Лекция № 5. Ось гипоталамус-гипофиз-яички

Гипоталамус — главный интегративный центр репродуктивной системы у мужчин. Получая информацию от центральной нервной системы и яичек, гипоталамус регулирует образование и секрецию гонадотропин-рили- зинг гормона. Нейротрансмиттеры и нейропептиды оказывают как ингибирующее, так и стимулирующее влияние на гипоталамус. Гонадотропин-рили- зинг гормон секретируется гипоталамусом в пульсирующем режиме, что является необходимым звеном стимуляции синтеза и секреции обоих гонадотропинов гипофиза – лютеинизирующего и фолликулостимулирующего гормона. Лютеинизирующий и фолликулостимулирующий гормон образуются в передней доле гипофиза и секретируются в импульсном режиме в ответ на пульсирующую продукцию гонадотропин-рилизинг гормона. В яичках лютеинизирующий и фолликулостимулирующий гормон связываются со специфическими рецепторами на клетках Лейдига и Сертоли.

Тестостерон, гормон секретирующийся клетками Лейдига яичка, является главным ингибитором секреции лютеинизирующего гормона гипофиза у мужчин. В периферических тканях тестостерон может превращаться в более мощный андроген дигидротестостерон или в мощный эстроген - эстрадиол. Образующиеся андрогены и эстрогены независимо друг от друга ингибируют секрецию лютеинизирующего гормона.

Продукция фолликулостимулирующего гормона регулируется по механизму обратной связи ингибином В, образующимся в клетках Сертоли. Ухудшение сперматогенеза и уменьшение образования ингибина В, вследствие нарушения функций клеток Сертоли, по механизму отрицательной обратной связи приводит к увеличению секреции фолликулостимулирующего гормона. Изолированное повышение уровня фолликулостимулирующего гормона - важный маркер неблагополучного состояния семенной ткани яичек.

Говоря о маркерах функции клеток Сертоли, нельзя не упомянуть об антимюллеровом гормоне. Это вещество также синтезируется в клетках Сертоли и во внутриутробном периоде ингибирует развитие мюллеровских протоков – зачатков женских половых органов. При недостаточности этого гормона развивается ложный мужской гермафродитизм, а при стертых формах двухсторонний крипторхизм и мужское бесплодие. У взрослого человека определяются остаточные уровни этого гормона. Оценка уровня антимюллерова гормона – важный показатель функции яичек.

Секреция пролактина также имеет сложную взаимосвязь с гонадотропными гормонами гипофиза. У мужчин с гиперпролактинемией повышенный уровень пролактина оказывает ингибирующее влияние на секрецию гонадо- тропин-рилизинг гормона (рис. 15).

46

позже становления функции самораспознавания иммунной системы. Если бы образование сперматозоидов не было иммунологически защищено, то дифференцирующиеся клетки распознавались бы иммунной системой, как чужеродные, и уничтожались бы. Клетки Сертоли участвуют, как в обеспечении питания развивающихся клеток сперматогенеза, так и в фагоцитозе погибших клеток. Сперматогонии и молодые сперматоциты расположены в семенных канальцах ближе к базальной мембране и по мере созревания перемещаются в более верхние слои, вглубь просвета канальцев. Сперматогенные клетки располагаются в семенных канальцах строго определенным образом. Сперматогонии лежат непосредственно над базальной мембраной, а в направлении просвета канальцев последовательно располагаются первичные сперматоциты, вторичные сперматоциты и сперматиды. Выделяют 13 различных типов клеток герминогенного эпителия, представляющие разные стадии созревания сперматозоидов.

