La spermatogenesi è la gametogenesi maschile, cioè il processo di maturazione delle cellule germinali maschili che avviene nei testicoli quando l'individuo ha raggiunto la pubertà sotto lo stimolo degli ormoni FSH e testosterone. La spermatogenesi non è da confondere con la spermiogenesi che è la terza ed ultima fase della spermatogenesi stessa in cui avviene la differenziazione finale che porta allo sviluppo di spermatozoi maturi. La spermatogensi è l'analogo processo dell'ovogenesi per la donna, ma differisce da questa principalmente per le tempistiche dal momento che la produzione di spermatozoi comincia nella pubertà e dura per tutta la vita dell'individuo mentre l'ovogenesi comincia già prima della nascita salvo poi interrompersi e riprendere all'avvenuta maturazione sessuale dell'individuo per terminare alla menopausa. Al termine della spermatogenesi solo l'80% degli spermatozoi è normale, il restante 20% è costituito da spermatozoi funzionalmente o morfologicamente anomali. La spermatogenesi avviene all'interno dei testicoli e più precisamente nei tubuli seminiferi che sono condotti a fondo cieco che confluiscono nei tubuli seminiferi retti. I tubuli retti finiscono poi per anastomizzarsi nella rete testis da cui partono 15-20 dotti efferenti che si immettono nell'epididimo che continua poi nel canale deferente. La parete di questi tubuli seminiferi è formata da cellule di sostegno, denominate cellule del Sertoli e svariate cellule germinali rappresentate dagli elementi che compongono le varie tappe della spermatogenesi. Della durata di circa 64 giorni la spermatogenesi inizia con la divisione cellulare di cellule indifferenziate e residenti vicino alla lamina basale del tubulo seminifero (spermatogoni) che, con un susseguirsi di mitosi e meiosi, portano alla formazione di cellule mature (spermatozoi) che si distaccano dalla parte più luminale della parete tubulare. Le cellule germinali, quindi, seguono un processo che le porta dalle regioni più marginali della parete verso le regioni più apicali fino al rilascio all'interno del lume del tubulo.
Le cellule che entrano
in gioco nella spermatogenesi si dividono in due grandi gruppi: cellule germinali
e cellule non germinali. Le prime sono costituite dagli spermatozoi e
dai loro precursori; le seconde da cellule che non costituiscono precursori e non
diventano mai gameti, ma da cellule con funzioni trofiche e regolatorie. Le cellule
germinali primordiali che colonizzano le gonadi maschili si organizzano in strutture
cave definite tubuli seminiferi, la cui parete è data da cellule somatiche
chiamate cellule del Sertoli. Al di fuori del tubulo seminifero, nella compagine
del connettivo che lo avvolge, si rinvengono le cellule del Leydig che producono
testosterone. In questa situazione, le cellule germinali, rappresentate da
spermatogoni di tipo Al, che hanno già subito una fase di moltiplicazione cellulare
nel corso dell'organogenesi, restano quiescenti fino alla maturità sessuale. Le
cellule del Sertoli sono in stretto contatto tra loro nella porzione basale
attraverso giunzioni occludenti che nell'insieme formano la barriera emato-testicolare.
La presenza di tale barriera fa sì che il tubulo seminifero sia organizzato in due
compartimenti:
-compartimento basale in cui sono ospitati gli spermatogoni e gli spermatociti
leptotenici,
-compartimento adluminale in cui sono ospitati gli spermatociti più maturi, gli
spermatidi e gli spermatozoi.
La barriera emato-testicolare ha diversi significati funzionali- la sua presenza
infatti permette di mantenere microambienti diversi tra i due compartimenti in modo
da favorire in quello adluminale la meiosi e la spermioistogenesi, oltreché impedire
possibili esposte immunologicjie in seguito all'esposizione di antigeni germinali
o il passaggio di macromolecole provenienti dal compartimento adluminale nella circolazione
sanguigna dell'animale.
