Направление дифференциации мужских половых клеток резко отличается от стратегии формирования женских гамет.
Дифференциация мужских гамет предполагает максимальную редукцию цитоплазматического тела и развитие двигательного аппарата. Объем спермия определяется практически размерами компактизованного ядра, нескольких митохондрий, центросомы и величиной жгутика. Следует обратить внимание на то, что развитие мужских и женских гамет, столь различающееся по дифференциации клеточных структур, происходит в соответствии с одной и той же принципиальной схемой ядерных преобразований, в ходе которых диплоидные первичные половые клетки (ППК) превращаются в гаплоидные гаметы.
Первые описания подвижных живчиков («зверьков», лат. animalculi) в семени животных принадлежат И. Гаму и А. Левенгуку (1677). Аналогичные образования были обнаружены и в семени человека, сперматозоид которого был увековечен на известном рисунке Николаса Хартсекера (1694). Стоявший на позициях анималькулизма Хартсекер предполагал, что именно в этих подвижных клетках заложены в миниатюре все структуры взрослого организма, отвергая тем самым гипотезы о паразитарной природе живчиков. Термин сперматозоид был введен в научную литературу К. Бэром (1817). Окончательное решение вопроса о природе сперматозоидов как мужских половых клеток принадлежит Альберту Кёлликеру (1817-1905), который на нескольких десятках видов беспозвоночных доказал развитие спермиев из клеток семенников. Кёлликер не только продемонстрировал все переходные формы от недифференцированной ППК до высокоспециализированного спермия, но и установил видовую специфичность спермиев и даже обнаружил у некоторых видов полиморфизм спермиев. Тем не менее явление редукции числа хромосом в ходе сперматогенеза оставалось незамеченным вплоть до последней четверти XIX столетия, когда Ван Бенеден, исследуя развитие мужских и женских половых клеток аскариды, описал мейоз (van Beneden, 1884). Новая страница в изучении структуры и функции спермиев была открыта в 50-е годы XX столетия, когда с использованием электронной микроскопии обнаружились принципиально новые особенности тонкой организации половых клеток.
По структурной организации и способу функционирования сперматозоиды можно подразделить на несколько типов. У подавляющего большинства видов сперматозоиды жгутиковые. Такие сперматозоиды обычно имеют три четко выраженных отдела: головку, в которой расположено ядро, среднюю часть, или шейку и жгутик. Известны некоторые группы животных, у которых спермии не имеют жгутиков. Безжгутиковые сперматозоиды характерны для некоторых Ecdysozoa. Так, у круглых червей сперматозоиды амебоидные. Своеобразные безжгутиковые спермии обнаружены и у многих членистоногих, их спермии округлой или звездчатой формы могут перемещаться с помощью псевдоподий или остаются неподвижными.
Сперматозоиды, как правило, микроскопических размеров. Спермин гидры имеют жгут длиной до 30 мкм. У некоторых книдарий его длина достигает 90 мкм. Известны и гигантские спермин. Например, у Drosophila bifurca длина сперматозоида составляет 58 мм. В этом случае спермий в 20 раз длиннее тела взрослой особи и в 15 000 раз длиннее спермия человека.
Хроматин ядра спермия сильно конденсирован и плотно упакован. В процессе формирования сперматозоида объем его ядра резко уменьшается (например, у петуха от 110 до 2 мкм3). Конденсация хроматина обусловлена замещением гистонов, характерных для соматических клеток, переходными белками, а затем и особыми высокоосновными спермийными белками — протаминами и иными аргининбогатыми белками.
Жгутиковые сперматозоиды обычно имеют акросому (от греч. акрос — крайний, сора — тело), хотя у многих животных, таких, как гидра, некоторые моллюски, костистые рыбы, акросома отсутствует. Акросома представляет собой секреторный пузырек, который формируется при участии аппарата Гольджи и содержит разнообразные гидролитические ферменты. У многих животных, в частности у млекопитающих, акросомный пузырек в процессе формирования спермия принимает вид шапочки, облегающей переднюю часть ядра. У иглокожих между акросомным пузырьком и ядром имеется субакросомное пространство, в котором локализуются молекулы глобулярного актина.
