Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Судьбы сперматогониальных стволовых клеток: обновление или дифференциация

Сперматогонные стволовые клетки ( ССК ), также известные как A сперматогонии типа , являются сперматогониями , что не делает различия в сперматоцит , предшественник спермы клеток. Вместо этого они продолжают делиться на другие сперматогонии или остаются в спящем состоянии, чтобы поддерживать резерв сперматогоний. Сперматогонии типа B, с другой стороны, дифференцируются в сперматоциты, которые, в свою очередь, подвергаются мейозу с образованием зрелых сперматозоидов.

Сперматогониальные стволовые клетки в яичках [ править ]

Во время внутриутробного развития гоноциты развиваются из примордиальных половых клеток, а вслед за этим SSC развиваются из гоноцитов в семенниках. [1] SSC являются ранними предшественниками сперматозоидов и ответственны за продолжение сперматогенеза у взрослых млекопитающих. Стволовые клетки способны делиться на большее количество SSC, что жизненно важно для поддержания пула стволовых клеток. В качестве альтернативы они продолжают дифференцироваться в сперматоциты , сперматиды и, наконец, сперматозоиды.

Один SSC является предшественником нескольких сперматозоидов, и поэтому SSC гораздо менее многочисленны в семенниках, чем клетки, подвергающиеся сперматогенезу.

Номенклатура [ править ]

У людей [ править ]

Недифференцированные сперматогонии можно разделить на 2 группы; Темный (A d ) и Бледный (A p )

A D сперматогониев являются резерв стволовых клеток. Эти клетки способны делиться с образованием большего количества SSC, но обычно этого не делают. Р сперматогонии активно делятся для поддержания пула стволовых клеток. Сперматогонии B1-B4 включают дифференцирующиеся сперматогонии и больше не считаются стволовыми клетками.

Большинство исследований SSC проводилось на грызунах. Подтипы сперматогоний у мышей и людей различаются. [2]

У мышей [ править ]

Одинарные (A s ) сперматогонии способны создавать 2 отдельных дочерних SSC, когда они делятся, или дочерние клетки могут соединяться и образовывать парные (A pr ) сперматогонии.

Сперматогонии A s и A pr недифференцированы. Цепочки этих ячеек образуются и называются А выровненными (A al ). Аль сперматогониев дифференцироваться и , таким образом, больше не классифицируется как стволовые клетки. Они делятся 6 раз, в конечном итоге формируя сперматогонии типа B.

SSC Niche [ править ]

Наиболее важными соматическими клетками, которые поддерживают регуляцию SSC, являются клетки Сертоли. Различные другие соматические клетки в интерстициальной ткани поддерживают клетки Сертоли, такие как клетки Лейдига и перитубулярные миоидные клетки, поэтому косвенно влияют на SSC ​​и расположение их ниши. [3]

Стволовые клетки сперматогонии у млекопитающих находятся между базальной мембраной семенных канальцев и клетками Сертоли . Они остаются здесь до мейотической профазы мейоза . Здесь сперматоциты проходят через базальную мембрану через клеточный барьер Сертоли.

SSC остаются в своей нише, где их поощряют к самообновлению. Когда они проходят через базальную мембрану, они дифференцируются благодаря клеточным сигналам.

Паракринная регуляция самообновления SSC [ править ]

Самообновление сперматогониальных стволовых клеток (SSC) регулируется местными сигналами. [4] Около 50% популяции SSC подвергаются самообновлению для поддержания количества стволовых клеток, а остальные 50% становятся коммитированными клетками-предшественниками, которые будут дифференцироваться в сперматозоиды во время сперматогенеза. [5] Клетки, присутствующие в семенниках, экспрессируют молекулы, которые играют ключевую роль в регуляции самообновления SSC. Было показано, что у мышей клетки Сертоли секретируют нейротрофический фактор линии глиальных клеток (GDNF), который оказывает стимулирующее действие на самообновление стволовых клеток. Считается, что этот фактор экспрессируется в перитубулярных клетках семенников человека. [1]Фактор роста фибробластов (FGF2) - еще одна молекула, имеющая решающее значение для регуляции обновления стволовых клеток, и она экспрессируется в клетках Сертоли, клетках Лейдига и половых клетках. Передача сигналов FGF2 взаимодействует с GDNF для увеличения скорости пролиферации. [1] Передача сигналов хемокина (мотив CXC) лиганда 12 (CXCL12) через его рецептор CXC, рецептор хемокина типа 4 (CXCR4) также участвует в регуляции решений судьбы SSC. семенники взрослой мыши, и его рецептор экспрессируется в недифференцированных сперматогониальных клетках. [6]

