Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Максим Кронгауз
«Самоучитель олбанского». Глава из книги


Ли Биллингс
«5 000 000 000 лет одиночества». Глава из книги


А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


А. Захаров
Нейрогастрономия


А. Водовозов
С запахом горького миндаля


В. Власюк
50 лет САО


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Гемато-тестикулярный барьер не рвется, а обновляется


Схема сперматогенеза

Рис. 1. Схема сперматогенеза. Объяснения в тексте. Рисунок автора по схемам из обзора Dirk G. de Rooij, Michael D. Griswold, 2012. Questions about spermatogonia posed and answered since 2000 (PDF, 250 Кб) и классической книги W. Bloom, D. W. Fawcett. 1975. Textbook of Histology, 10th Ed. Saunders, Philadelphia

На определенном этапе сперматогенеза созревающие половые клетки должны пройти сквозь один из самых прочных барьеров в организме — гемато-тестикулярный барьер. Горячие споры о том, как им это удается, кипели в научном мире в течение десятилетий. Двум исследователям из США удалось разгадать эту загадку.

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. В этом процессе почти все клетки при делении не до конца расходятся, образуя синцитий, благодаря чему все физиологические процессы в них синхронизируются и они могут одновременно совершать какие-то действия, например двигаться или делиться. Сперматогенез можно разбить примерно на такие «ступеньки» (см. рис. 1):

    1) Всё начинается с так называемых «недифференцированных сперматогониев». Они все обладают свойствами стволовых клеток. Делятся они довольно вяло и безалаберно (то есть не в строго определенные моменты времени, а когда попало). Иногда они делают «шаг назад», превращаясь в клетки предшествующих типов (например, два Apaired-сперматогония могут преспокойно поделиться и превратиться в пару Asingle) — это нужно, чтобы поддерживать популяцию стволовых клеток, а также регулировать итоговый выход сперматозоидов.

    2) На следующей ступени находятся чуть более дифференцированные A1-4-сперматогонии. В отличие от своих предшественников (и так же, как и все последующие типы клеток) они делятся уже не когда попало, а «по часам», в строго определенные моменты времени, которые называются стадиями цикла семенного эпителия. Кроме того, на этом этапе наблюдается массовая гибель некоторых клонов клеток, необходимая для уменьшения итогового выхода спермы. И вот A4 дают при делении...

    3) ...еще более дифференцированные промежуточные и В-сперматогонии, при делении которых получаются...

    4) ...сильнодифференцированные сперматоциты первого порядка, которые вступают в мейоз и дают вначале сперматоциты второго порядка, а затем...

    5) ...сперматиды, которые не делятся, а только созревают, дифференцируются, из круглых становятся вытянутыми и наконец превращаются в...

    6) ...сперматозоиды, которые уплывают прочь, оставляя после себя так называемое остаточное тельце, состоящее из ненужной больше цитоплазмы.

Все эти 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 As-сперматогонии. По мере дифференцировки, на каждом следующем этапе сперматогенеза, клетки (точнее, цепочки клеток, которые показаны на рис. 1) всё сильнее сдвигаются оттуда ко внутренней части кольца, по направлению к просвету канальца, пока, наконец, почти дозревшие сперматиды не уплывают куда-то вдаль по этому просвету, по дороге превращаясь в окончательно готовые сперматозоиды.

Участок поперечного разреза семенного канальца от базальной пластинки до просвета

Рис. 2. Участок поперечного разреза семенного канальца от базальной пластинки до просвета. Показано взаимное положение созревающих половых клеток и клеток Сертоли, а также расположение плотных контактов, образующих гемато-тестикулярный барьер. Обратите внимание, насколько велики клетки Сертоли по сравнению с созревающими половыми клетками: одна клетка Сертоли занимает всё расстояние от базальной мембраны до просвета канальца. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

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 к 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: 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) — определенные вещества, 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, 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 всё больше и больше антигенов, и встреча их с антителами (которые в огромных количествах плавают в лимфе и крови) неминуемо приведет к аутоиммунной реакции (см. аутоиммунные заболевания), что может плохо кончиться как для бедных половых клеток, так и для организма в целом.

