Существование двух полов осложняет генетику и биологию эмбрионального развития: необходима стратегия эмбриогенеза, которая может генерировать два физиологически отличных типа зрелых организмов у каждого вида. У плацентарных млекопитающих раннее развитие эмбрионов одинаково у обоих полов вплоть до стадии плода, когда самцы и самки встают на разные траектории развития. Дивергенция проявляется в формировании семенников и яичников соотв.

Хотя семенники и оварии являются функциональными аналогами и возникают из общей примордиальной структуры, генитального гребня, они удивительно отличные органы и их развитие управляется разными программами регуляции генов и клеточной организации. Идентификация гена, детерминирующего развитие семенников у млекопитающих Sry (Gubbay et al. 1990; Sinclair et al. 1990;Koopman et al. 1991) дало толчок молекулярным исследованиям развития Семеников. Успехи, достигнутые в этом направлении рассмотрены в др. обзорах (Brennan and Capel 2004; Wilhelm et al. 2007b; Eggers and Sinclair 2012; Quinn and Koopman 2012; Warr and Greenfield 2012) и не будут рассматриваться здесь.

Параллельно с молекулярными исследованиями, разрабатывалась техника это привело к оценке архитектуры хорошо организованной ткани развивающихся семенников. Клеточное строительство семенников теперь хорошо известно (Fig. 1) , благодаря доступности антител и зондов, распознающих специфические маркеры для большинства из компонентов типов клеток. Как эти типы клеток собираются в функциональный орган остается активной областью исследований. Становится ясным, что развитие семенников осуществляется по многим путям, что может служить примером для развития и др. органов, механизмы инкорпорации для определения формы, размера и внутренней архитектуры органа, васкуляризации и физические, гормональные и нейральные взаимодействия с др. тканями. С др. стороны, развитие семенников необычно в нескольких аспектах. Во-первых, некоторые участвующие клеточные клоны являются бипотенциальными, т.к. генитальные гребни д. быть способны дифференцироваться в семенники или оварии в зависимости от поступаемых сигналов. Во-вторых, дифференцировка клонов этих клеток не осуществляется независимо, а вместо этого следует вслед за дифференцировкой клеток Сертоли, которые затем организуют поведение всех остальных типов клеток (Fig. 2; Burgoyne et al. 1995). Наконец, семенники образуются из комбинации внутренних предшественников и иммигрирующих клеток, таких как зародышевые клетки. Figure 1 и 2.

Здесь мы рассмотрим современное состояние знаний, полученных в основном в исследованиях на мышах, относительно происхождение, ранней дифференцировки, взаимодействия и функции клеточных клонов в семенниках плодов млекопитающих. Обсуждение этих вопросов составит основу для дальнейших исследований клеточной биологии и тканевого морфогенеза семенников, предоставляя глубокую оценку потенциальных причин дисморфологии семенников и предоставляя точку отсчета для сравнительных исследований развития семенников у не млекопитающих видов и для более широкого органогенеза, включая довольно мистический процесс морфогенеза яичников.

The beginnings of gonad formation

The bipotential gonadal primordia

У мышей генитальные гребни впервые появляются между 10 и 10.5 днем post-coitum (dpc) в виде региональных утолщений эпителия, лежащего поверх вентро-медиальной поверхности мезонефросов, двух параллельных структур, расположенных дорсально в целомической полости, каждая идет по оси голова-хвост эмбриона (Fig. 3). Установлено, что пролиферация целомического эпителия, покрывающего каждый из мезонефросов, приводит к выросту генитального гребня (Merchant 1975; Pelliniemi 1975; Karl and Capel 1998;Schmahl et al. 2000) и что мезенхима генитального гребня образуется за счет комбинации вторжения клеток целомического эпителия, рекрутирования клеток из соседних мезонефросов и пролиферации. Главным образом благодаря исследованиям нокаутных мышей, некоторые гены - включая Lhx9, Emx2, Wt1, Cbx2, Nr5a1,Six1/4 и гены, кодирующие инсулиновые рецепторы Igf1r/Irr/Ir - участвуют в становлении бипотенциальных генитальных гребней у обоих полов (Kreidberg et al. 1993; Luo et al. 1994; Miyamoto et al. 1997; Katoh-Fukui et al. 1998; Birk et al. 2000; Nef et al. 2003; Fujimoto et al. 2013). Figure 3.

Отсутствуют морфологические отличия между генитальными гребнями XX и XY эмбрионов. Более того, XY генитальные гребни могут быть индуцированы дифференцироваться как яичники при делеции или аномальной функции способствующих образованию семенников генов Sry и Sox9, а XX генитальные гребни могут быть принуждены развиваться как семенники с помощью принудительной экспрессии этих генов (Koopman et al. 1991; Foster et al. 1994; Wagner et al. 1994; Huang et al. 1999;Vidal et al. 2001; Chaboissier et al. 2004; Barrionuevo et al. 2006). Эти наблюдения подтверждают концепцию, что типы клеток генитального гребня д. быть в равной степени способны давать семенники и яичники. В нормальных условиях цепочка молекулярных событий, ведущая к развитию яичников должна продолжаться до тех пор, пока не произойдет дивергенция за счет действия Sry. В этом смысле судьба яичников может рассматриваться как самопроизвольная ("default"), не нуждающаяся в специальных генах или клеточной активности, чтобы создавать яичники: очевидно, что развитие как яичников, так и семенников использует активные пути молекулярной регуляции и то каждый путь противостоит один др. (Nef et al. 2005; Kim et al. 2006; Ottolenghi et al. 2007; Jameson et al. 2012a,b).