И GDNF, и FGF2 необходимы для активации пути фосфоинозитид-3-киназа (PI3K) -Akt и пути митоген-активируемой протеинкиназы / ERK1-киназы1 (MEK), который усиливает пролиферацию и выживаемость SSC. [7] CXCL12, FGF2 и GDNF все обмениваются данными через сеть для выполнения функций SSC. [6]

Дифференциация [ править ]

Сперматогониальные стволовые клетки являются предшественниками сперматозоидов , которые продуцируются посредством ряда этапов дифференцировки. [1] Это альтернативный результат SSC самообновлению. SSC выживают в микросредах, называемых нишами, которые обеспечивают внешние стимулы, которые приводят к дифференцировке или самообновлению стволовых клеток. [8] Ниша SSC ​​находится в семенном эпителии семенников млекопитающих и в основном состоит из клеток Сертоли и перитубулярных миоидных клеток. [6]

Существует две первичных стадии дифференцировки, первая из которых включает трансформацию сперматогоний A s (одиночных) в дочерние потомства A pr (парные) сперматогонии, которые предопределены к дифференцировке. Они могут разделиться дальше с образованием A al (A-выравниваемых) сперматогоний. [1]

На втором этапе производится дифференциация сперматогоний A1 от сперматогоний A pr или A al . Эти А1 сперматогониев пройти еще пять отделов , чтобы произвести A2, A3, A4, промежуточный и тип B сперматогоний, который может ввести мейоза I . [1]

Для производства зрелых сперматозоидов из дифференцирующих SSC требуется около 64 дней , и каждый день может производиться 100 миллионов сперматозоидов. [6]

Одним из основных известных веществ, управляющих дифференцировкой SSC и, следовательно, выработкой сперматозоидов , является ретиноевая кислота (RA). [3] Существуют теории, поддерживающие гипотезы как непрямого (через клетки Сертоли ), так и прямого пути. [1]

Считается, что клетки Сертоли продуцируют RA посредством преобразования циркулирующего ретинола в сетчатку, а затем, наконец, в RA. [3] Воздействие RA вызывает клеточную дифференцировку в сперматогонию A1 и участвует в дальнейшей мейотической дифференцировке. [1] В результате дифференцировки гены, необходимые для поддержания состояния SSC, больше не экспрессируются. [3]

Репродуктивная функция мужчин снижается с возрастом, на что указывает снижение качества спермы и фертильности . [9] С возрастом у крыс недифференцированные сперматогониальные клетки претерпевают многочисленные изменения в экспрессии генов. [10] Эти изменения включают активацию нескольких генов, участвующих в ответе на повреждение ДНК . Это открытие предполагает, что во время старения увеличивается повреждение ДНК, что приводит к усилению регуляции белков ответа на повреждение ДНК, которые помогают восстановить эти повреждения. [10] Таким образом, похоже, что репродуктивное старение происходит в недифференцированных сперматогенных клетках. [10]

Изоляция и культура [ править ]

SSC могут стать все более клинически значимыми для лечения бесплодия ( сперматогенез in vitro ) и сохранения фертильности до лечения гонадотоксиками. [11] С этой целью SSC должны быть надежно изолированы от биоптатов яичек с целью, например, расширения и очистки. Текущие протоколы включают сортировку клеток с магнитной активацией (MACS) и сортировку клеток с активацией флуоресценции (FACS) на основе положительных клеточных маркеров SSC, таких как CD90 [12] и FGFR3 [13], в сочетании с отрицательными маркерами, такими как CD45. [12] Последние особенно важны для исключения злокачественных клеток из биоптатов онкологических больных.

После выделения популяции SSC культивируют для целей амплификации, характеристики, поддержания линии и, возможно, сперматогенеза in vitro или редактирования генома. [14] Основными проблемами при культивировании SSC являются взаимодействия между медиа-субстанциями и эпигенетическим строением, которое лежит в основе плюрипотентности и может повлиять на будущее потомство. Кратковременное размножение этих клеток in vitro проводили в среде Stem-Pro 34, дополненной факторами роста. [15] Длительное культивирование человеческих SSC еще не установлено, однако одна группа сообщает об успешной пролиферации в бесклеточной среде, снабженной факторами роста и гидрогелем. [16]

Трансплантация [ править ]

Первая успешная трансплантация SSC была описана на мышах в 1994 году, в результате чего процедура полностью восстановила сперматогенез у бесплодной мыши. [17] Эти мыши смогли произвести жизнеспособное потомство, что открыло новые захватывающие двери для будущих потенциальных методов лечения людей.

Поскольку методы лечения рака не зависят от раковых клеток и часто являются гонадотоксичными (токсичными для яичников и семенников), дети обычно сталкиваются с бесплодием в результате лечения, поскольку пока не существует установленного способа сохранить свою фертильность, особенно у мальчиков препубертатного возраста. Бесплодие после лечения рака зависит от типа и дозировки лечения, но может варьироваться от 17% до 82% пациентов. [18] Терапия сперматогониальными стволовыми клетками (SSCT) была предложена как потенциальный метод восстановления фертильности у выживших после рака, которые хотят иметь детей в более позднем возрасте. Метод был протестирован на многочисленных моделях животных, включая нечеловеческих приматов; Hermann et al . [19] извлекали и изолировали SSC из препубертатных и взрослых макак-резус перед лечением их бусульфаном ( алкилирующим агентом, используемым в химиотерапии). Затем SSC вводили обратно в сетчатые яички того же животного, из которого они были взяты, через ~ 10–12 недель после лечения; сперматогенез наблюдался почти у всех реципиентов (16/17). Однако эти SSC было трудно обнаружить, поэтому дальнейший анализ способности потомков сперматозоидов оплодотворять не удалось. Жизнеспособность эмбрионов, оплодотворенных донорской спермой после трансплантации SSC, должна быть оценена, чтобы действительно определить полезность этого метода.

