Andrologie Soňa Kloudová sona.kloudova@med.muni.cz 26.2.2024 Vývoj spermií • Spermie jsou produkovány od puberty do konce života, nicméně počet a kvalita spermií s věkem mírně klesají • Při selekci nejlepších gamet dochází k velkému plýtvání • Každý muž denně produkuje milióny spermií (1000/s), do místa fertilizace se jich však dostává pouze zlomek • Selekce u spermií – na úrovni kontrolních bodů buněčného cyklu a apoptózy probíhá selekce geneticky či jinak abnormálních spermií - selekce podle funkční kvality spermií v pohlavním traktu ženy Spermatogeneze • Komplexní biologický proces tvorby haploidních zárodečných buněk z diploidních spermatogoniáních kmenových buněk (spermatogonií) • Gonadotropin dependentní mechanismus • Hlavní funkcí procesu spermatogeneze je zajistit denní přísun plně diferencovaných spermií (více než 200 miliónu u člověka, 2-3 biliony u býka) • Varle je tvořeno intersticiem a semenotvornými kanálky (95% objemu varlete) • Vlastní proces spermatogeneze probíhá v semenotvorných kanálcích • Spermatogeneze člověka trvá přibližně 74 dnů Understanding spermatogenesis is a prerequisite for treatment - PMC (nih.gov) • Gonocyty-primordiální zárodečné buňky- v průběhu embryonálního vývoje osídlují základy pohlavní žlázy→ diferenciace ve spermatogonii A (kmenová buňka spermatogonií) • Zárodečné buňky zůstávají v klidovém stavu až do narození, kdy proliferují a vcestují do semenotvorných kanálků • U novorozenců (savců) se ve varlatech nacházejí Sertoliho buňky, spermatogonie a preleptotenní spermatocyty, pokročilejší stádia vývojové řady spermií nacházíme až v období puberty a dospělosti Spermatogeneze má tři fáze: • Zárodečné buňky (spermatogonie, 2n) se nejdříve opakovaně mitoticky dělí; vznikají jednak tmavé spermatogonie a jednak světlé spermatogonie, které dávají vznik spermatocytům I řádu (preleptotenní stádium); u člověka je třeba asi 4 generací spermatogonií, aby vznikl preleptotenní spermatocyt • Následuje meióza (duplikace chromozomů, genetická rekombinace, redukce chromozomů ; ze spermatocytů prvního řádu vznikají 2 spermatocyty II řádu (2n, meióza I) a později druhým meiotickým dělením vznikají haploidní spermatidy • V konečné fázi dochází ke spermiogenesi- transformace sférické haploidní spermatidy do vysoce specializované zralé spermie a následná spermiace (uvolnění do lumen kanálku) • Vysoká produkce spermií si vyžaduje jedinečnou dobře organizovanou strukturu semenotvorných kanálků- sebeobnovující systém, dobře izolovaný od krve za současného příjmu jen vybraných parakrinních faktorů • Semenotvorný epitel: zárodečné buňky tvořící několik vrstev různých stádií diferenciace ve spermii od obvodu směrem k lumen kanálku, Sertoliho buňky • Spermatogonie jsou stále ve styku s bazální membránou • Dělením tmavých spermatogonií A vznikají další tmavé spermatogonie A a světlé spermatogonie A • Dalším mitotickým dělením světlých spermatogonií A vznikají spermatogonie B, které dalším dělením dávají vznik spermatocytům prvního řádu • Spermatocyty I řádu již nejsou v kontaktu s bazální membránou • Spermatocyty I řádu vstupují do meiózy a během profáze se stávají největšími buňkami semenotvorného epitelu ( profáze trvá 24 dnů); následně vzniknou dva malé spermatocyty II řádu, které existují jen velmi krátce a vstupují do druhého meiotického dělení → spermatidy • Spermatidy jsou nejmenší buňky semenotvorného epitelu, složitým procesem