Spermatogenesi - biotecnologie della riproduzione

Spermatogenesi

Gametogenesi: processo di maturazione dei gameti.

Il processo di spermatogenesi

Spermatogenesi: percorso differenziativo delle cellule germinali maschili all'interno dei testicoli affinché diventino cellule funzionali, in grado di fecondare l'ovocita.

I gameti si dividono per meiosi, processo che porta a cellule aploidi trasportanti diverse informazioni genetiche. Ricostituiranno un individuo diploide dopo che i due gameti aploidi si fondono (dopo la fecondazione).

I due processi di oogenesi e spermatogenesi sono piuttosto diversi. Una prima differenza riguarda i numeri di cellule che si ottengono alla fine del processo: la meiosi è soggetta a due divisioni successive che portano a quattro spermatozoi potenzialmente funzionanti ma a una sola cellula uova matura per quanto riguarda l'oogenesi, perché le altre cellule che si formano sono cellule accessorie (globuli polari) che si degradano e hanno la funzione esclusiva di portare metà dell'informazione genetica.

Inoltre, l'ultimo passaggio di maturazione dell'oocita si completa solo dopo la fecondazione, mentre per lo spermatozoo si completa già nel testicolo.

Infine, alla nascita gli spermatogoni staminali sono bloccati prima delle meiosi e sono già imprintati, mentre per la femmina ci sono cellule già entrate in meiosi (ma bloccate in profase I, dove il blocco rimane fino alla maturità sessuale dell'individuo) e non imprintate. Alla pubertà l'oocita va incontro alla maturazione insieme a tutto il follicolo, riprendendo la meiosi e acquisendo la competenza embrionale; lo spermatogone riprende la mitosi e poi solo alla pubertà entra in meiosi formando spermatidi e spermatozoi.

Infine, mentre la spermatogenesi è un processo continuo che dura tutta la vita (anche se si ha un decadimento fisiologico dovuto all'età), l'ovogenesi finisce quando il pool di cellule in meiosi I (preparato durante l'embriogenesi) finisce (arresto fisiologico della capacità riproduttiva -> menopausa) poiché, non essendoci più cellule staminali in grado di fare mitosi, il numero di ovociti che l'individuo ha alla nascita, non può essere ripopolato. Gli ovociti funzionanti sono circa 400!

Cellule germinali primordiali

La cellula che man mano si differenzia prende nomi diversi perché ha gradi di differenziamento diverso. In questo percorso di maturazione è previsto anche un differenziamento morfologico legato alla funzionalità della cellula. Le cellule germinali primordiali (PGC) si determinano in una fase molto precoce dello sviluppo embrionale (si evidenziano durante la terza settimana della fecondazione dalle pareti del sacco vitellino).

A questa fase abbiamo una struttura nell'utero che penetra all'interno, in cui si riconoscono due cavità: la cavità amniotica, che si espanderà e avvolgerà il feto durante la gravidanza, e la cavità vitellina, che nel tempo andrà a rimpicciolirsi sempre di più. Tra le due cavità è presente una membrana cellulare definita epiblasto, dal quale poi si svilupperà l'embrione vero e proprio (tutto il resto concorrerà a formare gli annessi embrionali come la placenta, il sacco amniotico, il cordone ombelicale, ecc.).

Tra le cellule dell'epiblasto è possibile distinguere quelle della parte intraembrionale ed extraembrionale. Quest'ultime sono cellule secernenti Bmp4, una proteina codificata dall'omonimo gene, che induce il differenziamento di poche cellule presenti nella regione intraembrionale.

Regolazione genetica e migrazione delle cellule germinali

A livello molecolare, questo cambiamento di stato è dovuto alla down-regolazione dei geni per la natura somatica e all'up-regolazione dei geni della pluripotenza oct4, sox2 e nanog (MARCATORI STAMINALITÀ). Contemporaneamente verranno attivati i geni della specificità cellulare germinale prdm1 e prdm14. Alla fine di questa serie di regolazioni, la cellula mantiene la sua staminalità, ma si avvia verso un percorso differenziativo ben definito. Le cellule germinali originano quindi da cellule somatiche dell'epiblasto.

