Новые данные о сперматогенезе закладывают основу для решения проблемы мужского бесплодия

Почти каждая восьмая пара в США сталкивается с бесплодием, и примерно в половине этих случаев причиной являются аномалии спермы у мужчины.

Поскольку коренные причины часто остаются неизвестными, новые исследования базовой биологии развития сперматозоидов могут в будущем дать надежду тем, кто хочет создать семью.

«Развитие половых клеток — очень сложный процесс. О том, как развиваются сперматозоиды млекопитающих и что управляет программой их дифференцировки, известно еще очень многое», — говорит Сью Хаммуд, доктор философии, ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Developmental Cell.

Сперматозоиды — это половые клетки, которые непрерывно образуются в мужских семенниках, обеспечивая фертильность мужчины на протяжении всего репродуктивного возраста. Развитие сперматозоидов начинается со стволовых клеток — сперматогоний. Как и большинство клеток человеческого тела, сперматогонии являются диплоидными, то есть имеют два набора хромосом, по одному от каждого родителя. Однако, в отличие от других клеток, стволовые клетки зародышевой линии — единственные в нашем теле, которые должны пройти процесс мейоза. Это тип клеточного деления, в результате которого дочерние клетки получают только один набор хромосом от исходной родительской клетки.

При оплодотворении сперматозоид и яйцеклетка сливаются, давая начало новому, генетически уникальному организму.

Но более глубокое понимание процесса ускользало от исследователей.

«Процесс сперматогенеза трудно изучать, потому что мы не можем культивировать все необходимые клетки в пластиковой чашке», — объясняет Хаммуд, доцент кафедры генетики человека, акушерства и гинекологии, а также урологии в Michigan Medicine.

Детальное исследование

Большая часть современных знаний о развитии сперматозоидов получена при изучении срезов ткани яичка под микроскопом или при анализе известных популяций клеток с использованием маркеров клеточной поверхности, которые подобны опознавательным знакам, «носимым» определенными типами клеток.

С помощью этих трудоемких методов исследователям удалось определить четыре основные, но разнородные группы клеток:

1. Сперматогонии (включают стволовые клетки и клетки-предшественники).
2. Сперматоциты (разнообразный пул клеток, вступающих в мейоз).
3. Постмейотические гаплоидные клетки, известные как круглые сперматиды.
4. Зрелые сперматозоиды.

Однако старые подходы анализировали лишь смесь наиболее распространенных клеток, отмечает Хаммуд. Эти методы обычно упускали более редкие типы клеток и ключевые переходные стадии развития, которые могут помочь воспроизвести этот процесс in vitro или понять истинные причины мужского бесплодия.

Чтобы преодолеть эту проблему, в новом исследовании была применена недавно разработанная передовая методика — секвенирование РНК единичных клеток (single-cell RNA sequencing). С её помощью были проанализированы более 30 000 отдельных клеток из семенников мыши, с измерением активности тысяч генов для каждой клетки.

Это привело к созданию на сегодняшний день наиболее полного каталога всех клеток яичка. Команда использовала эти данные для характеристики программы развития сперматозоидов, а также для обнаружения новых типов клеток и их молекулярных особенностей.

Например, атлас впервые показывает, что сперматозоиды развиваются по непрерывной программе, плавно переходя из одного биологического состояния в другое.

«От стволовой клетки до зрелого сперматозоида программа развития в основном непрерывна, за исключением одного дискретного перехода при вступлении в мейоз», — говорит Хаммуд. «Узнать это впервые — весьма примечательно».

Теперь исследователи могут использовать знания об этой программе, чтобы найти гены, которые должны включаться или выключаться точным образом для продвижения клеток по пути развития. Это критически важный шаг на пути к поиску способов восстановления фертильности у мужчин, которые не производят достаточного количества здоровых сперматозоидов из-за наследственных или внешних причин.

Результаты вдохновляют на будущие исследования

Помимо расширения знаний о половых клетках, эта работа также предоставляет научному сообществу новую информацию о соматических типах клеток и их состояниях внутри семенников, которые поддерживают развитие сперматозоидов.

Например, в работе были зафиксированы известные типы клеток, такие как клетки Лейдига, производящие тестостерон, и клетки Сертоли, которые действуют как клетки-няньки, окружающие половые клетки, защищая их на протяжении всего развития и передавая сигналы из внешней среды.

Интересно, что анализ привел к идентификации неожиданной популяции клеток, напоминающей эмбриональные клетки-предшественники. Это вдохновило группу на будущую работу по более пристальному изучению этих типов клеток и их потенциала в зрелом яичке.

«Только понимая взаимодействия половых и соматических клеток, мы можем начать эффективно и безопасно управлять этим процессом в чашке Петри», — говорит Хаммуд.