«стадий» или «фаз», сменяющих друг друга в ходе строго упорядоченных и точно синхронизированных циклов.35 Во время внутриутробного развития первичные половые клетки мигрируют в эмбриональные семенники, где в результате митотического деления образуют гоноциты. Незадолго до полового созревания гоноциты дифференцируются, формируя исходный пул сперматогониев A0 — стволовых клеток, от которых происходят все последующие классы сперматогониев. Сперматогенез в извитых семенных канальцах семенника проходит три отдельные стадии. Первая стадия — сперматоцитогенез, пролиферативная фаза, в ходе которой сперматогонии претерпевают ряд митотических делений и образуют сперматоциты первого порядка. Вторая стадия — мейоз, в ходе которого сперматоциты первого порядка претерпевают редукционное деление с уменьшением числа хромосом: из сперматоцитов первого порядка (4 n ) образуются сперматоциты второго порядка, являющиеся диплоидными (2 n ), а в результате заключительного деления — округлые гаплоидные (1 n ) сперматиды. Заключительная стадия — дифференцировка гаплоидных сперматид, называемая спермиогенезом: округлые сперматиды претерпевают ряд преобразований, превращаясь в удлинённые сперматозоиды со жгутиками.35,130
Сперматоцитогенез
Начальная пролиферация происходит в базальном компартменте извитых семенных канальцев, где находятся половые клетки. Сперматогонии происходят из базального слоя половых клеток; в ходе цикла дифференцировки они проходят ряд митотических делений, число которых может зависеть от вида животного, образуя сперматогонии от A1 до A4, а также сперматогонии I и B. Сперматогонии продвигаются от базальной пластинки извитых семенных канальцев группой клеток, соединённых межклеточными мостиками, которые обеспечивают связь между их цитоплазмами. Эти цитоплазматические мостики могут облегчать межклеточное взаимодействие и тем самым поддерживать синхронное развитие группы сперматогониев. У быка и барана во время сперматоцитогенеза происходят четыре митотических деления, в результате которых из каждого активного сперматогония образуется 16 сперматоцитов первого порядка.18 При этом сохраняется пул стволовых половых клеток (покоящихся сперматогониев A1 и A2), дающий начало новым поколениям сперматогониев (самообновление стволовых клеток). Это обеспечивает непрерывное образование сперматозоидов у взрослого самца, хотя точный механизм такой регенерации, или самообновления половых стволовых клеток, изучен не полностью.131 В ходе этого процесса часть клеток может погибать вследствие дегенерации. Эти клетки поглощаются клетками Сертоли путём фагоцитоза.
Мейоз
Митотическое деление обеспечивает постоянное пополнение сперматогониев, тогда как мейотическое деление представляет собой процесс, при котором сперматогонии B претерпевают редукционное деление с образованием гаплоидных сперматоцитов.35 Этот мейотический процесс не только уменьшает вдвое число хромосом в сперматоцитах, но и обеспечивает генетическое разнообразие благодаря репликации ДНК и кроссинговеру — событиям, в результате которых образуются генетически уникальные сперматозоиды. Репликация и кроссинговер ДНК происходят во время первого мейотического деления, тогда как второе мейотическое деление приводит к образованию
гаплоидных сперматоцитов. Из-за продолжительности мейотического периода сперматогенеза, который у быка составляет от 18 до 21 дней, в семенном эпителии можно обнаружить сперматоциты на всех стадиях развития (рисунок 2.3a). По завершении мейоза у быков из каждого сперматогония B образуются четыре гаплоидные сперматиды, а из одного активного сперматогония (A3) — в общей сложности 64 сперматид.132–134
Спермиогенез
Заключительная фаза — дифференцировка, или превращение, округлых сперматид в удлинённые зрелые сперматозоиды со жгутиками и сильно уплотнённым ядром, которые высвобождаются в просвет извитого семенного канальца.35 У различных видов домашних животных этот процесс протекает удивительно сходным образом и включает сложную последовательность событий, в ходе которых сперматида преобразуется в высокоорганизованную подвижную клетку.33 Дифференцировка включает четыре основные фазы, протекающие в адлюминальном компартменте между соседними клетками Сертоли: фазу Гольджи, фазу шапочки, акросомную фазу и фазу созревания. В фазе Гольджи небольшие пузырьки аппарата Гольджи в цитоплазме сперматиды сливаются, образуя более крупную сложную структуру — акросомный пузырёк, или акросому. Акросома представляет собой ограниченный мембраной пузырёк, или лизосому, содержащую ряд ферментов, в том числе кислую гидролазу, акрозин, эстеразы, гиалуронидазу и лизин блестящей оболочки. По мере дифференцировки акросома начинает перемещаться и образует шапочку над ядром клетки. При формировании шапочки акросомный пузырёк уплощается и покрывает примерно треть ядра.35 Одновременно ядро и цитоплазма удлиняются, а ядро начинает занимать головную часть сперматиды. По мере удлинения головной части сперматиды формируются средняя часть и хвост, что знаменует начало фазы созревания. Митохондрии перемещаются в цитоплазме и спирально располагаются вокруг жгутика позади ядра, формируя среднюю часть сперматиды. Жгутик берёт начало от дистальной центриоли, из которой развивается аксонема, состоящая из девяти пар микротрубочек, радиально расположенных вокруг двух центральных филаментов.21 Аксонема соединяется с основанием ядра, проходит через среднюю часть и продолжается, образуя главную часть, или «хвост», сперматиды. Когда при формировании хвоста сперматида избавляется от части цитоплазмы, на шейке сперматозоида образуется цитоплазматическая капля. После завершения этих преобразований удлинённую сперматиду со жгутиком называют сперматозоидом (рисунок 2.3b). Все эти преобразования — важные этапы развития, обеспечивающие сперматозоидам не только подвижность, но и способность к оплодотворению и передаче ядерного материала при контакте с женской гаметой (ооцитом).
