Spermatogeneza

Spermatogeneza (grč.σπέρμα - spérma = sjeme + γένεσις – jénnissi = rođenje, razvoj) je proces u kojem se muška spermatogonija razvija u zreli spermatozoid. Spermatozoidi su zrele muške reproduktivne ćelije kod mnogih višećelijskih organizama. Na taj način, spermatogenezu se može posmatrati kao mušku verziju gametogeneze. Kod sisara, ona se odvija u fazama u testisima i epididimisu mužjaka, tako da kod čovjeka taj proces traje otprilike 64 dana,^[1] a kod konja 57 dana.^[2] Spermatogeneza je veoma zavisna od optimalnih uslova koji su neophodni da se proces pravilno odvija, a bez nje spolna reprodukcija bi bila nemoguća. Ona obično počinje u pubertetu i odvija se neprekidno sve do smrti, osim što sa starošću dolazi do postepenog smanjivanja u proizvodnji sperme. Cijeli proces se može rasčlaniti u nekoliko faza, a za svaku fazu se može identificirati povezana vrsta ćelije:

Tip ćelije	Ploidnost / Hromosomi	Hromatide	Proces
Spermatogonijum (tipovi Ad, Ap i B)	diploidna/46	2N	spermatocitogeneza (mitoza)
Primarni spermatociti	diploidna/46	4N	spermatidogeneza (mejoza 1)
Sekundarni spermatociti	haploidna/23	2N	spermatidogeneza (mejoza 2)
Spermatidi	haploidna/23	1N	spermiogeneza
Sperma	haploidna/23	1N	spermijacija

Svrha

Spermatogenezom se proizvode zreli muški gameti, obično nazvani sperma, preciznije spermatozoidi, koji su sposobni oploditi odgovarajuću žensku spolnu ćeliju, oocitu, u toku procesa začeća kojim se stvara jednoćelijska jedinka zvana zigot. Ova proces je ključni u procesu spolne reprodukcije i uključuje dva gameta koji posjeduju polovinu normalnog broja hromozoma (haploidni) da bi rezultirali zigotom sa normalnim brojem hromozoma (diplodni).

Da bi se sačuvao broj hromozoma kod potomstva, koji je različit kod raznih živih vrsta, svaki gamet mora imati polovinu normalnog broja hromozoma koji su prisutni u drugim ćelijama organizma. U suprotnom, potomstvo bi imalo dvostruki broj hromozoma i desile bi se brojne hromozomske nepravilnosti. Kod čovjeka, hromozomske nepravilnosti koje proizilaze iz nepravilnih spermatogeneza uzrokuju, između ostalog, Downov sindrom, Klinefelterov sindrom i spontani pobačaj. Neke citogenetske studije su pokazale da je 10% spermatozoida i 25% zrelih jajnih ćelija hromozomski nepravilno. Između 1 i 3% svih utvrđenih začeća su triploidna.^[3] Većina hromozomski nepravilnih zigota obično ne prežive dugo nakon začeća, ali postoje i određeni primjeri da se iz nekih slučajeva poliploidnost razviju i nove održive vrste.

Lokacija

Spermatogeneza se odvija unutar nekoliko dijelova muškog reproduktivnog sistema. Početna faza se dešava unutar testisa i nastavlja se u epididimisu gdje razvijeni gameti dozrijevaju i gdje se čuvaju do ejakulacije. Sjemenske tubule testisa su početna tačka procesa, gdje se matične ćelije nalegle na unutrašnji zid tubule dijele u cetripetalnom smijeru, počevši od zidova prema unutrašnjim dijelovima odnosno lumenu, da bi proizvele nedozrelu spermu. Dozrijevanje sperme se dešava u epididimisu, što uključuje rast repa spermatozoida, a time i njegovu pokretljivost.

Faze

Spermatocitogeneza

Spermatocitogeneza je forma gametocitogeneze kod mužjaka i rezultira formiranjem spermatocita koji imaju polovinu normalnog seta genetskog materijala. Pri spermatocitogenezi, diploidni spermatogonijum koji se čuva u baznom dijelu sjemenskih tubula, dijeli se mitozno da bi na kraju napravio dvije diploidne privremene ćelije zvane primarni spermatociti. Svaki primarni spermatocit se zatim premješta u adlumenske odjele unutar sjemenskih tubula i udvostručava svoju DNK i napokon započinje mejozu I, da bi proizveo dva haploidna sekundarna spermatocita. Ova podjela podrazumijeva izvore genetske varijacije, poput nasumičnog uključivanja nekog od dva roditeljska hromozoma, hromozomske crossovere (ukrštanja) da bi se povećala genetska varijabilnost gameta.

Svaka dioba ćelije od spermatogonijuma do spermatida je donekle nepotpuna; ćelije ostaju povezane jedna s drugom preko mostova citoplazme veličine 1 μm^[4], da bi se omogućio sinhronizovani razvoj. Također bi trebalo pomenuti da se sve spermatogonijumi ne dijele da bi proizveli spermatocite, u tom slučaju bi ponestalo dotoka svježih gametogonijuma. Umjesto toga, određeni tipovi spermatogonijuma se dijele da bi proizveli kopije samih sebe, čime se osigurava trajna opskrba svježim gametogonijama za odvijanje procesa spermatogeneze.