В последнее время трансплантация SSC также была предложена в качестве потенциального метода сохранения исчезающих видов посредством ксеногенной трансплантации . Roe et al. [20] предположили, что репродуктивная продолжительность жизни таких видов может быть увеличена путем трансплантации их половых клеток домашнему хозяину. В своем исследовании они использовали перепелов в качестве модели для экзотических видов и трансплантировали SSC куриным эмбрионам, которые успешно колонизировали гонадный гребень эмбриона-хозяина. Это позволяет изолировать зрелые сперматозоиды от хозяина на более поздних этапах развития даже после смерти донора, что может быть использовано для будущего оплодотворения и потенциально более успешного сохранения. [21]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h Филлипс, Барт Т .; Гассей, Катрин; Орвиг, Кайл Э. (27 мая 2010 г.). «Регуляция сперматогониальных стволовых клеток и сперматогенез» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 365 (1546): 1663–1678. DOI : 10,1098 / rstb.2010.0026 . ISSN  1471-2970 . PMC  2871929 . PMID  20403877 .
  2. ^ Го, Инь; Хай, Янан; Гонг, Юэхуа; Ли, Чжэн; Он, Зупинг (17 декабря 2013 г.). «Характеристика, выделение и культура сперматогониальных стволовых клеток мыши и человека». Журнал клеточной физиологии . 229 (4): 407–413. DOI : 10.1002 / jcp.24471 . ISSN 0021-9541 . PMID 24114612 .  
  3. ^ a b c d de Rooij, Дирк Г. (1 августа 2009 г.). «Ниша сперматогониальных стволовых клеток». Микроскопические исследования и техника . 72 (8): 580–585. DOI : 10.1002 / jemt.20699 . ISSN 1097-0029 . PMID 19263493 .  
  4. ^ Кубота, Хироши; Аварбок, Мэри Р .; Бринстер, Ральф Л. (23 ноября 2004 г.). «Факторы роста, необходимые для самообновления и расширения сперматогониальных стволовых клеток мыши» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (47): 16489–16494. DOI : 10.1073 / pnas.0407063101 . ISSN 0027-8424 . PMC 534530 . PMID 15520394 .   
  5. ^ де Рой, Дирк G; Grootegoed, J Антон (1998-12-01). «Сперматогониальные стволовые клетки». Текущее мнение в клеточной биологии . 10 (6): 694–701. DOI : 10.1016 / S0955-0674 (98) 80109-9 . PMID 9914171 . 
  6. ^ a b c d Бойтани, Карла; Ди Персио, Сара; Эспозито, Валентина; Вичини, Елена (05.03.2016). «Сперматогониальные клетки: сравнение мыши, обезьяны и человека». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 59 : 79–88. DOI : 10.1016 / j.semcdb.2016.03.002 . ISSN 1096-3634 . PMID 26957475 .  
  7. ^ Kanatsu-Shinohara, Mito; Синохара, Такаши (01.01.2013). "Самовосстановление и развитие сперматогониальных стволовых клеток". Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 29 (1): 163–187. DOI : 10,1146 / annurev-cellbio-101512-122353 . PMID 24099084 . 
  8. ^ Oatley, Джон М .; Бринстер, Ральф Л. (1 января 2008 г.). «Регуляция самообновления сперматогониальных стволовых клеток у млекопитающих» . Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 24 : 263–286. DOI : 10.1146 / annurev.cellbio.24.110707.175355 . ISSN 1081-0706 . PMC 4066667 . PMID 18588486 .   
  9. ^ Пол C, Robaire B (2013). «Старение мужской зародышевой линии». Нат Рев Урол . 10 (4): 227–34. DOI : 10.1038 / nrurol.2013.18 . PMID 23443014 . 
  10. ^ a b c Пол С, Нагано М., Робер Б. (2013). «Старение приводит к молекулярным изменениям в обогащенной популяции недифференцированных сперматогоний крыс» . Биол. Репрод . 89 (6): 147. DOI : 10,1095 / biolreprod.113.112995 . PMID 24227752 . 
  11. ^ Galuppo, Андреа Джианнотти (2016-12-01). «Сперматогониальные стволовые клетки как терапевтическая альтернатива для сохранения фертильности мальчиков препубертатного возраста» . Эйнштейн (Сан-Паулу, Бразилия) . 13 (4): 637–639. DOI : 10.1590 / S1679-45082015RB3456 . ISSN 2317-6385 . PMC 4878644 . PMID 26761559 .   
