精子形成

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精子形成 は、精子が有糸分裂および減数分裂を通して雄の始原生殖細胞から産生されるプロセスである。この経路における初期の細胞は精原細胞で、それが有糸分裂をし、一次精母細胞ができる。一次精母細胞は、二つの二次精母細胞に減数分裂(減数分裂第一分裂)する。

それぞれの二次精母細胞が減数分裂第二分裂をし、2つの精細胞に分かれる。精細胞は成熟し、精子に分化する。このように、一次精母細胞から、2つの二次精母細胞を生じ、それらがさらに分裂し、4つの二次精母細胞になり、それぞれが4つの精子となる。[1]

精子は、多くの有性生殖生物において成熟した雄の配偶子である。男性における精子形成は、女性においては卵形成であり、どちらも配偶子形成といわれる。哺乳類では、段階的に、男性の精巣の精細管で分化する。精子形成が正常に行われるためには、最適な条件である必要があり、有性生殖に必須である。 DNAの、メチル化およびヒストン修飾は、このプロセスの調節に関与している。[2] 年齢の増加とともにつくられる精子の量はわずかに減るが、精子形成は思春期からはじまり、個体が死ぬまで中断することなく継続される。男性不妊の項目も参照。

目的[編集]

精子形成は、接合体として知られている、成熟した雄の配偶子、精子を生成する。精子は女性の配偶子、卵と受精し、接合体として知られている受精卵をつくる。これは、有性生殖の基礎である。2つの配偶子は両方とも半数体であり、染色体の通常の半分のセットをもっている。受精し、染色体が正常(二倍体)受精卵になる。正常の染色体の数は種間で異なる。子孫の染色体の数を正常に保持するには、それぞれの配偶子は、他の体細胞に存在する染色体の半分の数をもっている必要がある。配偶子が体細胞と同じ染色体数をもっていれば、子孫は染色体の数が通常の2倍になり、深刻な異常が生じる可能性がある。ヒトでは、染色体異常は先天性の遺伝子疾患(ダウン症候群クラインフェルター症候群)で、胎児の自然流産につながることも多い。精子形成の段階で染色体数に異常があればこういった疾患につながる。

所在[編集]

精子形成は、男性生殖器系のいくつかの構造内で行われる。初期段階は精巣内で起こり、その後、精巣上体へ移る。精巣上体では、配偶子が成熟し、射精するまで保存される。精巣の精細管から、これらの過程は起こる。精細管の壁側には、幹細胞があり、そこから分裂が始まり、管の最も内側の部分に進むに従って、発生が進む。成熟は精巣上体で起こる。成熟した精子を生成するために、精子形成の過程は37°C(通常の体温)より1℃-8℃低い温度を必要とするため、精巣や陰嚢の温度が特に重要である。[3] 精巣や陰嚢が身体からぶらさがっているような構造をしていることは、温度をコントロールする上で重要である。臨床的には、小さな温度の変動は、精子の生存率や数の減損にはつながらない。[4]

期間[編集]

人間の場合は、精子形成の過程全体は74日[5][6] (トリチウム標識生検による)から、約120日[7] (DNAクロック測定による)かかると推定されている。管などをとおる時間も含めると、3ヶ月を要す。精巣は毎日2から3億生成されている。[8] しかし、約半分、または1億のみが、成熟した精子になる。[9]

ステージ[編集]

精子形成の過程の各々の段階は、細胞の種類で分けることができる。次の表のように、倍数性、コピー数および染色体数、細胞にふくまれるDNA量、細胞分裂の種類などで区分できる。一次精母細胞は、DNA合成の後に細胞分裂を行う。

セルタイプ 倍数性/ヒトでの染色体数 DNAコピー数/ヒトでの染色体数 後におこなう過程
精原細胞 spermatogonium 二倍体(2N)/46 2C/46 spermatocytogenesis (細胞分裂)
一次精母細胞 primary spermatocyte 二倍体(2N)/46 4C/2x46 spermatidogenesis (一次減数分裂)
二次精母細胞 two secondary spermatocytes 一倍体(N)/23 2C/2x23 spermatidogenesis(二次減数分裂)
精細胞 four spermatids 一倍体(N)/23 C/23 spermiogenesis 精子形成
精子 spermatozoids 一倍体i(N)/23 C/23 spermiation 排精

精母細胞形成 Spermatocytogenesis[編集]

