Глава 4
Эндокринная регуляция развития семенников и начала сперматогенеза у быков
Leonardo F.C. Brito
ABS Global, Де-Форест, штат Висконсин, США
Введение
Развитие семенников, приводящее к началу сперматогенеза у быков, включает сложные механизмы созревания гипоталамо-гипофизарно-тестикулярной оси. Половое развитие можно разделить на три периода в зависимости от изменений концентраций гонадотропинов и тестостерона: инфантильный, препубертатный и пубертатный. Эти изменения сопровождаются изменениями пролиферации и дифференцировки клеток семенников (рисунок 4.1).
Инфантильный период
Инфантильный период характеризуется низкой секрецией гонадотропинов и тестостерона и сравнительно небольшими изменениями клеточного состава семенников. Этот период длится от рождения приблизительно до возраста 2 месяцев у быков вида Bos taurus.
Низкая секреция гонадотропинов в инфантильный период обусловлена сниженной секрецией гонадотропин-рилизинг-гормона (GnRH); изменения в гипоталамусе по мере его созревания приводят к учащению импульсов секреции GnRH и обеспечивают переход от инфантильного периода к следующему этапу развития. Усиление секреции GnRH зависит либо от формирования центральных стимулирующих влияний, либо от устранения тормозящих влияний. Масса гипоталамуса и содержание в нём GnRH в инфантильный период не увеличиваются, однако после достижения возраста 1 месяца концентрация рецепторов эстрадиола в гипоталамусе снижается.1 Однако гипотеза о том, что низкая секреция GnRH в инфантильный период обусловлена повышенной чувствительностью гипоталамуса к отрицательной обратной связи, опосредованной половыми стероидами (гипотеза гонадостата), применительно к быкам подвергается сомнению, поскольку кастрация до возраста 2 месяцев не изменяет ни частоту импульсов секреции лютеинизирующего гормона (LH), ни его среднюю концентрацию.2 Тем не менее, поскольку секреция GnRH в портальную систему гипофиза в инфантильный период не обязательно сопровождается секрецией LH, эксперименты, в которых по концентрации LH судят о
Характер секреции ГнРГ в этот период следует интерпретировать с осторожностью.3 Другая возможность заключается в том, что снятие опиоидергического торможения и/или усиление дофаминергической активности может участвовать в запуске усиленной секреции ГнРГ в инфантильный период. Опиоидергическое торможение частоты импульсов ЛГ в инфантильный период было подтверждено повышением секреции ЛГ у бычков в возрасте от 1 до 4 месяцев после введения налоксона — конкурентного антагониста опиоидных рецепторов,4 тогда как у бычков в возрасте 0.5–2.5 месяцев концентрации норадреналина, дофамина и метаболитов дофамина в передней гипоталамо-преоптической области увеличивались в два-три раза.5
Непосредственный анализ проб крови из портальной системы гипофиза показал, что у бычков частота импульсной секреции ГнРГ линейно возрастает с возраста 2 недель (3.5 импульсов за 10 часов) до 12 недель (8.9 импульсов за 10 часов). Хотя секреция ГнРГ в кровь портальной системы гипофиза выявлялась в возрасте 2 недель, импульсная секреция ЛГ в пробах крови из яремной вены до возраста 8 недель не обнаруживалась. Кроме того, импульсы ГнРГ не всегда сопровождаются секрецией ЛГ до возраста 8–12 недель, когда каждый импульс ГнРГ вызывает импульс ЛГ. Усиление импульсного высвобождения ГнРГ с 2 до 8 недель без сопутствующего усиления секреции ЛГ может указывать на сниженную способность гипофиза отвечать на стимуляцию ГнРГ.3 Период, когда импульсы ГнРГ не стимулируют секрецию ЛГ, совпадает с периодом увеличения массы гипофиза, концентрации рецепторов ГнРГ и содержания ЛГ.1 Кроме того, частое введение ГнРГ телятам в инфантильный период повышает содержание мРНК β-субъединицы ЛГ, содержание ЛГ и количество рецепторов ГнРГ в гипофизе, что приводит к увеличению частоты импульсов ЛГ и его средней концентрации,6 указывая на то, что увеличение частоты импульсов ГнРГ повышает чувствительность гипофиза к ГнРГ. Со временем усиление секреции ГнРГ приводит к увеличению частоты импульсов ЛГ, наблюдаемому в препубертатный период.
