Конкурс «био/мол/текст»-2012

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2012 в номинации «Лучшее новостное сообщение».

---

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

Сперматогенез — то есть, процесс созревания мужских половых клеток — это долгий путь постепенной дифференцировки, в результате которой из крупных, неподвижных стволовых клеток получаются маленькие, мобильные, терминально дифференцированные сперматозоиды. Схема сперматогенеза изображена на рисунке 1, и прежде, чем читать дальше, я советую читателю внимательно ее изучить.

Все описанные на рисунке 1 процессы происходят в семенных канальцах — тонких трубочках внутри мужских яичек. Представим себе такую трубочку в поперечном разрезе — получится кольцо. На самой наружной части этого кольца, базальной пластинке, вальяжно распластались A_s-сперматогонии. По мере дифференцировки, на каждом следующем этапе сперматогенеза, клетки (точнее, цепочки клеток, которые показаны на рис. 1) все сильнее сдвигаются оттуда ко внутренней части кольца (по направлению к его просвету), пока, наконец, почти дозревшие сперматиды не уплывают куда-то вдаль по этому просвету, по дороге окончательно созревая.

Созревающие половые клетки находятся в семенных канальцах не одни — помимо них там присутствуют так называемые клетки-няньки (nurse cells), которые поддерживают их, питают и защищают. Эти вспомогательные клетки называются клетками Сертоли, и когда мы говорим, что по мере дифференцировки половые клетки продвигаются от наружной части извитого канальца ко внутренней, это означает, что они движутся там сквозь «строй» клеток Сертоли (рис. 2).

И вот тут есть одна загвоздка. Дело в том, что проход через клетки Сертоли в одном месте накрепко заперт, и кажется, что пройти по нему невозможно.

Участок этот называется гемато-тестикулярным барьером (ГТБ). Он образован необычайно прочными межклеточными соединениями — плотными контактами (см. tight junction) — и располагается как раз там, где клетки окончательно перестают быть стволовыми и отправляются в необратимое путешествие по пути терминальной дифференцировки. То есть, сразу после того места, где сперматоциты первого порядка начинают готовиться к первому делению мейоза (поскольку они в этот момент находятся на стадии прелептотены, то называются прелептотеновыми сперматоцитами) и перед тем участком, где находятся пахитеновые (находящиеся на мейотической стадии пахитены) сперматоциты.

Зачем же необходим этот непреодолимый барьер? Как минимум по двум причинам.

Во-первых, для того, чтобы отделить стволовые клетки от дифференцированных. Дело в том, что для поддержания состояния «стволовости» клеткам необходимо особое микроокружение, так называемая «ниша» (см. stem cell niche) — «ареол» определенных веществ, которые не дают этим клеткам дифференцироваться и заставляют их быть стволовыми. Если в эту нишу попадут дифференцирующиеся клетки, то о всякой дифференцировке можно будет забыть: они начнут возвращаться в стволовое состояние и никогда уже не дадут начало сперматозоидам. Столь же печальны и перспективы стволовых клеток, попавших в микроокружение, необходимое для дифференцировки: они навсегда перестанут быть стволовыми, дифференцируются и в виде дозревающих на ходу сперматид уплывут вдаль по просвету канальца.

Во-вторых, и может быть, и в-главных, гемато-тестикулярный барьер необходим для того, чтобы ни в коем случае не допустить попадания дифференцирующихся половых клеток в кровь и в лимфу. Дело в том, что по мере дифференцировки на этих клетках появляется все больше и больше антигенов, и встреча их с антителами (которые в огромных количествах плавают в лимфе и крови) неминуемо приведет к аутоиммунной реакции, что может плохо кончиться как для бедных половых клеток, так и для организма в целом.

Итак, получается, что барьер этот крепок и непреодолим. И в то же время очевидно, что каким-то образом созревающим клеткам удается сквозь него пробираться. Как же это возможно?

Данный вопрос мучил умы ученых на протяжении многих десятилетий, пока, наконец, двое американских исследователей в серии простых, но элегантных экспериментов не расставили все по своим местам [5].

Использованная ими методика заключалась в следующем. Они брали семенные канальцы мышей, окрашивали их на белки, характерные только для плотных контактов, и белки, встречающиеся только в межклеточных мостиках клеточных клонов, а затем рассматривали получившиеся препараты под конфокальным микроскопом. Таким образом они могли рассмотреть взаимное расположение ГТБ и цепочек проходящих через него клеток.

Однако как же «поймать» клетки именно в тот момент, когда они преодолевают барьер? На первый взгляд, это можно сделать только путем долгих и скучных проб и ошибок, однако все гораздо проще, чем кажется. Дело в том, что сперматогенез в семенных канальцах проходит волнами, и каждая новая волна начинается тогда, когда предыдущая еще не закончилась. Иными словами, в тот момент, когда A₁-сперматогонии начинают делиться где-то возле базальной пластинки, клетки предыдущей волны сперматогенеза находятся еще только на полпути к просвету канальца. Волны сперматогенеза синхронизированы между собой (это нужно, чтобы обеспечить стабильный и постоянный выход сперматозоидов), и поэтому, зная, где находятся клетки одной из волн сперматогенеза, можно точно сказать, где находятся клетки других волн. В данном случае исследователи выбирали те препараты, где почти дозревшие сперматиды покидали просвет канальца — это означало, что клетки одной из последующих волн сперматогенеза уже дошли до стадии прелептотеновых сперматоцитов и как раз собираются преодолевать гемато-тестикулярный барьер. (Узнать больше о стадиях цикла семенного эпителия и волнах сперматогенеза можно в классической статье [6].)

И выяснилась удивительная вещь. Оказалось, что барьер во время сперматогенеза не рвется. Вместо этого откуда-то возникает новый, второй слой барьера, в результате чего цепочки сперматоцитов (находящихся уже на стадии лептотены) окружаются барьером, как связки сосисок — полиэтиленовой упаковкой (рис. 3). Причем исследователям нигде не удалось увидеть, чтобы край какой-нибудь цепочки где-то прорывал один из слоев барьера — то есть, в любой момент прохождения сперматоцитов барьер остается целым и невредимым. Однако когда сперматоциты проходят область барьера, он снова становится однослойным.

Подробнее разбираясь, каким же образом появляется новый слой барьера, ученые обнаружили, что большое значение в этом процессе играет белок клаудин 3, один из представителей обширного семейства клаудинов. Белки этого семейства являются одним из главных компонентов плотных контактов.

У каждого клаудина свой «характер» и своя роль при образовании или поддержании плотных контактов. И вот клаудин 3 нужен как раз при образовании новых контактов — в старых он практически не встречается. Так и в этот раз — исследователи показали, что новый слой барьера образуется при активном участии клаудина 3, однако по мере «старения» барьера клаудин 3 заменяется своим «родственником», клаудином 11, и, в конце концов, вовсе исчезает из плотных контактов (рис. 4).

Иными словами, картина выглядит примерно так. Цепочки сперматоцитов при своем движении к апикальной (обращенной в просвет) части канальца упираются в ГТБ. Тогда с базальной части этих сперматоцитов образуется новый, второй слой барьера, в результате чего сперматоциты оказываются внутри отдельного компартмента (той самой «сосисочной оболочки»). Двигаясь дальше, сперматоциты разрушают старый, апикальный слой, в результате чего новый, базальный слой остается единственным барьером — ну, до тех пор, конечно, пока к нему не подойдет новая партия сперматоцитов. То есть, получается, что при движении через него сперматоцитов барьер не разрушается и не сдвигается, а, можно сказать, самообновляется. Не правда ли, красивая картина возникает перед глазами?

Первоначальная версия этой статьи опубликована на «Элементах» [7].

Литература

1. Ствол и ветки: стволовые клетки;
2. Нобелевская премия по физиологии и медицине (2012): индуцированные стволовые клетки;
3. D. G. de Rooij, M. D. Griswold. (2012). Questions About Spermatogonia Posed and Answered Since 2000. Journal of Andrology. 33, 1085-1095;
4. Bloom W. and Fawcett D.W. Textbook of Histology (10th Edition). Philadelphia, 1975;
5. B. E. Smith, R. E. Braun. (2012). Germ Cell Migration Across Sertoli Cell Tight Junctions. Science. 338, 798-802;
6. Eugene F. Oakberg. (1956). Duration of spermatogenesis in the mouse and timing of stages of the cycle of the seminiferous epithelium. Am. J. Anat.. 99, 507-516;
7. Элементы: «Гемато-тестикулярный барьер не рвется, а обновляется»;
8. de Rooij D.G. and Russell L.D. (2000). All you wanted to know about spermatogonia but were afraid to ask. J. Androl. 21, 776–799;
9. Рецептор для сперматозоида.