Физиология и анатомия - Global Fertility Academy

Предлагаем вашему вниманию главу 5.
Эта глава называется «Физиология и анатомия (транспорт сперматозоидов,
капацитация и оплодотворение)».
Авторы — проф. Fabio Firmbach Pasqualotto и проф. Rui Ferriani.
1
По окончании изучения данной главы слушатель должен иметь представление
о следующих вопросах:
основные понятия о транспорте сперматозоидов,
значение капацитации в оплодотворении,
ход естественного оплодотворения и
события, происходящие после слияния гамет.
2
После образования в мужской репродуктивной системе сперматозоиды
высвобождаются в женские половые пути.
В яичке располагаются очень тонкие скрученные канальцы, так называемые
семенные канальцы. Их выстилает слой клеток (зародышевые клетки),
которые в ходе развития превращаются в сперматозоиды. По семенным
канальцам недавно образовавшиеся развивающиеся сперматозоиды
перемещаются в придаток яичка, где и происходит их созревание.
Сперматозоиды перемещаются по направлению к семявыносящему протоку и
с помощью мышечных сокращений выбрасываются по уретре через отверстие
мочеиспускательного канала.
В процессе сперматогенеза недифференцированные клетки, сперматогонии,
проходя через стадии сперматоцитов и сперматид, созревают до зрелых
сперматозоидов. В составе зародышевого, или сперматогенного, эпителия
имеются клетки Сертоли, играющие важную роль в поддержке созревания
зародышевых клеток до сперматозоидов. Клетки Сертоли синтезируют
ингибин. Между канальцами располагаются интерстициальные клетки,
называемые клетками Лейдига. Они синтезируют и секретируют тестостерон и
другие андрогены.
Яичко покрыто капсулой из фиброзной соединительной ткани, называемой
белочной оболочкой. Тонкие несплошные перегородки частично разделяют
яичко на группы долек. Семенные канальцы в этих дольках образуют петли, а
их терминальные окончания распрямляются и продолжаются в виде так
3
называемых прямых канальцев. Они входят в средостение яичка, где
формируют сеть примыкающих друг к другу и анастомозирующих канальцев,
называемых сетью яичка, которые образуют шесть-двенадцать тонких
выносящих канальцев, объединяющихся для формирования придатка яичка.
Придаток яичка образован скрученными канальцами. В нем выделяют головку,
тело и хвост. Хвост придатка яичка поднимается к дистальной части
семявыносящего протока.
3
По мере прохождения через придаток яичка гаплоидные зародышевые клетки
продолжают созревать. Семявыносящий проток транспортирует
сперматозоиды из яичка. Он проходит через паховый канал, спускаясь по
заднелатеральной стенке тазовой полости, и достигает задней поверхности
мочевого пузыря, образуя ампулу протока. В этом месте он объединяется с
протоком семенного пузырька, образуя семявыбрасывающий проток, который
проходит через простату и далее впадает в простатическую часть уретры.
Секрет простаты и семенных пузырьков составляет приблизительно 90–95 %
от объема эякулята. Во время эякуляции этот секрет (вместе со
сперматозоидами, транспортируемыми через семявыносящий проток)
поступает в губчатую часть мужского мочеиспускательного канала.
В процессе семяизвержения сокращение внутреннего сфинктера мочевого
пузыря препятствует ретроградной эякуляции.
Вся система управляется нейроэндокринной регуляцией со стороны гипофиза
и гипоталамуса.
4
Сперматогенез управляется целостной работой гипоталамо-гипофизарнояичковой оси.
В межканальцевых областях яичка тестостерон синтезируется в высоких
концентрациях, что опосредовано стимуляцией клеток Лейдига
гонадотропином ЛГ, оказывающим большое влияние на сперматогенез.
ФСГ инициирует сперматогенез в пубертатном периоде; однако о его значении
у взрослых известно меньше.
Кроме того, ФСГ оказывает значительное влияние на пролиферацию и
дифференцировку клеток Сертоли. В дополнение к этому он стимулирует
множество процессов (в том числе синтез белков, например, трансферрина), а
также участвует в переносе питательных веществ к зародышевым клеткам.
В ответ на воздействие ФСГ клетки Сертоли синтезируют ингибин, который,
кроме прочего, по механизму обратной связи регулирует функцию гипофиза.
Тестостерон ингибирует секрецию ЛГ, а ингибин значительно снижает
секрецию ФСГ.