Primordial germ cell specification and gonadal colonization

В отличие от соматических клеток из семенники плодов примордиальные зародышевые клетки возникают далеко от свой финальной локализации. Они возникают внутри проксимальной части эпибласта и первоначально образуют кластер в основании зарождающегося аллантоиса с 6.25 dpc у мышей (Lawson and Hage 1994; Ying et al. 2000; Ying and Zhao 2001). С ~7.5 dpc, зародышевые клетки перемещаются из задней части первичной полоски в в расположенную ниже эмбриональную энтодерму, после этого они становятся подвижными и мигрируют кпереди через заднюю кишку в направлении будущего генитального гребня с 8.0 по 10.5 dpc (Anderson et al. 2000;Molyneaux et al. 2001; Hara et al. 2009). Это активное перемещение использует несколько сигналов наведения (Richardson and Lehmann 2010), включая Kitl/Kit (Mauduit et al. 1999), Cxcl12/Cxcr4 (Molyneaux et al. 2003), Foxc1 (Mattiske et al. 2006), Lhx1(Tanaka et al. 2010), Wnt5a (Chawengsaksophak et al. 2012), и Ror2 (Laird et al. 2011), и возможно также дополнительные сигналы от нервных клеток, развивающихся вдоль пути миграции (M?llg?rd et al. 2010). Около 10 dpc, зародышевые клетки наконец достигают и оккупируют генитальные гребни, мигрируя кпереди через мезентерий задней кишки. Предполагается, что длинная и узкая структура генитальных гребней является важной для отлавливания мигрирующих зародышевых клеток, которые широко разбросаны вдоль задней кишки (Harikae et al. 2013). В этом месте зародышевые клетки теряют свою подвижность и поляризованную морфологию (Baillie 1964; Donovan et al. 1986) и обозначаются как гоноциты.

Дифференцировка семенников нуждается в тщательном контроле, чтобы не начаться до тех пор, пока все зародышевые клетки не достигнут гонад, поскольку зародышевые клетки должны быть заключены в соматические тяжи семенников. Удивительно, что образование тяжей не зависит от присутствия зародышевых клеток в качестве пускового механизма. Многочисленные дефицитные по зародышевым клеткам мышиные модели, включая white spotting мутантов пути лиганда c-kit/Kit, у которых развивается нормальная гистология тестикул и эндокринная функция (Merchant 1975; Hashimoto et al. 1990; Pellas et al. 1991;Buehr et al. 1993b). Механизмы, управляющие дифференцировкой семенников и прибытием зародышевых клеток ещё предстоит определить.

Sertoli cell specification and testis cord formation

Эксперименты, проведенные в начале 1990s показали, что у XX <--> XY мышиных химер, как XX, так и XY клетки могут вносить вклад в некоторые тестикулярные типы клеток (Palmer and Burgoyne 1991; Burgoyne et al. 1995). Однако клетки Сертоли были почти исключительно XY, подтверждая, что дифференцировка клеток Сертоли обычно управляется клеточно автономным действием генов, детерминирующих семенники в XY клетках из клона, сегодня известного как "поддерживающие клетки" и что все др. типы клеток семенников могут дифференцироваться как результат передачи сигналов от клеток Сертоли др. клеткам зарождающихся гонад, независимо являются ли они XX или XY. Эта центральная роль клеток Сертоли в аппарате передачи сигналов в развитии семенников показан ан Figure 4.

Specification of pre-Sertoli cells

Исследования по отслеживанию клеток показали, что некоторые клетки из клона поддерживающих клеток происходят из целомического эпителия, покрывающего генитальные гребни (Fig. 5; Karl and Capel 1998). Неясно, проникают эти клетки в гонады за счет активной миграции или пассивной ингрессии, обусловливаемой высокой скоростью делений поверхностных эпителиальных клеток (Rodemer-Lenz 1989; Karl and Capel 1998; Schmahl et al. 2000). Однако, целомические эпителиальные клетки проникают как в XY, так и XX генитальные гребни и происходит это только после того, как они колонизируют собственно гонады, при этом фактор, детерминирующий семенники, Sry активируется в XY генитальном гребне (Bullejos and Koopman 2001). Следовательно, эта ингрессия не может быть следствием экспрессии Sry. Figure 5.

У мышей Sry-позитивные поддерживающие клетки впервые обнаруживаются в средней трети XY генитального гребня, с последующим расширением домена экспрессии в направлении полюсов (Fig. 6A; Albrecht and Eicher 2001; Bullejos and Koopman 2001;Wilhelm et al. 2005). Этот паттерн экспрессии наблюдается также для некоторых др. генов, экспрессирующихся даже ещё раньше у эмбрионов самцов и самок (Lee et al. 2009), так что это выглядит подобно тому, что "волна" активации Sry зависит от соотв. комбинации транскрипционных факторов, присутствующих в разных частях гонад в разное врем. Поскольку остаётся неясным, как осуществляется экспансия от центра к полюсам экспрессии Sry, то результатом является то, что клетки Сертоли дифференцируются несинхронно во всех частях гонад, результатом чего может быть образование в некоторых ситуациях ovotestes. Figure 6.

Pre-Sertoli cell differentiation

Транскрипция Sry в поддерживающих клетках активирует экспрессию Sox9 в этих клетках, которые затем обозначаются как pre-Sertoli клетки. Активация Sox9 происходит от центра к полюсам, как и в случае Sry, хотя приблизительно на 10 ч позднее (Bullejos and Koopman 2005). Обе волны всё ещё возникают, когда генитальный гребень рассечен на три сегмента и культивируется, указывая тем самым, что они не зависят от межклеточных сигналов, исходящих извне от центра генитальных гребней (Hiramatsu et al. 2010).

Присутствие, целостность и активность Sry не всегда достаточны, чтобы активировать Sox9 клеточно автономным способом. Некоторые экспериментальные наблюдения показывают, что необходим пороговый уровень экспрессии Sry внутри любого данного поддерживающего клона клеток во время определенного временного промежутка, чтобы активировать экспрессию Sox9. В овотестисах B6-YDOM (Eicher et al. 1982), где тестикулярные тяжи появляются в центре, а овариальные структуры на полюсах той же самой гонады, Wilhelm et al. (2009) наблюдали экспрессию Sry вдоль всей оси гонады, даже там, где позднее развивалась овариальная ткань. Экспрессия Sox9, с др. стороны, ограничивается центром примитивной гонады, регионом, где позднее разовьется тестикулярная ткань (Fig. 6B). Более того, используя трансгенных мышей, у которых Sry эктопически экспрессировался в XX генитальном гребне (Kidokoro et al. 2005), задержанная экспрессия Sry на ст. 12 dpc оказалась неспособной индуцировать экспрессию SOX9 в большинстве XX поддерживающих клеток (Fig. 6C; Hiramatsu et al. 2009). Оба набора экспериментов подчеркивают существование ограниченного промежутка времени, в течение которого клетки остаются компетентными отвечать на SRY активацией экспрессии Sox9. Т.о., хотя Sry необходим для инициальной активации Sox9 в pre-Sertoli клетках, он не всегда достаточен (Wilhelm et al. 2009).

Даже если Sox9 успешно активирован, ряд Sox9-позитивных клеток является критическим детерминантом дифференцировки семенников и три механизма действуют, чтобы максимизировать количества Sox9-позитивных pre-Sertoli клеток в развивающихся семенниках. XX <-> XY химерные гонады обычно развиваются как семенники (Palmer and Burgoyne 1991;Wilhelm et al. 2005), демонстрируя, что XY гонадные клетки могут рекрутировать соседние XX гонадные клетки, чтобы они выбрали судьбу семенников (Palmer and Burgoyne 1991). Последующие эксперименты показали, что XY клетки используют передачу сигналов prostaglandin D2 (PGD2), чтобы подвигнуть соседние XX клетки в выбору судьбы клеток Сертоли у этих химер (Wilhelm et al. 2005). PGD2 способен индуцировать экспрессию Sox9 в соседних клетках, а SOX9 способен индуцировать экспрессию Pgds, а значит и секрецию PGD2 (Malki et al. 2005;Wilhelm et al. 2005, 2007a; Moniot et al. 2009). Экстраполируя на развитие нормальных XY гонад, предположить, что, скорее всего, клетки, экспрессирующие слишком мало SRY, чтобы непосредственно активировать Sox9, могут быть принуждены становиться Sox9-позитивными с помощью др. клеток, экспрессирующих уровни SRY, достаточные для активации Sox9. Этот механизм служит, чтобы канализировать развитие семенников в XY гонады, принимая во внимание отсутствие защищенности Sry (Polanco and Koopman 2007).

FGF9 может предоставлять второй механизм, с помощью которого количество Sox9-экспрессирующих поддерживающих клеток будет максимизировано. Экспрессия FGF9 активирует нижестоящие Sry и Sox9 и играет жизненно важную роль в развитии семенников, поскольку делеция Fgf9 или рецепторного гена Fgfr2 у мышей вызывает полную или частичную смену пола, соотв. (Colvin et al. 2001; Kim et al. 2007; Bagheri-Fam et al. 2008). Первоначально было предположено, что FGF9 и SOX9 создают позитивную петлю обратной связи, чтобы стабилизировать экспрессию Sox9 (Kim et al. 2006), ясно, что такая петля может также создавать механизм рекрутирования, сходный с тем, что описан выше для PGD2. Недавно повторный анализ подтвердил, что первичная роль FGF9 заключается в репрессии генов, способствующих развитию оварий, таких как Wnt4 (Jameson et al. 2012a); если этот та, то наблюдаемая активация Sox9 с помощью экзогенного FGF9 (Hiramatsu et al. 2010) может быть вторичным эффектом.

Третий механизм, который помогает максимизировать количество Sox9-позитивных pre-Sertoli клеток, это пролиферация. Следствием экспрессии Sry является увеличение скорости клеточных делений в этом клоне (Schmahl et al. 2000), это, как полагают, должно увеличивать соотношение Sox9- позитивных клеток относительно остальных Sox9-негативных поддерживающих клеток, которые могут присутствовать в XY генитальном гребне.

Несмотря на действие этих механизмов, считается, что у XX <-> XY химер, у которых набор XY клеток ниже ~20%, дифференцировка семенников не может протекать нормально и наблюдается развитие овотестисов или даже яичников (Palmer and Burgoyne 1991; Patek et al. 1991; Burgoyne et al. 1995). Т.о., пороговые количества клеток, поддерживающих клеточный клон, д. быть способны к клеточно автономной активации Sox9 с помощью SRY, чтобы базирующиеся на PGD2 и/или др. секретируемых факторах механизмы рекрутирования успешно превращали все клетки этого клона в клетки Сертоли.

Итак, приведенные наблюдения помещают в центр внимания Sox9, а не Sry, как детерминанта и характерного признака дифференцировки клеток Сертоли. В подтверждение этого мнения, Sox9 обладает способностью управлять дифференцировкой семенников в отсутствие Sry у трансгенных XX эмбрионов (Vidal et al. 2001). Хотя делеция Sox9 после формирования тестикуляных тяжей не оказывает вредного эффекта на последующую дифференцировку семенников (Barrionuevo et al. 2009) и клетки Сертоли могут дифференцироваться при полном отсутствии Sox9 при определенных экспериментальных условиях (Lavery et al. 2012), возможно, что один или оба из двух близко родственных факторов Sox8 и Sox10 могут замещать Sox9 в некоторых контекстах (Barrionuevo et al. 2009; Polanco et al. 2010).

Accelerated growth of the early testis

Одним из характерных признаков ранних семенников является очень быстрый рост по сравнению с таковым в ранних яичниках (Schmahl et al. 2000). Этот феномен был отмечен ранее у нескольких видов (rev. Mittwoch 1998) и был даже предсказан как обязательная потребность для детерминации семенников (Mittwoch et al. 1969), в соответствии с потребностью максимального количества Sox9-позитивных pre-Sertoli клеток. Возможно, что повышенная скорость клеточных делений, стимулируемая экспрессией Sry является основным вкладчиком в этот ускоренный рост (Schmahl et al. 2000). Однако недавнее исследование гонад Cbx2 мутантных мышей не выявило связи Sry-зависимого увеличения пролиферации pre-Sertoli клеток с наблюдаемым увеличением скорости роста семенников по сравнению с овариями, подтверждая, что др. гены, механизмы и вообще клеточные клоны вносят вклад в детерминацию размера гонад (Katoh-Fukui et al. 2012).

Aggregation of pre-Sertoli cells into primitive testis cords

Образование тяжей семенников - будущих семявыносящих канальцев - является определяющим событием дифференцировки семенников. Тяжи семенников выполняют несколько важных ролей. Во-первых, они разводят две основные функции семенников; а именно, сперматогенез и продукцию андрогенов. Они тоже физически защищают гоноциты от ретиноевой кислоты, присутствующей в интерстициуме (Griswold et al. 2012), которая д. стимулировать зародышевые клетки к немедленному вступлению в мейоз. Наконец, тяжи семенников позднее начинают выполнять важную механическую роль в экспорте зрелых спермиев из семенников. Как возникают эти структуры?

Вскоре после активации Sox9, когда генитальные гребни всё ещё длинные и очень тонкие, pre-Sertoli клетки начинают агрегировать вокруг кластеров зародышевых клеток и формировать тяжи, с этого момента они называются клетками Сертоли. Их агрегация может быть воспроизведена in vitro при культивировании их на восстановленном геле базальной мембраны (Hadley et al. 1985) и ей препятствуют ингибиторы neurotrophic tyrosine kinase receptors (NTRKs) (Gassei et al. 2008). Интересно, что Ntrk3 экспрессируется pre-Sertoli клетками начале образования тяжей семенников (Russo et al. 1999; Cupp et al. 2000; Levine et al. 2000), как и NTRK лиганд NTF3, и оба, по-видимому, участвуют в формировании адгезивных клеточных контактов (Cupp et al. 2002; Gassei et al. 2008). Однако нокаутные мыши и по Ntrk1 и Ntrk3 обнаруживают нарушения, но не полное отсутствие семявыносящих канальцев (Cupp et al. 2002), история далека от завершения.

В образовании тяжей семенников участвует также FGF9. Когда генитальный гребень рассекали на три сегмента и культивировали, то тяжи семенников не формировались в полярных сегментах, несмотря на добавление экзогенного FGF9, указывая на быструю диффузию в направлении полюсов FGF9 при стимулировании образования тяжей семенников (Hiramatsu et al. 2010). Такой механизм был предположен для объяснения, почему образование тяжей происходит синхронно по всему семеннику, несмотря на волны экспрессии Sry и Sox9, которые перемещаются кнаружи от центра генитального гребня (Harikae et al. 2013).

Независимо от молекулярного пускового механизма процесс образования тяжей д. использовать некую форму образования трубочек, при этом происходит присоединение обоих концов каждого канальца к общему соединительному комплексу, соседствующему с мезонефросом - сплетению, известному как сплетение семенников. Ясно, что формирование тяжей семенников не осуществляется за счет разрастаний от какой-либо предсуществующей трубчатой структуры, а вместо этого происходит образование de novo, начиная с кластеров, описанных выше. Более того, тяжи развиваются нормально в XY гонадах, лишенных зародышевых клеток (Merchant 1975; McCoshen 1982, 1983;Escalante-Alcalde and Merchant-Larios 1992), демонстрируя тем самым, что образование агрегатов из клеток Сертоли и зародышевых клеток управляется взаимодействиями между клетками Сертоли , а не агрегацией вокруг зародышевых клеток в качестве узлового момента. Т.о., агрегация клеток Сертоли безусловно использует изменения свой клеточной поверхности, чтобы сделать их способными распознавать и соединять др. с др.; пока неясно, как эти агрегаты превращаются в трубочки, а не остаются простыми скоплениями и как в дальнейшем эти трубочки включают скорее, чем исключают зародышевые клетки.

Somatic factors acting on XY germ cells

сегодня отсутствуют доказательства, что зародышевые клетки передают сигналы, чтобы инициировать соматические клетки к дифференцировке и поддержанию архитектуры семенников, безусловно ясно, что клетки Сертоли являются критическими для поддержания как дифференцировки, так и жизнеспособности клона зародышевых клеток. Идентифицированы некоторые молекулы, продуцируемые клетками Сертоли и влияющие на зародышевую линию (Fig. 7). Энзим CYP26B1 действует, чтобы катаболизировать ретиноевую кислоту, которая, как известно, способствует вступлению зародышевых клеток в мейоз, ступень, которая соответствует овариальным, но не тестикулярным зародышевым клеткам (Bowles et al. 2006; Koubova et al. 2006). Происходящий из клеток Сертоли FGF9 далее действует, чтобы сделать зародышевые клетки менее чувствительными к ретиноевой кислоте (Bowles et al. 2010) и стимулирует экспрессию Nodal корецептора Cripto (Bowles and Koopman 2010; Spiller et al. 2012), пролонгируя тем самым плюрипотентность зародышевых клеток и обеспечивая выбор сперматогенной судьбы. Передача сигналов Activin A и transforming growth factor β (TGFβ) участвует в регуляции молчания зародышевых клеток, поскольку Inhba и Tgfbr2 нокаутные мыши обнаруживают повышенную пролиферацию зародышевых клеток, одновременно с задержкой G1/G0 ареста в семенниках плодов (Moreno et al. 2010; Mendis et al. 2011). Наконец, platelet-derived growth factor (PDGF), estrogen и TGFβ участвуют в постнатальной жизнеспособности зародышевых клеток (Fig. 7; Li et al. 1997; Hasthorpe et al. 1999; Thuillier et al. 2003; La Sala et al. 2010). Принимая во внимание интимные и динамические взаимоотношения между клетками Сертоли и зародышевыми клетками, очень возможно, что будущие исследования позволят выявить дополнительные продуцируемые клетками Сертоли сигнальные факторы и доказательства, что общение между ними это не единственный путь. Figure 7.

Testis cord partitioning and maturation

Combes et al. (2009a) обозначили примитивные тубулярные структуры как "proto-cords" и насчитали примерно 13 из них на развивающийся семенник мыши на ст. 12 dpc. Быстро, в течение ~24 ч, выявляется структура чтобы генерировать около 9 легко различаемых "наружных" тяжей, каждый из которых является тороидом и до некоторой степени униформным по толщине, и расположен перпендикулярно длинной оси семенника (Combes et al. 2009a; Nel-Themaat et al. 2009). Эти тяжи семенников первоначально напоминают укладку (stack) бубликов, соединенных вместе в месте на своей окружности, соответствующему сплетению (rete) семенника.

В нескольких исследованиях было выявлено участие сосудистых эндотелиальных клеток в образовании тяжей (Coveney et al. 2008; Combes et al. 2009b; Cool et al. 2011). Несомненно, потоки эндотелиальных клеток от мезонефросов идут в поле клеток Сертоли и зародышевых клеток в будущие тяжи, нерегулярные размер и пространственное положение которых возникает, по-видимому, из-за стохастического расположения иммигрирующих потоков. Блокирование иммиграции эндотелиальных клеток из мезонефросов нарушает образование тяжей (Coveney et al. 2008; Combes et al. 2009b). Клетки Сертоли продолжают пролиферировать и формируют строгие контакты вокруг кластеров зародышевых клеток, а тяжи удлиняются (Nel-Themaat et al. 2011). Они ремоделируются, чтобы принять относительно одинаковую толщину, вероятно за счет воздействия механических факторов, таких как количества зародышевых клеток, которые необходимы, чтобы приспособить оптимальное количество клеток Сертоли, необходимых для образования стабильной тубулярной окружности , и достаточного пространства (т.е., длины гонад). Наблюдение, что некоторые тяжи разветвлены, слиты или заканчиваются тупо (Combes et al. 2009a; Nel-Themaat et al. 2009) , скорее всего, отражает стохастическую природу инициальных событий агрегации.

Внешние факторы, скорее всего, молекулярные и физические, затем помогают сформировать растущие тяжи семенников в тороидные структуры на ст. ~13 dpc. На этой ст. клетки Сертоли созревают из фибробласто-подобной в эпителиально-подобную морфологию (Nel-Themaat et al. 2011), и развивают тяжи семенников снаружи слой перитубулярных миоидных клеток (PMCs) и внеклеточный матрикс (ECM). Элонгация каждого тяжа поднимает поверхность гонады кнаружи, удлиняя её короткую ось, делая семенники пухлыми (Combes et al. 2009a; Nel-Themaat et al. 2009). Поскольку пространство становится ограниченным, то каждый тяж начинает изгибаться; дальнейшее удлинение комплекс "спагетти" из трубочек семенников, наблюдаемых во взрослых семенниках. Интересно, что семенники у взрослых мышей часто часто ошибочно рассматриваются, как состоящие из сотен канальцев, но фактически их только десяток.

Как такие канальцы становятся столь изогнутыми в сплетении (rete) семенников на обоих концах, что это преобразует proto-cords в окончательные тяжи и как процесс может приспосабливаться к присутствию или отсутствию зародышевых клеток, вопросы остающиеся мистическими.

PMC origins and function

PMCs образуют наружный слой клеток семявыносящих канальцев и непосредственно контактируют с базальной поверхностью клеток Сертоли (Fig. 1B; Skinner et al. 1985). У мелких грызунов, слой PMC толщиной только в один слой клеток, тогда как у крупных млекопитающих, он обычно состоит из множественных слоёв, разделенных внеклеточной соединительной тканью (Maekawa et al. 1996). Эта пограничная ткань - lamina propria, которая помогает отделять канальцы от интерстициума и действует как сократительная ткань, способствующая экспорту спермиев - обычно состоит из PMCs и ECM, хотя у людей, фибробластные клетки (миофибробласты) также занимают наружные слои lamina propria (Davidoff et al. 1990; Dym 1994; Holstein et al. 1996). Состав ECM образуется за счет вклада PMC и клеток Сертоли (Tung et al. 1984; Skinner and Fritz 1985; Skinner et al. 1985; Georg et al. 2012).

Во время дифференцировки семенников плодов PMCs появляются вскоре после образования примитивных тяжей семенников и морфологически различимы на ст. 13.5 dpc у мыши (Fig. 1; Jeanes et al. 2005) или на ст. 12 wk беременности у женщин (Ostrer et al. 2007). PMCs, как полагают, происходят из соседних мезонефросов, как часть клеточной популяции, которая мигрирует в гонады (Buehr et al. 1993a; Merchant-Larios et al. 1993). Однако недавние исследования показали, что мигрирующие мезонефрические клетки не вносят вклада в клон PMC, а скорее являются эндотелиальными клетками и вносят вклад в сосудистую сеть семенников (Cool et al. 2008; Combes et al. 2009b). Поэтому источник PMCs остается неизвестным.

Главным препятствием на пути определения где и как возникают PMCs, является отсутствие PMC-специфичных молекулярных маркеров во время ранней дифференцировки семенников. Хотя морфологически различимы уже на ст. 13.5 dpc в семенниках мышей, они лишены каких-либо молекулярных маркеров, экспрессируемых PMCs на ранних стадиях или они экспрессируются и дополнительными интерстициальными клетками (Jeanes et al. 2005). Следовательно, скорее всего, PMCs происходят из клеток внутри гонад (Fig. 5) или, как полагают, Combes et al. (2009b), из целомического эпителия путем эпителиально-мезенхимной трансформации. Последняя возможность согласуется с наблюдением, что некоторые производные экспериментально меченных поверхностных клеток вносят вклад в популяцию интерстициальных клеток, хотя специфические типы клеток не были определенно идентифицированы (Karl and Capel 1998).

Немногие животные модели обнаруживают аномалии PMC во время раннего развития семенников, но имеющиеся данные подчеркивают участие клеток Сертоли в нормальной дифференцировке PMC. Dhh экспрессируется в pre-Sertoli клетках вскоре после SRY (Bitgood et al. 1996; Park et al. 2007), а Dhh нокаутные мыши обнаруживают нарушения PMC и дифференцировки клеток Лейдига плодов (FLC) в развивающихся семенниках (Clark et al. 2000;Pierucci-Alves et al. 2001; Yao et al. 2002). Эта зависимость дифференцировки нормальных тяжей семенников от передачи сигналов DHH была также продемонстрирована у сумчатых (Chung et al. 2012). DHH является секретируемым сигнальным фактором, действующим посредством Patched реептора (PTCH1), который, как было установлено, экспрессируется большинством интерстициальных клеток во время дифференцировки PMC и FLC (Yao et al. 2002). Следовательно, клетки Сертоли могут индуцировать PTCH1-позитивные клетки предшественники, чтобы далее дифференцироваться с помощью секреции DHH. Интересно, что эктопическая экспрессия DHH в развивающихся XX гонадах вызывает дифференцировку FLC, но при этом отсутствуют дальнейшие эффекты маскулинизации яичников, включая развитие PMC (Barsoum et al. 2009). Следовательно, передача сигналов DHH/PTCH1 не является инициальным сигналом для дифференцировки PMC, но является необходимой для последующего развития ранних PMCs.

Др. мутантная модель мышей, это нокаут Dax1, также обнаруживает нарушения развития и FLCs и PMCs (Meeks et al. 2003), приводя к предположению, что FLCs и PMCs возникают из общей популяции клеток интерстициальных предшественников (Wainwright and Wilhelm 2010). Если это так, то финальная клеточная судьба пластичных клеток предшественников д. зависеть от физического расположения внутри семенников, при этом тесная близость к незрелым клеткам Сертоли локально индуцирует дифференцировку в PMCs.

Establishing steroidogenic function: FLCs

Безусловно наиболее важным типом клеток для эндокринной функции семенников являются клетки Лейдига, источник стероидных гормонов, которые управляют и поддерживают вторичные половые признаки, которые важны для определения самца. Многочисленные морфологические и генетические наблюдения подтвердили, что клетки Лейдига, обнаруживаемые в семенниках плодов не развиваются в таковые, присутствующие у взрослых, а вместо этого возникает два типа клеток в виде двух отдельных клонов с различающимися функциями и разного клеточного происхождения (Rosen-Runge and Anderson 1959; Lording and De Kretser 1972; Vergouwen et al. 1991; O'Shaughnessy et al. 2002; Chen et al. 2009). Однако, недавно эта догма была поставлена под сомнение и теперь рассматриваются три модели генерации популяций FLC и клеток Лейдига у взрослых (ALC) (Figure 8).

FLC origin and differentiation

Неожиданно, хотя и стало ясно, что клетки Лейдига возникают на двух отдельных фазах развития у плацентарных млекопитающих, доктрина возникновения двух отличающихся клеточных клонов (Fig. 8A) покоится в основном на различиях в экспрессии генов между популяциями FLC и ALC и не подтверждена пока данными по отслеживанию клонов. Следовательно, формально остается возможность, что эти клетки обладают общим предшественником (Fig. 8B,C; for rev. Griswold and Behringer 2009; Wainwright and Wilhelm 2010). Др. клеточные клоны семенников, включая клетки Сертоли, также обладают отличающейся морфологией и транскрипцией во время разных стадий развития. Следовательно, различия между плодными, незрелыми и зрелыми популяциями клеток Лейдига можно будет просто приписать различиям в микроусловиях в семенниках, следствию стадио-зависимой функциональной потребности.

Происхождение клона FLC энергично обсуждается, предполагаются несколько потенциальных источников (for rev. Griswold and Behringer 2009; Barsoum and Yao 2010; Svechnikov et al. 2010). При анализе их функции было предположено, что FLCs происходят из общего пула клеток предшественников, предназначенных выбрать эндокринную/стероидогенную клеточную судьбу. Следовательно, как клетки нервного гребня (Middendorff et al. 1993; Mayerhofer et al. 1996b) , так и ранние адреногонадные стероидогенные клетки предшественники (Hatano et al. 1996) предположительно вносят вклад в становление популяции FLC. Однако, анализ развития ранних семенников у разных линий нокаутных мышей, несущих гомозиготные делеции генов, не подтверждает, что это имеет место.

Делеция Pdgfra (Pdgf рецептора α) ведет к отсутствию FLCs, это доказывается отсутствием стероидогенного маркера в семенниках на ст. 12.5 dpc, несмотря на обнаружение в надпочечниках (Brennan et al. 2003). Более того, тканевые рекомбинации в ex vivo культуре показали, что миграция клеток из мезонефросов дикого тип неспособна устранить блок дифференцировки в клетках Лейдига в Pdgfra-нулевых семенниках, указывая тем самым, что FLC предшественники возникают из ткани гонад, а не из мигрирующих популяций (Brennan et al. 2003). Однако, это отсутствие дифференцировки FLC может также быть результатом того, что мутантные семенники, лишенны необходимого сигнального фактора: Pdgfra^-/- семенники обнаруживают также нарушение пролиферации клеток Сертоли и миграции клеток мезонефросов и это подтверждает, что фенотип клеток Лейдига является вторичным по отношению к функции клеток Сертоли (Barsoum and Yao 2010).

Как обсуждалось ранее, ранний маркер клеток Сертоли Dhh, как полагают, действует как паракринный спусковой механизм для дифференцировки FLC, принимая во внимание, что дифференцировка клеток Лейдига инициируется в яичниках плода в результате эктопической экспрессии DHH (Barsoum et al. 2009; Huang and Yao 2010). Не являясь доказательным, это наблюдение подтверждает, что передача сигналов hedgehog ответственна за индукцию дифференцировки мультипотентных клеток предшественников, присутствующих в интерстициуме гонад и широко распространенных в возникающих семенниках и яичниках. Соотв., недавнее исследование строго подтверждает вероятность того, что NR5A1-позитивные клетки предшественники являются основными вкладчиками в FLCs и также потенциально источником позднее для ALCs у взрослых (Barsoum et al. 2013).

