ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2015, № 4, с. 350-360
БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ
УДК 576.591.8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ПРОЛИФЕРАЦИИ И РАЗМНОЖЕНИЯ ВЫСОКОДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫХ
КЛЕТОК СЕРТОЛИ © 2015 г. С. Т. Захидов*, Т. Л. Маршак**
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет,
119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12 **Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 117334 Москва, ул. Вавилова, 26
E-mail: 4361.idb@bk.ru Поступила в редакцию 26.11.2014 г.
Отражены основные результаты исследований биологии клеток Сертоли в различных экспериментальных условиях. Обсуждены возможные потенциальные механизмы, лежащие в основе перехода высокодифференцированных клеток Сертоли к дедифференцировке, ограниченной пролиферацией и размножением и не сопровождаемой значительными фенотипическими переменами.
DOI: 10.7868/S0002332915040153
Активность сперматогенеза, топологическая и функциональная преемственность мужских половых клеток во многом зависят от вклада соматических клеток Сертоли (КС), специализированных по многим функциям. КС играют большую роль в становлении, развитии и нормальном функционировании сперматогенной системы, поддержании ее в состоянии стабильности и упорядоченности. Они выполняют опорные и трофические функции, участвуют в гормональной регуляции сперматогенеза и спермиации, синтезируют множество разнообразных факторов (ци-токинов, факторов роста, опиоидов, стероидов, простагландинов, модуляторов клеточных делений) и многие другие вещества. КС фагоцитируют генетически аномальные половые клетки и/или так называемые избыточные, "лишние" клетки, и в этом смысле чем-то напоминают графитные стержни в ядерных реакторах, поглощающие "лишние" быстрые нейтроны, которые возникают в результате разветвленных цепных ядерных реакций.
Сложные плотные контакты, образующиеся между КС в препубертантном возрасте, служат морфологическим субстратом для закладки гема-тотестикулярного барьера, представляющего собой монолитную систему, ограничивающую доступ многим органическим соединениям к развивающимся половым клеткам. Морфологически уникальный комплекс плотных контактов также разделяет сперматогенный эпителий на два ком-партмента: базальный, в котором размножаются дифференцирующиеся сперматогонии и располагаются прелептотенные сперматоциты, и адлю-
минальный, в котором развиваются мейотиче-ские и постмейотические клетки. КС — один из основных компонентов микроокружения (ниши) сперматогониальных стволовых клеток, которое обеспечивает последних всеми необходимыми веществами, регулирующими их пролиферацию и дифференцировку. В семенных канальцах КС равномерно распределяются среди половых клеток: они тянутся от базальной мембраны через всю толщу сперматогенного эпителия, и все развивающиеся половые клетки закрепляются в сетях их цитоплазматических отростков. Формируя контакты и окружая сперматогенные клетки, КС участвуют в прямых и обратных с ними связях. КС пластичны и обладают повышенной устойчивостью к повреждениям (Рузен-Ранге, 1980; Mann, Lutwak-Mann, 1981; Габаева, 1982; Parvinen et al., 1986; Bardin et al., 1993; Griswold, 1995, 2005; Mruk, Cheng, 2004; Dym, Feng, 2005; Hess, Franca, 2005; Sharpe, 2005; Skinner, 2005; Kerr et al, 2006; Захидов и др., 2009; Wood, 2009; Kopera et al., 2010; Weinbauer et al., 2010; Hayra-bedyan et al, 2012; Tarulli et al, 2012; Lucas et al., 2014).
КС происходят из клеток целомического эпителия, покрывающего половые валики и врастающего в половые шнуры, которые затем в XY-гона-дах становятся семенными канальцами (Габаева, 1982; Karl, Capel, 1998; Cupp, Skinner, 2005; Wain-wright, Wilhelm, 2010). Способность целомиче-ского эпителия давать начало КС четко регулируется во времени. По некоторым данным (Karl, Capel, 1998) этот процесс, например, у мышей происходит между 11.5-ми и 11.7-ми сут после ко-
итуса, а потом клетки целомического эпителия теряют способность к дифференцировке в КС и остаются за пределами канальцев, в интерстици-альной ткани.