Il gruppetto di cellule che ha risposto a BMP4, a questo punto, inizia a condensarsi e migrare dalla regione di induzione verso una regione extraembrionale definita gema dell'allantoide. Nel topo avviene dopo circa sette giorni, nell'uomo avviene entro 21 dpc. Qui iniziano a crescere di numero, cambiando morfologia, da rotonda a una sorta di goccia. Questo è il segnale che spinge le cellule a migrare, tornando nell'embrione per stabilirsi nelle gonadi.

Penetrano nello strato cellulare che darà origine all'intestino primitivo, poi nel mesentere dorsale (funge da ponte) e poi si dividono per metà e metà nelle creste genitali destra e sinistra.

Stabilizzazione nelle creste genitali

Quando le cellule germinali primordiali tornano nell'embrione, si stabilizzano nelle creste genitali che sono un ispessimento dell'epitelio celomatico del mesonefro. Le germinali che arrivano sull'epitelio celomatico proliferano insieme alle cellule somatiche e portano alla formazione dei cordoni sessuali.

Nelle creste genitali, queste cellule possono ancora diventare sia uovo che spermatozoo, sono cellule germinali bipotenti. Anche le gonadi sono inizialmente bipotenti. Solo in un secondo momento si ha il differenziamento in testicoli e i dotti primordiali, dotto di Wolf e dotto di Muller, rispettivamente maturano nel dotto deferente e degenerano. Invece, nella femmina degenera il dotto di Wolf e si mantiene quello di Muller.

Nel maschio, il cordone sessuale diventa cordone seminifero e poi tubi seminiferi, mentre nella femmina degenera, ma nascono i cordoni sessuali secondari da cui nascono i follicoli ovarici.

Attivazione genetica e differenziazione sessuale

La differenziazione in uno o nell'altro sesso si basa sull'attivazione genetica dovuta all'assetto cromosomico dell'individuo. Alla settima settimana di sviluppo si attivano, mediante cascata genica, vari geni in Y soprattutto SRY (attivo nelle cellule di Leydig) che produce il fattore di determinazione testicolare (TDF), indirizzando il differenziamento verso la gonade maschile. Se questo gene è assente, invece, si avrà il differenziamento verso la gonade femminile. SRY, infatti, attiva la produzione di testosterone e ormone antimulleriano che portano rispettivamente al differenziamento del testicolo e alla degenerazione del dotto di Muller. L'assenza dell'ormone antimulleriano, invece, porta alla degenerazione del dotto di Wolf e allo sviluppo dell'ovidotto che nella parte apicale prende contatto con l'ovaio permettendo la raccolta degli ovociti che lasceranno il compartimento ovarico dopo la maturazione.

SRY porta anche al differenziamento delle cellule di Leydig e di Sertoli (cellule somatiche del testicolo). Le cellule di Leydig sono cellule somatiche steroidogeniche, responsabili della produzione di testosterone che favorisce il differenziamento di gameti in senso maschile e la maturazione delle cellule del Sertoli. Le cellule di Sertoli sono invece cellule somatiche con funzione di supporto e producono l'ormone antimulleriano (AMH) che favorisce la degenerazione del dotto di Muller.

Inizio della spermatogenesi

La spermatogenesi inizia solo in una fase adulta (pubertà). Nella fase precedente si ha una moltiplicazione delle cellule che daranno origine ai gameti -> processo ottimizzato verso un aumento delle cellule prodotte. Più cellule sono prodotte, maggiore è la probabilità che ci siano cellule competenti. Nell'embrione quindi sono presenti solo spermatogoni che non sono ancora entrati in meiosi.

Struttura del testicolo

All'interno dei cordoni testicolare primitivi (la gonade maschile durante la vita fetale) si trovano:

• Cellule germinali primordiali staminali
• Cellule di sostegno: Sertoli, derivano dal mesoderma, attivatori ormonali che promuovono il differenziamento dei gameti.

Nel mesenchima delle gonadi si differenziano le cellule interstiziali, precursori delle cellule del Leydig, le quali sono stimolate dall'ipofisi a produrre testosterone per il differenziamento secondario della gonade maschile. Negli ultimi mesi della vita fetale fino alla pubertà, si ha una moltiplicazione delle cellule germinali primordiali, mentre con la pubertà inizia il differenziamento (comunque, a differenza della donna, rimane una componente staminale).

Fasi della spermatogenesi

Lo spermatogonio si divide inizialmente per mitosi (sei cicli mitotici) in cui la cellula assume un grado di differenziamento sempre maggiore. Dagli spermatogoni con il massimo grado di staminalità si osserva una mitosi bivalente che origina:

• Una cellula uguale a se stessa per mantenere il pool di staminale
• Spermatogonio Ad
• Ap

Quest'ultimo dà due spermatogoni di tipo B i quali, dividendosi per mitosi, non sono più in grado di rigenerare se stessi ma danno spermatociti primari che entrano in meiosi. Dopodiché, tramite la meiosi I, si generano due spermatociti secondari ciascuno dei quali, dopo meiosi II, genera due spermatidi. Queste sono cellule aploidi che devono maturare da un punto di vista morfologico per dare gli spermatozoi, attraverso un processo definito spermioistogenesi. Il rapporto tra spermatocita primario e spermatozoi maturi è di 1:3,5 in quanto c'è una piccola perdita cellulare dovuta a processi fisiologici. Il ciclo della spermatogenesi dura 65-75 giorni.

Struttura dei tubuli seminiferi

Spermatogenesi e spermioistogenesi avvengono nel testicolo. All'esterno, questo è ricoperto dalla tonaca albuginea con funzione di protezione e di recepire stimoli e avere scambi con l'ambiente extratesticolare, dato che è riccamente innervata. A sua volta, è ricoperta dalla tonaca sierosa. Sepimenti formati dalla tonaca albuginea dividono il testicolo in compartimenti detti lobuli che contengono 2-4 tubuli seminiferi, la componente interna del testicolo dove avviene la spermatogenesi.

I tubuli seminiferi hanno un diametro molto piccolo (200 micrometri di diametro, indipendente dalla specie) e sono lunghi 60-100 cm ciascuno nell'uomo per una lunghezza totale di 800 m, ripiegati all'interno dei lobuli. Si riuniscono nella rete testis che si collega ai dotti deferenti e quindi all'epididimo (testa, corpo, coda) legato al dotto deferente che prende contatto con l'apparato urinario. Questi canali diventano progressivamente più ampi e diminuiscono di numero.

I tubuli seminiferi sono circondati da tessuto fibrillare lasso. Ogni tubulo in sezione mostra le cellule in diversi stadi di differenziazione che poggiano su una membrana basale: dall'esterno all'interno abbiamo spermatogoni, spermatociti primari, secondari, spermatidi rotondi, spermatidi allungati, spermatozoi (dal più staminale al più maturo). Sono visibili anche le cellule del Sertoli, che poggiano sullo strato basale e che, avendo un citoplasma abbondante e allungato, prendono contatto con le cellule germinali a diversi stadi di differenziazione, contatto che viene perso solo durante il processo di spermiazione (spermatozoi rilasciati nel lume). Sono inoltre presenti diversi ponti citoplasmatici tra le stesse cellule germinali in diverse fasi di differenziazione al fine di garantire un'efficace comunicazione e scambio di materiale tra queste, tanto che si può parlare di un sincizio.

Cellule nello spazio interstiziale

Nello spazio interstiziale tra i tubuli troviamo:

• Cellule mioidi: hanno il compito di creare un movimento peristaltico che spinga gli spermatociti nel dotto escretore, poiché gli spermatozoi rilasciati per spermiazione all'interno del tubulo non sono ancora in grado di muoversi in modo autonomo
• Fibroblasti