делении оплодотворенного яйца.

Средняя часть сперматозоида почти полностью состоит из митохондрий. В сперматозоидах некоторых животных они образуют компактные изолированные скопления по всей средней части; у других – плотную оболочку, окружающую дистальную центриоль и проксимальную часть осевой нити. Митохондрии содержат большое количество гликогена и других макроэргических веществ (АТФ, АДФ). Следовательно, средняя часть сперматозоида связана с метаболической и энергетической активностью гаметы.

Хвост состоит из связующего отдела, осевой нити и концевой части. Осевая нить является главным элементом в хвосте сперматозоида. Она окружена небольшим количеством цитоплазмы и клеточной мембраной. У млекопитающих осевую нить окружают дополнительные более тонкие нити. У некоторых животных (например, рыб) она окружена также ундулирующей мембраной. В хвостовой нити содержится фермент аденозинтрифосфотаза, который расщепляет АТФ, синтезируемую митохондриями и освобождает тем самым энергию. Поэтому хвост обеспечивает подвижность сперматозоидов, так как для встречи с яйцом они должны передвигаться на

различные расстояния; передвижение осуществляется путем сгибательно-разгибательных, ударных и волнообразных движений хвоста.

Различные отделы сперматозоида имеют разное морфологическое строение и выполняют специфические функции: акросома имеет активирующую функцию, ядро – генетическую, средняя часть – метаболическую, хвостовые нити – двигательную.

Наиболее просто устроены хвостатые спермии у губок, кишечнополостных, гребневиков, немертин, полихет, иглокожих, ланцетника, костистых рыб. Головка у них короткая – овальная или круглая, на переднем конце – акросома, шейка не выражена, связующий отдел короткий и содержит центриоль и венчик крупных сферических митохондрий в количестве 4-10. Хвост отходит от центриоли и длина его различна.

У насекомых спермии значительно крупнее. Головка вытянута в длину, прямая или слегка закручена и обычно без особых границ переходит в хвостовую часть. Осевая нить хвоста обычно окружена слоем митохондрий. Акросома имеет различное строение и иногда помещается сбоку.

У позвоночных встречаются только хвостатые спермии, у которых более четко выражен общий типичный план строения.

Сперматогенез у человека

Развитие сперматозоидов происходит в извитых семенных канальцах семенника. Длина извитого канальца сравнительно большая (70-80 мм), и сперматогенез протекает неравномерно, волнами, поэтому на гистологических препаратах на одном срезе канальца не всегда можно наблюдать все стадии развития половых клеток. Цикл развития мужских половых клеток у человека продолжается около 74 суток.

Концентрация сперматозоидов в сперме обычно более, чем 200 млн клеток в одном выделении. У мужчин со сниженной вдвое концентрацией спермиев возникает риск бесплодия.

В процессе сперматогенеза у человека выделяют стадию пресперматогенеза, когда первичные семенные клетки, достигнув гонады, митотически делятся и дифференцируются в сперматогонии. Зародыш человека в это время имеет размеры около 15 мм. Сперматогонии находятся в тесной связи со вспомогательными клетками и обнаруживают некоторую степень клеточной дифференцировки. Процесс пресперматогенеза продолжается около 10 лет (от закладки мужской гонады до половозрелости) и сопровождаются становлением гистологической архитектоники семенника. Митотическая активность сперматогониев сменяется периодами дегенерации клеток. Сначала образуются сперматогонии типа А1 – небольшого размера клетки с овальным ядром. Это стволовая клетка, способная к самовоспроизводству. При делении стволовой клетки формируется вновь сперматогоний типа А1 и новый слабо окрашенный сперматогоний типа А2, который дает начало сперматогониям типа А3 и А4. Далее выявляются промежуточные сперматогонии, в результате деления которых образуются сперматогонии типа В. В результате митотического деления сперматогонии типа В дифференцируются в сперматоциты первого порядка, которые вступают в мейоз. После первого деления мейоза сперматоцит I порядка образует два сперматоцита второго порядка, которые после второго деления мейоза формируют сперматиды.

В течение всех этих последовательных делений формируются клоны взаимосвязанных клеток, соединенных между собой цитоплазматическими мостиками. По мере прохождения пути от сперматогоний типа А1 до образования сперматид, клетки все более удаляются от базальной мембраны семенного канальца к просвету. Сперматиды, локализованные на границе просвета, утрачивают свои цитоплазматические связи и дифференцируются в сперматозоиды. Образование и созревание сперматозоидов начинается с наступлением периода полового созревания организма и продолжается до старости.

Экспрессия генов при сперматогенезе

Транскрипция генов при сперматогенезе происходит обычно на стадии диплотены профазы мейоза и синтезированная РНК может храниться для более позднего использования. Этот процесс показан у многих организмов, но основные исследования проведены на дрозофиле. У дрозофилы транскрипция генов Y-хромосомы важна для дифференцировки сперматид в сперматозоиды и необходима для формирования жизнеспособной спермы. Так, дрозофилы с кариотипом XY и XO являются самцами с одной разницей, что мухи XO - стерильны. Структурные нарушения Y-хромосомы вызывают аномалии сперматозоидов.

Гены, транскрибируемые при сперматогенезе, отвечают за подвижность спермия или за связывание с яйцеклеткой. Например, ген тубулина β2 у дрозофилы участвует в формировании мейотического веретена, аксонемы и микротрубочек. Ген биндина у морского ежа участвует в формировании акросомного пузырька.

Транскрипция генов происходит не только в течение профазы мейоза, например, экспрессия гаплоидного гена у мышей происходит в сперматидах.

У некоторых видов сперматозоиды могут нести информацию для развития, которая не компенсируется яйцеклеткой – геномный импринтинг. Это эпигенетическое явление, при котором наследуемые изменение генной активности обусловлены родительским происхождением хромосом или их фрагментов, а не структурной перестройкой генетического материала. В результате генетический материал (хромосомный, генный уровень) фенотипически проявляется у потомства по-разному, в зависимости от того, унаследован он от матери или от отца. Например, открыты гены с отцовским эффектом: гомозиготные рецессивные аллели самца вызывают аномалии развития зародыша, даже если самка гомозиготна по аллелю дикого типа. В случае скрещивания самца дикого типа с гомозиготной самкой по мутантному аллелю развивается нормальный зародыш.