Сперматоциты — это тип мужских гаметоцитов у животных. Они происходят из незрелых зародышевых клеток, называемых сперматогониями. Они находятся в яичках, в структуре, известной как семенные канальцы. Существует два типа сперматоцитов: первичные и вторичные. Первичные и вторичные сперматоциты формируются в процессе сперматоцитогенеза.
Spermatocytes are a type of male gametocyte in animals. They derive from immature germ cells called spermatogonia. They are found in the testis, in a structure known as the seminiferous tubules. There are two types of spermatocytes, primary and secondary spermatocytes. Primary and secondary spermatocytes are formed through the process of spermatocytogenesis.
Разработка
В период полового созревания сперматогонии, расположенные вдоль стенок семенных канальцев внутри яичка, начинают инициироваться и митотически делиться, образуя два типа клеток А, содержащих овальное ядро с ядрышком, прикрепленным к ядерной оболочке; один тип – темный (Ad), а другой – бледный (Ap). Клетки Ad – это сперматогонии, которые остаются в базальном компартменте (наружной области канальца); эти клетки являются резервными сперматогонными стволовыми клетками, которые обычно не подвергаются митозу. Клетки Ap – это активно делящиеся сперматогонными стволовые клетки, которые начинают дифференцироваться в сперматогонии типа B, характеризующиеся круглыми ядрами и гетерохроматином, прикрепленным к ядерной оболочке и центру ядрышка. Клетки типа B перемещаются в адлюминальный компартмент (к внутренней области канальца) и становятся первичными сперматоцитами; этот процесс занимает около 16 дней. Первичные сперматоциты в адлюминальном компартменте продолжают мейоз I и делятся на две дочерние клетки, известные как вторичные сперматоциты, процесс, который занимает 24 дня. Каждый вторичный сперматоцит формирует два сперматида после мейоза II.
At puberty, spermatogonia located along the walls of the seminiferous tubules within the testis will be initiated and start to divide mitotically, forming two types of A cells that contain an oval shaped nucleus with a nucleolus attached to the nuclear envelope; one is dark (Ad) and the other is pale (Ap). The Ad cells are spermatogonia that will stay in the basal compartment (outer region of the tubule); these cells are reserve spermatogonial stem cells that do not usually undergo mitosis. Type Ap are actively dividing spermatogonial stem cells which begin differentiation to type B spermatogonia, which have round nuclei and heterochromatin attached to the nuclear envelope and the center of nucleolus. Type B cells will move on to the adluminal compartment (towards the inner region of tubule) and become primary spermatocytes; this process takes about 16 days to complete. The primary spermatocytes within the adluminal compartment will continue on to meiosis I and divide into two daughters cells, known as secondary spermatocytes, a process which takes 24 days to complete. Each secondary spermatocyte will form two spermatids after meiosis II.
Роль гормонов
Формирование первичных сперматоцитов (процесс, известный как сперматоцитогенез) начинается у людей, когда мужчина достигает половой зрелости в период полового созревания, примерно в возрасте от 10 до 14 лет. Формирование инициируется пульсирующими выбросами гормона, высвобождающего гонадотропины (GnRH) из гипоталамуса, что приводит к секреции фолликулостимулирующего гормона (FSH) и лютеинизирующего гормона (LH), вырабатываемых передней долей гипофиза. Выделение ФСГ в яички усиливает сперматогенез и способствует развитию клеток Сертоли, которые выполняют роль поддерживающих клеток, куда сперматиды направляются для созревания после мейоза II. ЛГ стимулирует секрецию тестостерона клетками Лейдига в яички и кровь, что индуцирует сперматогенез и способствует формированию вторичных половых признаков. С этого момента секреция ФСГ и ЛГ (индуцирующая выработку тестостерона) будет стимулировать сперматогенез на протяжении всей жизни мужчины. Повышение уровней гормонов ФСГ и ЛГ у мужчин не увеличивает скорость сперматогенеза. Однако с возрастом скорость продукции снижается, даже при постоянном количестве секретируемого гормона; это связано с более высокой скоростью дегенерации зародышевых клеток в профазе мейоза. Гомологичная рекомбинационная репарация (ГРР) двухцепочечных разрывов происходит у мышей на последовательных стадиях сперматогенеза, но наиболее выражена в сперматоцитах. В сперматоцитах события ГРР происходят преимущественно на пахитенной стадии мейоза, и преобладает тип ГРР, связанный с конверсией генов, в то время как на других стадиях сперматогенеза более распространен тип ГРР, связанный с взаимным обменом. Благодаря своей повышенной способности к восстановлению ДНК, сперматоциты, вероятно, играют центральную роль в поддержании низкого уровня мутаций и, следовательно, в сохранении генетической целостности мужской зародышевой линии. Известно, что гетерозиготные хромосомные перестройки приводят к нарушению или прекращению сперматогенеза; однако молекулярные механизмы, вызывающие это, изучены недостаточно. Предполагается, что пассивный механизм, включающий скопление асинаптических областей в сперматоцитах, может быть одной из причин. Асинаптические области ассоциированы с присутствием BRCA1, киназы ATR и γH2AX в пахитенных сперматоцитах.
The formation of primary spermatocytes (a process known as spermatocytogenesis) begins in humans when a male is sexually matured at puberty, around the age of 10 through 14. Formation is initiated upon the pulsated surges of gonadotropin releasing hormone (GnRH) from the hypothalamus, which leads to the secretion of follicle stimulating hormone (FSH) and luteinizing hormone (LH) produced by the anterior pituitary gland. The release of FSH into the testes will enhance spermatogenesis and lead to the development of Sertoli cells, which act as nursing cells where spermatids will go to mature after meiosis II. LH promotes Leydig cell secretion of testosterone into the testes and blood, which induce spermatogenesis and aid the formation of secondary sex characteristics. From this point on, the secretion of FSH and LH (inducing production of testosterone) will stimulate spermatogenesis until the male dies. Increasing the hormones FSH and LH in males will not increase the rate of spermatogenesis. However, with age, the rate of production will decrease, even when the amount of hormone that is secreted is constant; this is due to higher rates of degeneration of germ cells during meiotic prophase. Homologous recombinational repair (HRR) of double strand breaks occurs in mice during sequential stages of spermatogenesis but is most prominent in spermatocytes. In spermatocytes, HRR events occur mainly in the pachytene stage of meiosis and the gene conversion type of HRR is predominant, whereas in other stages of spermatogenesis the reciprocal exchange type of HRR is more frequent. Because of their elevated DNA repair capability, spermatocytes likely play a central role in the maintenance of these lower mutation rates, and thus in the preservation of the genetic integrity of the male germ line. It is known that heterozygous chromosomal rearrangements lead to spermatogenic disturbance or failure; however the molecular mechanisms that cause this are not as well known. It is suggested that a passive mechanism involving asynaptic region clustering in spermatocytes is a possible cause. Asynaptic regions are associated with BRCA1, kinase ATR and γH2AX presence in pachytene spermatocytes.
Специфические мутации
Ген, стимулируемый ретиноевой кислотой 8 (STRA8), необходим для пути передачи сигнала ретиноевой кислоты у человека, что приводит к инициации мейоза. Экспрессия STRA8 выше в прелептотоновых сперматоцитах (на самой ранней стадии профазы I мейоза), чем в сперматогониях. Показано, что сперматоциты с мутациями в гене STRA8 способны инициировать мейоз, однако не могут завершить его. Мутации в лептотоновых сперматоцитах могут приводить к преждевременной конденсации хромосом. Мутации в Mtap2, белке, связанном с микротрубочками, наблюдаемые в сперматоцитах мутантов repro4, приводят к остановке прогресса сперматогенеза в профазе мейоза I. Это проявляется в снижении количества сперматид у мутантов repro4. Рекомбинантные дефектные мутации могут возникать в генах Spo11, DMC1, ATM и MSH5 сперматоцитов. Эти мутации связаны с нарушением репарации двухцепочечных разрывов ДНК, что может приводить к остановке сперматогенеза на стадии IV цикла семенного эпителия.