Сперматогенез Сперматогенез — сложный процесс, при котором примитивные поло-

вые клетки, или сперматогонии, делятся, воспроизводя похожие на себя стволовые клетки, либо дают начало дочерним клеткам, в дальнейшем дифференцирующимся в сперматоциты. Дальнейшее деление сперматоцитов дает начало линиям клеток, в конечном итоге дифференцирующимся в сперматиды и далее в сперматозоиды. Дифференцировка включает в себя конденсацию ядра, формирование акросомы, утрату большей части цитоплазмы, формирование хвоста и перемещение митохондрий в среднюю часть сперматозоида, которая становится «машинным отделением» клетки, обеспечивающим работу хвостика. Группа клеток семенного эпителия, одновременно вступающая в процессы сперматогенеза, называется генерацией. Клетки одной генерации находятся на одной и той же стадии развития. Выделяют шесть стадий развития герминогенного эпителия. Развитие сперматозоида от первой стадии до шестой составляет один цикл. У человека продолжительность каждого цикла приблизительно 16 дней, а путь превращения от раннего сперматогония до зрелого сперматозоида занимает у людей около 74 дней (рис. 16).

48

Рисунок 16. Стадии сперматогенеза

Сперматогенез — комплексный процесс, который находится под контролем многих генов. Молекулярные механизмы его на данный момент находятся в стадии активного изучения. Так, известно, что в регуляции сперматогенеза участвуют около 2000 генов, большинство из которых находятся в аутосомах, около 30 генов — в Y-хромосоме.

Продолжительность сперматогенеза у человека составляет 64-68 дней.

Сперматогенез делится на три фазы. Он включает ряд последовательных митотических делений (пролиферация), редукционное деление мейоз и морфологический и биохимический метаморфоз клеток (спермиогенез). В результате последовательных митотических делений из стволовых сперматогонии, через морфологические стадии дифференцировки клеток, названные сперматогония А светлая, А темная и В, формируются сперматоциты I порядка. Они вступают в мейоз. В профазе мейоза Iв этих клетках происходит кроссинговер — обмен участками гомологичных хромосом, т. е. «перемешивание» наследственной информации, полученной от отца и матери. Клетки, образовавшиеся после первого редукционного деления, получили название сперма-тоцитов IIпорядка. Они содержат гаплоидный, т. е половинный набор двунитчатых хромосом (23 D-xpoмосомы). После второго мейотического деления образуются клетки сперматиды, содержащие по 23 однонитчатые хромосомы (23 S-хромосомы). Генетически сперматиды не отличаются от зрелых сперматозоидов, но хроматин в них еще недостаточно компактно упакован, и отсутствуют специфические органеллы, необходимые для оплодотворения. В дальнейшем в процессе спермиогенеза сперматиды формируют ак-

49

росому, происходит конденсация гетерохроматина, в средней части располагаются центриоли и митохондрии, образуется жгутик. Излишки цитоплазмы образуют резидуальные тельца. При конденсации хроматина происходит замена гистонов переходными белками и другими протаминами, в итоге компактность ДНК увеличивается более чем в 20 раз по сравнению с соматическими клетками. В результате образования гетерохроматина на стадии продолговатых сперматид и сперматозоидов прекращается транскрипционная активность большинства генов.

Половина образующихся сперматозоидов содержит половую Y-хро- мосому. После слияния с яйцеклеткой, всегда содержащей Х-хромосому, развивается зародыш мужского пола (XY). Остальные сперматозоиды содержат половую Х-хромосому, определяющую, соответственно, женский пол потомства (XX).

Сперматогенез начинается периодически в разных местах яичка, что обеспечивает непрерывный, а не пульсирующий, как у женщин, характер продукции гамет. Все сперматозоиды, образующиеся из одной сперматогонии в процессе сперматогенеза, остаются связанными цитоплазматическими мостиками, т.е. образуют синцитий. Развивающиеся сперматогенные клетки создают устойчивые и сменяющие друг друга популяции клеток, находящихся на разных этапах дифференцировки. Последовательная смена таких фаз вдоль семенного канальца получила название волны сперматогенеза.

Организующий фактор сперматогенеза — клетки Сертоли, которые сами изменяются в соответствии с циклом. Когда сперматогенез завершен, цитоплазматические мостики между зреющими гаметами разрушаются, сперматозоиды поступают в просвет канальца и пассивно переносятся с током жидкости. Жидкость, находящаяся в семенных канальцах, является продуктом клеток Сертоли. Сперматозоиды в извитых семенных канальцах еще не способны к самостоятельному движению. Не все развивающиеся сперматозоиды остаются живыми, по меньшей мере, половина подвергается апоптозу и последующему фагоцитозу еще в яичках.

Апоптоз может быть пассивным и активным.

Первый имеет место при отсутствии стимулирующих сигналов посредством гонадотропинов и ростовых факторов и реализуется при участии митохондриального цитохрома С и каспаз-3 и -9.

Второй — индуцирован извне, в этом принимают участие цитокин-фак- тор некроза опухолей (tumournecrosisfactorос), FADDи каспаза-8 (10). Фагоцитирование их также осуществляют клетки Сертоли.

Клетки Сертоли выполняют еще одну функцию — образуют гематотестикулярный барьер (ГТБ), который разделяет базальный и адлюминальный компартменты внутри семенных канальцев. Такой барьер препятствует попаданию в кровоток антигенов развивающихся сперматогенных клеток, прошедших стадию мейоза. Необходимость такой защиты обусловлена тем, что элементы синаптонемального комплекса, протамины, рецепторы и ферменты

50

акросомы, другие антигены дифференцировки сперматозоидов впервые появляются только в пубертатный период. Поэтому по отношению к ним отсутствует толерантность — иммунологическая неотвечаемость, которая в норме имеет место против ауто-антигенов, презентируемых незрелым Т- и В-клет- кам в первичных иммунных органах (костный мозг и тимус) в пренатальный и ранний постнатальный периоды. Главный элемент ГТБ — три уровня плотных контактов между соседними клетками Сертоли, через которые, как через шлюзы, перемещаются в адлюминальном направлении зреющие гаметы. Кроме изолирующей функции, клетки Сертоли осуществляют активную иммуносупрессию, облигатно секретируя особое вещество — Fas-лиганд, вызывающее апоптоз Т- и НК-клеток, проникших в яичко. Иммуносупрессивный эффект оказывает также синтезируемый клетками трансформирующий фактор роста (transforminggrowthfactor-β3).

Межканальцевый компартмент яичка содержит интерстициальные эндокриноциты (клетки Лейдига), которые синтезируют большую часть циркулирующих в организме андрогенов (~95%), а также кровеносные и лимфатические сосуды, нервы, макрофаги. Синтезированный тестостерон поступает в кровь, лимфу и оказывает системное влияние на многие типы клеток, имеющих к нему рецепторы: мышцы, кожу, кости, нейроны паравентрикулярного ядра гипоталамуса, кавернозную ткань пениса и др. Одновременно тестостерон вызывает эффекты в самом яичке, влияя на сперматогенез. В семенной каналец тестостерон поступает связанным со специальным белком — андро- ген-связываюшим (androgen-bindingprotein— АВР), который синтезуруют клетки Сертоли. Мишенью для тестостерона внутри семенных канальцев являются клетки Сертоли.Под действием фермента 5-альфа-редуктазы тестостерон превращается в дигидротестостерон (ДГТ), обладающий в два раза большим сродством к андрогеновому рецептору и поэтому большим биологическим эффектом. Взаимодействие тестостерона и ДГТ с андрогеновыми рецепторами необходимо для выполнения клетками Сертоли своих функций. В отсутствие андрогенов сперматогенез нарушается на стадии мейоза. Постмейотические сперматогенные клетки сами по себе лишены таких рецепторов, поэтому действие тестостерона на зреющие гаметы обусловлено только паракринным влиянием клеток Сертоли.

Кроме андрогенов, клетки Лейдига продуцируют некоторое количество эстрогенов, которые образуются из андрогенов под действием ароматазы, окситоцин, стимулирующий сокращение семявыносящих протоков и обеспечивающий движение сперматозоидов по придатку, и цитокин-инсулиноподоб- ный фактор роста (insulin-likegrowthfactor3), функция которого в яичке пока не ясна.

Сперматогенная и андрогенпродуцирующая функции яичек находятся под контролем центральной нервной системы (ЦНС), осуществляющей интеграцию факторов внешней среды и психического состояния, взаимодействие нервной, эндокринной и иммунной систем.

51

Гормональная регуляция сперматогенеза

Между двумя отдельными частями яичка - семенными канальцами и окружающей их межуточной тканью - существует тесная структурная и функциональная связь. Лютеинизирующий гормон гипофиза влияет на сперматогенез, косвенным образом, стимулируя продукцию тестостерона. Клетки-мишени фолликулостимулирующего гормона - клетки Сертоли.

Таким образом, тестостерон и фолликулостимулирующий гормон - гормоны, напрямую влияющие на эпителий семенных канальцев. Андроген-свя- зывающий белок, образующийся клетками Сертоли и участвующий во внутриклеточном транспорте тестостерона, может играть роль резервуара тестостерона внутри семенных канальцев в дополнение к тестостерону, поступающему из яичек в канальцы придатка яичка. Близкое взаимное расположение клеток Лейдига и семенных канальцев, а также образование клетками Сертоли андроген-связывающего глобулина, поддерживает высокую концентрацию тестостерона в микросреде дифференцирующихся клеток сперматогенеза. Гормональные изменения, необходимые для запуска сперматогенеза, происходят независимо от процесса поддержания сперматогенеза. Для поддержания сперматогенеза, например, при выключении гипофиза, необходим только тестостерон. Однако если функция семенного эпителия выключилась в результате отсутствия тестостерона, то для повторного запуска сперматогенеза требуются как фолликулостимулирующий гормон, так и тестостерон. Процесс превращения стволовых сперматогонии в зрелые сперматозоиды получил название сперматогенеза. Ключевая роль в этом принадлежит гипоталамусу — небольшому образованию (1/150 массы мозга), расположенному в промежуточном мозге и связанному нервными волокнами со многими структурами, в первую очередь с ядрами таламуса (зрительный бугор) и лимбической системой (гипокамп и поясная извилина), которые играют ключевую роль в формировании эмоций. Гипоталамус вырабатывает специальные гормоны, регулирующие функции эндокринных органов, так называемые рили- зинг-гормоны. Гормоном, влияющим на половую систему, является единый гонадотропный рилизинг-гормон (ГнРГ). Он представляет собой декапептид, который поступает в переднюю долю гипофиза (аденогипофиз) и, воздействуя на его специфические клетки, стимулирует выработку гонадотропных гипофизарных гормонов. Репродуктивную функцию регулируют три гормона гипофиза: фолликулостимулирующий (ФСГ), лютеинизирующий (ЛГ) и пролактин (Прл). ФСГ стимулирует развитие герминативных (собственно половых) клеток в гонадах, ЛГ действует на выработку стероидных гормонов в половых железах, Прл потенциирует действие двух описанных гормонов на клетки-мишени. Синтез ЛГ и ФСГ зависит от частоты и амплитуды пульсоподобных выбросов ГнРГ в гипоталамусе. В норме пики ГнРГ наблюдаются с интервалом 90—120 мин. При увеличении частоты синтезируется преимущественно ЛГ, при уменьшении — ФСГ. Когда пики следуют с интервалом меньше 20 мин или наблюдается секреция в постоянном режиме, происходит

52

угнетение функции гонад в результате истощения секретирующих клеток гипофиза. Пульсовая секреция ЛГ полностью повторяет пульсацию ГнРГ, однако выбросы ФСГ происходят с большим периодом. Это связано с различной «продолжительностью жизни» гормонов: период полувыведения ЛГ в сыворотке крови составляет 50 мин, а ФСГ - 180-200 мин. Секретированные в гипофизе гонадотропины разносятся с кровью по всему организму и действуют на клетки, у которых есть чувствительные к ним рецепторы. ФСГ связывается с рецепторами клеток Сертоли и стимулирует их работу: в отсутствие ФСГ происходит существенное подавление сперматогенеза и уменьшение размеров яичек. ЛГ связывается с рецепторами клеток Лейдига и нужен для синтеза андрогенов: без ЛГ нарушается продукция тестостерона, и сперматогенез также прекращается. Внутриклеточные механизмы действия гонадотропинов на сперматогенез до конца неясны. Есть, однако, данные, что они предотвращают спонтанный апоптоз сперматогенных клеток. ФСГ и ЛГ действуют синергически, в частности ФСГ стимулирует синтез рецепторов андрогенов в клетках Сертоли, а андрогены, в свою очередь, стимулируют рецепторы к ФСГ. Одновременно половые стероиды действуют на секретирующие клеткигипоталамуса и гипофиза и таким образом регулируют пульсовую секрецию ГнРГ, ЛГ и ФСГ по принципу обратной связи. В формировании обратной связи, кроме того, участвуют факторы роста ингибин В и активин А — продукты клеток Сертоли. Клетки Сертоли к тому же продолжают продуцировать определенное количество антимюллерова гормона (mullerianingibitinghormone— МIH), играющего ведущую роль в формировании мужской половой системы в эмбриональный и фетальный период. Пролактин и ингибин подавляют стимулированную ЛГ продукцию андрогенов. В регуляцию репродуктивной функции также включены альфа-адренергиче- ские блокаторы, эндорфины, энкефалины и другие нейромедиаторы, обеспечивающие контроль, а точнее коррекцию, работы половой системы со стороны центральной нервной системы. Например, показано, что нор адреналин и дофамин стимулируют выработку ГнРГ и сексуальную активность, а серотонин и эндорфины — тормозят.

Транспорт — созревание — хранение сперматозоидов.

Хотя, образование сперматозоидов происходит в яичке, процессы созревания, хранения и транспорта сперматозоидов обеспечиваются придатком яичка (эпидидимусом). Сперматозоиды, находящиеся в семенных канальцах яичка, неподвижны и неспособны к оплодотворению. Их созревание завершается вне яичка в протоках придатка. Извитые семенные канальцы яичка заканчиваются сетью яичка, которое в свою очередь формирует выносящие канальцы. По этим выносящим канальцам тестикулярная жидкость и сперматозоиды поступают из яичка в головку эпидидимуса.

Придаток яичка или эпидидимус имеет головку, тело и хвост и состоит из единственного, сильно извитого протока, длина которого составляет около

53

5-6 метров. Хотя, продолжительность транспорта по протоку эпидидимуса изменяется в зависимости от возраста и половой активности мужчины, в среднем это время составляет 4 дня. Именно в период созревания в головке и теле эпидидимуса сперматозоиды приобретают все увеличивающуюся подвижность и способность к оплодотворению яйцеклетки.

Придаток яичка/эпидидимис (epididymis) — система канальцев, заполненных созревшими сперматозоидами, где они и становятся способными к оплодотворению. Кроме биохимического «созревания», в котором важную роль играют глицерин-фосфорилхолин, карнитин и ионы кальция, происходит значительное повышение концентрации сперматозоидов в семенной жидкости за счет всасывания воды. Особая роль принадлежит высокой концентрации дигидротестостерона: если в периферической крови соотношение ДГТ/Т равно 0,1, в тканевой жидкости яичка — 1,0, то в головке придатка — уже около 4,0. Полностью сформировавшись морфологически, сперматозоиды в хвосте придатка тем не менее остаются неподвижными. Возможно, это связано с наличием в жидкости придатка особых ингибирующих факторов, однако более вероятно, что для инициации подвижности требуются специфические стимулирующие факторы, содержащиеся в секрете дополнительных половых желез.

Помимо созревания сперматозоидов, придаток яичка выполняет роль «хранилища» или резервуара мужских половых клеток. Подсчитано, что внеяичковый резервуар спермы содержит около 440 млн. сперматозоидов, более 50% которых заключено в хвостовой части эпидидимуса. Из хвоста придатка яичка сперматозоиды поступают в семявыносящий проток, представляющий собой мышечную трубочку длиной 30-35см.

Семявыносящий проток (ductusdeferens) проходит через паховый канал, а далее по боковой стенке таза вниз и назад, направляясь ко дну мочевого пузыря, где оба протока сближаются. В конечном отделе каждого семявыносящего протока его стенка как бы выпячивается, образуя боковые выросты

— семенные пузырьки (vesiculaseminalis). Их складчатая слизистая оболочка вырабатывает густой желтоватый секрет, который смешивается со спермой и разжижает ее, питает и активирует сперматозоиды. Заостренный выделительный проток каждого семенного пузырька соединяется с конечным отделом семявыносящего протока и образует семявыбрасывающий проток длиной около 2 см, который прободает предстательную железу и открывается в предстательную часть мужского мочеиспускательного канала узким отверстием, расположенным у основания семенного холмика.

Содержимое семявыносящего протока благодаря перистальтическим сокращениям стенки протока поступает в семявыбрасывающий канал и далее посредством эмиссии и эякуляции в уретру. Во время эмиссии секрет семенных пузырьков и простаты поступает в задний отдел уретры.

Предстательная железа (prostata/glandulaprostatiса) состоит из 30-60 простатических железок, эпителий которых вырабатывает жидкий беловатый

54

секрет — компонент спермы. Разжижению секрета простаты способствует простатоспецифический антиген (ПСА). Сокращение мышечного аппарата в момент семяизвержения (эякуляции) способствует выбрасыванию секрета из простатических железок в мочеиспускательный канал.

Бульбоуретральные железы (куперовы) (glandulabildourethralis)

открываются в просвет мочеиспускательного канала, вырабатывают вязкий секрет, предохраняющий слизистую оболочку мочеиспускательного канала от раздражающего действия мочи. Вещества, секретируемые предстательной железой, куперовыми железами и семенными

пузырьками, добавляются к сперме во время ее продвижения по семявыбрасывающему протоку и мочеиспускательному каналу, разжижают ее, повышают жизнеспособность сперматозоидов и активизируют их. Однако есть данные, согласно которым мужчины с концентрацией сперматозоидов в конкретном исследованном образце 10-15 млн/мл (и даже 5 млн/мл) могут стать отцами. Одна из причин — существенное колебание указанных параметров у одного и того же мужчины в зависимости от сезона, питания, стрессов, общесоматических болезней и других факторов.

Эякуляторные сокращения семявыбрасывающего протока и мышц шейки мочевого пузыря находятся под контролем симпатической нервной системы.

Во время эякуляции мышцы шейки мочевого пузыря сокращаются, и наружный сфинктер расслабляется, а сперма продвигается по уретре благодаря ритмичным сокращениям промежностных и бульбоуретральных мышц.

Установлено, что первая порция эякулята включает небольшой объем жидкости из семявыносящего протока, но содержит большое количество сперматозоидов. Основной объем семенной жидкости образуется в семенных пузырьках и в меньшем количестве — в простате. Семенные пузырьки обеспечивают питательный субстрат спермы - фруктозу, а также простагландины и коагулирующие вещества.

Общепризнанная функция семенной плазмы это создание буфера в кислой среде влагалища. Сгусток, сформированный спермой после эякуляции, разжижается в течение 20-30 минут под влиянием протеолитических ферментов простаты. Секрет простаты также добавляет в семенную жидкость ионы цинка, фосфолипиды, спермин, фосфатазу.

Первая порция эякулята характеризуется максимальным содержанием сперматозоидов и секрета предстательной железы, в то время как вторая порция представлена, прежде всего, секретом семенных пузырьков и содержит меньшее количество сперматозоидов.

Сперма — густая, беловатая вязкая жидкость со специфическим запахом, напоминающим запах свежих каштанов. В состав спермы входят вода, слизь, сахар (фруктоза), огромное количество биологически активных веществ, включая простагландины. Последние вызывают сокращение гладких мышц матки и маточных труб. Около 30% семенной жидкости — секрет

55

предстательной железы, около 65-70% — семенных пузырьков. Во время одного семяизвержения выбрасывается 2-5 мл спермы (рис. 17).

Рисунок 17. Наружные и внутренние мужские половые органы

56