Научная статья на тему 'ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ СПЕРМАТОЗОИДА. НОРМА И НАРУШЕНИЯ'

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ СПЕРМАТОЗОИДА. НОРМА И НАРУШЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

8200
65
Поделиться
Ключевые слова
СПЕРМAТОЗОИД / SPERM / СПЕРМAТОГЕНЕЗ / SPERMATOGENESIS / КАПАЦИТАЦИЯ / CAPACITATION / АКРОСОМА / ACROSOME / ОПЛОДОТВОРЕНИЕ / FERTILIZATION / ИНФЕРТИЛЬНОСТЬ / INFERTILITY

Аннотация научной статьи по фундаментальной медицине, автор научной работы — Сатаева Т.П., Ковальчук А.В., Кутя С.А.

Сперматозоиды высокоспециализированные клетки, неспособные к росту и делению. Сперматозоиды имеют сложный и малоизученный жизненный цикл. Процесс дифференцировки сперматогониев в сперматозоиды называют сперматогенезом. Он осуществляется за счет как митотического, так и мейотического деления, а также интенсивного клеточного ремоделирования. Различают 4 стадии сперматогенеза: рост, размножение, созревание, формирование. Сперматогенез обеспечивает продукцию генетического материала, необходимого для размножения. Мейоз обеспечивает генетическое разнообразие. До того, как приобрести способность к оплодотворению яйцеклетки, сперматозоиды подвергаются серии клеточных или физиологических изменений, в том числе капацитации и акросомальной реакции. У человека фаза созревания сперматоцитов занимает 25,3 дня, а фаза формирования (спермиогенез) 21,6 дня, общая продолжительность сперматогенеза составляет примерно 74 дня. Сперматогенез поддерживается за счет различных внутренних и внешних механизмов регуляции. До того, как приобрести способность к оплодотворению яйцеклетки, сперматозоиды подвергаются серии клеточных или физиологических изменений, в том числе капацитации и акросомальной реакции. Хотя сперматозоиды сохраняют жизнеспособность в половых протоках мужского организма в течение многих недель, попав в половые пути женского организма, они могут выжить в течение короткого промежутка времени, не превышающего 24-48 часов при температуре тела. Однако при снижении температуры сперма может сохраняться в течение нескольких недель. В настоящий момент представляется особенно важным проведение детальной характеристики нарушений, возникающих в ходе основных этапов жизненного цикла сперматозоида, и выявление их влияния на фертильную функцию.

Похожие темы научных работ по фундаментальной медицине , автор научной работы — Сатаева Т.П., Ковальчук А.В., Кутя С.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

THE SPERM LIFE CYCLE. PHYSIOLOGY AND PATHOLOGY

The sperms are highly specialized cells that are incapable of growth and division. The spermatozoon has a complex and poorly studied life cycle. The process of differentiation of spermatogonia into spermatozoa is called spermatogenesis. It occurs due to both mitotic and meiotic division, as well as intensive cellular remodeling. There are 4 stages of spermatogenesis: growth, reproduction, maturation, formation. Spermatogenesis provides the recombination of genetic material necessary for reproduction. Meiosis provides genetic diversity. Before acquiring the ability to fertilize an egg, spermatozoa undergo a series of cellular or physiological changes, including a capacitation and an acrosomal reaction. In humans, the maturation phase of spermatocytes takes 25.3 days, and the formation phase (spermiogenesis) is 21.6 days, the total duration of spermatogenesis is approximately 74 days. Spermatogenesis is maintained due to various internal and external regulatory mechanisms. Before acquiring the ability to fertilize an egg, the sperm undergoes a series of cellular or physiological changes, including a capacitation and an acrosomal reaction. Although spermatozoa remain viable in the genital ducts of the male body for many weeks, hitting the genital tract of the female body, they can survive for a short time but not exceeding 24-48 hours at body temperature. However, with a decrease in temperature, the sperm can persist for several weeks. At the moment, it is especially important to carry out a detailed characterization of the disorders that occur during the main stages of the life cycle of the spermatozoon and to reveal their effect on the fertile function.

Текст научной работы на тему «ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ СПЕРМАТОЗОИДА. НОРМА И НАРУШЕНИЯ»

УДК 581.351.2.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ СПЕРМАТОЗОИДА. НОРМА И НАРУШЕНИЯ

Сатаева Т. П., Ковальчук А. В., Кутя С. А.

Кафедра медицинской биологии, Медицинская академия имени С. И. Георгиевского ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», 295051, бульвар Ленина, 5/7, Симферополь

Для корреспонденции: Сатаева Татьяна Павловна, кандидат медицинских наук, доцент кафедры медицинской биологии, Медицинская академия имени С. И. Георгиевского ФГаОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского», е-mail: tanzcool@mail.ru

For correspondence: Sataieva Tatiana Pavlovna, PhD, associate professor of the Medical Biology Department, Medical Academy named after S.I. Georgievsky of Vernadsky CFU, Simferopol, Russia, е-mail: tanzcool@mail.ru

Information about authors:

Sataieva T. P., orcid.org/0000-0003-3154-3203 Kovalchuk A. V., orcid.org/0000-0002-9021-2829 Kutia S. A., orcid.org/0000-0002-1145-4644

РЕЗЮМЕ

Сперматозоиды - высокоспециализированные клетки, неспособные к росту и делению. Сперматозоиды имеют сложный и малоизученный жизненный цикл. Процесс дифференцировки сперматогониев в сперматозоиды называют сперматогенезом. Он осуществляется за счет как митотического, так и мейотического деления, а также интенсивного клеточного ремоделирования. Различают 4 стадии сперматогенеза: рост, размножение, созревание, формирование. Сперматогенез обеспечивает продукцию генетического материала, необходимого для размножения. Мейоз обеспечивает генетическое разнообразие. До того, как приобрести способность к оплодотворению яйцеклетки, сперматозоиды подвергаются серии клеточных или физиологических изменений, в том числе капацитации и акросомальной реакции. У человека фаза созревания сперматоцитов занимает 25,3 дня, а фаза формирования (спермиогенез) - 21,6 дня, общая продолжительность сперматогенеза составляет примерно 74 дня. Сперматогенез поддерживается за счет различных внутренних и внешних механизмов регуляции. До того, как приобрести способность к оплодотворению яйцеклетки, сперматозоиды подвергаются серии клеточных или физиологических изменений, в том числе капацитации и акросомальной реакции. Хотя сперматозоиды сохраняют жизнеспособность в половых протоках мужского организма в течение многих недель, попав в половые пути женского организма, они могут выжить в течение короткого промежутка времени, не превышающего 24-48 часов при температуре тела. Однако при снижении температуры сперма может сохраняться в течение нескольких недель.

В настоящий момент представляется особенно важным проведение детальной характеристики нарушений, возникающих в ходе основных этапов жизненного цикла сперматозоида, и выявление их влияния на фертильную функцию.

Ключевые словa: сnермaтозоид; спермaтогенез; капацитация; акросома; оплодотворение; инфертильность.

THE SPERM LIFE CYCLE. PHYSIOLOGY AND PATHOLOGY

Sataieva T. P., Kovalchuk A. V., Kutia S. A.

Medical Academy named after S. I. Georgievsky of Vernadsky CFU, Simferopol, Russia

SUMMARY

The sperms are highly specialized cells that are incapable of growth and division. The spermatozoon has a complex and poorly studied life cycle. The process of differentiation of spermatogonia into spermatozoa is called spermatogenesis. It occurs due to both mitotic and meiotic division, as well as intensive cellular remodeling. There are 4 stages of spermatogenesis: growth, reproduction, maturation, formation. Spermatogenesis provides the recombination of genetic material necessary for reproduction. Meiosis provides genetic diversity. Before acquiring the ability to fertilize an egg, spermatozoa undergo a series of cellular or physiological changes, including a capacitation and an acrosomal reaction. In humans, the maturation phase of spermatocytes takes 25.3 days, and the formation phase (spermiogen-esis) is 21.6 days, the total duration of spermatogenesis is approximately 74 days. Spermatogenesis is maintained due to various internal and external regulatory mechanisms. Before acquiring the ability to fertilize an egg, the sperm undergoes a series of cellular or physiological changes, including a capacitation and an acrosomal reaction. Although spermatozoa remain viable in the genital ducts of the male body for many weeks, hitting the genital tract of the female body, they can survive for a short time but not exceeding 24-48 hours at body temperature. However, with a decrease in temperature, the sperm can persist for several weeks. At the moment, it is especially important to carry out a detailed characterization of the disorders that occur during the main stages of the life cycle of the spermatozoon and to reveal their effect on the fertile function.

Key words: sperm; spermatogenesis; capacitation; acrosome; fertilization; infertility.

2018, т. 8, № 1

Сперматозоид - мужская половая клетка, играющая важнейшую роль в половом размножении. Без этой клетки невозможен процесс оплодотворения и комбинативной изменчивости, поэтому необходимо знать особенности этапов созревания сперматозоида, варианты патологического строения клеток сперматоген-ного ряда, его жизненный цикл как в организме мужчины, так и в организме женщины. Как известно, изменения в структуре сперматозоидов являются важным фактором, приводящим к нарушению фертильности у мужчин, до 7% которых испытывают проблемы с зачатием вследствие функциональных нарушений гамет [1].

В эмбриональном периоде в зачаток яичка заселяются первичные половые клетки, впоследствии дающие начало мужским гаметам.

Начальный этап в жизненном цикле сперматозоидов - важнейший процесс в репродукции человека, в ходе которого из недифференцированных клеток с диплоидным набором хромосом (сперматогонии) образуются высокоспециализированные гаплоидные клетки (сперматозоиды), получил название сперматогенез. Он начинается в период наступления половой зрелости и сохраняется до глубокой старости [1]. Образование сперматозоидов происходит в извитых семенных канальцах яичек

в такой последовательности клеточных форм: сперматогонии, сперматоциты первого и второго порядков, сперматиды, сперматозоиды. По мере созревания половых клеток они постепенно смещаются от базальной мембраны к просвету извитых семенных канальцев. Важную роль в развитии мужских гамет играют клетки Сертоли, которые отростками и углублениями соединены с блоками сперматогенных клеток. Между клетками Сертоли существует плотный контакт, который образует специальный гистологический барьер для развития мужских половых клеток, ограничивая их от воздействий иммунной системы [2]. Также клетки Сертоли фагоцитируют погибшие сперматогенные клетки и выделяют в просвет канальца жидкость, в которую погружаются сперматозоиды после отсоединения от сперматогенного эпителия. Таким образом клетки Сертоли контролируют развитие сперматозоидов. По периферии находятся самые молодые, недифференцированные половые клетки - сперматогонии. Ближе к центру и просвету канальца расположены спер-матоциты I порядка, затем находятся сперма-тоциты II порядка, у просвета располагаются овальные сперматиды, а в самом канальце располагаются зрелые сперматозоиды (рис. 1).