1.2 6
A B C
1.0 5
0.8 4
0.6 3
0.4 2
0.2 1
0.0 0
2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70
Возраст (недели)
8 недель 26 недель 32 недель 40 недель
8 недель 26 недель 32 недель 40 недель
ФСГ (нг/mL)
ЛГ
Тестостерон (нг/mL)
Рисунок 4.1 Средние концентрации ЛГ, ФСГ и тестостерона в сыворотке крови бычков в инфантильный (A), препубертатный (B) и пубертатный/постпубертатный (C) периоды. Данные для возраста от 2 до 6 недель адаптированы по результатам исследований бычков — помесей герефордской и шаролезской пород.15Данные для возраста от 10 до 70 недель получены на быках ангусской породы и помесях ангусской породы с шароле, получавших полноценное питание.16, 26, 27, 34Младенческий период продолжается от рождения примерно до 8 недель жизни. В этот период концентрации гонадотропинов и тестостерона низки, паренхима семенников представлена преимущественно интерстициальной тканью, семенные тяжи выстланы недифференцированными клетками Сертоли, а в их центре можно наблюдать гоноциты с крупными ядрами. Предпубертатный период характеризуется резким повышением концентраций гонадотропинов (ранним подъёмом уровня гонадотропинов) и медленным усилением секреции тестостерона. Он продолжается примерно с 10 до 26 недель жизни. В это время в семенных тяжах начинает формироваться просвет, а гоноциты мигрируют к базальной мембране и дифференцируются в сперматогонии. В пубертатный период концентрации гонадотропинов снижаются одновременно с быстрым повышением концентрации тестостерона; тогда же начинается фаза быстрого роста семенников. Образование просвета канальцев свидетельствует о дифференцировке клеток Сертоли и формировании функционального гематотестикулярного барьера. Это происходит до появления первичных сперматоцитов и сперматид примерно в возрасте 32 недель. По мере дальнейшего увеличения диаметра семенные канальцы занимают большую часть паренхимы семенников и примерно в возрасте 40 недель начинают вырабатывать зрелые сперматозоиды.
От рождения примерно до 2 месяцев большинство клеток интерстициальной ткани семенников составляют клетки, подобные мезенхимальным. В возрасте 1 месяца типичные клетки Лейдига составляют около 6% всех клеток между канальцами; часть из них находится на поздней стадии дегенерации и, вероятно, представляет собой остатки популяции фетальных клеток Лейдига. Дегенерирующие фетальные и вновь образовавшиеся клетки Лейдига сосуществуют до возраста 2 месяцев, после чего наблюдаются только клетки Лейдига, сформировавшиеся после рождения.7,8В младенческий период диаметр семенных канальцев составляет приблизительно 50 мкм; однако называть их канальцами не вполне правильно, поскольку на этом этапе
развития они представляют собой сплошные тяжи без просвета. От рождения примерно до 4 месяцев среди клеток внутри канальцев преобладают недифференцированные клетки Сертоли (или недифференцированные поддерживающие клетки). Число недифференцированных клеток Сертоли остаётся постоянным до возраста 1 месяца, но их размножение достигает максимума между 1 и 2 месяцами, а затем снижается примерно до возраста 4 месяцев. В младенческий период мембраны соседних недифференцированных клеток Сертоли образуют мало взаимных впячиваний и не имеют специализированных межклеточных соединений.9,10При рождении популяция половых клеток состоит исключительно из гоноцитов (или пресперматогоний). Гоноциты обычно расположены в центре и имеют крупное ядро (около 12 мкм в
диаметре) с хорошо развитым ядрышком. Размножение гоноцитов медленно возобновляется в возрасте между 1 и 2 месяцами.9,11
Допубертатный период
Допубертатный период характеризуется временным усилением секреции гонадотропинов — так называемым ранним подъёмом уровня гонадотропинов. Этот подъём — важнейшее событие в половом развитии бычков. Он не только связан со значительными изменениями клеточного состава семенников, начальным усилением секреции тестостерона и сроками наступления половой зрелости, но и оказывает длительное влияние на рост семенников и выработку сперматозоидов. Этот период продолжается примерно с 2 до 6 месяцев жизни у бычков породы Bos taurus.
