Главная
Шаг вперед в понимании физиологии гипоталамо-гипофизарно-гонадной системы помогли сделать исследования с использованием гормонов, полученных из головного мозга домашнего скота в 1950-х гг., а позже — использование радиоиммунологического анализа для точного измерения уровней гормонов. Гипоталамо-гипофизарно-гонадная система играет основную роль в репродуктивной функции, в частности в перечисленных ниже процессах.
1. Формирование фенотипического пола в эмбриогенезе.
2. Половое развитие.
3. Эндокринная функция яичка — секреция тестостерона.
4. Экзокринная функция яичка — сперматогенез. Ввиду той роли, которую играет гипоталамо-гипофизарно-гонадная система в нормальной репродуктивной функции и при ее нарушениях, понимание физиологии этой системы лежит в основе диагностики и лечения мужского бесплодия.
Общие сведения
Классы гормонов. Межклеточные взаимодействия в органах, обеспечивающих репродуктивную функцию, происходят с участием двух классов гормонов — пептидных и стероидных. Пептидные гормоны — это небольшие секретируемые белки, действующие на мембранные рецепторы. Действие этих гормонов реализуется с участием трех вторых (внутриклеточных) посредников (рис. 46.1). Благодаря им большинство пептидных гормонов стимулирует фосфорилирование различных белков, влияющих на функцию клетки. К пептидным гормонам относятся ЛГ и ФСГ.
В отличие от пептидных стероидные гормоны образуются из холестерина и не депонируются в секреторных гранулах, поэтому скорость выброса стероидных гормонов напрямую зависит от скорости их синтеза. В крови эти гормоны, как правило, связываются с белками-переносчиками. Будучи липофильными, стероидные гормоны легко проникают через клеточную мембрану. После связывания с внутриклеточным рецептором стероидные гормоны переносятся в ядро и связываются со специфическими участками ДНК, регулирующими транскрипцию генов-мишеней. К стероидным гормонам относятся тестостерон и эстрадиол.
Определение уровней гормонов. Уровни гормонов определяют либо по их биологической активности (биологические методы), либо по связыванию с высокоаффинными антителами (иммуноферментные методы и радиоиммунологический анализ). Хотя биологические методы позволяют оценить активность того или иного гормона in vivo и in vitro, они трудоемки, а результат зависит от стабильности гормона в сыворотке. Иммуноферментные методы и радиоиммунологический анализ чувствительнее и занимают гораздо меньше времени, чем биологические, но они не позволяют оценить биологическую активность гормона. Отношение биологической активности к иммунореактивности гормона зависит от его концентрации, связывания с белками и состава субъединиц. Чаще всего уровни гонадотропных и половых гормонов определяют с помощью твердофазного иммуноферментного анализа.
Обратная связь. Для нормальной репродуктивной функции обязательно взаимодействие множества гормонов, а значит, нужна точная регуляция передачи сигнала. В ее основе лежит обратная связь, благодаря которой гормон регулирует синтез и активность не только самого себя, но и других гормонов. Вдобавок взаимное влияние гормонов обеспечивает то, что каждый из них действует на несколько мишеней и вызывает множество эффектов. Например, в гипоталамо-гипофизарно-гонадной системе отрицательная обратная связь проявляется угнетением секреции ЛГ в гипофизе при повышении в крови уровня тестостерона или эстрадиола. Итак, обратная связь — весьма чувствительный механизм, сводящий к минимуму случайные колебания уровней гормонов и поддерживающий гомеостаз.
Компоненты гипоталамо-гипофизарно-гонадной системы
Гипоталамус весит 4 г, расположен над зрительным перекрестом и образует дно III желудочка (рис. 46.2). Гипоталамус интегрирует информацию не только от гипоталамо-гипофизарно-гонадной системы, но и из многих других отделов головного мозга (в том числе миндалевидного тела, таламуса, ствола и коры головного мозга) и сетчатки, а также обеспечивает импульсный выброс либеринов и статинов, в свою очередь, стимулирующих циклическую секрецию гипофизарных и половых гормонов. Гипоталамус связан с гипофизом воротной системой гипофиза и нейронами. Изолированная от системного кровотока, воротная система гипофиза обеспечивает прямое поступление гонадолиберина в аденогипофиз. Кроме того, с обратным током крови через эту систему гипофизарные гормоны попадают в гипоталамус.
Из всех либеринов и статинов в физиологии репродуктивной системы самую важную роль играет гонадолиберин. Этот декапептид секретируют нейроны преоптических ядер и ядра воронки. На сегодняшний день известен единственный эффект гонадолиберина — стимуляция секреции ЛГ и ФСГ в аденогипофизе. Хотя помимо гипофиза гонадолиберин присутствует в разных отделах головного мозга и других органах, действует ли он на них, не установлено. T1/2 гонадолиберина в воротной системе гипофиза составляет около 5—7 мин, причем гормон почти полностью исчезает из крови при первом прохождении через гипофиз за счет связывания с рецепторами или ферментативного расщепления.
Секреция гонадолиберина в гипоталамусе чувствительна к разным факторам. Среди них сигналы от высших отделов ЦНС в ответ на стресс, физическую нагрузку или изменение диеты, а также на уровни гонадотропных и половых гормонов в крови. Любопытно, что нервные окончания, из которых гонадолиберин высвобождается в гипоталамусе, находятся за пределами гематоэнцефалического барьера. Именно поэтому на гипоталамо-гипофизарно-гонадную систему влияют циркулирующие гормоны. Вещества, которые влияют на секрецию гонадолиберина, перечислены в табл. 46.1. Самые значимые из них — половые гормоны.
Выброс гонадолиберина происходит импульсно. Это обеспечивает циклическую секрецию гонадотропных гормонов — ЛГ и, в меньшей степени, ФСГ. Частота импульсов колеблется от 1 в час до 1—2 в сутки. Импульсная активность гонадолиберинсекретирующих нейронов, способных к неограниченному делению в культуре, навела на мысль о том, что в гипоталамусе существует автономный генератор импульсного выброса гонадолиберина и этот генератор регулируется преимущественно уровнем половых гормонов по принципу отрицательной обратной связи. Роль импульсных выбросов гонадолиберина в нормальной репродуктивной функции подтверждает опыт применения аналогов гонадолиберина (лейпрорелина или гозерелина), которые угнетают секрецию тестостерона, действуя на гипофиз не импульсно, а постоянно. В результате из-за изменения свойств кальциевых каналов рецепторы гипофиза становятся менее чувствительными к гонадолиберину.
Аденогипофиз. Мишень гонадолиберина — аденогипофиз, расположенный в турецком седле. Скорость кровотока в аденогипофизе выше, чем в любом другом органе (0,8 мл/мин), причем больше 80% крови поступает туда из гипоталамуса по воротной системе гипофиза. Гонадолиберин стимулирует секрецию ФСГ и ЛГ с участием кальция. Названия этих пептидных гормонов объясняются тем, что впервые их выделили у женщин, хотя, как уже известно, у мужчин их роль не менее важна. Зависимость секреции гонадотропных гормонов от выбросов гонадолиберина определяется возрастом и гормональным статусом.
Гонадотропные гормоны ЛГ и ФСГ — основные регуляторы функции яичка. Оба гормона — гликопротеиды, которые состоят из 2 полипептидных цепей, образующих 2 субъединицы (а и В) и кодируемых разными генами. Альфа-субъединицы ФСГ и ЛГ одинаковы и не отличаются от а-субъединиц других гормонов аденогипофиза. Биологические свойства и иммунореактивность гормона определяется специфической В-субъединицей, хотя активность гормона в целом зависит от наличия обеих субъединиц. Углеводная часть субъединиц представлена олигосахаридами, связанными с остатками сиаловых кислот. Полагают, что различия между свойствами ФСГ и ЛГ (в том числе Т,д) объясняются разным содержанием углеводов. В ФСГ их больше, чем в ЛГ, поэтому ФСГ дольше выводится из плазмы (табл. 46.2).
Частота импульсных выбросов ЛГ колеблется от 8 до 16 в сутки, а различие между минимальным и максимальным уровнями гормона бывает трехкратным. Эти колебания обычно отражают импульсные выбросы гонадолиберина. Секрецию ЛГ путем отрицательной обратной связи регулируют андрогены и эстрогены. Зависимость секреции ФСГ от выбросов гонадолиберина изучена меньше. В среднем импульсный выброс ФСГ происходит 1 раз в 1,5 ч, причем уровень гормона меняется в пределах 25 %. Поскольку уровень ФСГ колеблется значительно меньше, чем Л Г, и ФСГ имеет больший Т1/2, определить количественную зависимость между выбросами гонадолиберина и секрецией ФСГ гораздо труднее. He исключено, что на секрецию ФСГ существенно влияют открытые недавно белки, продукты половых желез, — ингибин и активин, которые сглаживают зависимость между секрецией ФСГ и выбросами гонадолиберина.
Насколько известно на сегодняшний день, ФСГ и ЛГ действуют только на половые железы. Эти гормоны активируют аденилатциклазу, ускоряя синтез цАМФ. В яичке ЛГ стимулирует стероидогенез в клетках Лейдига, вызывая в митохондриях превращение холестерина сначала в прегненолон, а затем в тестостерон. ФСГ связывается с клетками Сертоли и мембраной сперматогониев, поэтому он в основном стимулирует развитие сперматогенно-го эпителия, а в период полового развития — начало сперматогенеза. Основная роль ФСГ у взрослых мужчин — поддержание нормального сперматогенеза.
На гипоталамо-гипофизарно-гонадную систему и фертильность может действовать и третий гипофизарный гормон — пролактин. Это крупномолекулярный (молекулярный вес 23 000) глобулярный белок, состоящий из 199 аминокислот. Как известно, он стимулирует лактацию. Роль пролактина у мужчин изучена меньше — видимо, в основном он влияет на фертильность. У самцов грызунов пролактиновые рецепторы обнаружены на клетках Лейдига, в предстательной железе и семенных пузырьках. Пролактин увеличивает содержание рецепторов ЛГ на клетках Лейдига и, вероятно, способствует поддержанию нормального уровня тестостерона в клетках. Возможно, что пролактин также усиливает влияние андрогенов на развитие и функцию внутренних половых органов и требуется для поддержания полового влечения. Гипопролактинемия — далеко не всегда признак патологии. Однако установлено, что при гиперпролактинемии из-за угнетения импульсных выбросов гонадолиберина нарушается циклическая секреция гонадотропных гормонов.
Яичко. У мужчин фертильность и формирование вторичных половых признаков зависят от слаженной экзокрин-ной и эндокринной функций яичка. И ту, и другую регулирует гипоталамо-гипофизарно-гонадная система. Интерстициальная ткань яичка, в основном представленная клетками Лейдига, отвечает за эндокринную функцию и стероидогенез, а сперматогенный эпителий — источник сперматозоидов — за экзокринную. Эндокринная функция. В норме у взрослых мужчин вырабатывается примерно 5 г тестостерона в сутки, причем секреция происходит импульсно. У здоровых мужчин около 2% тестостерона находится в свободной, биологически активной форме. Остальной тестостерон в крови связан либо с альбумином, либо с глобулином, связывающим половые гормоны. Последний также связывает эстрадиол, но с меньшей аффинностью, чем тестостерон. При ряде заболеваний в крови меняется уровень глобулина, связывающего половые гормоны, и, следовательно, доля свободного, биологически активного тестостерона. Например, уровень этого белка уменьшается, а доля свободного тестостерона повышается при повышении уровней эстрогенов и тиреоидных гормонов. При повышении уровней андрогенов и СТГ, а также при ожирении наблюдается обратное, и в итоге доля свободного тестостерона уменьшается. Тестостерон — мощный регулятор собственной секреции по механизму отрицательной обратной связи.
В тканях-мишенях тестостерон превращается в два основных активных метаболита: под действием 5а-редуктазы — в основной андроген дигидротестостерон, а под действием ароматазы в эстрадиол. Дигидротестостерон как андроген гораздо мощнее тестостерона. В большинстве периферических тканей эффект андрогенов — это, по сути дела, эффект дигидротестостерона. В яичке и, возможно, в скелетных мышцах, эффекты андрогенов опосредуются тестостероном.
Экзокринная функция. Основная мишень ФСГ — клетки Сертоли в извитых семенных канальцах яичка. Связывание ФСГ запускает в клетках Сертоли синтез веществ, необходимых для развития сперматозоидов. Среди этих веществ — андрогенсвязывающий белок (его синтез ускоряется под действием тестостерона), трансферрин, лактат, церулоплазмин, кластерин, тканевой активатор плазминогена, простагландины и несколько факторов роста. Так ФСГ стимулирует развитие сперматогенного эпителия в пубертатном периоде. Нужен ли ФСГ для сперматогенеза у взрослых, не совсем понятно, так как сперматогенез у них может происходить и в отсутствие ФСГ. Возможно, ФСГ поддерживает сперматогенез на нормальном уровне.
Ингибин и активин. Еще в начале 1930-х гг. предполагалось, что в яичке вырабатывается вещество, тормозящее секрецию ФСГ в аденогипофизе. Позже это вещество выделили в очищенном виде и назвали ингибином. Он представляет собой белок с молекулярным весом 32 000 и вырабатывается клетками Сертоли под действием ФСГ. Ингибин подавляет секрецию ФСГ на уровне гипофиза или гипоталамуса по механизму отрицательной обратной связи. Недавно был также выделен в очищенном виде другой белок — активин, по структуре схожий с трансформирующим фактором роста р. Активин стимулирует секрецию ФСГ, хотя состоит из комбинации тех же двух р-субъединиц, что и ингибин, и тоже вырабатывается в яичке. Рецепторы активина обнаружены не только в яичке — вполне возможно, что этот гормон действует подобно факторам роста или играет регуляторную роль на уровне всего организма.
Сперматогенез
Сперматогенез — сложный процесс, в ходе которого сначала полипотентные первичные половые клетки, а позже сперматогонии делятся митотически, восполняя собственную численность, или вступают в мейоз, давая начало сперматозоидам. Эти процессы происходят в извитом семенном канальце — высокоспециализированной структурно-функциональной единице яичка. Яичко на 90% состоит из извитых семенных канальцев и половых клеток на разных стадиях развития.
Клетки Сертоли
Извитые семенные канальцы выстланы клетками Сертоли, которые покоятся на базальной мембране и выдаются в просвет канальцев множественными цитоплазматическими отростками. Клетки Сертоли соединены плотными контактами — самыми прочными из всех межклеточных контактов. Эти контакты отграничивают околопросветную и базальную зоны семенного канальца. Плотные контакты вместе с расположенными вокруг семенного канальца миоидными клетками создают гематотестикулярный барьер. Благодаря ему создается уникальная микросреда, в которой половые клетки на разных стадиях развития защищены от иммунной системы. Насколько важна защитная функция гематотестикулярного барьера, вполне понятно — ведь сперматогенез начинается в период полового развития, когда сперматозоиды распознаются иммунной системой как чужеродные клетки.
Клетки Сертоли играют вспомогательную роль в сперматогенезе, обеспечивая развитие половых клеток. Кроме того, высокоспециализированные клетки Сертоли участвуют в фагоцитозе половых клеток. Существует гипотеза, хотя пока не подтвержденная, о том, что клетки Сертоли способствуют сперматогенезу, регулируя уровень гормонов в извитых семенных канальцах и взаимодействуя с половыми клетками по нескольким механизмам. Известно, что на клетках Сертоли есть высокоаффинные рецепторы ФСГ и связывание ФСГ с рецепторами стимулирует выработку андрогенсвязывающего белка, который затем высвобождается в просвет семенных канальцев. Связывая тестостерон, этот белок поддерживает в семенном канальце очень высокий уровень этого гормона (в 20—50 раз выше, чем в сыворотке). Кроме того, клетки Сертоли вырабатывают ингибин, который, возможно, является главным регулятором секреции ФСГ в аденогипофизе. He исключено, что во взаимодействии клеток Сертоли и половых клеток участвуют комплексы рецептора, кодируемого геном KIT, с его лигандом.
Половые клетки
В извитом семенном канальце половые клетки на разных стадиях развития строго упорядочены в направлении от базальной мембраны к просвету. Непосредственно к базальной мембране прилежат сперматогонии, а по мере приближения к просвету канальца расположены сперматоциты I порядка, сперматоциты II порядка и сперматиды. В процессе сперматогенеза у человека половые клетки проходят 13 стадий развития. Плотные контакты удерживают сперматогонии и сперматоциты I порядка в базальной зоне сперматогенного эпителия, а более зрелые клетки — в околопросветной. Каждой стадии соответствует свой морфологический тип клеток. В порядке от ранних до поздних стадий выделяют темные сперматогонии типа А, светлые сперматогонии типа А, сперматогонии типа В, сперматоциты I порядка в фазах прелептотены, лептотены, зиготены и пахитены; сперматоциты II порядка, сперматиды в периодах Sa, Sb, Sc, Sd, и Sd2.
Цикл сперматогенного эпителия
Цикл сперматогенеза включает деление и дифференцировку первичных половых клеток в сперматогонии, а затем их превращение в сперматиды в ходе мейоза. Поскольку деление сперматогониев типа А занимает меньше времени, чем весь цикл сперматогенеза, в сперматогенном эпителии одновременно происходит несколько циклов сперматогенеза, каждый из которых длится у человека 74 сут. В ходе этого цикла половые клетки на одной и той же стадии развития образуют скопления, будучи связанными цитоплазматическими мостиками, и вступают в очередную стадию сперматогенеза одновременно. Скопления клеток на разных стадиях развития можно увидеть под микроскопом на разрезе яичка. Любопытно, что скопления клеток на определенной стадии развития всегда встречаются только вместе со скоплениями клеток на других стадиях развития. Поэтому в цикле сперматогенного эпителия у человека выделено 6 стадий. Однако дело обстоит еще сложнее, так как клетки на разных стадиях развития расположены в извитых семенных канальцах в виде спирали, идущей к просвету канальцев. Вероятно, благодаря такой пространственной организации сперматогенез происходит постоянно, а не импульсно.
Мейоз и митоз
Основные процессы
Соматические клетки размножаются с помощью митоза с образованием генетически идентичных дочерних клеток. Половые же клетки размножаются с помощью мейоза, в процессе которого генетический материал делится пополам. Мейоз и половое размножение обеспечивают генетическое разнообразие, обогащая почву для естественного отбора. Клеточный цикл делят на несколько периодов, каждому из которых присуща особая биологическая активность (рис. 46.3). Различают два периода роста: период G, (пресинтетический) и период S (синтетический, во время этого периода удваивается количество ДНК). Примерно 5—10% клеточного цикла занимает митоз — деление ДНК пополам и собственно деление клетки. Митоз — тонко регулируемый многоэтапный процесс, включающий удвоение генетического материала (хромосом), разрушение ядерной оболочки и распределение хромосом и цитоплазмы поровну между двумя дочерними клетками (табл. 46.3).
Если после удвоения количества ДНК в ходе митоза клетка делится один раз, то в ходе мейоза — дважды с образованием 4 дочерних клеток. В результате после мейоза дочерние клетки содержат половину хромосомного набора родительской клетки. Так диплоидная родительская клетка (2 п) дает начало гаплоидной — гамете (п). В мейозе выделяют профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Однако поскольку клетка делится дважды, эти фазы тоже повторяются дважды в ходе 1-го и 2-го деления мейоза. В ядрах, образованных после 1-го делений мейоза, число хромосом вдвое меньше, чем в родительской клетке, поэтому 1-е деление мейоза называют редукционным. Второе деление мейоза называют эквационным. На рис. 46.4 представлено, как содержание ДНК меняется в клетках в ходе митоза и мейоза.
Образование сперматозоидов
Зрелые сперматозоиды — сложно организованные высокоспециализированные клетки, которые вырабатываются в гигантских количествах (в 1 г ткани яичка — до 300 сперматозоидов в секунду). Поэтому и сперматогенез — тоже сложный и поразительный процесс, объединяющий митоз, мейоз и выраженную клеточную перестройку. Сперматогонии типа В претерпевают митотическое деление и превращаются в диплоидные клетки (2п) — сперматоциты I порядка, которые вступают в мейоз. В интерфазе в этих клетках удваивается количество ДНК, после чего они перемещаются в часть цитоплазмы клеток Сертоли, обращенную к просвету извитого семенного канальца. После 1-го деления мейоза каждая дочерняя клетка содержит по одной из гомологичных хромосом и называется сперматоцитом II порядка (п). Эти клетки быстро подвергаются 2-му делению мейоза, и сперматоциты II порядка превращаются в округлые гаплоидные сперматиды. Итак, теоретически из каждого сперматоцита I порядка образуется 4 сперматиды, но в действительности их несколько меньше, так как в процессе мейоза выживают не все половые клетки.
