Spermatogenese
Spermatogenese is het proces waarbij germ cellen worden veranderd in spermatozoa gedurende een bepaalde periode. Er zijn vele processen betrokken bij de ontwikkeling van de spermatozoa en deze kunnen in drie categorieën verdeeld worden:
• mitose
• meiose
• differentiatie
Deze onderwerpen zullen nader toegelicht worden om een helder beeld te krijgen van het spermatogenese proces. Het proces van de spermatogenese speelt zich af in de testis, om precies te zijn in de seminiferous tubules Deze is omgeven door een epitheellaag en gevuld met vloeistof waarin de spermatozoa uiteindelijk worden uitgescheiden. Er zijn twee soorten cellen te onderscheiden in dit gebied namelijk:
• Germ cellen
• Sertoli cellen
De germ cellen zijn te vinden aan de basis van de tubule en in het lumen, de Sertoli cellen bevinden zich in de hoger gelegen delen van de tubule aangezien zij de germ cellen bijstaan in hun ontwikkeling. Nadat de germ cellen zijn gedeeld en ontwikkeld in verschillende soorten cellen, bewegen zij zich door de smalle gebieden van de Sertoli cellen richting het adluminale compartiment. De smalle Sertoli gebieden functioneren als bloed-testis barrière en beschermen op die manier de germ cellen tegen infecties . De germ cellen ontwikkelen zich uiteindelijk tot gekloonde gebieden die doormiddel van cellulaire bindingen bijeen gehouden worden. Het verschijnsel van incomplete deling zorgt ervoor dat de cellen makkelijk onderling kunnen communiceren. De begrippen germ cellen, Sertoli cellen en bloed-testis barrière zullen echter in andere hoofdstukken nader worden toegelicht.
A5.1.0 Stadia in de spermatogenese
Spermatogonia, de minst ontwikkelde cellen, bevinden zich aan de basis van het seminiferous epitheel. Zij worden gevormd doormiddel van mitose delingen. De spermatogonia zijn in staat om zich zelf te vernieuwen en produceren dan ook zelf nieuwe cellen. Bij de meeste soorten is de B spermatogonia de laatste die door de mitose gevormd wordt. Zijn deling zorgt voor het ontstaan van de eerste cel van de volgende fase.
A5.1.1 A en B spermatocyten
Tijdens de spermatogenese veranderen de germ cells in spermacellen die uiteindelijk veranderen in de welbekende spermacellen. Dit verloopt, zoals al eerder vermeld, in verschillende fases, te weten: de mitose, de meiose en de differentiatie. Tijdens de mitose worden de cellen ontwikkeld en voorbereid op de meiose, het stadium waarin zij uiteindelijk worden omgezet tot spermatozoa. Een tussenstap in dit proces is dat de cellen tijdens de mitose nog enkele uiterlijke veranderingen ondergaan. Zo zijn er tijdens deze fase twee soorten waar te nemen. De types A en B. Van type A kunnen we ook weer twee vormen onderscheiden, namelijk het donkere en lichte type A. Type B is maar in één vorm waar te nemen. Het kleurverschil in type A heeft te maken met de kern en de mate waarin hier vlekken zijn waar te nemen. Het belangrijkste is echter dat we het verschil in de werking van deze spermatocyten begrijpen. Het lichte type A is nog vrijwel ongedifferentieerd en kan de mitose nog intreden. Zij worden beschouwd als de stamcellen voor de spermatogenese. De donkere A cellen echter, differentiëren niet en worden gebruikt als reserve materiaal voor tijden waarin de hoeveelheid lichte A cellen schaars is. Beide typen A cellen houden zich in leven doormiddel van voortdurende delingen. Bij het opkomen van de puberteit gaan deze A cellen zich delen en een deel zal zich verder differentiëren tot B cellen. De B cellen zullen uiteindelijk overgaan in primaire spermatocyten en vormen na vele delingen de uiteindelijke spermatozoa.
A5.1.2 De mitose
Spermacellen ondergaan net als lichaamscellen delingen. De eerste delingen vinden plaats doormiddel van de mitose. Hier stopt het delingsproces voor de normale lichaamscellen, geslachtscellen gaan echter nog door en ontwikkelen zich na de meiose I en II tot spermatozoa. De mitose van deze cellen is al voltooid in het embryostadium terwijl de start van meiose I en II pas in de puberteit plaatsvindt. Uiteindelijk worden er door middel van mitose en meiose vanuit één cel vier spermatozoa gevormd.
Elke cel bevat 23 paar chromosomen, anders gezegd: er zijn 46 losse chromosomen doormiddel van een centriool verbonden. Van de 23 paar chromosomen zijn er 22 die vallen onder de autosomen. Het laatste paar bevat de geslachtschromosomen omdat zij het geslacht van het organisme bepalen.
De combinatie XY leidt tot het mannelijk geslacht, XX codeert voor het vrouwelijk geslacht. Het grote verschil in de differentiatie van autosome cellen en geslachtscellen is het aantal chromosomen dat uiteindelijk in de cel zit. Bij autosome cellen is dit weer te geven met de formule 2n, wat aangeeft dat er dus van elk paar 2 aanwezig zijn, in geslachtscellen is dit slechts 1 n.
Om te kunnen begrijpen hoe de weg tot spermatozoa verloopt, is het belangrijk te weten wat de begrippen mitose en meiose nu precies inhouden. De mitose is de reguliere celdeling waarmee dochtercellen worden gevormd ten behoeve van groei, regeneratie (herstel) of ongeslachtelijke voortplanting. Na mitose bevatten de dochtercellen precies dezelfde informatie voor erfelijke eigenschappen als de oorspronkelijke cel, de zogenaamde moedercel.
De cel vermenigvuldigt zich door al zijn componenten te verdubbelen en vervolgens in tweeën te splitsen. Dit proces van verdubbeling en splitsing wordt de celcyclus genoemd, dit proces wordt in de afbeelding hier schematisch weergegeven:
Zoals uit de afbeelding blijkt bestaat de celcyclus uit vier fases, namelijk opeenvolgend de G1-fase, de S-fase, de G2-fase (samen de interfase genoemd) en de M-fase, ofwel mitose-fase. Al deze fases hebben een verschillende functie:
G1-fase (‘gap’ = periode waarin niks gebeurt): De cel neemt ongeveer 20% in omvang toe, eventuele defecten in het DNA worden gerepareerd en enzymen die nodig zijn voor de replicatie van het DNA worden aangemaakt.
S-fase (synthese): Tijdens de S-fase wordt het DNA gedupliceerd. De chromosomen bestaan aan het eind van deze fase dus ieder uit twee chromatiden.
G2-fase: De enzymen die nodig zijn voor de mitose worden aangemaakt, organellen worden bijgemaakt en de cel groeit verder.
M-fase (mitose): Hier vindt de kerndeling plaats. De kerndeling bestaat uit de mitose en celdeling (ofwel cytokinese).
Na de celdeling, dus na de M-fase, kunnen de dochtercellen opnieuw delen of in “rust” gaan en eventueel specialiseren. Wanneer cellen in rust gaan noemen we dit de G0-fase. Het is voor bepaalde cellen mogelijk om vanuit de G0-fase weer in de G1-fase te komen en zo onder andere weefsels te herstellen.
Profase
Na de interfase, waarin het erfelijk materiaal verdubbeld is, volgt de eerste fase van de mitose: de profase of voorbereidingsfase. De profase wordt gekenmerkt door:
• vorming van de spoelfiguur
• verdwijnen van de kernenvelop
• spiralisatie van en aanhechting van de chromosomen.
In eukaryote cellen ligt net buiten de kernenvelop het centrosoom een gebied waarin bij dierlijke cellen de twee centriolen liggen. De centriolen verdubbelen zich in het begin van de profase en bewegen zich dan elk langzaam naar één kant van de kern.
Geleidelijk ontwikkelt zich uit elk van de centrosomen een structuur van draden. Deze draden zijn gemaakt van microtubuli. Een aantal evenwijdig lopende microtubuli vormt samen bundels, spoeldraden genaamd, die groot genoeg zijn om met de lichtmicroscoop te zien. De microtubuli zijn gemaakt van het eiwit tubuline. Als de centrosomen met de centriolen elk aan één kant van de kern aangekomen zijn, is er een netwerk van draden ontstaan die de gehele kern omspant. Deze spoelfiguur is voltooid aan het begin van de metafase. Tegen het einde van de profase spiraliseren de verdubbelde chromosomen zich. Door het verkorten van de chromosomen worden zij dikker en met een goede lichtmicroscoop is dan te zien dat elk chromosoom uit twee identieke delen bestaat, de chromatiden. De chromatiden zijn na het spiraliseren kort en dik genoeg om over de twee dochtercellen verdeeld te worden zonder dat zij breken. De chromatiden zitten aan elkaar vast in het gebied dat centromeer wordt genoemd. Elk van de chromatiden zit vast aan de trekdraden van de spoelfiguur. Door de spanning van de trekdraden aan elke kant van de chromatiden worden de chromosomen naar het midden van de cel gebracht. Een tweede soort draden van de spoelfiguur wordt steundraden genoemd, deze zitten niet vast aan de chromatiden, maar lopen door van centrosoom tot centrosoom.
Metafase
Wanneer de centromeren van elk van de chromosomen in één vlak in de equatorvlak liggen, begint de metafase. De metafase is afgelopen zodra de chromatiden loslaten, doordat het centromeer zich in tweeën deelt. De twee chromatiden vormen nu elk een zelfstandig chromosoom. De metafase is een korte fase, voor de meeste cellen maar een paar minuten. De metafase is de fase waarin de chromosomen het duidelijkst bestudeerd kunnen worden, deze chromosomen heten metafasechromosomen.
Anafase
De verbindingen tussen de chromatiden, op de plaats van de centromeren, laten los en de enkele chromatiden bewegen zich elk in tegenstelde richting naar de centrosomen. Het bewegen van de chromosomen naar de polen gebeurt door het inkorten van de microtubuli. De anafase stopt wanneer elke set chromosomen aangekomen is bij zijn pool. Hier zullen de nieuwe kernen gevormd worden. De anafase is de kortste fase van de mitose.
Telofase
De telofase is in feite een omgekeerde profase. De chromosomen despiraliseren en worden zo weer lange dunnen draden, die weer onzichtbaar zijn voor de lichtmicroscoop. De chromosomen worden opnieuw verpakt in een kernenvelop en de vorming van twee complete kernen is dan voltooid. Hiermee is de kerndeling beëindigd en kan de cel zich gaan delen. Nadat de telofase ten einde is gekomen, is het resultaat twee nieuwe cellen, die elk weer beginnen met de interfase, het voorbereiden op een nieuwe mitose, op een nieuwe deling.
A5.1.3 De meiose
Segregatie
Meiose vindt plaats voorafgaand aan de vorming van geslachtscellen in eukaryote organismen. Van iedere chromosomenpaar komt er slechts één in de dochterkernen terecht (chromosomensegregatie). Soms is dit afkomstig van de moeder, soms van de vader, maar vaak treed crossing-over op en ontstaan er nieuwe combinatie van chromosomengedeelten, die samen een chromosoom van dezelfde vorm en grootte geven als het oorspronkelijke. De scheiding van de homologe chromosomen heeft de segregatie van allelen tot gevolg, die via een eicel en een zaadcel zijn samengebracht. Door crossing-over wordt het aantal recombinaties niet alleen door het aantal chromosomen bepaald, maar ook door het aantal crossing-overpunten en dus nog vele malen vergroot.
Stadia
Meestal verloopt meiose in twee delingsprocessen (veelal aangeduid als MI en MII). De hoofdindeling van de stadia is dezelfde als in de gewone kerndeling of mitose, maar de profase I laat zich nog verder indelen: leptoteen, zygoteen, pachyteen, diploteen en diakinese. Het laat een wezenlijk verschil zien: 2n chromosomen gaan nauwkeurig tegen elkaar liggen, zodat er n paren zijn, die in het pachyteen duidelijk zijn te herkennen. In dit stadium hebben de chromosomen vaak een onduidelijk uiterlijk, meestal samenhangend met een sterke RNA-synthese. In het diploteen is elk chromosoom zichtbaar in twee chromatiden verdeeld, die samen een tetrade genoemd kunnen worden, en verder zijn er chiasmata te zien. Deze chiasmata zijn de microscopisch waarneembare effecten van de crossing-over, die in de nakomelingen recombinaties opleveren en die niet verward moeten worden met torsies van de zusterchromatiden rondom elkaar. Als er op een bepaalde locus van het chromosoom een erfelijke eigenschap ligt, bijv. het allel A, en op het homologe chromosoom het allel a, dan zullen A en a uit elkaar gaan (segregeren) in de eerste deling, anafase I (prereductie), tenzij door een (oneven aantal) crossing-over(s) tussen het centromeer en de locus de segregatie in de tweede deling (anafase II) plaatsvindt (postreductie). Dit kan rechtstreeks gecontroleerd worden in organismen waarbij de delingsproducten van de meiose in volgorde bijeen blijven liggen. Het percentage postreducties is een maat voor het percentage meioses waarin crossing-over optrad en een genetische afstandsmaat van centromeer tot locus. Deze afstandsmeting tussen twee punten op eenzelfde chromosoom, die dus gekoppeld zijn, berust op de veronderstelling dat de kans op crossing-over evenredig is met de afstand. Als in de gekoppelde loci twee genen liggen, dan kan het recombinatiepercentage van de allelen van deze genen op analoge wijze tot afstandsberekeningen leiden.