Спермиация
На заключительном этапе развития сперматозоиды высвобождаются в просвет извитых семенных канальцев в процессе, называемом спермиацией.33 По мере завершения последних стадий
(a)
Стадия IV цикла сперматоцита первого порядка
семенного эпителия
Округлые сперматиды
новое поколение
Делящийся сперматоцит
первого порядка,
старое поколение
Первичный
Сперматида, сперматоцит
удлинённая
старое поколение
Вторичные
сперматоциты
Плотный
контакт
Ядро клетки Сертоли
Адлюминальный компартмент
Сперматогонии Базальный компартмент
Делящийся сперматогоний
(b)
Стадия VIII цикла
семенного эпителия
Сперматозоиды
Сперматиды,
круглый
Первичные
сперматоциты
Ядро клетки Сертоли
Сперматогонии
Рисунок 2.3 Схематические изображения сперматогенного эпителия семенника быка на стадиях IV и VIII цикла семенного эпителия. Стадия IV цикла (a) характеризуется активным образованием вторичных сперматоцитов из первичных в ходе первого деления мейоза; затем завершается второе деление мейоза и образуются сперматиды. Для стадии VIII цикла (b) характерно появление свободных сперматозоидов, сформировавшихся в результате дифференцировки круглых сперматид. Изображения воспроизведены с разрешения K. June Mullins и Richard G. Saacke, Иллюстрированная анатомия репродуктивного тракта самца и самки крупного рогатого скота. Germinal Dimensions Inc., Cadmus Professional Communications, Science Press Division, Эфрата, Пенсильвания, 2003.
После завершения спермиогенеза сперматозоиды выходят из адлюминального компартмента семенных канальцев хвостом вперёд, направляясь к верхушкам клеток Сертоли и просвету канальца. При продвижении из сети семенника через придаток семенника до попадания в эякулят сперматозоиды теряют цитоплазматические капли, однако не все сперматозоиды в эякуляте имеют нормальное строение (рисунок 2.4). Прежде чем сперматозоиды приобретают способность к оплодотворению, они должны
пройти дополнительное созревание в придатке семенника. Капацитация — заключительный этап созревания, на котором сперматозоиды приобретают способность проникать через блестящую оболочку (наружную оболочку ооцита), — происходит в репродуктивном тракте самки. Более подробное описание сперматогенеза у быка приведено в серии статей Amann,132 Berndtson и Desjardins,133 а также Johnson и соавт. .134
(a) (b)
Сперматозоиды из придатка семенника Сперматозоиды в эякуляте
Нормальный сперматозоид
Апикальный гребень
Проксимальная
капля Аутолиз
Средняя часть (ложная акросомная
реакция)
Перемещающаяся
капля
Дистальная
капля Главная
часть
(c)
Вид сперматозоида из эякулята при повороте
Рисунок 2.4 Схематическое изображение сперматозоидов, отражающее видимые изменения при их продвижении из сети семенника через головку, тело и хвост придатка семенника до попадания в эякулят. У сперматозоидов, находящихся в сети семенника, выносящих канальцах и головке придатка семенника, протоплазматическая капля расположена проксимально. По мере продвижения от дистального отдела головки к телу придатка она перемещается к изгибу жгутика; к моменту достижения хвоста придатка капля располагается в дистальном отделе средней части жгутика (a). На схеме (b) показаны нормальные сперматозоиды из эякулята и сперматозоиды с признаками аутолиза. У нормальных сперматозоидов акросома сохраняет целостность и выглядит как апикальный гребень вдоль верхнего края головки. Изображения головок сперматозоидов справа демонстрируют примеры ложной или преждевременной акросомной реакции, обычно наблюдаемой у мёртвых или погибающих сперматозоидов. Лопатообразная форма сперматозоида быка показана на схеме (c). Изображения воспроизведены с разрешения K. June Mullins и Richard G. Saacke, Иллюстрированная анатомия репродуктивного тракта самца и самки крупного рогатого скота. Germinal Dimensions Inc., Cadmus Professional Communications, Science Press Division, Эфрата, Пенсильвания, 2003.
Цикл семенного эпителия и волна сперматогенеза
Цикл семенного эпителия описывает развитие когорты половых клеток, которые размножаются путём клональной экспансии в пределах участка семенного канальца и со временем синхронно с другими слоями проходят ряд хорошо изученных клеточных ассоциаций, называемых стадиями.35,130 Поперечные срезы, сделанные в разных местах по длине семенных канальцев, различаются по морфологической картине, но в пределах одного среза клетки находятся в сходном состоянии. На последовательных участках семенных канальцев когорты половых клеток находятся на последовательно сменяющих друг друга стадиях развития, которые повторяются,
создавая эффект «волны» вдоль семенных канальцев.35 Развитие половых клеток начинается у базальной мембраны семенного канальца; клетки мигрируют к его просвету, а не в боковом направлении. Предполагается, что такая синхронность связана с биохимической передачей сигналов через межклеточные мостики, однако этот процесс изучен не полностью. У быка для завершения сперматогенеза требуется около 4.5 циклов семенного эпителия. По оценкам, каждый цикл длится приблизительно 13.5 дней, поэтому весь процесс занимает 61 дней.132,134 Сперматогенез продолжается на протяжении всей естественной жизни быка после наступления половой зрелости. У домашнего быка половая зрелость наступает примерно в возрасте 10–12 месяцев, когда