Le cellule del Sertolì svolgono anche altre funzioni quali:
-sostegno meccanico per le cellule germinali, le quali sono infatti impilate lungo
la parete laterale delle cellule del Sertoli secondo il loro grado di maturazione,
avvolte da un sistema di prolungamenti citoplasmatici delle cellule del Sertoli,
-attività fagocitarla nei confronti di cellule germinali degenerate e di
corpi residuali,
-attività endocrina (ABP, inibina, fattore antimùlleriano).
Fanno parte delle cellule germinali i precursori, costituiti dagli spermatogoni,
spermatociti e spermatidi, e gli spermatozoi.
Il fenomeno della spermatogenesi nei Mammiferi può essere suddiviso in tre fasi:
Fase mitotica di moltiplicazione e maturazione degli spermatogoni A e
B, in cui le cellule germinali vengono attivate e attraverso una serie di divisioni
mitotiche producono cloni di cellule denominate spermatogoni di tipo A1,A2,A3
ed A4. Gli spermatogoni intermedi, derivanti dagli spermatogoni A4, dividendosi
formano spermatogoni di tipo B, che sono in grado di iniziare la meiosi evolvendo
in spermatociti primari. Gli spermatogoni sono le cellule più indifferenziate
e posti verso la lamina basale del tubulo seminifero. Presentano 12 µm di diametro
e sono suddivisibili in tre tipi:
- spermatogoni A: costituiscono le cellule staminali, cioè le cellule in
continua mitosi che non procedono nel processo differenziativo e si suddividono
ulteriormente in: spermatogoni AD (da dark, scuro): sono cellule staminali o spermatogoni
di riserva vista la loro posizione estremamente lontana dal lume del tubulo seminifero
e dalle loro divisioni poco frequenti che possono portare o alla formazione di altri
AD o alla creazione di spermatogoni AP;
- spermatogoni AP (da pale, chiaro): sono gli spermatogoni che riproducendosi
portano alla formazione di spermatogoni più differenziati, fino ad arrivare
agli spermatogoni B che sono l'ultima tappa prima degli spermatociti;
- spermatogoni B: sono gli spermatogoni successivi, dal punto di vista maturativo,
a quelli di tipo A e costituiscono le cellule progenitrici degli spermatociti.
Dal punto di vista cromosomico, tutti gli spermatogoni sono cellule diploidi.
Gli spermatociti sono le cellule che vanno incontro a meiosi e
che quindi, partendo da un corredo cromosomico diploide, generano cellule
aploidi. (cfr ciclo cellulare) Sono
due i tipi di spermatociti:
- spermatociti primari o di primo ordine: sono quelli che derivano direttamente
dagli spermatogoni B e che vanno incontro alla prima divisione meiotica. Durante
questa meiosi la profase dura circa 22 giorni ed è il motivo per cui sono le cellule
maggiormente presenti nei vetrini istologici. Sono cellule diploidi.
- spermatociti secondari o di secondo ordine: sono il risultato della prima
divisione meiotica degli spermatociti primari, hanno un vita molto breve e sono
cellule aploidi.
Meiosi è il processo in cui si assiste al passaggio da spermatociti primari a spermatidi. ogni spermatocita di primo ordine o primario duplica il proprio DNA e subito dopo inizia la divisione meiotica. Con la prima divisione meiotica da ogni spermatocita di primo ordine si formano due spermatociti di secondo ordine o secondari, cellule aploidi per numero di cromosomi, ma con quantità 2c di DNA in quanto ogni cromosoma è ancora costituito da due cromatidi. Con la seconda divisione meiotica ogni spermatocita di secondo ordine si divide in due spermatidi, cellule completamente aploidi (avendo ricevuto ognuna un cromatide di ogni cromosoma) ma ancora indifferenziate.
Gli spermatidi sono le cellule che risultano dalla seconda divisione meiotica
e derivanti dagli spermatociti secondari. L'aspetto degli spermatidi è tondeggiante
e non molto dissimile dagli spermatociti secondari: il nucleo è più piccolo, mentre
l'apparato di Golgi presenta la vescicola acrosomiale. Gli spermatidi andranno incontro
alla spermiogenesi per trasformarsi in spermatozoi.