Spermatidogeneza

Spermatidogeneza je proces stvaranja spermatida iz sekundarnih spermatocita. Sekundarni spermatociti nastaju ranije, vrlo brzo prolazeći fazu mejoze II i dijele se da bi proizveli haploidne spermatide. Kratkoća ove faze znači da se sekundarni spermatociti veoma rijetko mogu primijetiti u histološkim preparatima.

Spermiogeneza

Tokom spermiogeneze, spermatidima počinje rasti rep, razvijati se zadebljali srednji dio, gdje se okupljaju mitohondrije i formiraju aksoneme. DNK spermatida se također pakuje i postaje izuzetno zgusnuta. DNK se isprva pakuje sa određenim jedrenih osnovnih proteina, koji se kasnije zamjenjuju protaminima u toku produženja spermatida. Rezultat gusto zapakovanog hromatina je nemogućnost njegovog kopiranja. Golđijev aparat okružuje sada kondenzirane jezgre, i postaje akrozom. Akrozom sadrži enzime koji pomažu probijanje zaštitnih opni jajne ćelije pri oplodnji.^[5]

Jedna od centriola ćelije se izdužuje i postaje rep sperme. Dozrijevanje se zatim odvija pod uticajem testosterona, koji uklanja preostalu nepotrebnu citoplazmu i organele. Višak citoplazme, poznat i kao rezidualna tijela, se fagocitira preko okolnih Sertolijevih ćelija u testisima. Preostali spermatozoidi, koji su sad zreli, stoje mirno i nepokretno. Zreli spermatozoidi se ispuštaju iz zaštitnih Sertolijevih ćelija u lumen sjemenskih tubula tokom procesa spermijacije. Nepokretni spermiji se prebacuju u epididimis u testisnoj tekućini koju ispuštaju Sertolijeve ćelije pomoću peristaltičkih kontrakcija. Dok se nalaze u epididimisu, oni nakon 18 sati stječu pokretljivost i postaju sposobni za oplodnju.^[5] Međutim, transport zrelih spermatozoida kroz ostatak muškog reproduktivnog sistema se postiže više putem mišićnih kontrakcija nego što to učini spermatozoid koji je upravo stekao sposobnost samostalnog kretanja.

Uloga Sertolijevih ćelija

U svim fazama diferencijacije, spermatogene ćelije su u stalnom kontaktu sa Sertolijevim ćelijama za koje se smatra da omogućavaju strukturnu i metaboličku podršku u razvoju ćelija sperme. Pojedinačna Sertolijeva ćelija se proteže od baze membrane do lumena sjemenskih tubula, iako je citoplazmatične procese veoma teško razlikovati pod svjetlosnim mikroskopom.

Sertolijeve ćelije imaju brojne funkcije tokom spermatogeneze; one podržavaju razvoj gamete na slijedeće načine:

Održavaju okolinu neophodnu za razvoj i sazrijevanje preko barijere krv-testisi.
Luče supstance koje iniciraju mejozu
Luče testisnu tekućinu
Luče proteine koji vezuju androgen, koji koncentrira testosteron u neposrednoj blizini gameta u razvoju
- Testosteron je neophodan u veoma velikim količinama za održavanje reproduktivnog sistema, a ABP omogućava mnogo veće nivoe plodnosti
Luči hormone koji izazivaju kontrolu spermatogeneze iz hipofize, naročito polipeptidni hormon inhibin
Fagocitiraju ostatke citoplazme koja je preostala nakon spermiogeneze
Ispuštaju antimulerinski hormon koji sprječava nastanak mulerinskih kanala/jajovoda

Faktori utjecaja

Proces spermatogeeze je veoma osjetljiv na promjene okoline, naročito hormona i temperature. Testosteron je neophodan u visokim lokalnim koncentracijama za održavanje procesa, što se postiže preko vezivanja testosterona putem adrogenih vezivnih proteina koji se nalaze u sjemenskim tubulama. Testosteron proizvode međuprostorne ćelije, poznate i kao Leydigove ćelije, koje se nalaze u blizini sjemenskih tubula.

Sjemenski epitel je osjetljiv na povišenu temperaturu kod čovjeka i nekih drugih vrsta, te mu može smetati i normalna temperatura tijela. Zbog toga, testisi se kod čovjeka nalaze van tijela u kožnoj vrećici nazvanoj skrotum. Optimalna temperatura koja bi se trebala održavati je od 1,5-2,5 °C (kod čovjeka^[6]) do 8 °C (kod miša) ispod temperature tijela. Ovo se postiže putem regulacije krvotoka^[7] i pozicioniranja skrotuma dalje od topline tijela preko glatkih mišića u skrotumu.

