Μαθήματα Ανδρολογίας, 3ος κύκλος (2016-2017) Εκπαιδευτικό κέντρο ΕΑΑ Α.Π.Θ. Σπερματογένεση Χρήστος Π. Τσαμέτης Μονάδα Ενδοκρινολογίας Αναπαραγωγής Α' Μαιευτική και Γυναικολογική Κλινική ΑΠΘ ΓΝΘ Παπαγεωργίου
Δομή της παρουσίασης Στοιχεία ιστολογίας, εμβρυολογίας και ανάπτυξης των όρχεων Σπερματογένεση Ρύθμιση της σπερματογένεσης
Ιστολογική οργάνωση των όρχεων Διάμεσο διαμέρισμα (12-15%) Κύτταρα Leydig Μακροφάγα Ινοβλάστες και χαλαρό συνδετικό ιστό Αγγεία και νευρικές ίνες Σωληναριακό διαμέρισμα (60-80%) Περισωληναριακά κύτταρα Βασική μεμβράνη Κύτταρα Sertoli Γεννητικά κύτταρα
Κύτταρα Sertoli 25 εκατομμύρια/ gr ορχικού ιστού Κάθε κύτταρο Sertoli είναι λειτουργικά και δομικά συνδεδεμένο με συγκεκριμένο αριθμό γεννητικών κυττάρων (~10 στον άνθρωπο) Φάσεις πολλαπλασιασμού: Εμβρυική Νεογνική εφηβεία(15 ετών, έναρξη μείωσης). Weinbauer et al., 2010
Λειτουργίες κυττάρων Sertoli Τροφική υποστήριξη και συντονισμός (τοπογραφικός και λειτουργικός) της σπερματογένεσης Έκκριση πρωτεινών, στεροειδών, κυτοκινών, οπιοειδών, προσταγλανδινών, αυξητικών παραγόντων Aνασταλτίνη-Β, ΑΜΗ, ABP, τρανσφερρίνη, connexin-43, N- cadherin, nectin, laminin-γ3 Οιστραδιόλη (αρωματάση) Έκκριση υγρού στον αυλό των σωληναρίων Φαγοκυττάρωση Δημιουργία αιματο-ορχικού φραγμού Weinbauer et al., 2010
Αιματο-ορχικός φραγμός Tight junction Desmosome Gap junction Basal ectoplasmic specialization
Εμβρυολογία των όρχεων Επιβλάστη (BMP-4) Γεννητική ταινία (τέλος 4ης εβδομάδας) Βλαστικό επιθήλιο γεννητ. δοκίδες Αρχέγονα γεννητικά κύτταρα Μετανάστευση (5η εβδομάδα) Αρχέγονη γονάδα SRY SF-1, WT-1, SOX9, SOX8, DAX1 Όρχις (6η-8η εβδομάδα) Aνάπτυξη μεσεγχυματικής στιβάδας κάτω από το επιθήλιο ινώδης χιτώνας Αρχέγονα γεννητικά κύτταρα (γονοκύτταρα) σπερματογόνια Κύτταρα γεννητικών δοκίδων κύτταρα Sertoli AMH (6η-7η εβδομάδα) Μεσεγχυματικά κύτταρα κύτταρα Leydig Τεστοστερόνη (8η εβδομάδα)
Ιστολογική οργάνωση των εμβρυικών όρχεων Σπερματικές χορδές (χωρίς αυλό) Γονοκύτταρα Ανώριμα κύτταρα Sertoli Περισωληναριακά κύτταρα Διάμεσος ιστός Εμβρυϊκά Leydig Τεστοστερόνη Fukuda et al. 1975
Tα κύτταρα Sertoli κατά τη νεογνική και παιδική ηλικία ΑΡΙΘΜΟΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝ SERTOLI 15 ετών BTB Mini puberty Εφηβεία
Tα γεννητικά κύτταρα κατά τη νεογνική και παιδική ηλικία Μετανάστευση γονοκυττάρων, διαφοροποίησή τους και πολλαπλασιασμός χωρίς να εισέρχονται στη μείωση
Μεταβολές του μεγέθους των όρχεων
Συσχέτιση ορμονικών μεταβολών και διαφοροποίησης των γεννητικών κυττάρων
Έκφραση ανδρογονικών υποδοχέων στα κύτταρα Sertoli FIG. 1. Percentage of Sertoli cells with positive immunostaining for the AR in human testes. Dotted line, birth. Note that in the fetal and neonatal periods, there is superposition of points. Suarez-Quian et al. 1999
Ορισμός Η σπερματογένεση είναι μία πολύπλοκη διαδικασία κυτταρικών διαιρέσεων και διαφοροποιήσεων που οδηγεί στο σχηματισμό των ώριμων γεννητικών κυττάρων του άνδρα (σπερματοζωάρια) από πρόδρομες μορφές (σπερματογόνια).