Превращение сперматид в зрелые сперматозоиды — самый сложный процесс клеточной дифференцировки у млекопитающих. Он может занимать несколько недель. При этом синтезируются сотни новых белков и при участии клеток Сертоли формируются особые органеллы. В частности, происходят следующие события.
1. Из аппарата Гольджи образуется акросома.
2. Из центриоли формируется жгутик.
3. Митохондрии перестраиваются вокруг средней части сперматозоида.
4. Ядро сжимается до 10% исходного размера.
5. Лишняя часть цитоплазмы удаляется.
В округлой сперматиде ядро сначала имеет сферическую форму и располагается в центре клетки, а затем по мере конденсации хроматина становится асимметричным. Как полагают, в перестройке клетки участвует множество клеточных структур, в том числе хромосомы, ядерные белки, околоядерный слой цитоскелета, микротрубочки ядра, расположенный между акросомой и ядром актин, а также соединения между клетками Сертоли.
По мере созревания сперматиды перемещаются к просвету извитого семенного канальца. Как только сперматида удлинилась, вокруг нее инвагинируется цитоплазма клетки Сертоли, которая фагоцитирует избыток цитоплазмы в созревающем сперматозоиде и выталкивает его в просвет канальца. Примечательно, что зрелый сперматозоид почти не имеет цитоплазмы.
Созревание сперматозоида в придатке яичка
В яичке сперматозоиды если и обладают подвижностью, то очень небольшой и не способны к оплодотворению. Функционально полноценными они становятся только после прохождения придатка яичка. В придатке яичка различают головку, тело и хвост. Проходя через них, сперматозоид подвергается множеству изменений, в том числе меняются поверхностный заряд, состав мембранных белков, иммунореактивность, содержание фосфолипидов и жирных кислот и активность аденилатциклазы. Вероятно, некоторые из этих изменений повышают прочность клеточной мембраны и обеспечивают способность к оплодотворению. Как известно, секреция и накопление белков в придатке яичка весьма чувствительны к температуре и уровням половых гормонов, в том числе эстрогенов. У человека сперматозоид проходит через проток придатка яичка в течение 10—15 сут.
Оплодотворение
В норме оплодотворение происходит в ампуле маточной трубы. В середине менструального цикла шеечная слизь становится обильной и водянистой, тем самым облегчая проникновение сперматозоидов в матку и защищая их от кислой среды влагалища. Проходя через женские половые пути, сперматозоид вновь подвергается физиологическим изменениям — капацитации. При контакте с яйцеклеткой у сперматозоида возникает новый тип подвижности — размашистые, наподобие хлыста, движения жгутика. В то же время из акросомы высвобождаются литические ферменты, которые облегчают проникновение в яйцеклетку. Этот процесс называется акросомальной реакцией. Контакт между сперматозоидом и яйцеклеткой опосредован особыми рецепторами на поверхности обеих гамет. У мышей в прозрачной оболочке яйцеклетки обнаружено несколько гликопротеидов, в том числе ZP1, ZP2 и ZP3. Как полагают, у мышей они участвуют в связывании сперматозоида с яйцеклеткой. В результате всех межклеточных взаимодействий и последующих изменений сперматозоид включается в цитоплазму яйцеклетки.
После проникновения сперматозоида в яйцеклетку в ней происходят изменения, благодаря которым прозрачная оболочка становится непроницаемой для других сперматозоидов, что предотвращает оплодотворение несколькими сперматозоидами. Кроме того, в яйцеклетке возобновляется мейоз, и в метафазе 2-го деления мейоза формируется веретено деления. По современным данным, микротрубочки веретена деления в оплодотворенной яйцеклетке — производные сперматозоида, а не яйцеклетки. In vitro эту стадию наблюдают через 14—19 ч после проникновения сперматозоида в яйцеклетку.