Nedostaci u ishrani (kao što je nedostatak vitamina B, E i A), anaboličkih steroida, metala (kadmijum i olovo), izlaganje X-zracima, dioksin, alkohol i infektivne bolesti mogu značajno ugroziti proces i brzinu spermatogeneze.

Hormonska kontrola

Hormonalna kontrola spermatogeneze se razlikuje između vrsta. Kod čovjeka, mehanizam nije potpuno razjašnjen, no poznato je da je pokretanje spermatogeneze dešava u pubertetu zbog međudjelovanja hipotalamusa, hipofize i Leydigovih ćelija. Ako se hipofiza ukloni, spermatogeneza se još uvijek može pokrenuti putem hormona i testosterona koji stumuliše folikul.

Hormon koji stimuliše folikul dalje stimuliše proizvodnju proteina koji vezuju androgen u Sertolijevim ćelijama kao i formiranje barijere između testisa i krvi. Protein koji veže androgen je bitan za koncentraciju testosterona u dovoljno visokim nivoima da se pokrene i održi proces spermatogeneze, a taj nivo može biti 20 do 50 puta viši od njegove koncentracije u krvi.

Hormon koji stimuliše folikul može pokrenuti razlaganje testosterona u testisima, ali jednom otpočne proces spermatogeneze, samo je testosteron neophodan za njeno održavanje. Međutim, povećani nivoi hormona koji stimuliše folikul će povećati proizvodnju spermatozoa tako što će sprječavati apoptozu spermatogonija tipa A. Hormon inhibin djeluje tako da povećava nivoe hormona koji stimuliše folikul. Studije kod glodara pokazuju da hormoni gonadotropin (LH i FSH) podržavaju proces spermatogeneze putem suzbijanja proapoptičnih signala i tako pomaže preživljavanje spermatogenih ćelija.^[8]

Sertolijeve ćelije posreduju u nekim fazama spermatogeneze putem proizvodnje hormona. One su sposobne proizvesti hormone estradiol i inhibin. Leydigove ćelije su također sposobne da proizvode estradiol, pored svog osnovnog proizvoda testosterona.

Također pogledajte

Reference

^ Heller C.G., Clermont Y., (1963), Spermatogenesis in Man: An Estimate of Its Duration, Science, vol.140, 3563 izd., str.184–6
^ L. Johnson, T. L. Blanchard, D. D. Varner, W. L. Scrutchfield: Factors affecting spermatogenesis in the stallion^{[mrtav link]}, Theriogenology, vol. 48, 7. izd., novembar 1997, str.1199-1216
^ Helen M. Kingston: ABC of Clinical Genetics, 3. izdanje, BMJ Books 2002, str. 17, ISBN 0-7279-1627-0
^ Scott F. Gilbert: Developmental Biology, 8. izd., Sinauer Associates, str. 540, ISBN 0-87893-258-5
^ ^a ^b Raven, P.; Johnson, G.: Biology, 8. izd., McGraw-Hill, str. 1202, ISBN 0-07-322739-0
^ Richard Robinson (ed.) et al.: Biology, vol. 3, Macmillan Reference USA, str. 56, ISBN 0-02-865554-0
^ Harrison R.G.; Weiner, J.S. (1949). "Vascular Patterns of the Mammalian Testis and Their Functional Significance" (PDF). Journal of Experimental Biology: 304–16, plates 9 & 10.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ Insights into male germ cell apoptosis due to depletion of gonadotropins caused by GnRH antagonists, Pareek TK, Joshi AR, Sanyal A, Dighe RR, Apoptosis, juni 2007; 12(6):1085-100

[1] Heller C.G., Clermont Y., (1963), Spermatogenesis in Man: An Estimate of Its Duration, Science, vol.140, 3563 izd., str.184–6

[2] L. Johnson, T. L. Blanchard, D. D. Varner, W. L. Scrutchfield: Factors affecting spermatogenesis in the stallion^{[mrtav link]}, Theriogenology, vol. 48, 7. izd., novembar 1997, str.1199-1216

[3] Helen M. Kingston: ABC of Clinical Genetics, 3. izdanje, BMJ Books 2002, str. 17, ISBN 0-7279-1627-0

[4] Scott F. Gilbert: Developmental Biology, 8. izd., Sinauer Associates, str. 540, ISBN 0-87893-258-5

[biology-5] Raven, P.; Johnson, G.: Biology, 8. izd., McGraw-Hill, str. 1202, ISBN 0-07-322739-0

[6] Richard Robinson (ed.) et al.: Biology, vol. 3, Macmillan Reference USA, str. 56, ISBN 0-02-865554-0

[7] Harrison R.G.; Weiner, J.S. (1949). "Vascular Patterns of the Mammalian Testis and Their Functional Significance" (PDF). Journal of Experimental Biology: 304–16, plates 9 & 10.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[8] Insights into male germ cell apoptosis due to depletion of gonadotropins caused by GnRH antagonists, Pareek TK, Joshi AR, Sanyal A, Dighe RR, Apoptosis, juni 2007; 12(6):1085-100

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]