精子形成のメカニズム、精原細胞spermatogonium、一次精母細胞primary spermatocytes、二次精母細胞secondary spermatocytes、精細胞spermatids、精子Sperm
精子形成の概念図

精母細胞形成は生殖母細胞の形成の男性の形態であり、遺伝物質の通常の半分、つまり半数体である精細胞の形成をもたらす。精母細胞形成では、精細管の基底部分に存在する二倍体である精原細胞は体細胞分裂を行い、一次精母細胞と呼ばれる2つの二倍体の細胞を産生する。一次精母細胞は、その後、精細管の管の内部に移動し、DNAを複製し、その後、減数分裂をおこない、半数体の二次精母細胞となる。減数分裂では、配偶子の遺伝的変異性を高めるために、両親から受け継いだ染色体をランダムに分配し、また、相同染色体どうしを交差させるなどの遺伝的変異がおこる。

精細胞への精原細胞からの分裂では、それぞれの細胞が完全には分離しない。細胞は、同期して分化できるように、細胞質が橋渡しされ、相互に接続されたままになっている。また、精原細胞が分裂するとすべての細胞が、精母細胞となるわけではない。そうなった場合は、精原細胞がなくなってしまう。そうならないように、精原細胞は、確実に自分自身のコピーを生成するためにも体細胞分裂をおこなう。[10]

減数分裂第二分裂 Spermiogenesis[編集]

減数分裂第二分裂により、二次精母細胞から精細胞がつくられる。二次精母細胞が減数分裂第二分裂をして、半数体の精細胞となる。この段階はすばやく進むため、二次精母細胞はほとんどの組織学的観察では観察されない。

精子形成 Spermiogenesis[編集]

精子形成の間に、精細胞は、基礎になる中心小体から、細長く微小管が成長し、精子の尾部を形成し始める。これらの微小管は、べん毛を形成する。ミトコンドリアはエネルギー供給を確保するために、べん毛の周囲に配置され、尾部の前方部分が厚くなり、中片といわれる。精細胞DNAはまた、高度に凝縮されて、パッケージングされる。 DNAは、特定の核塩基性タンパク質によりまずパッケージ化され、その後、そのタンパク質は精細胞の伸長時に プロタミン といわれるタンパク質で置換される。得られた密集したクロマチンは転写されることはない。ゴルジ装置は、先体になり、凝縮核を取り囲む。

その後、成熟がテストステロンの影響下で起こる。テストステロンは、残りの不要な細胞質と細胞小器官を除去する。残留体として知られている過剰な細胞質は、精巣中で囲まれているセルトリ細胞により貪食される。得られた精子は成熟しているが、運動性はない。排精と呼ばれるプロセスで精細管の内腔に保護セルトリ細胞から放出される。

非運動性の精子が蠕動収縮の助けを借りてセルトリ細胞によって分泌され、精巣液中の精巣上体に輸送される。精巣上体における精子は運動性を獲得し、受精できるようになる。しかし、男性の生殖器系の残りの部分は、成熟した精子が、筋肉の収縮の助けではなく、自ら獲得した運動により移動しないといけない。

セルトリ細胞の役割[編集]

精巣内のセルトリ細胞(赤)と精母細胞(青)の組織の標識図。精原細胞は、管腔の壁側に付いている。

分化のすべての段階で、精子になる細胞は、セルトリ細胞と密接に接触している。セルトリ細胞は分化途上の精細胞に構造的および代謝のサポートすると考えられている。単一のセルトリ細胞が、精細管の内腔への基底膜から延びている。セルトリ細胞は、次の方法で分化途上の配偶子をサポートし、精子形成に多くの機能を果たす。

  • 血液精巣関門を構築することで、分化および成熟のために必要な環境を維持し
  • 減数分裂を開始する物質を分泌し
  • 精巣周辺の体液を維持する分泌物を出す。
  • アンドロゲン結合タンパク質(ABP)を分泌する。ABPは、分化途上の配偶子に近接しテストステロンを濃縮する。テストステロンは、生殖器官の維持のために高濃度に必要とされる。ABPによる高い濃縮がなければ不妊になる。
  • 精子形成の下垂体の制御に影響を与えるホルモン、特にポリペプチドホルモンであるインヒビンを分泌する。
  • 精子形成の際に、残留する細胞質を貧食する。
  • 抗ミュラー管ホルモンを分泌し、ミューラー管の形成を防ぐ。[11]
  • 血液精巣関門を形成することで、男性の免疫系から精細胞を保護する。
  • 細胞間接着であるICAM-1、および可溶性ICAM-1は、血液精巣関門を形成する密着結合に拮抗作用を有する分子。[12] ICAM-2分子がルーメン壁と、精細胞との、接着を調節する。[12]