5
Сперматогенез проходит три важнейших стадии: репликация стволовых
клеток, мейотический процесс, спермиогенез. Это комплекс превращений,
который заключается в преобразовании круглых сперматозоидов
(образующихся при последнем делении мейоза) в сперматозоид, обладающий
сложной структурой.
Общепризнано, что одним из подклассов сперматогониев являются исходные
стволовые клетки, способные повторно заселять сперматогенный эпителий.
Известно, что идентификация различных типов сперматогониев является
сложной задачей. До настоящего времени клетки классифицировали на
основании особенностей ядер и, в частности, структуры хроматина.
Выявлено три подтипа сперматогониев: сперматогонии типа A, промежуточные
сперматогонии и сперматогонии типа B.
Принято считать, что сперматогонии типа В — это дифференцирующиеся
клетки, проходящие процесс мейоза и превращающиеся в сперматоциты
первого порядка.
6
Процесс мейоза начинается в многочисленных сперматогониях, которые
входят в лептотенную стадию профазы первого деления мейоза. Лептотенной
стадии предшествуют прелептотенные сперматоциты первого порядка,
которые образуются после синтеза ДНК и конденсации отдельных хромосом, в
результате чего в ядре появляются тонкие филаменты. В этих клетках,
называемых сперматоцитами первого порядка, до вступления в стадию
метафазы постепенно изменяются характерные особенности ядра. При
растворении ядерной мембраны хромосомы выстраиваются с помощью нитей
веретена деления, которое во время анафазы перемещает хромосомы из
гомологичных пар к противоположным полюсам.
В результате этого образуются клетки с гаплоидным набором хромосом,
называемые сперматоцитами второго порядка. Однако, поскольку каждая
хромосома состоит из двух хроматид, содержание ДНК остается диплоидным.
После короткой интерфазы, которая у людей длится приблизительно шесть
часов, сперматоциты второго порядка вступают во второе деление мейоза, в
ходе которого к противоположным полюсам веретена перемещаются
хроматиды отдельных хромосом. Образующиеся в результате этого клетки
называются круглыми сперматидами. Они делятся с образованием
сперматоцитов второго порядка.
Это значит, что сперматоциты второго порядка, имея короткий жизненный
цикл, вступают в деление с образованием сперматид. В заключительной фазе
сперматогенеза деления клеток не происходит, но развивается сложная
7
последовательность цитологических изменений, приводящих к трансформации
круглой клетки (круглой сперматиды) в сперматозоид.
У людей мейотическое созревание, начиная с лептотенной стадии и заканчивая
образованием круглых сперматид, занимает приблизительно 24 дня. Круглые
сперматиды трансформируются в сперматозоид посредством
последовательности явлений, составляющей процесс сперматогенеза. Обычная
круглая клетка превращается в сперматозоид, обладающий способностью к
перемещению.
Основополагающие этапы данного процесса у всех видов протекают одинаково
и включают следующие явления:
a) образование акросомы,
б) изменения в ядре,
в) образование жгутика или хвоста сперматозоида,
г) реорганизация цитоплазмы и органелл клетки и
д) процесс высвобождения из клеток Сертоли, называемый спермиацией.
Типы клеток, участвующих в сперматогенезе, организованы в пределах
сперматогенного эпителия, образуя последовательность клеточных стадий, или
ассоциации. Клеточные стадии располагаются линейно вдоль просвета
семенного канальца друг за другом, таким образом, формируя «волну
сперматогенеза».
7
Прохождение сперматозоидов через придаток яичка занимает от двух до
одиннадцати дней. В придатке яичка они созревают и депонируются до
момента эякуляции.
В созревании сперматозоидов, когда они подвергаются различным
изменениям, наиболее важную роль играет секрет придатка яичка; эти
изменения не происходят сами по себе просто по истечении определенного
времени.
При прохождении через придаток яичка сперматозоиды приобретают
подвижность (демонстрируя тип подвижности) и развиваются из незрелых
форм в зрелые.
В придатке яичка обнаруживаются высокие концентрации трех
низкомолекулярных секретируемых веществ, а именно L-карнитина,
миоинозитола и глицерофосфохолина.
8
Подвижность сперматозоидов критически важна для их прохождения через
цервикальную слизь и подъема по женским половым путям к месту
оплодотворения, а также для проникновения сквозь оболочки ооцита (кумулюс
и прозрачная оболочка).