Ранний подъём уровня гонадотропинов обусловлен усилением импульсной секреции ГнРГ, о чём свидетельствует резкое увеличение частоты импульсов секреции ЛГ (рисунок 4.2). У бычков также наблюдались импульсные выбросы фолликулостимулирующего гормона (ФСГ), но они выражены значительно слабее, чем выбросы ЛГ. Число импульсов секреции ЛГ увеличивается с менее чем одного в сутки в возрасте 1 месяца примерно до 12–16 в сутки (одного или
более импульсов каждые 2 часов) примерно к 4 месяцам жизни. Данные об изменении амплитуды импульсов в этот период расходятся: она может уменьшаться, оставаться неизменной или увеличиваться.1,12–16 Участки связывания ЛГ в интерстициальной ткани семенников обнаружены у бычков при рождении и в возрасте 4 месяцев. Импульсная секреция ЛГ необходима для пролиферации и дифференцировки клеток Лейдига, а также для поддержания их полностью дифференцированной структуры и функции.17 Мезенхимоподобные клетки в семенниках прекращают пролиферировать примерно в возрасте 4 месяцев и начинают дифференцироваться в сократительные миофибробласты и клетки Лейдига. С 4 до 7 месяцев жизни в непосредственной близости друг от друга наблюдаются дифференцирующиеся, делящиеся и дегенерирующие клетки Лейдига. Число и масса клеток Лейдига в расчёте на один семенник увеличиваются с возраста 1 месяца (соответственно 0.42 млрд и 0.15 g/семенник) до возраста 7 месяцев (соответственно 6 млрд и 5.8 g/семенник), но после этого возраста митоз наблюдается редко.7,8
Характерный пульсирующий характер секреции ЛГ важен для выработки тестостерона, поскольку постоянное воздействие ЛГ на клетки Лейдига снижает их способность к синтезу стероидных гормонов вследствие уменьшения числа рецепторов ЛГ.18
10 нед. 14 нед.
4.0 4.0
3.5 3.5
3.0 3.0
2.5 2.5
2.0 2.0
1.5 1.5
1.0 1.0
0.5 0.5
0.0 0.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
18 нед. 22 нед.
4.0 4.0
3.5 3.5
3.0 3.0
2.5 2.5
2.0 2.0
1.5 1.5
1.0 1.0
0.5 0.5
0.0 0.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
26 нед. 30 нед.
4.0 4.0
3.5 3.5
3.0 3.0
2.5 2.5
2.0 2.0
1.5 1.5
1.0 1.0
0.5 0.5
0.0 0.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Часы Часы
ЛГ (нг/mL) ЛГ (нг/mL)
ЛГ (нг/mL) ЛГ (нг/mL)
ЛГ (нг/mL)
ЛГ (нг/mL)
Рисунок 4.2 Концентрация ЛГ в сыворотке крови бычков ангусской породы и помесей ангусской и шаролезской пород в возрасте от 10 до 30 недель. Графики хорошо отражают среднюю частоту и амплитуду импульсов, наблюдавшихся у бычков при достаточном кормлении.16, 26, 27