要因影響[編集]

精子形成のプロセスは、環境の変動、特にホルモンや温度に非常に敏感である。テストステロンは、精細管に存在するアンドロゲン結合タンパク質に結合され、局所的に高濃度にされる。それは精子形成の過程に必要とされる。テストステロンは、精細管に隣接しているライディッヒ細胞といわれる間質細胞によって産生される。精上皮は、ヒトや他の動物で、高温に弱く、正常体温より高温で悪影響を受ける。そのため、精巣は陰嚢といわれる皮膚の袋に包まれ、身体の外側にぶらさがっている。最適温度は2℃(男性)~8℃、体温より低い温度(マウス)に維持される。これは、精巣挙筋と肉様膜陰嚢における平滑筋により、身体から離されたり近づいたりすることや、血流[13] によって調整される。アナボリックステロイド、金属(カドミウム、鉛)、(例えばビタミンB、EおよびAなど)栄養欠乏、X線への被曝、ダイオキシン、アルコール、および感染症も精子形成の速度に悪影響を与える。[要出典] また雄生殖細胞系は、酸化ストレスによって引き起こされるDNA損傷に感受性であり、この損傷は、おそらく、受精および妊娠に大きな影響をもつ。[14] 殺虫剤への曝露も、精子形成に影響を与える。[15]

ホルモン制御[編集]

精子形成のホルモン制御は、種によって異なる。ヒトではメカニズムは完全には理解されていない。しかし精子形成の開始が、視床下部、下垂体とライディッヒ細胞との相互作用で思春期に起こることが知られている。下垂体が除去されている場合、精子形成は、卵胞刺激ホルモン(FSH)およびテストステロンによって開始させることができる。[16] FSHとは対照的に、LHは、生殖腺のテストステロン産生を誘導する精子形成には役割を果たさない。[16][17]

FSHはセルトリ細胞によるアンドロゲン結合タンパク質(ABP)の生産、および血液精巣関門の形成の両方を刺激する。 ABPは、精子形成を維持するのに十分に高いレベルのテストステロンを濃縮するために不可欠である。精巣内テストステロン濃度は、健康な男性の間で5〜10倍の幅があるものの、血液中に見られる濃度よりも20-100または50-200倍高い。[18][19] FSHは精巣でテストステロンをとらえ濃縮させることができるが、テストステロンは、精子形成の分化の維持に一度だけ必要とされる。[16] しかし、FSHが増加すると、タイプAの精原細胞のアポトーシスを防止することにより精子の産生を増加させる。ホルモンであるインヒビンはFSHのレベルを減少させるように作用する。げっ歯類のモデル生物からの研究により、性腺刺激ホルモン(LHおよびFSHの両方)は、アポトーシスを促進させるシグナルを抑制することにより、精子形成のプロセスをサポートし、精子形成細胞の生存を促進する、ことが示唆されている。[20]

セルトリ細胞自体はホルモン産生を介して精子形成の一部を媒介する。セルトリ細胞は、ホルモンである、エストラジオールおよびインヒビンを産生することができる。ライディッヒ細胞は、主にテストステロンを産生し、エストラジオールも産生することができる。エストロゲンは、動物における精子形成のために必須であることが見出されている。[21][22] エストロゲン非感受性症候群(ERαが欠損)の男性は、精子の生存能力は異常に低いが、通常の精子の数はあった。彼が不妊かどうかは不明。[23] 高すぎるエストロゲンのレベルは、性腺刺激ホルモン分泌の抑制および、精巣内のテストステロン産生の過剰の原因になり、精子形成に有害である可能性がある。[24] プロラクチンはまた、精子形成に重要であると思われる。[17]

出典[編集]

  1. ^ The Spermatozoön, in Gray's Anatomy”. 2010年10月7日閲覧。
  2. ^ Song, Ning (2011年). “Immunohistochemical Analysis of Histone H3 Modifications in Germ Cells during Mouse Spermatogenesis”. Acta Histochemica et Cytochemica 44 (4): 183–90. doi:10.1267/ahc.11027. PMC 3168764. PMID 21927517. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=3168764. 
  3. ^ "scrotum".
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参考文献[編集]

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関連項目[編集]

外部リンク[編集]