diferencují ve spermie Seminiferous Tubules and Spermatogenesis | IntechOpen • Preleptotenní spermatocyty podstupují asi 16ti denní první meiotické dělení (profáze trvá asi 24 dnů), zbytek I. meiotického dělení a celé II. meiotické dělení proběhne za méně než 3 dny • Proces spermiogenese trvá asi 26 dnů • Délka celé spermatogeneze trvá 74 dnů • dalších 12 dnů spermie cestují nadvarletem • Cyklus od spermatogonie po zralou spermii tedy trvá celkem 86 dnů Expression of new genes in human spermatogenesis (Du et al.,2021) Sertoliho buňky • nepravidelný sloupcovitý tvar (pyramidovitý), dosahují od bazální laminy do lumen kanálků • 17-20% semenotvorného epitelu • Jádro je snadno rozpoznatelné díky výraznému jadérku • Podpora a výživa vyvíjejících se zárodečných buněk, kompartmentalizace-těsné spoje, hematotestikulární bariéra • Hrají významnou roli v udržování sebeobnovy kmenových spermatogonií, podílejí se i na regulaci správného poměru sebeobnovy zárodečných buněk a apoptózy • Kontrolované uvolňování maturovaných spermatid • Sekrekční funkce –proteiny a růstové faktory • fagocytóza Leydigovy buňky • Polygonálního tvaru, jádro s jedním až třemi výraznými jadérky • Reinkeho krystaly –cytoplasmat. Inkluze, žlutohnědý lipofuscin • Hlavním typem buněk intersticia varlete • Difernciace postnatálně, klidový stav až do puberty • Často v blízkosti cév nebo semenotvorných kanálků • Hlavní zdroj testosteronu Seminiferous Tubules and Spermatogenesis | IntechOpen Spermiogenese • Konečná fáze spermatogeneze, během které se ze spermatid vyvinou zralé spermie. • V průběhu procesu spermiogenese zůstávají zárodečné buňky propojeny buněčnými spoji se Sertoliho buňkami a vzájemně pak cytoplazmatickými můstky • Dochází ke komplexní přeměně haploidní buňky, podobající se běžné somatické buňce ve vysoce specializovanou buňku, schopnou pohybu a fertilizace oocytu • Spermatidy (kulaté buňky obsahující jádro, GA, centriolu a mitochondrie) získávají typický tvar a funkce spermií (podlouhlé buňky s hlavou , střední částí a bičíkem) • Dochází ke stavbě nových organel a k degradaci některých původních • Jádro je remodelováno: dochází je zmenšení objemu, nabytí aerodynamického tvaru a k protaminaci (ochrana DNA před poškozením), tento proces je spojen s vysokou transkripční a translační aktivitou • Golgiho komplex splývá v akrosomální váček, dochází ke splynutí cytosolu spermatidy a ke vzniku skeletonu hlavičky, tvoří se axonema bičíku, chromosomy se vysoce kondenzují • Akrosomální váček se přetahuje přes přední okraj jádra a vzniká finální akrosom(hyaluronidáza, akrozin), pomocí mitochondriální manžety dochází k protažení jádra • Centrosom spermatidy: proximální centriol se usadí v prohloubení jádra, z distálního centriolu se vytváří bazální tělísko bičíku • bičík obsahuje devět vnějších dvojic mikrotubulů a dva centrální mikrolubuly • Mitochondrie se přesunuly do proximální části bičíku a tvoří zde mitochondriální spirálu-střední oddíl spermie • Zbylá cytoplazma je fagocytována Sertoliho buňkami • Spermiace – proces, kdy dochází k vzájemnému oddělení plně diferencovaných spermatozoí a k jejich uvolnění z povrchu semenotvorného epitelu do lumen kanálku • Cytoplazmatická kapénka – lalůček se zbytkem cytoplasmy opouštějící zbytek buňky, obtočený kolem mísa spoje bičíku s hlavičkou Seminiferous Tubules and Spermatogenesis | IntechOpen Golgiho fáze: spermie začínají vyvíjet polaritu vznikne