Сперма

Слермаюцит I! порядка

Сп&рыйтйцит [ порядка

Сперматозоиды

Спермагогония типа А («тёмная»)

Сперматогонии типа Ё

Сперм атогония типа А (ясветгая»)

Рис. 1. Сперматогенез в извитых семенных канальцах.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В сперматогенезе выделяют 4 стадии: размножение, рост, созревание и формирование.

Стадия размножения происходит путем митотического деления исходных стволовых клеток (сперматогониев) с образованием последующих клеточных типов герминативных клеток. Сперматогонии составляют всего 0,03 % клеток сперматогенного ряда. Морфологи-

чески различают два типа сперматогониев: А и В. В свою очередь сперматогонии типа А различаются по степени конденсации хроматина на темные (конденсированные) и светлые (диффузные) клетки [2; 3]. Темные спермато-гонии представляют собой резервные стволовые клетки и в обычных условиях не проявляют пролиферативной активности. В процессе

сперматогенеза делятся только светлые спер- гониям типа В, которые, в свою очередь, про-матогонии, которые являются полустволовыми ходят несколько митотических делений, диффе-клетками и способны давать начало спермато- ренцируясь в сперматоциты I порядка (рис. 2).

Рис. 2. Схема этапов сперматогенеза.

Стадия роста заключается в увеличении в размерах сперматоцитов I порядка в порядке прохождения ими интерфазы мейоза.

Стадия созревания включает два последовательных деления мейоза. После первого деления (редукционного) из сперматоцита I порядка образуются два сперматоцита II порядка. Профаза I мейоза занимает достаточно много времени, поэтому первичный сперматоцит - самый долгоживущий. Вторичные сперматоциты живут недолго (в среднем 1,1-1,7 дня). Вторичные сперматоциты входят во второе деление мейоза (эквационное), образуя сперматиды. Спермато-циты II порядка вдвое, а сперматиды вчетверо меньше по объему сперматоцитов I порядка [3]. В сперматогониях и сперматоцитах I порядка

диплоидный набор хромосом (2п=46), в спер-матидах число хромосом гаплоидное (п=23) [4].

Наиболее сложная стадия формирования, или спермиогенез, которая характеризуется преобразованием сперматид в сперматозоиды. Во время стадии формирования будущий сперматозоид приобретает свойственные высокоспецифичные черты. На этой стадии происходит конденсация хроматина, который становится генетически инертным, а также наблюдается перемещение органелл клетки [4]. Так аппарат Гольджи смещается к ядру и образует акро-сому - вакуоль, заполненную протеолити-ческими ферментами, меняется химический состав плазматической мембраны. После

2018, т. 8, № 1

КРЫМСКИИ ЖУРНАЛ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ и клиническои медицины

смещения на апикальный конец клетки цен- веретена первого деления в ходе дробления

триоли перемещаются на противоположный зиготы, а из дистальной начинает образовы-

полюс и располагаются одна ближе к ядру, а ваться жгутик, внутри которого формируется

другая - дистальнее [5]. Проксимальная цен- аксонема. Вокруг основания жгутика в виде

триоль будет участвовать в формировании спиралей располагаются митохондрии (рис. 3).

Рис. 3. Этапы спермиогенеза

Параллельно с описанными процессами происходит высвобождение гаметы в просвет канальца, в ходе которого активную роль играют клетки Сертоли. Они способны совершать клеточные движения по мере продвижения сперматид к просвету канальца. Происходящие от одних и тех же сперматогониев спер-матиды остаются соединенными мостиками, которые облегчают транспорт цитоплазмати-ческих продуктов. После разрушения межклеточных мостиков зрелые сперматиды отсоединяются от сперматогенного эпителия и становятся свободными клетками, называемыми сперматозоидами. В процессе высвобождения в сперматозоиде могут оставаться фрагмен-

ты цитоплазмы клеток Сертоли, именуемые цитоплазматическими каплями. Обнаружение таких капель в гаметах, содержащихся в сперме, свидетельствует об их незрелости [6].

После этого сперматозоиды последовательно проходят по прямым семенным канальцам, сети яичка и через выносящие канальцы поступают в головку придатка яичка, где большая часть жидкости, в которой транспортировались сперматозоиды, всасывается, повышая их концентрацию в 10-100 раз. Эпителий придатка секретирует жидкость, в которой сперматозоиды находятся во взвешенном состоянии [1; 6]. По мере того, как вновь образованные сперматозоиды проходят через отделы придатка яичка (тело и хвост),

они подвергаются различным модификациям, в том числе изменениям поверхностного заряда, состава мембранных белков, иммунореактив-ности, содержания фосфолипидов и жирных кислот, активности аденилатциклазы и др. Основной энергетический субстрат сперматозоида на этом этапе - это ацетилкарнитин, входящий в состав секрета придатка яичка. Многие из этих изменений, по-видимому, призваны улучшить структурную интеграцию мембраны сперматозоидов и их оплодотворяющую способность. В то же время имеются сведения о том, что сперматозоиды, которые никогда не проходили через придаток яичка, сохраняют способность к оплодотворению яйцеклетки in vitro [7].

Весь сперматогенез занимает примерно 64-72 дня [2; 5]. Сперматозоиды, находящиеся в яичке и его придатке, слабо подвижны или вовсе неподвижны и, следовательно, неспособны к оплодотворению яйцеклетки.

В строении зрелой мужской половой клетки выделяют головку, шейку и хвост, длина его около 50-60 мкм. Головка сперматозоида овальной формы, в ней располагается ядро, окруженное тонким слоем протоплазмы. В шейке находится видоизмененная центросома, которая после оплодотворения будет играть важную роль в дроблении зиготы. Характерные параметры нормального сперматозоида: овальная головка длиной 4-6 мкм и шириной 2-4 мкм, акросома занимает 40-60 % головки, отсутствие дефектов шейки и хвоста, цитоплазматическая капля не должна превышать по размеру головку [3]. Хвост представлен протоплазмой и наделен локомоторными функциями, прежде всего он обеспечивает передвижение по женским половым путям со скоростью около 2-3 мм/мин. Самая длинная часть хвоста представляет собой важнейшую часть аппарата движения. Девять грубоволокнистых фибрилл наружного кольца уменьшаются в толщине и в конце концов исчезают, оставляя только внутренние фибриллы на аксиальном стержне на протяжении почти всей длины основного отдела. Фибриллы основного отдела окружены фиброзной оболочкой хвоста, состоящей из разветвленных и анастомозирующих между собой полукруглых тяжей, удерживаемых вместе за счет прикрепления к двум полоскам, тянущимся по обеим сторонам хвоста на всем его протяжении. Хвост заканчивается концевым отделом длиной 4-10 мкм и диаметром менее 1 мкм [8]. Столь малый диаметр обусловлен отсутствием наружной фиброзной оболочки и дистальным истончением микротрубочек. Для нормальных сперматозоидов характерно прогрессивно-поступательное движение со спиральным вращением вокруг

своей оси. Отсутствие подвижности сперматозоидов (астенозооспермия) может быть вызвано нарушениями аксонемы и микротрубочек [9].

Сперматозоиды бывают двух видов - носители половых Х- и У-хромосом, причем сперматозоиды, несущие Х-хромосому, отличаются более крупными размерами [6]. Исследования последних лет свидетельствуют о росте числа генетически обусловленных форм нарушения репродуктивной функции у мужчин, которые часто связаны со структурными и количественными аномалиями кариотипа, микро-делециями в У-хромосоме. Мутации генов, к примеру, гена СБТК участвующих в сперматогенезе или формировании репродуктивной системы мужчин, также во многих случаях являются причиной нарушения фертильности.

В отличие от большинства млекопитающих, у человека регистрируется наибольший процент морфологически аномальных сперми-ев [4; 8]. Основные молекулярные нарушения сперматогенеза можно отнести к двум различным группам: изменения в сперматидных ор-ганеллах, влияющие на дальнейшее развитие сперматозоида, и самостоятельные нарушения структуры формирующегося сперматозоида. Пример патологий первой группы: манжетка является сперматидной органеллой, представляющей собой скопление микротрубочек, окружающих ядро формирующейся спермати-ды и состоящих из тубулинов и белков, ассоциированных с микротрубочками. К функциям манжетки следует отнести транспорт белков, а также участие в сборке хвостика и конденсации ядра сперматиды. Микротрубочки, в частности, содержат альфа-тубулин и бета-тубулин гетеродимеры, гамма-тубулин и кератин [2; 9]. Серьезные изменения морфологии манжетки наблюдаются в случае мутации белка К^Нп (СПР170), что последовательно приводит к нарушениям развития сперматозоидов. Например, мыши, содержащие мутантый белок СЫР170, имеют сперматозоиды с аномальной формой головки. К^йп является цитоплазматическим связывающим белком, также принимающим участие в регуляции тубулиновой динамики [9].

Нарушения в строении хвостика сперматозоида оказывают сильное влияние на его подвижность. Во многих случаях сперматозоиды с короткими и тонкими жгутиками имеют ярко выраженное нарушение строения фиброзного слоя, покрывающего хвост, или его дисплазию. Как показал анализ ряда тестикулярных биопсий, данное заболевание развивается в результате нарушения развития фиброзного слоя и ци-тоскелета хвостика в период поздней фазы сперматогенеза [9]. На молекулярном уровне данное

нарушение вызвано недостатком динеиновых «ручек» в сперматозоиде. Заболевание является системным и также развивается по похожему механизму в дыхательном эпителии. Выявлены возможные гены, которые могут отвечать за развитие заболевания, такие как сигнальные трансдукторы АКАР3 и АКАР4, являющиеся одними из самых многочисленных белков фиброзного слоя, либо белок БпаЬ8 (тяжелой цепи динеина). На данный момент остается неясным, является ли это заболевание наследуемым [1; 4].

В качестве иллюстрации второй группы патологий можно выделить неправильное прикрепление головки сперматозоида к шейке, которое чаще всего встречается вследствие нарушения процесса расхождения центриолей и происходит в течение ранних событий сперматогенеза, что делает сперматозоиды практически не фертильными. При снижении активности про-теасом происходит ослабление высвобождения центросомы и формирование центросомы после оплодотворения, что, в конечном счете, приводит к нарушению сингамии и изгнанию эмбриона [2; 5]. Оценка нарушений цитоскеле-та хвостика и центриолей является еще малоизученной областью патологии сперматогенеза, поэтому необходимо развитие новых экспериментальных методик, способствующих изучению этих аномалий и, как следствие, разработке нового класса лекарственных препаратов [6].

Во время семяизвержения (эякуляции) выделяется от 2 до 5 мл спермы, в которой содержится от 60 до 200 млн сперматозоидов [6; 10]. При эякуляции сперматозоиды, вышедшие из хвоста придатка яичка, смешиваются с секретами добавочных желез (семенных пузырьков, предстательной железы) в определенной последовательности и приобретают подвижность. Сперма, эякулируемая во время полового акта, состоит из сперматозоидов и жидкой части, представляющей собой секрет слизистой семенных протоков (около 10 % от общего количества), предстательной железы (около 30 %) и семенных пузырьков (почти 60 %), выделяющийся при эякуляции в последнюю очередь и служащий для разжижения спермы при прохождении через семявыбрасывающий проток и уретру. Сперматозоиды первой порции эякулята характеризуются существенно лучшей подвижностью и выживаемостью, чем сперматозоиды последующих порций [5; 7].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Второй этап в жизненном цикле сперматозоида может проходить в женском организме. В ходе эякуляции сперма извергается в область наружного отверстия цервикального канала и заднего свода влагалища. При этом в этот момент сперматозоиды еще не обладают

оплодотворяющей способностью. Это достигается в результате процесса капацитации под действием секретов женских половых путей. Вследствие высокой кислотности влагалищного содержимого (рН=4,0) большинство мужских гамет, включая патологические, погибают именно в это время и фагоцитируются [3; 11].

Оставшиеся сперматозоиды быстро проникают в слизь, которая выделяется из церви-кального канала во время полового акта под влиянием сокращений мышц шейки матки. Слабощелочная реакция цервикальной слизи способствует повышению двигательной активности сперматозоидов [1; 4]. Они проникают через канал шейки матки в ее тело со скоростью 3-4 мм в минуту, после чего дозировано поступают в маточные трубы. Простагландины, содержащиеся в сперме, активируют сократительную активность миометрия и гладкомышечных клеток маточных труб, что также важно для адекватного продвижения гамет [7; 12]. Существенную роль в продвижении сперматозоидов играют движения ресничек эпителия маточных труб, а также положительный реотаксис - способность двигаться против тока секрета половых путей. Чем дальше сперматозоид продвигается в женском организме, тем меньше он контактирует со спермальной плазмой, что подготавливает его к возможной встрече с яйцеклеткой [8]. Известно, что сперматозоиды капацити-руются порциями на период 1-4 часа, за счет чего постоянно происходит смена пула гамет, готовых к оплодотворению яйцеклетки [9; 12].

Цервикальная слизь на протяжении всего овариально-менструального цикла может значительно осложнять сперматозоидам продвижение в само тело матки. Дело в том, что оптимальный состав цервикальной слизи формируется лишь к моменту овуляции в основном под влиянием эстрогенов яичников. В этот период мицелии слизи формируют своеобразные спиралевидные цепочки, ориентированные по силовым линиям магнитного поля земли. Достигнув таким образом тела матки, оставшиеся сперматозоиды попадают в благоприятную среду, где они могут сохранять свою жизнеспособность до 3-4 дней. Кроме того, среда матки оказывает на мужские половые клетки активирующее действие, увеличивая их мобильность [10]. Также под влиянием прогестерона, во-первых, снижается содержание стеринов в плазмалемме сперматозоидов, что приводит к увеличению ее проницаемости, во-вторых, увеличивается внутриклеточная концентрация ионов кальция, бикарбоната и супероксидного радикала, что приводит к активации аде-нилатциклазы, в результате чего в клетке уве-

личивается содержание цАМФ и происходит цАМФ-зависимое фосфорилирование тирозина мембранных и цитозольных белков [11; 13].

Ослабленная подвижность сперматозоидов либо полное ее отсутствие являются одним из важнейших факторов мужского бесплодия. При исследовании линий нокаутных мышей был выявлен ряд ключевых факторов, играющих важную роль в инициации подвижности сперматозоидов. В частности, к ним можно отнести структурные белки жгутика, киназу А заякоренные белки (AKAP3, AKAP4), динеины, протеин киназу А, серинтреониновые киназы и фосфатазы, а также гликолитические и ми-тохондриальные белки. Также стоит отметить значимость PI3 киназы, так как было доказано, что ее ингибирование при помощи специфичного ингибитора LY294002 приводит к значительному увеличению подвижности сперматозоида [12; 13; 14]. Выработка АТФ также является очень важным фактором. На данный момент известно, что не только процесс окислительного фосфорилирования в митохондриях, но и гликолиз обеспечивают сперматозоид необходимым количеством энергии. Так, например, фиброзный слой связан с такими ферментами, как LDH, GAPDS, гексокиназа, а мыши нокаут-ные по гену GAPDS имеют ярко выраженные нарушения подвижности сперматозоидов [9; 15].

Кроме того, у мужчин с астенозооспермией при капацитации отмечается замедление фос-форилирования белков хвостика. Фосфори-лирование в шейке важно для последующего связывания сперматозоида с блестящей оболочкой [9; 12; 16]. В реальности даже патологические сперматозоиды способны оплодотворить яйцеклетку, однако в данном случае нельзя утверждать, насколько функционален вклад генетического и эпигенетического материала, переносимый таким сперматозоидом [17].

Капацитация

Ca1*

Связывание с ZP3

После вышеописанных изменений ка-пацитированные сперматозоиды готовы к оплодотворению. Начинается хемотаксис, то есть распознавание яйцеклетки по выделяемым сигнальным молекулам-гамонам. Результатом капацитации является способность сперматозоидов к акросомной реакции, включающая сложные ультраструктурные и биохимические изменения, происходящие на поверхности головки сперматозоида: слияние плазмалеммы с наружной акросомальной мембраной, формирование гибридных мембранных пузырьков и потеря акросомальной шапочки [4]. В процессе акросомной реакции вначале набухает передняя часть акросомного чехлика. Затем слияние мембран ведет к последующему сбрасыванию чехлика (вакуолизация) и выбросу содержимого акросомы. В результате акросомной реакции происходит выброс протеолитических ферментов, таких как ги-алуронидаза, акрозин и эстераза. Вышеуказанные ферменты, течение трубного секрета и сверхактивная подвижность капацитиро-ванных сперматозоидов облегчают прохождение клеток через лучистый венец яйцеклетки, причем для рассеивания и разрыхления слоя фолликулярных клеток необходимо большое количество сперматозоидов [14; 18].

Затем сперматозоиды соприкасаются с блестящей зоной, рецепторы их головки взаимодействуют с лигандами яйцеклетки, акросома сливается с блестящей оболочкой и изливает свое содержимое, растворяя ее (рис. 4) Слияние происходит при условии адекватного взаимодействия с белками блестящей оболочки 7Р3 и 7Р4, строение которых видоспеци-фично, благодаря чему акросомная реакция может развиваться только при взаимодействии гамет представителей одного вида [19].

^ плязмалсмма

наружная мембрана акросомы

внутренняя мембрана акросомы

Акросомная реакция

")кЧОЦ1П 01 н

слияние мембран

Связывание с ZP2

Реакция акросомы

MCP

внутренняя мембрана акросомы

Рис. 4. Схематическое изображение акросомной реакции

Снаружи образуется бугорок оплодотворения - участок цитоплазмы яйцеклетки, к которому прикрепляется только один сперматозоид. После чего плазматические мембраны яйцеклетки и сперматозоида сливаются путем образования цитоплазматического мостика. В цитоплазму ооцита проникают ядро и центри-оль сперматозоида, а мембрана сперматозоида становится единой с плазмалеммой яйцеклетки. Жгутик сперматозоида отсоединяется и рассасывается. Вокруг яйцеклетки образуется блок полиспермии, препятствующий проникновению других сперматозоидов [1]. Блок полиспермии обеспечивается кортикальной реакцией яйцеклетки, которая сопровождается повышением уровня ионов кальция в ооплазме и проявляется сокращением цитоплазмы с последующим выделением плотных кортикальных гранул в периовулярное пространство, а также электрической реакцией, быстро распространяющейся по оолемме и разрушающей лиганды гопа pellucida. При этом критичным фактором для осуществления этих событий является осцилляция концентрации ионов кальция в ооците, вызванная сперматозоидом. На данный момент считается, что триггером этой осцилляции является фосфолипаза С дзета - РЬС) [20], и показано, что ее недостаточность или дефектность вследствие мутаций приводит к снижению фертильности мужчин [21].

Головка сперматозоида с гаплоидным ядром превращается в мужской пронуклеус, женское ядро - в женский. Пронуклеусы сливаются, формируется диплоидная зигота, которая дробится митотически. Таким образом, лишь один из нескольких миллионов сперматозоидов осуществляет один из важнейших процессов на земле - оплодотворение. Остальные сперматозоиды после акросомной реакции сохраняют активность только 2-3 часа; если не встретятся с яйцеклеткой, то утратят способность к оплодотворению и погибнут [3; 22].

Таким образом, одна часть сперматозоидов, попавших в женский организм, просто вытекают из влагалища вместе со спермой, другие погибают из-за высокой кислотности выделений влагалища, третьи погибают на пути продвижения к маточным трубам, они всасываются слизистой оболочкой матки, где происходит их фагоцитоз, а четвертые, наиболее активные, что важно учитывать в судебно-медицинской практике, вообще могут достичь брюшной полости, где они также фагоцитируются и лизируются в течении 20 часов. Погибшие сперматозоиды разлагаются. Одна часть продуктов распада выходит из влагалища и удаляется при промывании [10; 23].

Можно сделать вывод, что продолжительность жизни сперматозоидов очень варьирует: все зависит от среды, в которой находится сперматозоид, и физиологических факторов, которые оказывают на него воздействие. В мужском организме сперматозоиды образуют скопления в придатках семенников до момента эякуляции, но если эякуляции не происходит, то здесь же они и погибают, затем образуются новые мужские половые клетки. Полный цикл жизни сперматозоидов составляет около 70-90 дней, то есть полное обновление клеточного состава сперматозоидов происходит раз в три месяца [7]. После выхода из мужского организма на воздухе сперматозоиды практически сразу (в течение 15-20 минут) гибнут от яркого света, высокой или низкой температуры окружающей среды, но при комнатной температуре и отсутствии прямых солнечных лучей сохраняют жизнеспособность 3-4 часа. Оплодотворение возможно, например, при механическом занесении спермы с салфетки, рук или белья на женские половые органы. На поверхности тела, как правило, сперматозоиды также активны в течение нескольких часов и сохраняют способность к оплодотворению яйцеклетки некоторое время после высыхания (в среднем не более получаса). Во влагалище из-за преобладания кислой среды сперматозоиды живут недолго - 1-2 часа [24]. При продвижении в шейку матки продолжительность их жизни возрастает до 3-5 дней в зависимости от фазы овариально-менструального цикла, бывает, что сперматозоид может находиться в маточной трубе до 8 дней, но при этом утратив свою способность к оплодотворению. Причем до акросомной реакции капацитрованные сперматозоиды способны к оплодотворению на протяжении 24 часов, а после ее прохождения сперматозоды активны всего 2-3 часа. В наиболее благоприятных условиях, когда сперматозоиды находятся в цервикальной слизи на фоне высокого содержания эстрогенов в организме, оплодотворяющая способность сперматозоидов сохраняется до 2 суток после эякуляции [9; 11].

Итак, жизненный цикл сперматозоида довольно сложный, во многом зависящий от главного предназначения мужской половой клетки. На сегодняшний день жизненный цикл сперматозоида полностью не изучен, как и процессы, происходящие в ходе его развития, созревания, участия в оплодотворении. Очевидно, что введение новых функциональных маркеров, которые могли бы являться однозначным способом оценки фертильности сперматозоидов человека, является крайне необходимым. Несомненно, что сперматозоид, как и яйцеклет-

ка, является главным звеном в онтогенезе, поэтому для нивелирования проблем бесплодия и пренатальных патологий необходимо дальнейшее изучение его жизненного цикла.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

The authors have no conflict of interests to declare.

ЛИТЕРАТУРА

1. Быков В. Л. Сперматогенез у мужчин в конце ХХ века. Проблемы репродукции. 2010;(1):6-13.

2. Сухих Г Т., Божедомов В. А. Мужское бесплодие. Этиология, патогенез и классификация нарушений репродуктивной функции мужчин. М., 2009.

3. Федорова И. Д. Цитогенетический анализ сперматозоидов человека с использованием внутрицитоплазматической инъекции в ооциты мыши. Генетика. 2005;41(3):396-404.

4. Иванов Ю. В. Морфологические методы исследований в гигиене и токсикологии. Гигиена и санитария. 2013;(4):17-20.

5. Cassuto N. G. A new геа1-^те morphology classif¡cation for Ьштап spermatozoa: а link for fertilization and improved embryo quality. Fertil. Steril. 2009; 92(5):1616-25.

6. Курило Л. Ф. Система тестирования факторов, повреждающих женские и мужские гаметы и гонады. Гигиена и санитария. 2011;5:72-78.

7. Божедомов В. А., Гузов И. И., Теодорович О. В. Иммунологические причины бездетного брака. Проблемы репродукции. 2016;6:57-62.

8. ^cem O. Sperm nuc^r vacuoles, as assessed by motile sperm o^ne^r morpholog^! examination, аге mostly of астс^!^ origin. Reprod. Biomed. Online. 2010;20(1):132-137.

9. Брагина Е. Е., Бочарова Е. Н. Количественное электронно-микроскопическое исследование сперматозоидов при диагностике мужского бесплодия. Андро-логия и генитальная хирургия. 2014;(1):55-63.

10. Miller D., Ostermeier G. C. Тжа^ а better understanding of RNA carriage by ejaculate spermatozoa. Hum. Reprod. Update. 2006;12(6):757-767.

11. Mutton M., Luconi M., Ма^Ьнат S. et ак Molecutar markers of hum^n sperm functions //Int. J. Androl. 2008;32(1):25-45.

12. Гончарова О. А., Королькова О. А., Осадчук Л. В., Шабалдин А. В., Филипенко М. Л. развитие новых методов исследования фертильности сперматозоидов человека. Мать и дитя в Кузбассе. 2011;47(4):3-8.

13. Hermo L., Pelletier R. M., Cyr D. G. et ак Surfing the wave, cycle, life history, and genes/proteins expressed by testicular germ cells. Ра|1 2: changes in spermatid organelles associa- ted with development of spermatozoa. Microsc. Res. Tech. 2010;73(4):279-319.

14. Chemes H. E., Rawe V. Y. The making of abnormal spermatozoa: cellutar and molecular mechanisms

underlying pathological spermiogenesis Cell Tissue Res. 2010;341(3):349-57.

15. Никитин А. И. Вредные факторы среды и репродуктивная система человека (ответственность перед будущими поколениями). 2-е издание, дополненное. СПб:. Элби-СПб. 2008.

16. Zini A., Albert O., Robaire B. Assessing sperm chromatin and DNA damage: clinical importance and development of standards. Andrology. 2014;(2):322-325.

17. Sinl^ HAP, Swerdloff R. S. Hormonal and genetic control of germ cell apoptosis in the testis. Rev Reprod. 2009;(4):38-47.

18. Cаvа11i n i G. Male id iopаth ic oligoasthenoteratozoospermia. Asian J Androl. 2016;8(2):143-157.

19. Luconi M., Marra F., Gandini L. et ак Phosphatidylinositol 3-kinase inhibition enhances human sperm motility Hum. Reprod. 2001;16(9):1931-37.