В эмбриональных гонадах млекопитающих КС, агрегируя с первичными половыми клетками, вступают в процесс активной пролиферации (Orth, 1982; Miething, 1993; McCoard et al., 2003; Kerr et al., 2006). Размножение КС продолжается и на ранних постнатальных стадиях развития и завершается, например, у мышей и крыс примерно через 2—3 нед после рождения (Orth, 1982, 1993; Cupp, Skinner, 2005; Kerr et al., 2006; Wood, 2009). У грызунов выход КС из цикла клеточной репродукции и приобретение ими статуса высо-кодифференцированных (терминально дифференцированных или функционально зрелых) клеток по времени совпадают с завершением первой аномальной волны сперматогенеза, с процессами формирования гематотестикулярного барьера и просвета канальцев, а также с началом экспрессии генов, не проявлявшихся в фетальных незрелых КС, с продукцией секреторных белков, необходимых для нормального развития мужских половых клеток, с вступлением сперматоцитов первого порядка в мейотические деления. По мере завершения созревания КС претерпевают радикальные изменения в морфологии и функции: ядра приобретают огромные размеры, ядрышко и околояд-рышковые гетерохроматиновые глыбки становятся более рельефными (Sharpe et al., 2003; Walker, 2003; Cupp, Skinner, 2005; Kerr et al., 2006; Weinbauer et al., 2010; Tarulli et al., 2012). У человека и других приматов КС сохраняют митотиче-скую активность на протяжении многих месяцев или даже лет после рождения, и только после достижения ими половой зрелости пролиферация КС останавливается (Sharpe et al., 2003; Walker, 2003). Иными словами, в популяции "взрослых" КС по аналогии с другими клеточными системами "дифференцировка начинает преобладать над размножением, и в механизмах полного или ограниченного "запрета" ведущую роль начинают играть так называемые ферменты оперативного класса, способные приостанавливать клеточные деления, но вовсе не устранять их" (Рапопорт идр., 1970; Рапопорт, Парнес, 1971). При условии полного сохранения энергетических и вещественных ресурсов клеточные деления могут выявиться, если запрет снимается (Рапопорт, Пар-нес, 1971), например, после действия каких-то мутагенных или модификационных агентов.
Итак, в соответствии с доминирующими длительное время представлениями в семенниках половозрелых млекопитающих (за исключением се-зонно размножающихся животных) КС теряют способность к пролиферации и представляют собой численно стабильную клеточную популяцию. Поэтому в ряде экспериментальных исследова-
ний сперматогенеза КС использовали как своего рода константу, по отношению к которой оценивали количественные изменения числа спермато-генных клеток, находящихся на разных стадиях развития (Rowley, Heller, 1971; Габаева, 1982). Однако догма, что число КС в гонадах взрослых организмов может оставаться стабильным на протяжении длительного времени, сегодня подвергается сомнению (Kerr et al., 2006).
В середине 1990-х гг. нами были проведены исследования, в которых впервые было показано (Захидов и др., 1995), что сильные химические мутагены дипин (тетраэтиленамид-1,4-пипера-зиндифосфорная кислота) и нитрозометилмоче-вина индуцировали процессы пролиферации и деления КС в гонадах мышей и крыс. Доказательством этого было появление сравнительно большого числа КС с микроядрами и остаточными хромосомными мостами, гигантскими ядрами, двуядерных клеток, а также митотических фигур, в том числе аномальных.
Цитогенетические наблюдения, свидетельствующие о том, что высокодифференцирован-ные КС могут делиться, были подкреплены результатами количественного анализа. Так, например, у мышей в ответ на действие дипина в дозе 30 мг/кг число КС по сравнению с контролем увеличивалось на 83 и 130% соответственно на 14-е и 21-е сут после воздействия. Столь значительное численное превосходство над контролем не оставляет сомнений в способности мутагенизи-рованных КС размножаться. В то же время на 35-е сут фиксации пул КС полностью нормализовался. В случае использования большей дозы дипина (60 мг/кг) были получены принципиально другие результаты: число КС резко снижалось на 14-е и 35-е сут и составляло соответственно 24 и 36% от контроля, а затем восстанавливалось до природной нормы на 56-е сут после начала эксперимента. Все эти количественные флуктуации свидетельствуют о том, что в популяции КС развернутые на фоне индуцированного химического мутагенеза энергичные репаративные процессы сопровождаются столь же эффективной работой клеточного отбора, элиминирующего клетки с высоким содержанием вредных летальных мутаций. Важно добавить, что характер изменений числа КС в гонадах мутагенизированных животных имеет видовые особенности и во многом зависит от использованных доз и природы мутагена (Захидов и др., 1995).
Отсутствие аналогичных аномальных цитоге-нетических картин, фигур митоза, значительных количественных флуктуаций в популяции КС у грызунов в норме позволило заключить, что вы-сокодифференцированные КС млекопитающих под влиянием генотоксикантов способны переходить из состояния митотической инертности к
активной пролиферации, причем без явно выраженных морфологических перемен. Благодаря такому переходу восстанавливаются пул КС и в целом их функции. Можно предполагать, что включающая митотические деления регенерация высокодифференцированных КС омолаживает популяцию этих клеток, освобождает их от накопившегося энтропийного груза, способствует восстановлению физико-химических градиентов и каталитических процессов. Обновленные КС приобретают новую более устойчивую структуру, адаптированную к существованию в измененных условиях окружающей среды. Другими словами, без включения механизма снятия запрета на пролиферацию никакие другие механизмы адаптации не восстановили бы целостность популяции поврежденных мутагенами высокодифференци-рованных КС.
Дальнейшие наши эксперименты, в том числе с использованием метода радиоавтографии (3Н-ти-мидин), подтвердили, что в гонадах мутагенизиро-ванных дипином мышей-гибридов СБА/С57Б1/6, а также мутантных ускоренно стареющих мышей линии SAMP1 (senescence-accelerated mouse pro
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.