hlavička, kde Golgiho aparát vytváří enzymy budoucího akrozomu. Na druhém konci se vyvíjí střední část-shromažďují se mitochondrie a distální centriol začíná tvořit axonema. V jádře dochází ke kondenzaci DNA- výměna histonů za protaminy, výsledkem je transkripčně inaktivní DNA. Fáze čepičky/akrozomu: GA obklopuje kondenzované jádro a stává se z něj „čepička“ – akrozóm Fáze formace bičíku: jedna z centriol spermie se začne prodlužovat a stává se bičíkem (dopomáhá k tomu dočasná struktura-tzv. “manžeta“). Bičíky spermií v této fázi směřují do lumen kanálku. Fáze zrání: přebytečná cytoplazma, známá jako reziduální tělísko, je fagocytována Sertoliho buňkami. Poruchy vývoje akrozomu mohou vést k jeho zakrnutí až absenci a tím ke změně tvaru hlavičky-tzv globozoospermie Selhání jaderných proteinů (DPY19L2) při navázání akrozómu k jádru Neschopnost oplodnit/aktivovat oocyt, lze řešit pomocí ICSI a aktivace oocytu • Lidské spermie jsou ve skutečnosti zploštělé Seminiferous Tubules and Spermatogenesis | IntechOpen • Struktura chromatinu spermií se liší od somatických buněk. • Dochází ke kondenzaci → ztráta transkripční aktivity • náhrada většiny histonů protaminy (malé, vysoce bazické proteiny bohaté na arginin, u mužů se nachází 2 typy protaminů, jejich poměr se individuálně liší) • K hlavnímu balení chromatinu dochází v časných fázích spermiogenese – původní struktura DNA vázaná na nukleozómy je destabilizována a dojde k vytvoření nové, asi 10x kompaktnější struktury chromatinu • Část chromatinu si zachovává nukleozomové uspořádání (účast na časném vývoji embrya) • Epigenetické mechanismy ovlivňující vývoj spermií : mi RNA, metylace DNA, demetylace DNA (např. otcovského imprintingu) Hormonální regulace spermatogenese • GnRH vylučovaný pulsatilně hypotalamem stimuluje adenohypofýzu k sekreci klíčových hormonů regulujících vývoj spermií: luteinizačního hormonu (LH) a folikuly stimulujícího hormonu (FSH) • FSH a LH působí na úrovni varlete • LH stimuluje Leydigovy buňky k produkci testosteronu a nepřímo stimuluje spermatogenezi zvýšením intratestikulární koncentrace testosteronu; dále produkují faktory které přímo či nepřímo ovlivňují spermatogenesi: INSL3 (insulin-like protein 3-sestup varlat), oxytocin (stimuluje produkci testosteronu) • Testosteron se ve varleti váže na androgen binding protein produkovaný Sertoliho buňkami, krví je roznášen po těle a působí ve mnoha tkáních - vývoj mužských pohlavních orgánů, je jedním z iniciátorů puberty • FSH stimuluje Sertoliho buňky → podpora spermií, sekrece androgen binding proteinu Seminiferous Tubules and Spermatogenesis | IntechOpen • klíčovou roli během spermatogeneze hrají i prolaktin a růstový hormon • Sertoliho buňky dále produkují AMH, inhibin a aktivin; cAMP responsive element binding protein (CREB)-aktivace transkripce downregulátorů procesu spermatogeneze • Activin zvyšuje hladiny FSH potřebné pro produkci spermatu, inhibin reguluje sekreci FSH hypotalamem a pomáhá udržovat testikulární homeostázu • Syndrom Sertoli cell only je charakterizován výlučnou přítomností Sertoliho buněk (bez zárodečných buněk) v semenotvorných kanálcích, což znemožňuje spermatogenezi (sterilita bez pohlavních abnormalit)- neobstruktivní azoospermie • Leydigovy a Sertoliho buňky produkují steroidní hormony • Leydigovy buňky vylučují několik různých typů androgenů, včetně dihydrotestosteronu a testosteronu - modulace vývoje a zrání spermií Struktura semenotvorného epitelu • Unikátní struktura → dostatek živin vyvíjejícím se spermiím a současně zajišťuje ochranu před imunitním systémem –hematotestikulární bariéra – tvořena zejména buněčnými spoji Sertoliho buněk a doplněna peritubulárními myeloidními buňkami a endoteliálními buňkami • Na bazální laminu naléhají spermatogonie A, zatímco spermatogonie B jsou v kontaktu již jen částečně, malými plochami; v této vrchní části se také nacházejí Sertoliho buňky, tvořící svými buněčnými spoji a cytoplazmatickými projekcemi hematotestikulární bariéru • Primární spermatocyty pronikají směrem do lumen kanálku skrze hematotestikulární bariéru a vstupují do části semenotvorného kanálku, kde probíhá meióza, tento kompartment je dokonale kryt před imunitním systémem, protože povrch spermií je vysoce imunogenní medcell.org/systems_cell_biology/male_reproductive_system_lab.php medcell.org/systems_cell_biology/male_reproductive_system_lab.php medcell.org/systems_cell_biology/male_reproductive_system_lab.php medcell.org/systems_cell_biology/male_reproductive_system_lab.php medcell.org/systems_cell_biology/male_reproductive_system_lab.php (A) Arest spermatogeneze ve stadiu spermatogonií (B) Arest spermatogeneze ve stadiu spermatogonií A(světlých) (C) Nádorové buňky v bazálním kompartmetu zárodečného epitelu vytlačily spermatogonie (D) Megalospermatocytes s nedokončenou mitózou (E) Arest spermatogeneze ve stadiu spermatocytů I řádu (F) Arest spermatogeneze ve stadiu spermatid Understanding spermatogenesis is a prerequisite for treatment - PMC (nih.gov) Faktory ovlivňující spermiogenesi • Obezita –hyperestrogenismus (enzym aromatáza v tukové tkáni-konverze testosteronu); hypoandrogenismus • Diabetes – type 1DM –hyperglykemie, zvýšený oxidační stres- fragmentace DNA spermií • Enviromentální chemikálie-endokrinní disrupce - ftaláty-snižují produkci testosteronu, zhoršují fce Sertoliho i zárodečných buněk (bifosfenol A) Kadmium, dioxin –narušení hematotestikulární bariéry Etylen dibromid- změny ve struktuře chromatinu spermií DBCP (1,2 -dibromo -3- chroropropan)-zvyšuje oxidační stres • Varikokéla – rozšíření žil žilní pleteně, která odvádí odkysličenou krev z varlat do břicha- reflux; 15% mužu, 35% neplodných mužů -skrotální hypertermie, zvýšená produkce semenogelinů(inhibice motility, hyperaktivace a kapacitace), apoptóza, oxidační stres (snížená produkce androgenů) • Genetické faktory- 15-30% mužské neplodnosti Klineferterův syndrom- 47XXY (46XY,/47XXY; 48,XXXY; 48,XXYY); 5% těžkých oligozoospermií, 10% NOA (non-obstrukční azoospermie); hypergonadotropnihypogonadismus, kognitivní poruchy Mikrodelece Y chromozomu- dlouhé raménko, AZF faktor- geny kritické pro spermiogenesi: regiony AZFa (geny regulátorů spermatogeneze →azoospermie a SCO), AZF b (azoospermie, časný maturační arest), AZFc(azoospermie a těžké oligozoospermie, po TESE lze najít spermie) • Epigenetické faktory- metylace DNA, metylace histonů, acetylace histonů,posforylace histonů; klíčová událost ve spermiogenezi je epigenetické reprogramování zárodečných buněk-zvýšená metylace DNA je asociována s nižší kvalitou spermií • Prader-Willi syndrom, Beckwith-Wiedrmann syndrom, Angelman syndrom – asociace s ART (jednou z příčin nekompletně reprogramovaná spermie?) • Hormonal regulation of spermatogenesis in Hindi – YouTube • Hormonal control of spermatogenesis process for AIIMS JIPMER. - YouTube