Митохондрии часто сливаются между собой, образуя крупную хондросферу. Они обычно локализуются в основании жгутика вокруг центриоли и, как полагают, генерируют энергию для движения жгутика. Иногда, например в сперматидах насекомых, моллюсков и кольчатых червей, слившиеся митохондрии располагаются в виде «побочного ядра» сбоку от ядра. Тем не менее, в конечном счете, митохондриальное побочное ядро окружает аксонему жгутика, или располагается рядом с ним.
Центриоль, которая в период делений сперматогониев и сперматоцитов определяет формирование веретена, в ходе спермиогенеза преобразуется в базальное тельце жгутика. Эта трансформация центриоли дрозофилы происходит при участии центросомина, особого белка центросомы. Мутация mfs, при которой синтез центросомина не происходит, вызывает нарушение спермиогенеза и, как следствие этого, стерильность самцов.
Основу жгутика составляет так называемый осевой комплекс, или аксонема, состоящая из двух центральных одиночных микротрубочек, вокруг которых расположены девять дублетов микротрубочек. Кроме этого комплекса спермин многих видов имеют еще одно внешнее кольцо, также состоящее из девяти фибрилл и придающее жгутику необходимую жесткость. Иногда в заднем отделе спермия образуется ундулирующая мембрана.
До настоящего времени не разгадано явление полиморфизма спермиев: у ряда животных в семеннике развиваются спермин двух разновидностей. Например, у некоторых гастропод (Prosobranchia) наряду с типичными жгутиковыми, или эупиренными сперматозоидами, обладающими оплодотворяющей способностью, развиваются короткие червеобразные апиренные формы, часто с аномальным гаплоидным набором хромосом. В других случаях апиренные спермин имеют два жгутика. Доля апиренных сперматозоидов постоянна для данного вида.
У ряда американских сумчатых наблюдается феномен попарного соединения зрелых спермиев, поступивших в эпидидимис. При этом лежащая над акросомой плазматическая мембрана одного сперматозоида плотно соединяется с соответствующей областью другого. Предполагается, что это объединение спермиев, жгутики которых расположены асимметрично относительно ядра, улучшает их подвижность.
Число спермиев, выводимых при осеменении, огромно. Так, у опоссума оно достигает 13 млн, у кролика их на порядок больше. У человека ежедневно может формироваться более 100 млн спермиев. Естественно, что этот интенсивный процесс требует координации пролиферации стволовых клеток и включения программ сперматогенеза, контролирующих преобразование диплоидных сперматогониев в зрелые гаплоидные сперматозоиды.
Сперматогенез подразделяется на несколько фаз. Первая из них — фаза размножения, в течение которой образующиеся после деления стволовых клеток сперматогонии митотически делятся. Число митотических циклов у разных видов варьирует от 1 до 14. Вторая фаза — фаза коммитации, в течение которой включаются генетические программы инициации сперматогенеза. Третья фаза — фаза созревания. Этот этап охватывает премейотический синтез ДНК и два мейотических деления. Мужские половые клетки, находящиеся в первом мейотическом цикле, называют первичными сперматоцитами (сперматоциты первого порядка), а во втором — вторичными сперматоцитами (сперматоциты второго порядка). После второго мейотического деления образуется гаплоидная сперматида и наступает заключительная фаза — фаза формирования спермия. В ходе спермиогенеза происходит резкое уменьшение объема ядра в результате элиминации нуклеоплазмы и конденсации хроматина. Изменение структуры хроматина в первую очередь обусловлено заменой соматических гистонов специфическими спермийными. В этот период образуется жгутик и завершается формирование акросомы. Характерной особенностью сперматогенеза является неполный цитокинез в период митотических делений сперматогоний и первого мейотического деления сперматоцитов. В результате потомки одного сперматогония образуют синцитиальную цисту. Полагают, что наличие цитоплазматических мостиков, связывающих сперматоциты, обеспечивает высокую синхронность дифференциации мужских половых клеток, входящих в состав одной цисты. Не исключено, что синцитиальная структура важна для поддержания фенотипической эквивалентности цитоплазмы сперматид, что особенно важно в отношении иРНК половых хромосом, так как многие белки, важные для спермиогенеза, контролируются генами X и Y хромосом. Так, например, описан перенос иРНК через межклеточные мостики гаплоидных сперматид мыши с помощью белка TB-RBP (testis-brain-RNA-binding protein).
Индивидуализация мужских гамет осуществляется на завершающем этапе спермиогенеза, когда происходит «сбрасывание» цитоплазмы вместе со всеми органеллами — рибосомами, эндоплазматической сетью, аппаратом Гольджи. У некоторых животных эта остаточная, или резидуальная (от лат. residuum — остаток) цитоплазма, отделяющаяся от головки спермия, фагоцитируется клетками фолликулярного эпителия семенника.
В опытах по так называемому микрооплодотворению, когда мужские половые клетки вводятся в ооцит с помощью микроинъекции или путем искусственного «сшивания» гамет, выяснилось, что уже ранние сперматиды и даже вторичные и иногда первичные сперматоциты обладают потенцией к образованию зиготы, способной к дальнейшему развитию. Другими словами, сложные процессы цитодифференциации, происходящие в период спермиогенеза, необходимы прежде всего для образования аппарата движения, формирования механизмов заякоривания и слияния с женской гаметой.
Процесс сперматогенеза предполагает тесную корреляцию митотических и мейотических циклов со сложной программой клеточной дифференциации. О существовании относительной автономии программы мейоза свидетельствует мутация twine, вызывающая у дрозофилы существенные аномалии мейоза и вместе с тем не затрагивающая заметным образом дифференциацию сперма, тид. Несмотря на нарушения сегрегации мейотических хромосом и цитокинеза, в семенниках мутантных самцов наблюдаются половые клетки, у которых происходит конденсация хроматина, характерное видоизменение формы ядра и образование жгутика. Наряду с этим известны мутации, которые блокируют одновременно и мейоз и спермиогенез. Эти мутации свидетельствуют о том, что на определенной стадии сперматогенеза действует сопряженная программа развития, в равной степени необходимая как для мейотического цикла, так и для дифференциации сперматид.
Семенник позвоночных подразделен на два отдела: семенные канальцы и межканальцевое пространство, или соединительнотканную строму. В последней находится обширная сеть кровеносных сосудов, интерстициальные клетки или клетки Лейдига, а также макрофаги, фибробласты, лимфоциты и тучные клетки. Семенные канальцы отделены от стромы так называемой ограничивающей мембраной, которая образована уплощенными клетками, расположенными в 2-3 слоя. Полагают, что эти клетки могут превращаться в клетки Лейдига. Эпителий семенных канальцев имеет сложный состав и образован клетками двух типов: половыми (гоноциты) и соматическими клетками фолликулярного эпителия. Последние часто называют клетками Сертоли, или опорными клетками. Реже их называют сустентоциталш (от лат. sustentas — поддерживающий). Между половыми и опорными клетками в течение всего сперматогенеза (у крысы цикл сперматогенеза длится 42 дня, у человека 74 дня) сохраняется постоянная взаимосвязь. Клетки Сертоли многофункциональны. Они обеспечивают питание дифференцирующихся мужских половых клеток и способствуют созданию необходимой для нормального сперматогенеза концентрации андрогенов. Опорные клетки играют также важную роль в перемещении половых клеток из базального отсека канальца в околополостной. Они участвуют в создании гематотестикулярного барьера, который предохраняет половые клетки от разного рода метаболитов и токсинов, а также предотвращает автоиммунизацию организма против собственных спермиев. Благодаря строго скоординированной сборке и разборке плотных контактов между клетками Сертоли происходит своего рода «шлюзование» сперматоцитов в околополостной компартмент канальца с сохранением непроницаемой границы между отсеками.
Функциональная активность семенника у позвоночных во многом определяется гормональной регуляцией со стороны гипоталамо-гипофизарной системы. Инициация сперматогенеза обусловлена секрецией лютеинизирующего гормона (ЛГ) и фолликулстимулирующего гормона (ФСГ), которые вырабатываются в передней доле гипофиза. В канальцах мишенями ФСГ являются клетки Сертоли, а в строме — макрофаги. Действие ЛГ на сперматогенез опосредовано клетками Лейдига: под действием ЛГ в этих клетках активируется синтез мужского полового гормона тестостерона, наличие которого является непременным условием сперматогенеза. В обоих случаях происходит выработка паракринных (т. е. действующих вблизи от места секреции) факторов, поддерживающих активность клеток Лейдига. ФСГ стимулирует также аккумуляцию тестостерона в клетках Сертоли, создавая предпосылку нормального сперматогенеза. Дифференциация клеток Сертоли у мыши по времени совпадает с экспрессией гена Tsx, что дает основание предполагать участие этого гена в осуществлении специфической функции клеток Сертоли — обеспечении сперматогенного цикла у животных, достигших половой зрелости. Для поддержания этой функции необходимы и белки, продуцируемые клетками Лейдига. Показано, что эти белки (Gas 6, S) служат лигандами, которые воспринимаются специфическими тирозинкиназными рецепторами клеток Сертоли.