Итак, получается, что барьер этот должен быть крепок и непреодолим. И в то же время очевидно, что каким-то образом созревающим клеткам удается сквозь него пробраться. 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 всё по своим местам.

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 межцеллюлярных 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 всё 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 этих волн, 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 E. F. Oakberg, 1956. Duration of spermatogenesis in the mouse and timing of stages of the cycle of the seminiferous epithelium).

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) становятся окружены 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.

Сперматоциты, проходящие через ГТБ

Рис. 3. Сперматоциты, проходящие через ГТБ. Желтым цветом показано окрашивание на белок клаудин 11 (CLDN11), один из главных компонентов плотных контактов — таким образом, положение этого белка показывает положение барьера. Красным цветом показано окрашивание на белок TEX14, один из компонентов межцеллюлярных мостиков — по его положению можно понять положение цепочек сперматоцитов. Синим цветом показаны ядра клеток, окрашенные с помощью краски DAPI. S — клетки Сертоли. Головкой стрелочки показано место соединения трех клеток Сертоли. Видно, что барьер окружает сперматоциты со всех сторон, образуя отдельный закрытый компартмент (показан звездочкой). Изображение из обсуждаемой статьи с сайта журнала Science

Подробнее разбираясь, каким же образом появляется новый слой барьера, ученые обнаружили, что большую роль 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 большом 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).

Схема движения сперматоцитов сквозь барьер

Рис. 4. Схема движения сперматоцитов сквозь барьер. Клетки Сертоли показаны розовым, цепочки сперматоцитов — голубым, барьер — золотистым. Базальная пластинка находится в верхней части рисунка, просвет канальца — в нижней. Для того чтобы разобраться, что тут происходит, нужно очень хорошее пространственное воображение.
А — сперматоциты отрываются от базальной пластинки и упираются в барьер, что вызывает экспрессию в клетках Сертоли белка клаудина 3 (CLDN3, показан красным) и появление этого белка в больших количествах на базальной поверхности клеток Сертоли. В барьере же клаудина 3 нет, зато есть клаудин 11.
B — при участии клаудина 3 образуется новый слой барьера, и сперматоциты оказываются окружены барьером со всех сторон.
C — сперматоциты двигаются дальше, старый слой барьера разрушается, а в новом клаудин 3 постепенно замещается клаудином 11.
Изображение из обсуждаемой статьи с сайта журнала Science

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. 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, эпическая картина возникает перед глазами?

Источник: Benjamin E. Smith, Robert E. Braun. Germ Cell Migration Across Sertoli Cell Tight Junctions // Science. Published Online September 20, 2012. DOI: 10.1126/science.1219969.

См. также:
1) Dirk G. De Rooij, Lonnie D. Russell. All you wanted to know about spermatogonia but were afraid to ask (PDF, 512 Кб) // Journal of andrology. 2000. V. 21. P. 776–799 — захватывающе написанный, хотя и немного устаревший обзор с замечательным названием.
2) Dirk G. de Rooij, Michael D. Griswold. Questions about spermatogonia posed and answered since 2000 // Journal of andrology. Published ahead of print August 9, 2012 — не столь восхитительное, зато современное продолжение предыдущего обзора.

Вера Башмакова


Комментарии (9)



Последние новости: ФизиологияМолекулярная биологияВера Башмакова

10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
12.04
Рибоза и другие сахара могут синтезироваться в частицах межзвездного льда под действием ультрафиолетового излучения
1.04
Ботаники вырастили опаловые цветы
19.02
Протеинкиназа М-дзета «закрыта»?
12.01
Локализацию метастазов определяют интегрины опухолевых экзосом
10.09
Родственные интернейроны у эмбрионов мышей расселяются по переднему мозгу независимо друг от друга
31.08
Серотонин матери определяет тип поведения молодой улитки
13.08
Белок глипикан-1 в экзосомах — перспективный маркер для ранней диагностики рака поджелудочной железы
30.07
Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов
16.07
Антитела к тау-белку смягчают последствия черепно-мозговых травм

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия