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25.1: Spermatogenese
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Spermatogenesis
 
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25.1: Spermatogenesis

25.1: Spermatogenese

Spermatogenesis is the process by which haploid sperm cells are produced in the male testes. It starts with stem cells located close to the outer rim of seminiferous tubules. These spermatogonial stem cells divide asymmetrically to give rise to additional stem cells (meaning that these structures “self-renew”), as well as sperm progenitors, called spermatocytes. Importantly, this method of asymmetric mitotic division maintains a population of spermatogonial stem cells in the male reproductive tract, ensuring that sperm will continue to be produced throughout a man’s lifespan. As spermatogenesis proceeds, spermatocytes embark on meiosis, and each ultimately divides to form four sperm—each with only 23 chromosomes— that are expelled into the male reproductive tract. Interestingly, this is in contrast to oogenesis in women, during which only a single egg is generated for every progenitor cell.

Spermatogenesis and Capacitation

At the end of spermatogenesis, sperm demonstrate their characteristic shape: a “head” harboring minimal cytoplasm and a highly condensed nucleus, as well as a motile tail (flagellum). They are small cells, with no organelles such as ribosomes, ER or Golgi, but do have many mitochondria around the flagellum for power. Just below the head is the acrosomal vesicle which contains hydrolytic enzymes to penetrate the egg outer coat—the contents are released by exocytosis.

Sperm cells endure an additional maturation process after spermatogenesis termed capacitation. Interestingly, capacitation only occurs in sperm once these cells have been introduced into the female genital tract. Here, components of the female environment—like mucus—elicit critical changes in these gametes, among them the removal of cholesterol from their membranes. This enables different molecules to enter into sperm, such as bicarbonate ions, which can activate new proteins and increase tail movements. Such rigorous motions help sperm to navigate towards, and ultimately infiltrate, the thick protein-based zona pellucida surrounding an egg cell. In addition, cell membrane alterations lead to an increase in the concentration of calcium ions in sperm, which is also necessary for zona pellucida penetration. Thus mature sperm, demonstrating rapid tail activity and the ability to locate, bind and penetrate an egg, require the unique conditions of the female reproductive organs.

Factors that Affect Spermatogenesis

Several factors can affect sperm production. One well-documented influence is exposure to heat in the scrotum: men shown to sit for long periods of time (like cab drivers) or metal welders demonstrate increased risk of infertility or sperm with decreased motility. In addition to temperature, certain drugs have also been determined to have adverse effects on spermatogenesis. These include hormone antagonists used to address prostate conditions, cancer treatments, and even specific antibiotics. As a result, some professionals are emphasizing the need to warn men of the effects of these drugs on their reproductive health, rather than only focusing on what medications a woman planning a pregnancy should avoid.

Die Spermatogenese ist der Prozess, durch den haploide Spermien in den männlichen Hoden produziert werden. Er beginnt mit Stammzellen, die sich in der Nähe des äußeren Randes der Samenkanälchen befinden. Diese spermatogonalen Stammzellen teilen sich asymmetrisch, um zusätzliche Stammzellen (d.h. Selbsterneuerung) sowie Spermienvorläufer, die so genannten Spermatozyten, zu erzeugen. Wichtig ist, dass diese Methode der asymmetrischen mitotischen Teilung eine Population von spermatogonalen Stammzellen im männlichen Fortpflanzungstrakt aufrechterhält. Dadurch wird sichergestellt, dass während der gesamten Lebensspanne des Mannes weiterhin Spermien produziert werdens. Im Verlauf der Spermatogenese beginnen die Spermien mit der Meiose und teilen sich schließlich zu vier Spermien mit jeweils nur 23 Chromosomen, die in den männlichen Fortpflanzungstrakt ausgestoßen werden. Interessanterweise steht dies im Gegensatz zur Oogenese bei Frauen, bei der für jede Vorläuferzelle nur eine einzige Eizelle erzeugt wird.

Spermatogenese und Kapazitation

Am Ende der Spermatogenese entwickeln die Spermien ihre charakteristische Form: einen Kopf der ein minimales Cytoplasma und einen stark verdichteten Nucleus sowie einen beweglichen Schwanz (Flagellum) beherbergt. Es handelt sich um kleine Zellen ohne Organellen wie z. B. Ribosomen, ER oder Golgi. Sie haben jedoch viele Mitochondrien um das Flagellum herum, die für Kraft sorgen. Direkt unter dem Kopf befindet sich das Akrosom-Vesikel. Dieses enthält hydrolytische Enzyme, um die Eihülle zu durchdringen. Ihr Inhalt wird durch die Exozytose freigesetzt.

Die Spermien durchlaufen nach der Spermatogenese einen zusätzlichen Reifungsprozess, der als Kapazitation bezeichnet wird. Interessanterweise tritt die Kapazitation bei den Spermien erst dann auf, wenn diese Zellen in den weiblichen Genitaltrakt gelangen. Hier lösen Bestandteile der weiblichen Umwelt Veränderungen in diesen Keimzellen aus. Hierzu gehört die Entfernung von Cholesterin aus ihren Membranen. Dadurch können verschiedene Moleküle in die Spermien eindringen, wie z.B. Bicarbonat-Ionen, die neue Proteine aktivieren und die Schwanzbewegungen verstärken können. Solche intensiven Bewegungen helfen den Spermien, sich in Richtung der dicken, proteinbasierten zona pellucida, die eine Eizelle umgibt, zu bewegen und schließlich in diese einzudringen. Darüber hinaus führen Veränderungen der Zellmembran zu einer Erhöhung der Kalziumionenkonzentration in den Spermien, was ebenfalls für die Penetration derzona pellucida notwendig ist. Daher erfordern reife Spermien, die eine schnelle Schwanzaktivität und die Fähigkeit zur Lokalisierung, Bindung und Penetration einer Eizelle zeigen, die einzigartigen Bedingungen der weiblichen Fortpflanzungsorgane.

Faktoren, welche die Spermatogenese beeinflussen

Spezielle Faktoren können die Spermienproduktion beeinflussen. Ein gut dokumentierter Einfluss ist die Hitzeeinwirkung im Hodensack: Männer, die nachweislich lange sitzen (wie Taxifahrer) oder Metallschweisser, weisen ein erhöhtes Risiko für Unfruchtbarkeit oder Spermien mit verminderter Beweglichkeit auf. Neben der Temperatur wurde auch festgestellt, dass bestimmte Medikamente negative Auswirkungen auf die Spermatogenese haben. Dazu gehören Hormonantagonisten, die zur Behandlung von Prostataerkrankungen eingesetzt werden, Krebsbehandlungen und sogar spezifische Antibiotika. Daher betonen einige Fachleute die Notwendigkeit, Männer vor den Auswirkungen dieser Medikamente auf ihre reproduktive Gesundheit zu warnen, anstatt sich nur darauf zu konzentrieren, welche Medikamente eine Frau, die eine Schwangerschaft plant, vermeiden sollte.


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