Τοπογραφία της σπερματογένεσης
Κυτταρικές μορφές της σπερματογένεσης Σπερματογόνια Τύπου Α (Αd, Ap) Tύπου Β Πρωτογενή σπερματοκύτταρα Στάδια προλεπτοταινίας, λεπτοταινίας, ζυγοταινίας, παχυταινίας (EP, MP, LP), διπλοταινίας Δευτερογενή σπερματοκύτταρα Σπερματίδες Sa1, Sa2, Sb1, Sb2, Sc, Sd1, Sd2 Σπερματοζωάρια Walker WH. 2010
Φάσεις της σπερματογένεσης Σπερματογονιογένεση Μιτωτική διαίρεση και διαφοροποίηση των διπλοειδικών σπερματογονίων Μείωση Μειωτική διαίρεση των τετραπλοειδικών γεννητικών κυττάρων (πρωτογενή σπερματοκύτταρα) σε απλοειδικά (σπερματίδες) Σπερμιογένεση Μεταμόρφωση των σπερματίδων σε σπερματοζωάρια Απελευθέρωση των σπερματοζωαρίων (spermiation) στον σωληναριακό αυλό Weinbauer et al. 2010
Σπερματογονιογένεση Ad σπερματογόνια Δεξαμενή βλαστικών κυττάρων Μιτωτικώς ανενεργά υπό κανονικές συνθήκες Δεν είναι η πηγή των Αp Αp σπερματογόνια Διαιρούνται μιτωτικά είτε προς δύο Αp (ανανέωση του πληθυσμού) είτε προς δύο σπερματογόνια τύπου Β Σπερματογόνια τύπου Β Μετατρέπονται απευθείας σε σπερματοκύτταρα PL Κυτταρικές συνδέσεις μεταξύ μητρικών και θυγατρικών κυττάρων Καθοριστικός παράγων ποσοτικής παραγωγής σπερματοζωαρίων Weinbauer et al. 2010
Μείωση 1 η μειωτική διαίρεση Πρωτογενές (2nX2) 2 δευτερογενή σπερματοκύτταρα (nx2) 2 η μειωτική διαίρεση Δευτερογενές σπερματοκύτταρο (nx2) στρογγυλή σπερματίδα (n) Συνολική διάρκεια έως 24 ημέρες Η πρόφαση 1 διαρκεί 1-3 εβδομάδες και η υπόλοιπη διαίρεση 1-2 ημέρες Weinbauer et al. 2010
Σπερμιογένεση 4 Φάσεις Golgi καλύπτρας ακροσώματος ωρίμανσης Weinbauer et al. 2010
Φάση Golgi Στρογγύλη σπερματίδα Sa1, Sa2 Εμφάνιση ακροσωμιακού κυστιδίου Μετακίνηση ουραίως του κεντριολίου Κεφαλοουραία συμμετρία Weinbauer et al. 2010
Φάση της καλύπτρας (cap) Επιμήκυνση των σπερματίδων Sb1, Sb2 Ανάπτυξη του ακροσωμίου κεφαλικά (2/3) Ανάπτυξη του μαστιγίου (αξονήματος) Weinbauer et al. 2010
Φάση του ακροσώματος Sc Συνέχιση της επιμήκυνσης Συμπύκνωση χρωματίνης, διακοπή μεταγραφής γονιδίων Μιτοχόνδρια στον αυχένα Μετατόπιση περίσσειας κυτταροπλάσματος ουραίως Ωρίμανση του μαστιγίου Weinbauer et al. 2010
Φάση ωρίμανσης Επιμήκεις σπερματίδες Sd1, Sd2 Αποβολή της περίσσειας του κυτταροπλάσματος υπολειµµατικό σωµάτιο (RB) Φαγοκυττάρωση του RB από τα κύτταρα Sertoli Ρύθμιση εκκριτικής δραστηριότητας Sertoli Έναρξη νέου κύκλου σπερματογένεσης Weinbauer et al. 2010
Κυτταρικές συνδέσεις στη σπερματογένεση Yan-Cheng & Mruk, 2009
Απελευθέρωση των ώριμων σπερματίδων Διάσπαση των ειδικών ενδοπλασματικών συνδέσεων (ES) Eνεργοποιητές πλασμινογόνου, μεταλλοπρωτεινάσες (ΜΜP-2) Ορμονοεξαρτώμενη (ανδρογόνα, FSH) Eυαισθησία σε Θ, τοξίνες, οξειδωτικό stress Ταυτόχρονη αναδιαμόρφωση του αιματο-ορχικού φραγμού Yan-Cheng & Mruk, 2009, Weinbauer et al. 2010
Στάδια της σπερματογένεσης Χαρακτηριστικές αθροίσεις γεννητικών κυττάρων σε εγκάρσια διατομή σωληναρίου. 6 στάδια στον άνθρωπο 1 στάδιο = 1 κλώνος γεννητικών κυττάρων Nagano et al. 2001, Weinbauer et al. 2010
Kύκλος της σπερματογένεσης Η διαδοχική χρονικά εμφάνιση όλων των σταδίων της σπερματογένεσης. Η διάρκεια εξαρτάται από το είδος (Άνθρωπος: 16 ημέρες). Γενετικά καθορισμένη Αμετάβλητη κατά τη διάρκεια της ζωής (εκτός της έναρξης στην εφηβεία) Μη ορμονοεξαρτώμενη Weinbauer et al. 2010, Aslam et al. 1999
Διάρκεια της σπερματογένεσης Amann et al. 2008
Κύμα της σπερματογένεσης Τρωκτικά Η διαδοχική εμφάνιση όλων των σταδίων σπερματογένεσης κατά μήκος του σωληναρίου. 1 στάδιο ανά εγκάρσια διατομή Άνθρωπος/πρωτεύοντα 2-4 στάδια ανά διατομή ελικοειδής διάταξη, όχι πλήρες κύμα Johnson et al. 1996, Zannini et al. 1999
Απόδοση της σπερματογένεσης 1 Ap 16 Sd Aριθμός Sd = f(αριθμού σπερματογονίων Β) 1 γενιά σπερματογονίων Β Απώλειες (50-75%) Απόπτωση «ποιοτικός έλεγχος» Παραγωγή σπερματοζωαρίων 3,5-9 Χ 10 6 / gr ορχικού ιστού >25000/ min 70-300 X 10 6 ημερησίως Amann. 2008, Weinbauer et al. 2010
Ρύθμιση της σπερματογένεσης Ορμονικοί παράγοντες (FSH, LH/T) Τοπικοί (αυτοκρινικοί-παρακρινικοί) παράγοντες Θερμορρύθμιση Γενετική επιγενετική ρύθμιση
Ο άξονας «υποθάλαμος-υπόφυσηόρχεις»
Οι δράσεις της FSH Πολλαπλασιασμός των κυττάρων Sertoli. Αντιαποπτωτικός παράγων των γεννητικών κυττάρων Σπερματογόνια Αp Σπερματογόνια B Σπερματοκύτταρα μέχρι το στάδιο της παχυταινίας Πιθανά στρογγύλων σπερματίδων Υποστήριξη της απελευθέρωσης των ώριμων σπερματίδων Πιθανή ρύθμιση της έκφρασης των ανδρογονικών υποδοχέων και της ΑΒP
Μηχανισμός δράσης της FSH
Buzzard et al. 2003, Walker. 2003, Zhang et al. 2006, Walker 2010, Wang et al. 2006, Xia & Cheng. 2005 Οι δράσεις της Τ στα κύτταρα Sertoli Καταστολή του πολλαπλασιασμού των Sertoli in-vitro συνεργικά με ρετινοικό και θυροειδικές ορμόνες. Καταστολή της έκφρασης της ΑΜΗ. Επαγωγή της έκκρισης πρωτεϊνών (ΑΒP, τρανσφερρίνη, πρωτεΐνες στερρών συνδέσεων). Διαμόρφωση αιματο-ορχικού φραγμού. Ρυθμίζει την έκφραση μορίων προσκόλλησης/σύνδεσης μεταξύ των κυττάρων Sertoli και των γεννητικών κυττάρων (επίμυες)
Οι δράσεις της Τ ανάλογα με τη φάση της σπερματογένεσης Απαραίτητη η αυξημένη ενδο-ορχική συγκέντρωση Τ Η σπερματογονιογένεση φαίνεται να είναι ανδρογονο-ανεξάρτητη. Αντιαποπτωτικός παράγων κυρίως των σπερματοκυττάρων και σπερματίδων. Απαραίτητη για την είσοδο στη μείωση και την ολοκλήρωσή της. Συμβάλλει στην ωρίμανση των σπερματίδων (δεδομένα μόνο σε τρωκτικά). Απαραίτητη για την απελευθέρωση των ώριμων σπερματίδων. Haywood et al. 2003, Matthiesson et al. 2006, Ruwanpura et al. 2010
Μηχανισμοί δράσης της τεστοστερόνης
Δράση της DHT και των οιστρογόνων Η DHT δεν φαίνεται να είναι σημαντική για τη σπερματογένεση υπό φυσιολογικές συνθήκες. Η χορήγηση αναστολέων αρωματάσης σε πρωτεύοντα (bonnet monkey) οδήγησε σε διαταραχή της σπερμιογένεσης και της συμπύκνωσης της χρωματίνης. Αντιφατικά ευρήματα σε μεμονωμένες περιπτώσεις με ανεπάρκεια αρωματάσης ή μεταλλάξεις στον υποδοχέα των οιστρογόνων. Kinniburgh et al. 2001, Overstreet et al. 1999, Amory et al. 2007, Matthiesson et al. 2005, Shetty et al. 1997, Maffei et al. 2004
Συνεργική δράση FSH-T Μείωση Μεμονωμένη καταστολή ή υποκατάσταση της FSH και LH/T οδηγεί σε μερική διατήρηση ή αποκατάσταση αντιστοίχως της μείωσης συγκριτικά με τη συνδυασμένη έκθεση. Σπερμιογένεση (?) Λίγες μελέτες δείχνουν ότι η Τ συνεργικά με την FSH επάγουν την προσκόλληση των στρογγύλων σπερματίδων στα Sertoli. Απελευθέρωση σπερματοζωαρίων Μεμονωμένη καταστολή FSH ή LH/Τ 15% Συνδυασμένη καταστολή 90% McLachlan et al. 2002, Skuka et al. 2006, Saito et al. 2000
Αλληλεπίδραση FSH-T
Τοπικοί ρυθμιστικοί παράγοντες Αλληλεπίδραση όλων των κυτταρικών πληθυσμών. Στεροειδή ( Τ, Ε2) INSL-3/LGR8 Aυξητικοί παράγοντες TGF-α, -β, ανασταλτίνη, ακτιβίνη, ΝGF, EGF, IGF-1, FGF Ανοσολογικοί παράγοντες Stem Cell Factor/c-kit, macrophage migration inhibiting factor (MIF), leukemia inhibiting factor (LIF), TNF, ιντερλευκίνες Οπιοειδή, οξυτοκίνη, ADH, GHRH, CRH, ACTH, GnRH, ρενίνη, αγγειοτενσίνη Weinbauer et al. 2010
Θερμορύθμιση και σπερματογένεση Η ενδο-ορχική θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από εκείνη του σώματος κατά 3-4 0 C Σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε αναστρέψιμη διαταραχή της σπερματογένεσης Διέγερση των MAPK-13 και -14 Αναστολή του αντιαποπτωτικού Βcl-2 Θερμορρυθμιστικοί μηχανισμοί Αποβολή θερμότητας μέσω του οσχέου Σπερματικό φλεβικό πλέγμα Σύσπαση κρεμαστήρα μυ στην έκθεση στο κρύο Weinbauer et al., 2010, Jung & Schuppe, 2007, Jia et al., 2007
Επιγενετικές τροποποιήσεις στη σπερματογένεση Επιγενετική: η μελέτη των κληρονομήσιμων χαρακτηριστικών που δεν οφείλονται σε αλλαγή της αλληλουχίας βάσεων του DNA Κύριοι ρυθμιστές Micro-RNA s Μεθυλίωση DNA Yao C et al. 2015
micro-rna s (mi-rna) Yao C et al. 2015
Μεθυλίωση DNA