Физиология сперматогенеза. 
Физиология репродуктивной системы млекопитающих

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ 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 сперматогониальные 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-изолированные; стволовые клетки обезьян — типа А-темные, стволовые клетки человека — типа А-длинные.

Стволовые сперматогониальные клетки имеют характерные морфологические признаки. Обычно стволовая сперматогониальная клетка лежит изолированно, она не соединена цитоплазматическими мостиками с другими сперматогониями, 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 быстрообновляющиеся, делятся один раз в течение каждого цикла сперматогенного 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 сперматогенного 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 сперматоцитов 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 безжгутиковые 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 дифференцировку, 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. Акросома представляет собой ограниченную мембраной органеллу,.

Рис. 4 Процессы, приводящие к формированию зрелого сперматозоида:

1 — ядро; 2 — митохондрии; 3 — аппарат Гольджи; 4 — акросомный пузырек; 5 — центриоль; 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 центриоли начинает формироваться жгутик, направленный в просвет канальца. Основной структурой жгутика является осевой комплекс, состоящий из двух центральных фибрилл — микротрубочек, окруженных девятью периферическими парными фибриллами.

Рис. 5.

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 °C до 38 °C 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 крипторхизма. 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 лизосомы сперматоцитов и сперматид при 37 °C 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 дифференцировки 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, лютеинизирующего 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.