Het belangrijkste verschil tussen mitose en meiose is dat de producten van de mitose genetisch identiek zijn aan de moedercel, terwijl de producten van meiose ten opzichte van hun ouders en ook onderling genetisch verschillen. Geslachtscellen maken een verdere deling door dan autosome cellen. Zij stoppen in de mitose terwijl geslachtscellen nog een meiose I en meiose II doormaken.
A5.1.4 De differentiatie
Nadat de mitose en de daaropvolgende meiose voltooid zijn, ondergaan de spermatozoa nog een differentiatie van hun uiteinde. Dit proces wordt ook wel de spermiogenese genoemd. Tijdens dit proces ondergaat de cel 3 grote veranderingen namelijk:
• De kern verlengt en het chromatine condenseert in donkere structuren met unieke vormen.
• Het golgiapparaat scheidt stoffen uit die zorgen voor de opbouw van acrosomen.
• De cel vormt een lange staart met mitochondriën aan de proximale zijde van de cel.
Acrosoomvorming
Al vrij snel na de formatie van de spermatiden worden er verscheidene korrels gevormd die zorgen dat secretie van stoffen kan plaatsvinden. Deze korrels smelten samen en vormen zo een acrosoom. Een acrosoom is een membraan gebonden organel dicht in de buurt van de kern. Het wordt gevormd door het golgisysteem en is rijk aan hydritische enzymen. Verder speelt het een grote rol bij de bevruchting. Als een acrosoom bekeken wordt door een elektronenmicroscoop is er te zien dat het uit een licht en een donker deel bestaat. Op het moment dat het golgisysteem doorgaat met de aflevering van glycoproteïnen via vele smalle gangen, zal het lichtere deel van het acrosoom naar de oppervlakte komen en zo een soort kap gaan vormen die ongeveer de halve kern bedekt.
Uiteindelijk gaat het cytoplasma van de cel zich verplaatsen naar het caudale deel van de cel waardoor het golgisysteem wordt gescheiden van de cel. Hierdoor stopt de toevoer van glycoproteïnen. Het golgisysteem vermengt zich weer met de rest van de kern, het acrosoom condenseert ook en past zich qua vorm aan aan de veranderende top van de kern en zal uiteindelijk een grote rol gaan spelen bij de bevruchting van een eicel. Op het begrip acrosoom zal in latere hoofdstukken nog dieper worden ingaan.
Kernverlenging en condensatie van chromatine
Tijdens het proces van de spermiogenese verlengt de kern zich en condenseert het chromatine. Er zijn twee belangrijke stages in de reorganisatie van het chromatine waar te nemen:
• Allereerst vindt er een hermodelering plaats van het chromatine. Het verandert hierbij van een normale nucleosomale vorm in een draadachtige vorm.
• In de tweede stage verdikt het chromatine, hoopt zich op en wordt een compacte massa.
Het omvormen van de nucleosomale vorm naar de draadachtige vorm gaat gepaard met het verlies of de aanmaak van H1 t histonen, terwijl de condensatie van de chromatine in compact chromatine gebeurd in de aanwezigheid van de nucleoproteinen TP1 en TP2. Op het moment dat de defintieve vorm van de kern is verkregen worden TP1 en TP2 door middel van arganine- en cysteïne-rijke protaminen verwijderd. Hoewel bewezen is dat de vorm van de kern genetisch is bepaald, vermoed men wel dat invloed van buitenaf, veroorzaakt door het cytoskelet, de vorm kan beïnvloeden.
Formatie van de staart
Tijdens de spermiogenese migreren de centriolen naar beneden in de kern en binden zich hier eventueel aan. Echter, een van de centriolen belemmert de formatie van de axoneme, waardoor deze zich in volle lengte kan uitstrekken. Op het moment dat de centriolen zich verplaatsen nemen zij het plasmamembraan met zich mee en hierdoor wordt er een dubbele wal gevormd rond het groeiende axoneme. In de verlengde spermatide vormen elektronen het nekgedeelte van de staart. De evolutie van mitochondriën tijdens de spermatogenese is interessant. Zij migreren tijdens het proces naar de staart waarzij uiteindelijk condenseren en kokervormig worden. Hierna plaatsen zij zich naast elkaar en vormen samen een spiraalachtig complex dat zorgt voor de ondersteuning van het spermatozoön.
Geschreven door: Dhr. Arash Khamooshian , BSc (Universiteit Utrecht, SUMMA,Biomedische Wetenschappen)
Referentielijst:
• Kemppainen et al. (1992) J. Biol. Chem. 267, 968-974; Zhou et al. (1995) Mol.Endocrinol. 9, 208-218
• The Sertoli cell, M.D. Griswold, L.D. Russel