Сперматозоид ( / s p ər ˌ m æ t ə ˈ z oʊ . ən , ˌ s p ɜːr m ə t ə - / ; [1] также пишется как сперматозоид ; мн.: сперматозоиды ; от древнегреческого σπέρμα ( spérma ) 'семя ', и ζῷον ( zôion ) ' животное ') — подвижный сперматозоид или движущаяся форма гаплоидной клетки , которая является мужской гаметой . Сперматозоид присоединяется к яйцеклетке , образуя зиготу . (Зигота — это отдельная клетка с полным набором хромосом , которая обычно развивается в эмбрион .)
Сперматозоиды передают примерно половину ядерной генетической информации диплоидному потомству (за исключением, в большинстве случаев, митохондриальной ДНК ). У млекопитающих пол потомства определяется сперматозоидом: сперматозоид, несущий Х-хромосому , приведет к потомству женского пола (XX), а сперматозоид, несущий Y-хромосому , приведет к потомству мужского пола (XY). Сперматозоиды были впервые обнаружены в лаборатории Антони ван Левенгука в 1677 году . [2]
Человеческий сперматозоид является репродуктивной клеткой у мужчин и выживает только в теплой среде; как только он покидает мужской организм, вероятность выживания спермы снижается, и она может погибнуть, тем самым снижая общее качество спермы . Сперматозоиды бывают двух типов: «женские» и «мужские». Сперматозоиды, дающие после оплодотворения потомство женского пола (XX), отличаются тем, что несут Х-хромосому, тогда как сперматозоиды, дающие потомство мужского пола (XY), несут Y-хромосому. [3]
Сперматозоид человека состоит из плоской дискообразной головки размером 5,1 на 3,1 мкм и хвоста, известного как жгутик, длиной 50 мкм. [4] Жгутик приводит в движение сперматозоид (у человека со скоростью около 1–3 мм/мин), образуя эллиптический конус. [5] Сперматозоиды имеют обонятельный механизм направления и после достижения маточных труб должны пройти период капацитации перед проникновением в яйцеклетку. [6]
Голова: имеет компактное ядро, состоящее только из хроматического вещества, и окружено лишь тонким краем цитоплазмы. Над ядром лежит колпачковая структура, называемая акросомой , образованная в результате модификации тельца Гольджи, секретирующего фермент спермлизин ( гиалуронидазу, корона-проникающий фермент, зона лизин или акрозин ), необходимый для оплодотворения. Когда сперматозоид приближается к яйцеклетке, он подвергается акросомной реакции , при которой мембрана, окружающая акросому, сливается с плазматической мембраной головки спермия, обнажая содержимое акросомы. [7]
Шея: это самая маленькая часть (0,03 мкм), имеющая проксимальную центриоль, параллельную основанию ядра, и дистальную центриоль, перпендикулярную предыдущей. Проксимальная центриоль присутствует и в зрелом сперматозоиде; дистальная центриоль исчезает после сборки аксонемы. Проксимальная центриоль входит в яйцеклетку во время оплодотворения и начинает первое деление яйцеклетки, не имеющей центриоли. Дистальная центриоль дает начало осевой нити, которая образует хвост и имеет расположение (9+2). В средней части находится переходная мембрана, называемая манжетой .
Средняя часть: имеет 10–14 спиралей митохондрий, окружающих осевую нить в цитоплазме. Он обеспечивает подвижность и поэтому называется электростанцией спермы. Он также имеет кольцевую центриоль (кольцо), которая образует диффузионный барьер между средней частью и основной частью и служит стабилизирующей структурой для жесткости хвоста. [8]
Хвост: Жгутик — самая длинная часть (50 мкм), имеющая осевую нить, окруженную цитоплазмой и плазматической мембраной, но на заднем конце осевая нить обнажена. Жгутик обеспечивает движение клетке.
Сперма имеет щелочную природу, и сперматозоиды не достигают полной подвижности (гиперподвижности), пока не достигнут влагалища , где щелочной pH нейтрализуется кислыми вагинальными жидкостями. Этот постепенный процесс занимает 20–30 минут. В этот период фибриноген из семенных пузырьков образует сгусток, закрепляющий и защищающий сперму. Как только они становятся гиперподвижными, фибринолизин из предстательной железы растворяет сгусток, позволяя сперматозоидам оптимально развиваться.