The gene Stimulated By Retinoic Acid 8 (STRA8) is required for the retinoic acid signaling pathway in humans, which leads to meiosis initiation. STRA8 expression is higher in preleptotene spermatocytes (at the earliest stage of prophase I in meiosis) than in spermatogonia. STRA8 mutant spermatocytes have been shown to be capable of meiosis initiation; however, they cannot complete the process. Mutations in leptotene spermatocytes can result in premature chromosome condensation. Mutations in Mtap2, a microtubule associated protein, as observed in repro4 mutant spermatocytes, have been shown to arrest spermatogenesis progress during the prophase of meiosis I. This is observed by a reduction in spermatid presence in repro4 mutants. Recombinant defective mutations can occur in Spo11, DMC1, ATM and MSH5 genes of spermatocytes. These mutations involve double strand break repair impairment, which can result in arrest of spermatogenesis at stage IV of the seminiferous epithelium cycle.
История
Процесс сперматогенеза был изучен на протяжении многих лет исследователями, которые разделили его на несколько стадий или фаз в зависимости от внутренних (клетки зародышевого эпителия и клетки Сертоли) и внешних (ФСГ и ЛГ) факторов. Процесс сперматогенеза у млекопитающих в целом, включающий клеточные трансформации, митоз и мейоз, был хорошо изучен и задокументирован с 1950-х по 1980-е годы. Однако в 1990-х и 2000-х годах исследователи сосредоточились на углублении понимания регуляции сперматогенеза посредством генов, белков и сигнальных путей, а также биохимических и молекулярных механизмов, вовлеченных в эти процессы. В последнее время все больше внимания уделяется воздействию окружающей среды на сперматогенез, поскольку мужское бесплодие становится все более распространенным. Важным открытием в процессе сперматогенеза стала идентификация цикла семенного эпителия у млекопитающих – работа К. П. Леблонда и И. Клермона в 1952 году, в которой изучались сперматогонии, слои сперматоцитов и сперматиды в семенных канальцах крысы. Другим важным открытием стало выявление гормональной цепи гипоталамус-гипофиз-яички, играющей роль в регуляции сперматогенеза; это было изучено Р. М. Шарпом в 1994 году. Mesostoma ehrenbergii – это рабдокоэльный плоский червь с характерной стадией мейоза у самцов в процессе формирования сперматоцитов. На стадии преанафазы в клетках сперматоцитов, содержащих четыре унивалентные хромосомы, формируются борозды деления. К концу анафазы на каждом полюсе находится по одной хромосоме, перемещающейся между полюсами веретена деления, фактически не вступая друг с другом в физическое взаимодействие (также известное как сегрегация на расстоянии). Эти уникальные особенности позволяют исследователям изучать силу, создаваемую полюсами веретена деления, для перемещения хромосом, управление бороздами деления и сегрегацией на расстоянии.
The spermatogenesis process has been elucidated throughout the years by researchers who divided the process into multiple stages or phases, depending on intrinsic (germ and Sertoli cells) and extrinsic (FSH and LH) factors. The spermatogenesis process in mammals as a whole, involving cellular transformation, mitosis, and meiosis, has been well studied and documented from the 1950s to 1980s. However, during the 1990s and 2000s researchers have focused around increasing understanding of the regulation of spermatogenesis via genes, proteins, and signaling pathways, and the biochemical and molecular mechanisms involved in these processes. Most recently, the environmental effects on spermatogenesis have become a focus as male infertility in men has become more prevalent. An important discovery in the spermatogenesis process was the identification of the seminiferous epithelial cycle in mammals—work by C. P. Leblound and Y. Clermont in 1952 that studied the spermatogonia, spermatocyte layers and spermatids in rat seminiferous tubules. Another critical discovery was that of the hypothalamic pituitary testicular hormone chain, which plays a role in spermatogenesis regulation; this was studied by R. M. Sharpe in 1994. Mesostoma ehrenbergii is a rhabdocoel flatworm with a distinctive male meiosis stage within the formation of spermatocytes. During the pre anaphase stage, cleavage furrows are formed in the spermatocyte cells containing four univalent chromosomes. By the end of the anaphase stage, there is one at each pole moving between the spindle poles without actually having physical interactions with one another (also known as distance segregation). These unique traits allow researchers to study the force created by the spindle poles to allow the chromosomes to move, cleavage furrow management and distance segregation.