Структурной основой подвижности сперматозоида является хвост с
центральной аксонемой и связанными с ней наружными плотными
фибриллами. Источником энергии для перемещения являются митохондрии
(расположенные в теле сперматозоида), обеспечивающие процесс клеточного
дыхания, хотя у человека энергия также может извлекаться путем гликолиза.
Сложная внутренняя структура жгутика сперматозоида включает центральный
стержень, являющийся общим компонентом практически любых ресничек и
жгутиков. Он называется аксонемой. Аксонема состоит из внешнего кольца,
образованного девятью внешними дублетами микротрубочек, и двух
одиночных микротрубочек, формирующих внутри него центральную пару; этот
комплекс также называется структурой 9 + 2).
Для сборки аксонемы требуется более 200 различных белков. Активной
частью жгутика является аксонема, которая отвечает за формирование и
распространение координированных биений, в результате чего сперматозоид
млекопитающих способен перемещаться.
9
Обычно сперматозоиды сохраняются во влагалище в виде сгустка эякулята,
откуда они мигрируют при его разжижении в шейку матки.
В период овуляции цервикальные крипты секретируют слизь, в которой
структура гликопротеиновых компонентов способствует прохождению
сперматозоидов.
В дополнение к их собственной подвижности массовое перемещение
сперматозоидов происходит благодаря сокращению женских половых путей,
которое стимулируется простагландинами семенной жидкости, образуемыми в
семенных пузырьках.
Кроме того, перемещение сперматозоидов стимулируется факторами,
обнаруженными в фолликулярной жидкости, выделяющейся при овуляции.
10
Следует помнить, что сперматозоиды, находящиеся в женских половых путях,
имеют различное состояние. Следовательно, если даже лучшие
сперматозоиды подверглись изменениям (например, капацитации), они
становятся более уязвимыми для воздействия окружающей среды.
Такая уязвимость имеет решающее значение после судорожных сокращений
миометрия, которые могут повредить сперматозоиды, созревшие уже во время
депонирования.
Таким образом, чтобы достичь яйцеклетки, мужские сперматозоиды должны
друг с другом состязаться; женский организм не влияет на этот процесс.
Конкуренцию сперматозоидов можно объяснить как различную их
чувствительность к условиям среды в женских половых путях.
11
Сперматозоид состоит из головки, тела и хвоста. В головке находится ядро, и
она окружена акросомой, содержащей ферменты, необходимые для
проникновения сквозь оболочку женского ооцита. Тело включает центральный
стержень из филаментов, окруженный большим количеством митохондрий,
производящих энергию для прохождения через шейку и тело матки, а также
маточные трубы. Хвост, или жгутик, производит быстрые биения, которые
продвигают сперматозоид вперед.
12
После эякуляции сперматозоиды, потенциально способные к оплодотворению,
должны сначала подвергнуться еще одному тонкому изменению —
капацитации.
Капацитация — конечный этап созревания, немедленно дающий
сперматозоидам способность взаимодействовать с ооцитом соответствующим
образом и проникать в него.
По сути капацитация — это изменение состава стеролов и липидов
цитоплазматической мембраны сперматозоида, а также гликозилированных
белков, экспрессирующихся на ее поверхности.
Изменения в цитоплазматической мембране, связанные с капацитацией,
позволяют сперматозоиду образовывать необходимые связи с рецепторами,
располагающимися на поверхности прозрачной оболочки.
В результате капацитации биение хвоста сперматозоида приобретает
гиперактивный характер, а у сперматозоида развивается способность к
физиологической акросомной реакции.
13
Гиперактивация сперматозоида может проявиться раньше акросомной
реакции. Последняя у большинства способных к оплодотворению
сперматозоидов, видимо, не происходит до момента достижения поверхности
прозрачной оболочки.
Семенная жидкость содержит определенные макромолекулы и холестерин,
которые, по-видимому, способны подвергнуть декапацитации те
сперматозоиды, которые уже прошли капацитацию.
Вначале, после эякуляции сперматозоидов, процесс капацитации состоит в
удалении этих компонентов семенной жидкости.
Холестерин содержится в мембранах сперматозоидов человека в большом
количестве. Показано, что у сперматозоидов человека процесс капацитации
коррелирует с потерей мембраной холестерина.
Общая способность семенной жидкости человека предотвращать у
капацитированных сперматозоидов акросомную реакцию в ответ на
соответствующие стимулы , также связана с содержанием в ней холестерина.
Сперматозоиды человека, перегруженные холестерином (с помощью
насыщенных липосом), могут сохранять некапацитированное состояние.
В таких условиях капацитация происходит только после переноса
сперматозоидов в среду, содержащую альбумин, который связывает
холестерин.
14
Последствия капацитации: сперматозоиды приобретают способность к
гиперактивации, взаимодействию с ооцитами, а также к акросомной реакции.
14
В отсутствие особых активирующих сигналов гиперактивация развивается с
течением времени самостоятельно. Однако начало гиперактивации не
обязательно связано с началом акросомной реакции.
За счет «легкой вибрации» такие сперматозоиды образуют сцепление с
эпителием перешейка; гиперактивация может способствовать миграции в
ампулярный отдел трубы.
У части сперматозоидов человека в условиях, способствующих капацитации,
происходят изменения подвижности.
Кроме того, при капацитации, происходящей в условиях in vitro, у
сперматозоидов человека увеличивается кривизна траектории и амплитуда
биения жгутика, что увеличивает боковое смещение их головки.
У морфологически нормальных клеток гиперактивация происходит с большей
вероятностью, чем у патологически измененных.
15
Несмотря на энергичные движения сперматозоида, исходный неплотный
контакт между гаметами сменяется более прочной связью между углеводными
(галактозильными) группами, соединенными посредством О-связи с белком
прозрачной оболочки ZP3 и «рецептором прозрачной оболочки», который
несет сперматозоид. Фукоза и манноза ингибируют связывание сперматозоида
с прозрачной оболочкой; это позволяет предположить, что в ходе капацитации
рецепторы к этим сахарам, находящиеся на поверхности сперматозоидов,
подвергаются воздействию.
Взаимодействие с углеводными и белковыми фрагментами ZP3 запускает
экзоцитоз акросомы, что действует как промежуточное звено для
внутриклеточных процессов, например, приводит к увеличению
внутриклеточной концентрации Ca2+, циклического АМФ и уровня рН.
Прогестерон может оказывать воздействие на поверхность головки
сперматозоида, инициируя в нем ответную реакцию на другие стимулы
экзоцитоза акросомы, в том числе ZP3.
Сперматозоиды, полученные из головки, тела и хвоста придатка яичка,
связываются с прозрачной оболочкой гомологичных ооцитов в равной степени.
Таким образом, нет доказательств того, в придатке яичка происходит процесс
созревания сперматозоидов.
16
Процесс, называемый акросомной реакцией (АР), развивается в акросоме
сперматозоида после приближения к ооциту. Когда сперматозоид оказывается
вблизи прозрачной оболочки ооцита (обязательное условие для инициации
АР), мембрана, окружающая акросому, сливается с цитоплазматической
мембраной сперматозоида, в результате чего содержимое акросомы
высвобождается. Акросомная реакция (АР) выполняет две очевидные
функции:
•
оболочку
Позволяет сперматозоидам проникать сквозь прозрачную
•
В цитоплазматической мембране, покрывающей не участвующий
в реакции экваториальный сегмент, развивается готовое к слипанию/слиянию
состояние, являющееся необходимым условием для взаимодействия с
оолеммой.
При воздействии на сперматозоиды человека фолликулярной жидкости в
течение нескольких секунд начинается слияние цитоплазматической и
внешней акросомной мембран; реакция занимает от одной до трех минут.
При акросомной реакции, индуцированной воздействием фолликулярной
жидкости, первые очаги слияния наблюдаются на верхушке акросомы
сперматозоидов человека.
Сперматозоиды, у которых развилась спонтанная акросомная реакция (вне
пределов кумулюса), даже если они позднее достигают ооцита, не способны
17
пройти через его оболочки.
17
При акросомной реакции происходят изменения в различных мембранах
головки сперматозоида: это позволяет цитоплазматической мембране,
покрывающей акросому, слиться с подлежащей внешней мембраной
акросомы. Это приводит к образованию смешанных вакуолей. Кроме того, при
этом высвобождается протеаза (акрозин), способная расщепить основное
вещество прозрачной оболочки.
В сочетании с усилением биения жгутика (гиперактивация) АР способствует
проталкиванию сперматозоида через прозрачную оболочку. Каждый
сперматозоид, пытающийся проникнуть в ооцит, образует проход в
перивителлиновое пространство.