Сперматозоид характеризуется минимумом цитоплазмы и наиболее плотно упакованной ДНК, известной у эукариот . По сравнению с митотическими хромосомами в соматических клетках ДНК сперматозоидов как минимум в шесть раз более конденсирована. [9]
Образец вносит свой вклад в ДНК / хроматин , центриоль и, возможно, также фактор активации ооцитов (OAF). [10] Он также может способствовать развитию отцовской информационной РНК (мРНК), что также способствует эмбриональному развитию. [10]
Сперматозоид человека содержит не менее 7500 различных белков . [11]
Согласно исследованию 2020 года, генетика спермы человека связана с эволюцией человека . [12] [13] [14]
Повреждения ДНК, присутствующие в сперматозоидах в период после мейоза , но до оплодотворения , могут быть устранены в оплодотворенной яйцеклетке, но если их не устранить, они могут иметь серьезные пагубные последствия для фертильности и развивающегося эмбриона. Человеческие сперматозоиды особенно уязвимы к атаке свободных радикалов и окислительному повреждению ДНК. [15] [16] (см., например , 8-оксо-2'-дезоксигуанозин )
Воздействие на мужчин определенного образа жизни, окружающей среды или профессиональных опасностей может увеличить риск образования анеуплоидных сперматозоидов. [17] В частности, риск анеуплоидии увеличивается при курении табака, [18] [19] и профессиональном воздействии бензола, [20] инсектицидов, [21] [22] и перфторированных соединений. [23] Повышенная анеуплоидия сперматозоидов часто возникает в связи с повышенным повреждением ДНК. Фрагментация ДНК и повышенная восприимчивость ДНК к денатурации in situ - признаки, аналогичные тем, которые наблюдаются при апоптозе соматических клеток, характеризуют аномальные сперматозоиды в случаях мужского бесплодия . [24] [25]
Молекулы гликопротеина на поверхности эякулированных сперматозоидов распознаются всеми женскими иммунными системами человека и интерпретируются как сигнал о том, что клетка не должна быть отторгнута. В противном случае женская иммунная система могла бы атаковать сперму в репродуктивном тракте . Специфические гликопротеины, покрывающие сперматозоиды, также используются некоторыми раковыми и бактериальными клетками, некоторыми паразитическими червями и ВИЧ-инфицированными лейкоцитами, тем самым избегая иммунного ответа со стороны организма- хозяина . [26]
Гемато -тестикулярный барьер , поддерживаемый плотными соединениями между клетками Сертоли семенных канальцев, предотвращает сообщение между формирующимися сперматозоидами в семенниках и кровеносными сосудами (и циркулирующими в них иммунными клетками) внутри интерстициального пространства . Это не позволяет им вызвать иммунный ответ. Гематотестикулярный барьер также важен для предотвращения нарушения сперматогенеза токсичными веществами. [ нужна цитата ]
У большинства животных, имеющих половое размножение, оплодотворение происходит за счет сперматозоидов.
Некоторые виды плодовых мух производят самые крупные из известных в природе сперматозоидов. [27] [28] Drosophila melanogaster производит сперму, размер которой может достигать 1,8 мм, [29] в то время как ее родственник Drosophila bifurca производит самый крупный из известных сперматозоидов, длиной более 58 мм. [27] У Drosophila melanogaster весь сперматозоид, включая хвост, включается в цитоплазму ооцита , однако у Drosophila bifurca только небольшая часть хвоста входит в ооцит. [30]
Древесная мышь Apodemus sylvaticus обладает сперматозоидами серповидной морфологии. Еще одной характеристикой, которая делает эти гаметоциты уникальными, является наличие апикального крючка на головке спермия. Этот крючок используется для прикрепления к крючкам или жгутикам других сперматозоидов. Эти навесные устройства вызывают агрегацию, в результате чего образуются мобильные поезда. Эти поезда обеспечивают улучшение моторики женских репродуктивных путей и являются средством, способствующим оплодотворению. [31]
Постмейотическая фаза сперматогенеза мышей очень чувствительна к генотоксичным агентам окружающей среды, поскольку по мере того, как мужские половые клетки образуют зрелые сперматозоиды, они постепенно теряют способность восстанавливать повреждения ДНК. [32] Облучение мышей-самцов во время позднего сперматогенеза может вызвать повреждение, которое сохраняется в течение как минимум 7 дней в оплодотворяющих сперматозоидах, а нарушение путей восстановления двухцепочечных разрывов материнской ДНК увеличивает хромосомные аберрации, происходящие из сперматозоидов. [33] Лечение самцов мышей мелфаланом , бифункциональным алкилирующим агентом , часто используемым в химиотерапии, вызывает повреждения ДНК во время мейоза, которые могут сохраняться в невосстановленном состоянии по мере того, как зародышевые клетки проходят через компетентные к репарации ДНК фазы сперматогенного развития. [34] Такие невосстановленные повреждения ДНК в сперматозоидах после оплодотворения могут привести к появлению потомства с различными аномалиями.
Морские ежи, такие как Arbacia punctulata , являются идеальными организмами для исследования спермы. Они выбрасывают в море большое количество сперматозоидов, что делает их хорошо подходящими в качестве модельных организмов для экспериментов. [35]
Сперматозоиды сумчатых обычно длиннее, чем у плацентарных млекопитающих . [36]
Гаметофиты мохообразных , папоротников и некоторых голосеменных растений производят подвижные сперматозоиды , в отличие от пыльцевых зерен , используемых у большинства голосеменных и всех покрытосеменных растений . Это делает невозможным половое размножение при отсутствии воды , поскольку вода является необходимой средой для встречи сперматозоида и яйцеклетки. Сперматозоиды водорослей и низших растений часто имеют множество жгутиков (см. изображение) и поэтому морфологически отличаются от сперматозоидов животных. [ нужна цитата ]
Некоторые водоросли и грибы производят неподвижные сперматозоиды, называемые сперматиями. У высших растений, а также у некоторых водорослей и грибов оплодотворение включает миграцию ядра спермия через оплодотворительную трубку (например, пыльцевую трубку у высших растений) для достижения яйцеклетки. [ нужна цитата ]
Сперматозоиды производятся в семенных канальцах яичек в процессе, называемом сперматогенезом . Круглые клетки, называемые сперматогониями , делятся и дифференцируются, в конечном итоге превращаясь в сперматозоиды. Во время совокупления клоака или влагалище оплодотворяются , а затем сперматозоиды перемещаются посредством хемотаксиса к яйцеклетке внутри яйцевода .
В вспомогательных репродуктивных технологиях нормозооспермией называют общее количество эякулированной >39 млн , >32% с прогрессирующей моторикой и >4% нормальной морфологии. Также нормальная эякуляция у человека должна иметь объем более 1,5 мл, а избыточный объем – 6 мл на одно семяизвержение ( гиперспермия ). Недостаточный объем называется гипоспермией . Эти проблемы связаны с рядом осложнений при производстве сперматозоидов, например:
Приближение к яйцеклетке — это довольно сложный, многоэтапный процесс хемотаксиса, управляемый различными химическими веществами/стимулами на отдельных уровнях филогении. Одним из наиболее значимых и общих сигнальных признаков этого события является то, что в поверхностная мембрана даже в случае человеческих сперматозоидов. [37] Сперматозоиды млекопитающих становятся еще более активными, когда они приближаются к яйцеклетке в процессе, называемом активацией спермы . Было показано, что активация спермы вызвана ионофорами кальция in vitro , прогестероном , высвобождаемым близлежащими кумулюсными клетками , и связыванием с ZP3 зоны пеллюцида . Клетки кумулюса погружены в гелеобразное вещество, состоящее в основном из гиалуроновой кислоты, развиваются в яичнике вместе с яйцеклеткой и поддерживают ее по мере ее роста.
Первоначальное изменение называется «гиперактивацией», которое вызывает изменение подвижности сперматозоидов. Они плавают быстрее, а движения их хвоста становятся более резкими и беспорядочными.
Недавнее открытие связывает гиперактивацию с внезапным притоком ионов кальция в хвосты. Кнутообразный хвост (жгутик) сперматозоида усеян ионными каналами , образованными белками CatSper . Эти каналы являются селективными, пропуская только ионы кальция. Открытие каналов CatSper отвечает за приток кальция. Внезапное повышение уровня кальция приводит к тому, что жгутик изгибается глубже, что приводит к более сильному продвижению сперматозоидов через вязкую среду. Гиперактивность спермы необходима для преодоления двух физических барьеров, защищающих яйцеклетку от оплодотворения.
Вторым процессом активации сперматозоидов является акросомная реакция . Это включает высвобождение содержимого акросомы, которое рассеивается, и воздействие ферментов, прикрепленных к внутренней акросомальной мембране сперматозоида. Это происходит после того, как сперматозоид впервые встречается с яйцеклеткой. Этот механизм типа «замок и ключ» является видоспецифичным и предотвращает слияние сперматозоидов и яйцеклеток разных видов. Есть некоторые свидетельства того, что именно это связывание заставляет акросому высвобождать ферменты, которые позволяют сперматозоиду сливаться с яйцеклеткой.
ZP3, один из белков, составляющих пеллюцидную зону, затем связывается с молекулой-партнером сперматозоида. Ферменты внутренней акросомальной мембраны переваривают пеллюцидную зону. После того, как сперматозоид проникает в зону пеллюцида, часть клеточной мембраны спермия сливается с мембраной яйцеклетки, и содержимое головки диффундирует в яйцеклетку.
Говорят, что после проникновения яйцеклетка активируется . Он подвергается вторичному мейотическому делению, и два гаплоидных ядра (отцовское и материнское) сливаются, образуя зиготу . Чтобы предотвратить полиспермию и свести к минимуму возможность образования триплоидной зиготы, некоторые изменения в зоне пеллюцида яйцеклетки делают ее непроницаемой вскоре после того, как первый сперматозоид попадает в яйцеклетку.
Сперматозоиды можно хранить в разбавителях, таких как разбавитель переменной температуры Иллини (IVT), который, как сообщается, способен сохранять высокую фертильность сперматозоидов в течение более семи дней. [38] Разбавитель IVT состоит из нескольких солей, сахаров и антибактериальных агентов и насыщен CO 2 . [38]
Криоконсервацию спермы можно использовать для гораздо более длительного хранения. Самый длительный успешный срок хранения человеческих сперматозоидов при использовании этого метода составляет 21 год. [39]
Капацитация — заключительная фаза развития сперматозоидов, когда они приобретают способность оплодотворять яйцеклетку. In vivo это происходит во время эякуляции, когда сперматозоиды покидают влагалище и попадают в верхние репродуктивные пути женщины. In vitro это происходит, когда сперматозоиды промываются и очищаются. Почти 30-40% бесплодия обусловлено мужским фактором, поэтому было разработано несколько стратегий для восстановления функциональных сперматозоидов. Показатель MMP (миллион подвижных прогрессивных клеток на миллилитр) является синонимом капацитации и является очень полезным параметром для принятия решения, наряду со спермиограммой , о типе необходимого лечения. он представляет собой соотношение между процентом прогрессивно подвижных сперматозоидов, полученных в капацитированном состоянии, и процентом прогрессивно подвижных сперматозоидов, полученных в эякулированном состоянии. Он основан на проценте восстановления. В зависимости от процентного соотношения мы решаем качество восстановления подвижных сперматозоидов: от 15 до 25 миллионов сперматозоидов на мл считается оптимальным, от 5 до 15 миллионов считается достаточным, а менее 5 миллионов считается неоптимальным или недостаточным. Что касается полученных нами значений, а также результатов спермиограммы, будут отображаться различные методы.
Например, если обнаружено более 1,0×10 6 прогрессивно подвижных сперматозоидов на миллилитр, будет рекомендовано вступить в половой акт, а если это не удастся, следующим шагом будет внутриматочная инсеминация , а затем традиционное экстракорпоральное оплодотворение .
При наличии прогрессивно подвижных сперматозоидов менее 1,0×10 6 на миллилитр мы выполним интрацитоплазматическую инъекцию сперматозоидов . В случае азооспермии (отсутствие сперматозоидов в эякуляте) мы проведем биопсию яичек, чтобы проверить, есть ли сперматозоиды в яичках или не производятся ли сперматозоиды.