20. Saunders C. M., Larman M. G., Рап-ington J. et al. PLC zeta: а sperm-specific trigger of Ca(2+) oscillations in eggs and embryo development. Development. 2002;129(15):3533-3544.

21. Heytens E., Parrington J., Coward K. et ак Reduced amounts and abnormal forms of phospholipase C zeta (PLCzeta) in spermatozoa from infertile men. Hum. Reprod. 2009;24(10):2417-28.

22. Calvel P., Rolland A.D., Jegou B. et ак Testicutar postgenomics: targeting the regulation of spermatogenesis. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2010; 365(1546):1481-1500.

23. Conner S. J., Lefievre L., Hughes D. C. et ак Cocking the egg: increased complexity in the zona pellucida. Hum. Reprod. 2005; 20(5):1148-52.

24. Stearns G., Turek P. J. Avoiding toxins including sperm^to^^ medications. Semin Reprod Med. 2013;31(4):286-92.

REFRENCES

1.Bykov V. L. Spermatogenesis in men at the end of the twentieth century. Reproduction problems. Problemy reprodukcii. 2010;(1):6-13. (In Russian)

2. Suhih G. T., Bozhedomov V. A. Male infertility. Etiology, pathogenesis and classification of reproductive disorders in men. M., 2009:13-85. (In Russian)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Fedorova I. D. Cytogenetic analysis of human spermatozoids using intra-cytoplasmic injection into mouse oocytes. Gene^. 2005; 41(3):396-404. (In Russian)

4. Ivanov Ju. V. Morphological methods of research in hygiene and toxicology. Gigiena i sanitarija. 2013;4:17-20. (In Russian)

5. Cassuto N. G. A new real-time morphology classification for hum^n spermatozoa: а link for fertilization and improved embryo quality. Fertil. Steril. 2009; 92(5):1616-25.

6. Kurilo L. F. System for testing factors th^t damage women's and men's gametes and gonads.. Gigiena i sanitarija. 2011;5:72-78. (In Russian)

7. Bozhedomov V. A., Guzov I. I., Teodorovich O. V. Immunological causes of childless marriage. Problemy reprodukcii. 2016;6:57-62. (In Russian)

8. Kacem O. Sperm nuclear vacuoles, as assessed by motile sperm organellar morphological examination, are mostly of acrosomal origin. Reprod. Biomed. Online. 2010;20(1):132-137.

9. Bragina E. E., Bocharova E. N. Quantitative electron microscope study of spermatozoa in the diagnosis of male infertility. Andrologija i genital'naja hirurgija. 2014;(1):55-63. (In Russian)

10. Miller D., Ostermeier G. C. Towards a better understanding of RNA carriage by ejaculate spermatozoa. Hum. Reprod. Update. 2006;12(6):757-767.

11. Muratori M., Luconi M., Marchiani S. et al. Molecular markers of human sperm functions //Int. J. Androl. 2008;32(1):25-45.

12. Гончарова О. А., Королькова О. А., Осадчук Л. В., Шабалдин А. В., Филипенко М. Л. развитие новых методов исследования фертильности сперматозоидов человека. Мать и дитя в Кузбассе. 2011;47(4):3-8.

13. Hermo L., Pelletier R. M., Cyr D. G. et al. Surfing the wave, cycle, life history, and genes/proteins expressed by testicular germ cells. Part 2: changes in spermatid organelles associa- ted with development of spermatozoa. Microsc. Res. Tech. 2010;73(4):279-319.

14. Chemes H. E., Rawe V. Y. The making of abnormal spermatozoa: cellular and molecular mechanisms underlying pathological spermiogenesis Cell Tissue Res. 2010;341(3):349-57.

15. Никитин А. И. Вредные факторы среды и репродуктивная система человека (ответственность перед

будущими поколениями). 2-е издание, дополненное. СПб:. Элби-СПб. 2008.

16. Zini A., Albert O., Robaire B. Assessing sperm chromatin and DNA damage: clinical importance and development of standards. Andrology. 2014;(2):322-325.

17. Sinha HAP, Swerdloff R. S. Hormonal and genetic control of germ cell apoptosis in the testis. Rev Reprod. 2009;(4):38-47.

18. Cavallini G. Male idiopathic oligoasthenoteratozoospermia. Asian J Androl. 2016;8(2):143-157.

19. Luconi M., Marra F., Gandini L. et al. Phosphatidylinositol 3-kinase inhibition enhances human sperm motility Hum. Reprod. 2001;16(9):1931-37.

20. Saunders C. M., Larman M. G., Parrington J. et al. PLC zeta: a sperm-specific trigger of Ca(2+) oscillations in eggs and embryo development. Development. 2002;129(15):3533-3544.

21. Heytens E., Parrington J., Coward K. et al. Reduced amounts and abnormal forms of phospholipase C zeta (PLCzeta) in spermatozoa from infertile men. Hum. Reprod. 2009;24(10):2417-28.

22. Calvel P., Rolland A. D., Jegou B. et al. Testicular postgenomics: targeting the regulation of spermatogenesis. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2010; 365(1546):1481-1500.

23. Conner S. J., Lefievre L., Hughes D. C. et al. Cracking the egg: increased complexity in the zona pellucida. Hum. Reprod. 2005; 20(5):1148-52.

24. Stearns G., Turek P. J. Avoiding toxins including spermatotoxic medications. Semin Reprod Med. 2013;31(4):286-92.