  12. ^ а б Смит, Джеймс Ф .; Янго, Памела; Альтман, Эран; Чоудри, Светлана; Пельцль, Андреа; Zamah, Alberuni M .; Розен, Митчелл; Клацкий, Петр Ц .; Тран, Нам Д. (01.09.2014). «Яичко-ниша, необходимая для размножения сперматогониальных стволовых клеток человека» . Трансляционная медицина стволовых клеток . 3 (9): 1043–1054. DOI : 10.5966 / sctm.2014-0045 . ISSN 2157-6564 . PMC 4149303 . PMID 25038247 .   
  13. ^ фон Копилов, К .; Schulze, W .; Зальцбрунн, А .; Шписс, А.-Н. (2016-04-01). «Выделение и анализ экспрессии генов отдельных потенциальных сперматогониальных стволовых клеток человека» . Молекулярная репродукция человека . 22 (4): 229–239. DOI : 10.1093 / molehr / gaw006 . ISSN 1460-2407 . PMID 26792870 .  
  14. ^ Малдер, Каллиста Л .; Чжэн, Йи; Ян, Сабрина З .; Struijk, Роберт Б .; Реппинг, Шорд; Хамер, Герт; ван Пелт, Анс ММ (01.09.2016). «Аутотрансплантация сперматогониальных стволовых клеток и редактирование генома зародышевой линии: будущее лекарство от сперматогенной недостаточности и предотвращение передачи геномных заболеваний» . Обновление репродукции человека . 22 (5): 561–573. DOI : 10.1093 / humupd / dmw017 . ISSN 1460-2369 . PMC 5001497 . PMID 27240817 .   
  15. ^ Akhondi Мохаммад Мехди; Мохазаб, Араш; Джедди-Тегерани, Махмуд; Садеги, Мохаммад Реза; Эйди, Акрам; Ходадади, Аббас; Пиравар, Зейнаб (01.07.2013). «Размножение человеческих половых стволовых клеток в долговременной культуре» . Иранский журнал репродуктивной медицины . 11 (7): 551–558. ISSN 1680-6433 . PMC 3941344 . PMID 24639790 .   
  16. ^ Го, Инь; Лю Линьхун; Вс, мин; Хай, Янан; Ли, Чжэн; Он, Зупинг (01.08.2015). «Расширение и длительное культивирование сперматогониальных стволовых клеток человека посредством активации путей SMAD3 и AKT» . Экспериментальная биология и медицина (Мэйвуд, Нью-Джерси) . 240 (8): 1112–1122. DOI : 10.1177 / 1535370215590822 . ISSN 1535-3699 . PMC 4935290 . PMID 26088866 .   
  17. ^ Бринстер, RL; Аварбок, MR (1994-11-22). «Передача донорского гаплотипа по зародышевой линии после трансплантации сперматогониальных клеток» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 91 (24): 11303–11307. DOI : 10.1073 / pnas.91.24.11303 . ISSN 0027-8424 . PMC 45219 . PMID 7972054 .   
  18. ^ Struijk, Роберт Б .; Малдер, Каллиста Л .; ван дер Вин, Фулько; ван Пелт, Ans MM; Реппинг, Шёрд (01.01.2013). «Восстановление фертильности у бесплодных детей, переживших рак, путем аутотрансплантации сперматогониальных стволовых клеток: мы еще там?» . BioMed Research International . 2013 : 903142. дои : 10,1155 / 2013/903142 . ISSN 2314-6133 . PMC 3581117 . PMID 23509797 .   
  19. ^ Германн, Брайан П .; Сухвани, Мина; Винклер, Фелисити; Pascarella, Julia N .; Питерс, Карен А .; Шэн, Йи; Валли, Ханна; Родригес, Марио; Эззелараб, Мохамед (2 ноября 2012 г.). «Трансплантация сперматогониальных стволовых клеток в яички резуса восстанавливает сперматогенез, производя функциональные сперматозоиды» . Стволовая клетка . 11 (5): 715–726. DOI : 10.1016 / j.stem.2012.07.017 . ISSN 1934-5909 . PMC 3580057 . PMID 23122294 .   
  20. ^ Роу, Манди; Макдональд, Настасья; Даррант, Барбара; Дженсен, Томас (2013-05-01). "Ксеногенный перенос сперматогониальных стволовых клеток взрослого перепела (Coturnix coturnix) эмбриональным куриным (Gallus gallus) хозяевам: модель для сохранения птиц" . Биология размножения . 88 (5): 129. DOI : 10,1095 / biolreprod.112.105189 . ISSN 1529-7268 . PMC 4013913 . PMID 23575150 .   
  21. ^ Mahla RS (2016 г.). «Применение стволовых клеток в регенеративной медицине и трепевтике болезней» . Международный журнал клеточной биологии . 2016 (7): 1–24. DOI : 10.1155 / 2016/6940283 . PMC 4969512 . PMID 27516776 .  CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )