Созревание сперматозоидов в придатках яичка

Происходящий в проксимальных отделах (го­ловке и теле) придатка процесс, в ходе которого сперматозоиды приобретают способность оплодо­творять яйцеклетки, называется созреванием спер­матозоидов. Созревание включает многие физио­логические, биохимические и морфологические изменения клеток.

Результаты ис­следований на животных показывают, что эякули­рованные сперматозоиды здоровых особей спо­собны оплодотворять яйцеклетки, тогда как спер­матозоиды, извлеченные из тестикул, при инсеми­нации через половые пути или in vitro такой спо­собностью не обладают. Про исследование спермы читайте здесь.

У человека подобные ис­следования невозможны по этическим соображе­ниям. Морфологические признаки созревания сперматозоидов у человека малозаметны, но зато имеются данные о способности сперматозоидов из разных отделов придатка яичка взаимодействовать с яйцеклетками.

Данные, полученные при наложении хирургических анастомозов

Об оплодотворяющей способности спермато­зоидов из разных отделов придатка яичка человека можно судить по наступлению беременности после операций по поводу окклюзии семенных путей.

При таких операциях сохранивший проходимость семявыносящий проток соединяют с хвостом, те­лом или головкой придатка выше места окклюзии . Беременность у партнерш оперирован­ных мужчин возникает в период от 6 месяцев до 2 лет после операции, причем тем чаще, чем ниже проток соединен с придатком.

Хотя эти данные можно трактовать в пользу по­ложительного влияния придатка яичка на сперма­тозоиды, но беременности возникают и при прок­симальных анастомозах — с эфферентными ка­нальцами и даже с канальцами яичек. В последних случаях сперматозоиды неизвестное время остава­лись в головке придатка или яичке и беременности приходилось ждать очень долго.

Связана ли воз­можность беременности просто со временем пре­бывания зародышевых клеток в яичке или с поло­жительным действием скопившиеся выше места блокады продуктов секреции придатка — вопрос спорный. He исключено, что взаимодействующие со сперма­тозоидами факторы секретируются и в семявыносящем протоке.

Данные, полученные при искусственном оплодотворении

Еще одну возможность для оценки вклада при­датков яичка в развитие оплодотворяющей способ­ности сперматозоидов предоставляет использование методов искусственного оплодотворения. В этих условиях, в корне отличающихся от есте­ственных, оплодотворяющую способность «незре­лых» сперматозоидов можно проверить in vitro.

Если после хирургических анастомозов сперматозоиды попадают в женские половые пути, то при искус­ственном оплодотворении они минуют большинство естественных препятствий.

При оплодотворении in vitro — экстракорпо­ральное оплодотворение (ЭКО) сперматозоиды от­бирают из различных участков семенных путей, в частности при врожденной двусторонней аплазии семявыносящего протока и муковисцидозе, когда хирургическая коррекция невозможна.

Беремен­ность может наступить при оплодотворении яйце­клеток сперматозоидами, полученными из хвоста, тела и головки придатка яичка (микроэпидидимальная аспирации сперматозоидов, MESA), из эффе­рентных канальцев и эпидидимальных кист или прямо из яичка (тестикулярная эк­стракция сперматозоидов, TESE). Показано, что сперматозоиды из более проксимальных участков половых путей обладают меньшей способностью вызывать беременность, судя по высокому проценту потерь эмбрионов .

Более инвазивные методы индукции беременно­сти включают субзональную инсеми­нацию и интрацитоплазматическую инъекцию сперматозоидов (ИКСИ). При интрацитоплазматической инъекции беременность возникает при исполь­зовании даже незрелых мужских зародышевых кле­ток — удлиненных сперматид, круглых сперматид или их ядер.

При этом клетки из яичка обеспечивали появление меньшего числа эмбрионов с двумя пронуклеусами, менее успешный перенос эмбрионов в матку и более редкое наступление беременности, чем спермато­зоиды из придатка. Эти данные показывают, что да­же у человека сперматозоиды в придатке приобре­тают свойства, способствующие образованию эм­бриона.

Приобретение сперматозоидами подвижности в процессе сперматогенеза

Покидающие яичко сперматозоиды лишены подвижности, хотя и обладают необходимыми структурами. Из яичек больных с врожденным от­сутствием семявыносящего протока или обструктивной азооспермией можно получить немного вяло двигающихся сперматозоидов, но такие клетки появляются здесь, по-видимому, только при непроходимости придатка или протока.

Приобретение подвижности — функция времени, и при ИКСИ для индукции по­движности клеток из яичка их вначале инкубиру­ют in vitro. В некоторых, но не во всех клетках, извлеченных из яичка, аксонемный комплекс уже способен функционировать, так как у небольшого процента таких клеток, обработанных Тритоном Х-100, АТФ вызывает мер­цания жгутика.

Проходя через придаток яичка, сперматозоиды приобретают не только подвижность, но и харак­тер движений, свойственный зрелым формам.

Аксонема созревает раньше всего сперматозоида, что свидетельствует о более поз­днем формировании систем вторых внутриклеточ­ных посредников. Изменения сперматозоидов, обнаруживаемые на серийных срезах придатка яичка, у животных разных видов различны, но на­растание таких показателей, как процент подвиж­ных клеток, скорость движения по прямой и пря­мизна пути , — тенденция общая.

Уве­личение скорости движения по прямой связано в основном с улучшением координации биений жгутика, что приводит к выпрямлению самого пу­ти клеток. Судя по скорости криволинейных дви­жений, увеличивается и мощность размахов хво­ста. Эти изменения кинематики сперматозоидов происходят в проксимальной половине придатка яичка и завершаются в средней части его тела. Амплитуда движений головки сперматозоидов в ходе этого процесса меняется мало.

Гетерогенность популяции сперматозоидов в любой области придатка яичка свидетельствует о различной скорости созревания их подвижности. В среднем отделе тела придатка, где содержатся молодые зрелые клетки, обладающие максималь­ными кинематическими характеристиками, их по­пуляция наиболее гомогенна.

У некоторых жи­вотных и у человека в хвостовом отделе придатка процент подвижных сперматозоидов, скорость их движения по прямой или оба параметра в той или иной степени снижаются; часто отмечают умень­шение и гомогенности клеточной популяции. Это отражает, по-видимому, старение зрелых сперма­тозоидов, так как степень такого снижения кор­релирует с длительностью периодов воздержа­ния от половой жизни.

Природа факторов, стимулирующих созрева­ние подвижности сперматозоидов в придатках яичка, неясна. У животных такими факторами мо­гут быть сдвиги внутриклеточного рН, концентра­ции Са++ и цАМФ, а также активно­сти протеинфосфатазы.

Сперматозоиды из придатка яичка начина­ют экспрессировать аденилатциклазу и могут сти­мулироваться бикарбонатом, который выделяется эпителиальными клетками, содержащими карбоангидразу. Не менее важную роль могут играть фосфодиэстеразы, регулирующие уровень цАМФ, и якорный белок киназы А, который образуется из его предшественника, синтезируемого в яичках и созревающего в придатке.

Увеличение мощности (о чем свидетельствует скорость движения по прямой) придает более зрелым сперматозоидам способность проходить сквозь шеечную слизь, двигаться в женских поло­вых путях и пенетрировать оболочки яйцеклетки. Сперматозоиды из проксимальных отделов лише­ны этой способности.

При контакте с яйцеклетка­ми in vitro (ЭКО) более зрелые сперматозоиды обладают меньшими преимуществами, хотя и в таких условиях необходима пенетрация прозрач­ной зоны. При субзональной инсеминации, когда зону разрушают механически, чтобы спер­матозоид сразу оказался в околожелточном про­странстве, подвижность клеток не имеет значе­ния, так как с яйцеклеткой могут сливаться даже неподвижные сперматозоиды (например, от больных с синдромом неподвижных ресничек Картагенера).

В норме после пенетрации яйце­клетки биения сперматозоида прекращаются, так что, как только ядро сперматозоида попадет в яйцеклетку, необходи­мость в подвижности отпадает. Поэтому прекра­щение движений сперматозоидов путем повреж­дения их мембраны — обычная и необходимая манипуляция при ИКСИ.

Приобретение сперматозоидами способности связываться с зоной

Капацитированные сперматозоиды из головки придатка яичка хуже связываются с зоной, чем клетки из эякулята. Это свидетельствует о созре­вании в придатке связывающей способности кле­ток . На сперматозоидах разных видов животных присутствуют различные «рецепторы зоны«.

Одни из них существуют уже на спермато­зоидах из яичка и по мере прохождения придатка меняют свои размеры и расположение на головке сперматозоида. Другие секретируются в придатке. Недавно показано, что у человека в связывании с зоной принимает участие секретируемый придатком гликопротеин (Р34Н).

В некоторых случаях бесплодия обнаруживается не­способность сперматозоидов прикрепляться к зоне и снижение уровня эпидидимапьного Р34Н в сперматозоидах.

Приобретение сперматозоидами способности подвергаться акросомной реакции

При капацитации сперматозоидов из придатка яичка in vitro, независимо от того, из каких отделов придатка получены клетки, всегда наблюдается «спонтанная» акросомная реакция .