Поступающие извне сигналы инициируют активность генетических программ сперматогенеза. Методом иммуноблотинга было показано, что у мыши в период сперматогенеза в результате экспрессии генов в половых клетках появляется целый ряд специфических для этого периода антигенов. Глобальная транскрипция прекращается за несколько дней до завершения спермиогенеза. В период спермиогенеза активируется трансляция ранее синтезированных иРНК. В частности, активируется трансляция транскриптов протамина. Благодаря динамической модификации хроматина и точной координации процессов транскрипции и процессинга иРНК достигается экспрессия белков, специфических для разных этапов спермиогенеза.
Решающую роль в активации генов, ответственных за сперм иогенез и экспрессирующихся в гаплоидном геноме, играет цАМФ-зависимый транскрипционный фактор CREM. Оказалось, что необходимым элементом для экспрессии генов в период спермиогенеза является активация аденилатциклазной системы мужских половых клеток. Было показано, что гонадотропные гормоны гипофиза, взаимодействуя с рецепторами мембран, активируют G-белок и связанную с ним аденилатциклазу. Это в конце концов индуцирует накопление цАМФ в клетках Сертоли, воспринимающих сигнал ФСГ, и в клетках Лейдига, взаимодействующих с ЛГ. Повышение уровня цАМФ вызывает диссоциацию неактивного комплекса протеинкиназы А на две субъединицы — регуляторную и каталитическую. После диссоциации каталитическая субъединица фосфорилирует ядерные транскрипционные факторы класса bZIP, которые связываются со специфической нуклеотидной последовательностью TGACGTCA в промоторах генов-мишеней. Этот сайт называют CRE (от сАМР responsive element). Соответственно транскрипционные факторы, связывающиеся с CRE, называются CREB (CRE binding protein) и CREM (CRE modulator). Оказалось, что эти факторы играют важную роль в спермиогенезе. У мышей половое созревание сопровождается появлением больших количеств фактора CREM. Ген crem экспрессируется в сперматоцитах начиная со стадии пахитены. Синтез же соответствующего белка происходит только на стадии ранней сперматиды. У сперматозоидов белок CREM отсутствует. Наблюдения на нокаутированных мышах crem показали, что такие мыши не имеют видимых отклонений от нормы за исключением изменения семенников, масса которых на 20-25% меньше массы семенников нормальных мышей. Гомозиготные самцы crem в отличие от самок были стерильными: в семенной жидкости сперматозоиды отсутствовали. При микроскопическом исследовании семенных канальцев оказалось, что сперматогенез у мышей, лишенных гена crem, не шел дальше стадии ранней сперматиды. Спермиогенез был полностью подавлен, хотя клетки Сертоли имели нормальный вид.
У дрозофилы во время спермиогенеза экспрессируется специфический для мужских половых клеток ген don juan. Начало синтеза белка Don Juan приходится на стадию удлиненной сперматиды и продолжается в течение всего спермиогенеза. Этот белок молекулярной массой 29 кДа характеризуется высоким содержанием лизина. Как полагают, белок Don Juan участвует в дифференциации митохондрий и обеспечивает морфогенез жгутика спермия.
Важный момент в дифференциации сперматид — экспрессия специфических для сперматозоидов трансмембранных белков, которые обеспечивают адгезию мужской гаметы и ооцита. У млекопитающих эту функцию выполняют β-1,4-галактозил-трансфераза, зонадгезин и фертилин. Последний принадлежит семейству белков ADAM (a disintegrin and metalloprotease), одна из функций которых состоит в процессинге рецепторов плазматической мембраны.