Передача сигналов Notch также влияет на дифференцировку FLC у мышей, при этом потеря и избыточность функции приводит к повышению или снижению количества FLC, соотв. (Tang et al. 2008). Заметим, что передача сигналов Notch , по-видимому, не влияет на дифференцированные FLCs после ст. 13.5 dpc, а скорее действует, чтобы поддерживать клон клеток предшественников. Эти данные вместе с предыдущими наблюдениями, что FLCs пролиферируют за счет рекрутирования из пула клеток предшественников скорее, чем за счет митотических делений дифференцированных FLCs (Orth 1982; Kerr et al. 1988), подтверждают гипотезу, что FLCs возникают из того же самого пула предшественников Nr5a1-позитивных клеток, что и клетки Сертоли (Griswold and Behringer 2009; Barsoum and Yao 2010). Кроме того, небольшая пропорция FLCs, по-видимому, рекрутируется из вторичного пула NR5A1-негативных периваскулярных клеток предшественников из соединения мезонефросов и гонад (Fig. 5; DeFalco et al. 2011, 2013). Эти клетки экспрессируют Notch лиганд JAG1 и андрогенный рецептор, подтверждая способ, с помощью которого циркулирующий в крови тестостерон участвует в регуляции пула клеток предшественников посредством передачи сигналов Notch (DeFalco et al. 2013).

FLC function

FLCs продуцируют андрогены, необходимые для нескольких аспектов вторичного полового развития у плодов, функция впервые открытая после пионерских работ Jost (1947, 1953). Сюда входит развитие Вольфовых протоков и наружных гениталий, опускания яичек и потенциально специфичный для пола паттерн головного мозга (Vilain and McCabe 1998; Klonisch et al. 2004; Griswold and Behringer 2009; Scott et al. 2009); дефицит андрогена и INSL3 во время раннего развития может приводить к феминизации наружных гениталий и крипторхизму и увеличивать риск патологий на поздних периодах жизни (Klonisch et al. 2004; Hutson and Hasthorpe 2005; Sharpe and Skakkebaek 2008; Griswold and Behringer 2009; Wohlfahrt-Veje et al. 2009). Эти функции FLCs схематизированы на Figure 9. Интерсно также, что ранняя фаза продукции плодного андрогена с помощью FLCs не зависит от гонадотропинов, продуцируемых гипофизом, т.о., инициация маскулинизации до становления сигнальной оси гипоталамус-гипофиз-гонады (Huhtaniemi 1989; O'Shaughnessy and Fowler 2011). Figure 9.

Функция FLCs могла бы также в принципе пролить свет на их ранние дифференцировку и созревание. Продукция тестостерона нуждается в предшественнике холестерола, но тестостерон присутствует в плодах самцов до того, как холестерол начинает обнаруживаться в семенниках (B?defeld et al. 2009). Следовательно, первоначальный синтез тестостерона д. зависеть от холестерола из кровеносной системы (for rev. Azhar et al. 2003). В свою очередь, указание на то, что ранние FLCs развиваются вблизи сосудистой сети (напр., целомических кровеносных сосудов) или сосудистых сплетений на границе мезонефросов, согласуется с моделью, предложенной DeFalco с колл. (2011) (Fig. 5).

Macrophages

Макрофаги могут составлять до 25% от популяции интерстициальных клеток у взрослых мышей и крыс (Niemi et al. 1986; Hutson 1992; Giannessi et al. 2005), но остаются недооцененными вкладчиками в развитие и функцию семенников во время плодного периода. Они, как известно, играют важную защитную и функциональную роль во время репродуктивной жизни (Hutson 2006; P?rez et al. 2013). Когда они впервые проникают в семенники, неизвестно: у крыс макрофаги семенников впервые были описаны, как возникающие перед 19 dpc (Hutson 1990), но последующее исследование сообщило об обнаружении их на 3 дня раньше (Livera et al. 2006). Предполагается, что они возникают из циркулирующих в крови моноцитов (Hutson 2006). Одно сообщение описывает присутствие макрофагов в семенниках плодов, очищенных от кровеносной системы, но они могут возникать из небольшого числа предшественников или основателей, которые мигрируют в семенники во время раннего развития (Livera et al. 2006). Было бы интересно перепроверить этот вопрос, чтобы прояснить, когда впервые моноциты мигрируют в интерстиций, чтобы стать тестикулярными макрофагами, и исследовать предполагаемые ранние функции во время развития гонад.

Тестикулярные макрофаги имеют отличающийся фенотип, ассоциируют с клетками Лейдига, чтобы сформировать соединительные комплексы (Christensen and Gillim 1969; Miller et al. 1983; Hutson 1990). В зрелых семенниках макрофаги влияют на стероидогенез в клетках Лейдига, секретируя 25-hydroxycholesterol, это достигается с помощью ALCs, и используется для синтеза тестостерона (Lukyanenko et al. 2000, 2001; Nes et al. 2000). Неясно, играют ли макрофаги сходную или дополнительную роль во время развития плодных семенников, и играют ли FLCs и/или ALCs реципрокную роль в регуляции дифференцировки, пролиферации или функции. Однако исследования функции клеток Лейдига в эксплантах семенников или на xenograft моделях, где количества макрофагов могут варьировать существенно от нормы, д. позволить объяснить потенциальное влияние макрофагов на клетки Лейдига.

Testis vascularization

Все развивающиеся органы нуждаются в кровоснабжении для доставки кислорода, гормонов и питательных веществ и для удаления отходов; эндокринные органы нуждаются также в способе секреции ими гормональных продуктов в кровообращение. Во время плодного развития сосудистая сеть для артериальной крови в семенниках устанавливается рано и, скорее всего, необходима для морфогенеза семенников помимо простого снабжения кровью. После образования артериальной системы венозная сеть устанавливается, чтобы отводить кровь от семенников и также помогает регулировать температуру во время репродуктивного возраста (Harrison 1949; Harrison and Weiner 1949). Лимфангиогенез семенников, по-видимому, является последним событием во время плодного развития (Fig. 1), предполагается. что лимфатическая система необходима только на поздних сроках беременности или в постнатальных семенниках для функционирования семенников и гомеостаза в них жидкости.