18
В норме в перивителлиновое пространство проникают сперматозоиды, в
которых уже произошла акросомная реакция (т. е. уже произошли изменения в
постакросомной и экваториальной зонах), благодаря которой возможно
слияние с ооцитом.
Вхождение сперматозоида в ооцит стимулирует высвобождение кальция из
внутриклеточных депо ооцита. Для изменения уровня кальция,
сопровождающего процесс оплодотворения, требуется несколько веществ,
содержащихся в сперматозоиде. Поток кальция вызывает экзоцитоз
кортикальных гранул, располагающихся у поверхности неоплодотворенных
ооцитов.
Гранулы предотвращают возникновение полиплоидии, не допуская
проникновения в ооцит второго сперматозоида. Имеется два уровня
блокировки — вителлиновый блок и блок на уровне прозрачной оболочки.
Во-первых, слияние кортикальных гранул с вителлиновой мембраной
изменяет состав мембраны ооцита, делая его похожим на состав внутренней
мембраны гранул, к которой у сперматозоидов нет сродства (вителлиновый
блок полиспермии). Во-вторых, в перивителлиновое пространство
высвобождается содержимое гранул. Благодаря гликозидазам гликопротеин
прозрачной оболочки ZP3 превращается в ZP3f, в котором отсутствуют
углеводы, распознаваемые первичными рецепторами сперматозоидов. Кроме
того, протеаза превращает Zp2 в Zp2f, с которым не могут связываться
сперматозоиды с уже произошедшей акросомной реакцией (блок полиспермии
19
на уровне прозрачной оболочки).
19
При акросомной реакции происходят изменения в различных мембранах
головки сперматозоида, что позволяет цитоплазматической мембране, которая
покрывает акросому, слиться с подлежащей внешней мембраной акросомы.
Это приводит к образованию смешанных вакуолей. Кроме того,
высвобождается протеаза (акрозин), способная расщепить основное вещество
прозрачной оболочки.
В сочетании с усилением биения жгутика (гиперактивация) АР способствует
проталкиванию сперматозоида через прозрачную оболочку. Каждый
сперматозоид, пытающийся проникнуть в ооцит, образует проход в
перивителлиновое пространство.
Через несколько часов после слияния сперматозоида и ооцита дисульфидные
связи в протамине нуклеопротеина восстанавливаются глутатионом из
цитоплазмы ооцита, в результате чего набухает головка сперматозоида. Кроме
того, под действием нуклеоплазмина происходит замещение протаминов
гистонами.
Центромера оплодотворившего яйцеклетку сперматозоида управляет
микротрубочками веретена, которые пронизывают оплодотворенный ооцит.
При этом связывается женский пронуклеус, затем женский и мужской
пронуклеусы подтягиваются друг к другу для запуска первого митотического
деления.
20
Во время профазы слияния гамет мужской и женский пронуклеусы сближаются
друг с другом, и начинается конденсация хромосом. Это происходит до
растворения ядерной мембраны, когда начинают выявляться наборы отцовских
и материнских хромосом.
20
В заключение следует отметить:
Яички не считаются гомогенными образованиями (существует волна
сперматогенеза).
Важность интегративной функции гипоталамо-гипофизарно-яичковой оси
очевидна; что подтверждается критической ролью гормонов ЛГ, ФСГ и
тестостерона в сперматогенезе.
При прохождении через придаток яичка сперматозоиды из яичек становятся
подвижными, они приобретают определенный характер подвижности в ходе
превращения из незрелых форм в зрелые.
Капацитация — это конечная фаза созревания, немедленно дающая
сперматозоидам способность соответствующим образом взаимодействовать с
ооцитом и проникать в него.
21
В результате капацитации биение хвоста сперматозоида приобретает
гиперактивный характер, а у сперматозоида появляется способность к
физиологической акросомной реакции, происходящей в большей или меньшей
степени одновременно.
АР включает в себя изменения разнотипных мембран головки сперматозоида,
в результате чего цитоплазматическая мембрана, охватывающая акросому,
сливается с подлежащей внешней мембраной акросомы, и, кроме того,
высвобождается протеаза сперматозоида (акрозин), обладающая
способностью растворять основное вещество прозрачной оболочки.
В течение нескольких часов после слияния сперматозоида и ооцита
дисульфидные связи в протамине нуклеопротеина восстанавливаются
глутатионом из цитоплазы ооцита, в результате чего головка сперматозоида
набухает, а затем под действием нуклеоплазмина происходит замещение
протаминов гистонами.
22
23
24
25