По­пытки индуцировать акросомную реакцию клеток человека с помощью кальциевого ионофора или длительной инкубации при 4°С имели больший успех при использовании зрелых сперматозоидов по сравнению с незрелы­ми. Это свидетельствует о созревании способности сперматозоидов отвечать акросомной реакцией на внешние стимулы, что может быть связано с изме­нением содержания и состава стеролов в мембра­не.

Клетки из яичек и го­ловки придатка содержат не меньше, если не боль­ше, акрозина, чем сперматозоиды из хвоста этого органа , и поэтому способность взаимо­действовать с зоной лимитирует именно акросом­ная реакция.

Бесплодие может быть связано с недостаточностью акросомной реакции.

Приобретение способности к слиянию с яйцеклеткой

Способность связываться и сливаться с желточ­ной мембраной яйцеклетки хомячка сперматозоиды человека приобретают не в головке придатка яичка, а ниже. Эта способность максимальна в клетках из хвоста придатка . Поскольку незрелые сперматозоиды менее готовы к акросомной реакции , неясно, что определяет меньшую их способность к слиянию — отсутствие капацитации и недостаточная акросомная реакция или отсут­ствие нужных изменений экваториального участка головки.

Во взаимодействии сперматозоида с яйцеклет­кой участвует трипептидная последовательность RGD (Арг-Гли-Асп), а придаток яичка человека секретирует растворимую форму фибронектина (адгезивного белка, содержащего эту последовательность), от чего, возможно, и зависит это взаимодействие. В нем могут принимать участие и другие белковые продук­ты секреции — антигены FLB1 и S0B2, а также белки спермато­зоидов яичка, содержащие сходные с металлопротеазами домены.

Конденсация хроматина сперматозоидов и образование пронуклеуса

У всех изученных видов в хроматине созреваю­щих в придатке сперматозоидов увеличивается ко­личество дисульфидных связей вследствие окисле­ния сульфгидрильных (SH) групп ДНК-связывающих белков (протаминов). На окисление сульфгидриль­ных групп нуклеопротеинов указывает снижение их окрашиваемости анилиновым синим (который взаи­модействует с гистонами) и акридиновым оранже­вым (который связывается с нуклеиновыми кислота­ми) .

Таким образом, в придатке происхо­дит все большая конденсация хроматина клеток. В ооплазме присутствует достаточное количество вос­становительных эквивалентов для разрыхления ядер сперматозоидов, что тем более позволяет использо­вать при ИКСИ клетки с меньшим количеством S-S связей в ядрах.

Созревание сперматозоидов и жизнеспособность эмбриона

У многих видов сперматозоиды из придатка яич­ка, уже способные оплодотворять яйцеклетки, не всегда дают начало образованию жизнеспособного эмбриона. Часто отмечаются задержка оплодотво­рения, задержка дробления, а также пре- и постимплантационные потери зародыша.

Причины этого изучены недостаточно, но помочь ре­шению вопроса могут данные о метилировании ге­нов сперматозоидов. Метилирова­ние препятствует транскрипции генов, так что без него возможен «незапланированный» синтез ДНК на ранних стадиях развития эмбриона, ведущий к асин­хронному делению клеток.

Это означает, что прида­ток яичка может контролировать экспрессию генов следующего поколения, и асинхронное развитие эм­бриона может зависеть от степени метилированности генов сперматозоидов.

Сперматозоиды из придатка яичка человека способны оплодотворять яйцеклетки in vitro, но пе­ренос эмбриона в женские половые пути не всегда приводит к беременности. Сравнение числа циклов, при которых возникла беременность, с числом тех, в которых произошло оплодотворение, ясно показывает, что сперматозоиды из при­датка с проксимальной окклюзией формируют эм­брионы «худшего качества», чем сперматозоиды из более дистальных отделов придатка.

Недавно показано, что при ИКСИ частота образова­ния эмбрионов с двумя пронуклеусами, а также частота успешных переносов эмбрионов и беременностей при ис­пользовании сперматозоидов из яичка ниже, чем при использовании сперматозоидов из придатка. Стадия развития сперматозоидов, на которой прио­бретается родительский импринтинг (определяю­щий специфическую экспрессию у эмбриона только одного аллеля гена), для человека неизвестна, но у мышей это происходит на стадии круглых сперматид.

К моменту образования сперматозоидов их ядер­ный хроматин еще не окончательно сформирован, и требуется какое-то время пребывания клеток в при­датке, чтобы он принял свою зрелую форму. Поскольку и разрыхление полностью кон­денсированного хроматина в яйцеклетке занимает определенное время, именно от него, по-видимому, зависит синхронизация образования мужского и женского пронуклеуса.