Spermioistogenesi in cui gli spermatidi si trasformano in spermatozoi. E'
distinta in 4 fasi:
- fase del Golgi in cui dall'omonimo apparato, si forma un granulo acrosomico
avvolto da membrana;
- fase del cappuccio, in cui la vescicola acrosomica va a rivestire i 2/3
anteriori del nucleo mentre dal centriolo distale comincia a formarsi il flagello;
- fase dell'acrosoma in cui il nucleo si sposta alla periferia della cellula,
la cromatina si addensa, i mitocondri si organizzano intorno alla parte prossimale
del flagello;
- fase di maturazione in cui nucleo ed acrosoma assumono la forma tipica
della specie per l'azione di una struttura microtubulare detta manchette, mentre
la maggior parte del citoplasma (corpo residuale) è fagocitata dalle cellule del
Sertoli.
Nei Mammiferi la lunghezza degli spermatozoi varia da 40 a 250 micron, considerando
un nemaspermio di mammifero possiamo distinguere:
-una testa che contiene nucleo ed acrosoma (contenente spermiolisine per la digestione
della matrice della corona radiata e acrosina per la digestione della zona pellucida),
-un collo dove si trovano i centrioli di cui il distale origina il flagello,
-una coda divisibile nei tratti intermedio (assonema, guaina fibrosa, guaina mitocondriale),
principale (assonema, guaina fibrosa) e terminale (assonema).
Sotto lo stimolo dell'ormone ipotalamico FSH/LH-RH, l'adenoipofisi rilascia
FSH ed LH. L'FSH agisce sulle cellule del Sertoli stimolandole a produrre
Androgen Binding Protein (ABP), una proteina che ha alta affinità per il testosterone
e ne favorisce la concentrazione nel comparto adluminale del tubulo seminifero.
L'LH agisce sulle cellule pel Leydig stimolandole a produrre testosterone.
Questo giunto alle cellule del Sertoli viene trasformato in deidrotestosterone.
L'aumento della concentrazione del deidrotestosterone stimola le cellule del Sertoli
a produrre inibina, un ormone che agisce a livello della adenoipofisi inibendo la
produzione di FSH. Analogamente l'aumento della concentrazione ematica di testosterone
agisce, con un meccanismo di feed-back negativo, sull'ipotalamo che diminuisce la
produzione di FSH/LH-RH con un conseguente effetto negativo sulla produzione di
testosterone ed ABP. Gli spermatozoi maturi si staccano dalle cellule del
Sertoli e vengono immessi nel lume del tubulo seminifero, attraversano la rete testis
del testicolo e raggiungono l'epididimo dove la loro motilità viene incrementata
da un processo di maturazione mediante cambiamenti morfo-fisiologici quali la rimozione
della goccia protoplasmatica e modificazioni nella composizione della membrana plasmatica
, lai loro capacità fecondante viene tuttavia resa latente dal fattore di decapacitazione
secreto dalle cellule a pennacchio dell'epididimo stesso. Dopo il passaggio attraverso
l'epididimo gli spermatozoi si arricchiscono del liquido secreto dalle ghiandole
annesse alle vie genitali maschili. L'insieme degli spermatozoi e del liquido prodotto
da tali ghiandole, costituisce il liquido seminale o sperma prodotto in quantità
e consistenza diversa nelle differenti specie animali. Gli spermatozoi maturi vengono
stoccati nella coda dell'epididimo prima di essere eiaculati. La maggior parte degli
spermatozoi non eiaculati viene gradualmente eliminata attraverso : il sistema urinario;
la piccola percentuale che resta nell'epididimo va incontro a degenerazione e viene
fagocitata. Gli spermatozoi dei Mammiferi acquietano la capacità. Si fecondare solo
nel loro percorso lungo le vie genitali femminili, dove vanno incontro ad un processo
di capacitazione attraverso una serie di modificazioni della membrana che facilita
la reazione acrosomiale.