Сперматогенез – процесс образования мужских половых клеток (сперматозоидов) (рис.1). Сперматозоиды образуются в мужских гонадах – семенниках (лат. testis). Сперматогенез у млекопитающих происходит практически всю жизнь, начиная с пубертатного периода.
Строение семенника. Семенники млекопитающих, как и у всех Amniota, относятся к канальцевому типу. 95% ткани семенника составляют извитые семенные канальцы (tubuli seminiferi contorti). Они образованы сперматогенным эпителием, лежащим на базальной мембране. Снаружи к базальной мембране извитых канальцев прилежат сократимые перитубулярные миоидные клетки. Извитые канальцы переходят в прямые (tubuli seminiferi recti) и обоими концами впадают в сеть яичка (rete testis) – начало семявыносящих путей. Пространство между канальцами заполнено соединительнотканной стромой. В строме семенника присутствуют клетки Лейдига – эндокринные клетки, которые вырабатывают тестостерон. Клетки Лейдига расположены диффузно, однако их расположение непосредственно связано с кровеносными сосудами. Выделение тестостерона клетками Лейдига регулируется концентрацией лютеинизирующего гормона (ЛГ, лютропин), выделяемого гипофизом.
Сперматогонии. Сперматозоиды, как и ооциты у самок, образуются из первичных половых клеток (гоноцитов). У млекопитающих отсутствует половая плазма, и первичные гоноциты образуются de novo из соматических клеток эмбриона посредством индукции.
Непосредственными предшественниками мужских половых клеток у млекопитающих являются стволовые сперматогенные клетки (ССК), также называемые сперматогониями типа А. Они расположены в пристеночном слое извитых семенных канальцев, и непосредственно прилежат к базальной мембране. ССК делятся нерегулярно.
Период размножения. Время от времени потомки ССК проходят стадию дифференцировки, перемещаются ближе к просвету канальца и вступают в период размножения (рис.2). При этом их деления становятся регулярными и синхронными. Эти клетки называются сперматогониями типа B, а их деления – сперматогониальными. Число сперматогониальных делений детерминировано генетически, видоспецифично. На всех стадиях, начиная со сперматогониев типа B, все клетки клона соединены цитоплазматическими мостиками (фузомами). Объединение клеток клона в синцитий обеспечивает синхронность стадий сперматогенеза и равномерность распределения РНК и белков между клетками.
Период созревания. Клон сперматогониев перемещается ближе к просвету канальца и вступает в I деление мейоза. Генерация клеток, вступивших в мейоз, получает название сперматоцитов I порядка. Наиболее продолжительным этапом периода созревания является профаза I мейоза (у мыши из 14 дней 12,5 занимает профаза I). Профаза I состоит из 5 последовательных стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез. Также выделяется прелептотена – стадия дупликации ДНК, предшествующая мейозу (на этой стадии сперматоцит наиболее уязвим для внешних факторов). Начиная с профазы I, сперматоциты I порядка располагаются в адлюминальном компартменте сперматогенного эпителия.
Стадии профазы I различимы по морфологии ядра сперматоцита. На стадии лептотены хромосомы имеют вид тонких спирализованных нитей, содержащих многочисленные окрашенные гранулы – хромомеры. В зиготене между хромосомами встраивается белковый синаптонемный комплект, объединяющий гомологичные хромосомы в биваленты. На стадии пахитены (самый продолжительный этап) происходит конденсация бивалентов. Именно на этом этапе происходит кроссинговер – обмен гомологичными участками. Это обеспечивает рекомбинацию, хроматиды становятся генетически различными. На стадии диплотены биваленты разделяются, синаптонемный комплект остаётся только в зоне кроссинговера, образуя хиазмы (перекресты). На стадии диакинеза происходит расхождение хроматид.
После I деления мейоза клетки называются сперматоцитами II порядка. Между I (редукционным) и II (эквационным) делениями мейоза не происходит дупликации ДНК, каждая дочерняя клетка получает гаплоидный набор хромосом.
Спермиогенез. После II деления мейоза клетки получают название сперматид. Они проходят ряд сложных цитологических перестроек, не связанных с делением клетки, получивших название спермиогенеза. Основные процессы, происходящие при спермиогенезе:
1. Изменение морфологии ядра. Конденсация хроматина, выключение генома. Ранее, в сперматоцитах на стадии пахитены, проходит этап конденсации хроматина – замена гистонов на протамины (небольшие, богатые аргинином, белки, располагающиеся в малой бороздке спирали ДНК), которые позволяют упаковать ДНК более компактно и в более защищённой форме.
2. Формирование акросомы – органоида, содержащего литические ферменты, необходимые для оплодотворения
3. Формирование локомоторного аппарата – жгутика, и шейки, содержащей митохондрии.
4. Элиминирование большей части цитоплазмы
Окончательным этапом сперматогенеза является отделение сперматозоидов от клеток Сертоли в просвет канальца – спермиация. Сперматозоиды в семенных канальцах движутся пассивно за счёт сокращений перитубулярных миоидных клеток. Способность к активному движению они приобретают в придатке семенника.
У грызунов сперматогенез проходит волнами по длине канальца, поэтому на различных срезах наблюдаются различные стадии (рис.3).
Клетки Сертоли. В семенниках зрелых млекопитающих присутствуют как половые, так и соматические клетки. Сперматогенный эпителий извитых семенных канальцев лежит на базальной мембране. Его соматический компонент у млекопитающих представлен клетками Сертоли, или сустентоцитами. У половозрелых самцов эти клетки не делятся и образуют стабильную систему. Они имеют большое неровное ядро, в них сильно развит гранулярный ЭПР. У мыши можно отличить клетки Сертоли по структуре ядра: они имеют 1 ядрышко и 2 гетерохроматиновые глыбки. Эти клетки выполняют ряд функций, обеспечивающих нормальное протекание сперматогенеза:
1. Образование ниши для стволовых сперматогенных клеток.
2. Поддерживающая и трофическая функция для половых клеток (все клетки сперматогенного ряда лежат в цитоплазматических карманах сустентоцитов). Регуляция пролиферации и дифференцировки половых клеток, выработка ростовых факторов.
3. Образование гемато-тестикулярного барьера. Клетки Сертоли соединены плотными контактами. Зона плотных контактов разделяет сперматогенный эпителий на базальный и адлюминальный компартменты. Адлюминальный компартмент – иммунопривилегированная зона (при нарушении целостности гемато-тестикулярного барьера происходит атака половых клеток иммунной системой, вызывая воспаление – орхит).
4. Перемещение половых клеток из базального в адлюминальный компартмент на стадии лептотены профазы I.
5. Паракринная и гормональная регуляция сперматогенеза. Клетки Сертоли синтезируют андроген-связывающий белок, который обеспечивает высокую концентрацию тестостерона (вырабатываемого клетками Лейдига) в просвете канальца. В эмбриональном периоде клетки Сертоли секретируют также антимюллеровский гормон, направляющий дифференцировку репродуктивной системы по мужскому типу.
6. Фагоцитоз гибнущих половых клеток. Массированная гибель клеток (60%) связана с отбором и происходит прежде всего на стадиях размножения и созревания.
Рис. 1. Сперматогенез (С.Гилберт, 1995)
Рис. 2. Схематический рисунок среза через семенной каналец (С.Гилберт, 1995)
Рис. 3. Семенник крысы