Blood vasculature

Сначала, характерное сосудистое сплетение может наблюдаться в мезонефросах у XX и XY эмбрионов, при этом микрососуды простираются в ткань гонад. Пока гонады продолжают расти, то кровеносные сосуды яичников, как полагают, развиваются с помощью ангиогенеза (Coveney et al. 2008), тогда как в семенниках первые кровеносные сосуды развиваются с помощью не ангиогенного процесса, использующего перестройку мигрирующих эндотелиальных клеток, отсоединяющихся от предсуществующих мезонефрических сосудистых сплетений (Brennan et al. 2002; Coveney et al. 2008). Эксперименты по получению детальных изображений с использованием трансгенных модельных мышей в сочетании с конфокальной микроскопией показали, что эндотелиальные клетки сначала отсоединяются от артерий мезонефрического сплетения, становятся подвижными и активно мигрируют через семенники в анти-мезонефрический регион, где они перестраиваются, чтобы сформировать главную артерию семенников (целомический сосуд) (Fig. 1), расположенную под целомическим эндотелием (Coveney et al. 2008). Изоформы vascular endothelial growth factor (VEGF), как было установлено, необходимы для этого процесса (Bott et al. 2008; Cool et al. 2011). Из целомического сосуда новые веточки распространяются в направлении tunica albuginea, а также в интерстиций семенников, устанавливая в конечном итоге новые связи со сплетением семенников. Помимо этой специфичной для семенников артериализации, эндотелиальные клетки участвуют также в морфогенезе семенников, влияя на подразделение семенного канатика (see "Testis Cord Partitioning and Maturation," above). Некоторые мышиные мутантные модели обнаруживают аномалии и семенного канатика и сосудов (Brennan et al. 2003; Bott et al. 2006; Yao et al. 2006), подтверждая, что два процесса тесно переплетены.

По сравнению с артериолизацией, мало известно о механизмах развития вен во время органогенеза семенников. Тем не менее, предполагается, что венозные сосуды возникают, из мезонефросов - в сплетении семенников - ещё до врастания в семенники, по-видимому, вслед за уже установившейся артериальной сетью (Brennan et al. 2002).

В ранних гонадах мыши (~11.5 dpc), как артериальный маркер Efnb2, так и венозный маркер Ephb4 были идентифицированы в презумптивных микрососудах у обоих полов (Brennan et al. 2002). Однако, экспрессия Ephb4 быстро подавлялась в XY гонадах и эндотелиальные клетки, вносящие вклад в целомический (артериальный) сосуд, все были Ephb4-негативными (Brennan et al. 2002). Интересно, что специфический для вен вышестоящий регулятор Ephb4 был идентифицирован как Nr2f2 (также известен как COUP-TFII), который чувствителен к ретиноевой кислоте (You et al. 2005; Kruse et al. 2008). Т.о., освобождение от ретиноевой кислоты, обусловленное усилением активности CYP26B1 вскоре после ст. 11.5 dpc (MacLean et al. 2001; Kashimada et al. 2011), является обязательным условием для защиты зародышевых клеток семенников от вступления в мейоз (Bowles et al. 2006; MacLean et al. 2007), и может подавлять Nr2f2, супрессируя экспрессию Ephb4 и временно останавливая развитие вен в семенниках. Однако необходимы дальнейшие исследования для подтверждения этой возможности.

Lymphatic vasculature

Хотя циркуляция гормонов важна для дифференцировки и маскулинизации эмбрионов самцов, остается неясным, играют ли лимфатические сосуды семенников в этом процессе помимо системы кровообращения. Лимфатические сосуды обнаруживаются в семенниках взрослых у разных видов млекопитающих (Fawcett et al. 1969; Fawcett et al. 1973; Clark 1976; Robaire and Bayly 1989; Sonne et al. 2006;Heinzelbecker et al. 2013), и было предположено, что эти сосуды развиваются с помощью лимфангиогенеза. Однако, когда и как осуществляется лимфангиогенеза с развивающихся семенниках стали изучать совсем недавно.

Первая информация получена на мышах при анализе гетерозиготных эмбрионов по Prox1^+/lacZ лимфатическому репортеру (Brennan et al. 2002); lacZ-позитивные сосуды обнаруживались на границе между мезонефросами и гонадами со ст. 13.5 dpc, но неожиданно не наблюдали лимфатических сосудов, проникающих в семенники до ст. 18.5 dpc. Используя лимфатический маркер Ccl21 (chemokine, C-C motif, и ligand 21; вместе наз. SLC) , это наблюдение было подтверждено, при этом Ccl21⁺ лимфатические сосуды наблюдали на поверхности гонад со ст. 17.5 dpc (Brennan et al. 2002).

Недавно использовали мышей с репортером Prox1-EGFP для детализации пространственно-временного развития лимфангиогенеза гонад (Svingen et al. 2012). В семенниках лимфангиогенез начинался со ст. ~17 dpc, исходя из богатой лимфатической сети, уже сформированной вдоль vasa deferentia и эпидидимиса (Svingen et al. 2012). Интересно, что как только новые сосуды достигали гонад в в сплетении (rete) семенников, они разрастались, чтобы покрыть шапочку семенников, но никогда не росли дальше, чем непосредственно под tunica albuginea, подтверждая наблюдения на семенниках взрослых грызунов (Hirai et al. 2012). Этот рисунок контрастирует с крупными млекопитающими, а причина этого (и сам лежащий в основе механизм) ограничения лимфангиогенеза в семенниках мышей неизвестна.

The tunica albuginea

Семенники млекопитающих окружены защитной капсулой из фиброзной ткани, в которой tunica albuginea составляет главный компонент (Fig. 1B). Толщина этой оболочки варьирует между видами и у более крупных млекопитающих она содержит многочисленные гладкие мышцы (Setchell et al. 1994) и контрактильные клетки (Middendorff et al. 2002). Помимо роли в качестве защитной капсулы, она участвует в регуляции кровотока, давления внутри семенников и движения спермиев за счет ритмических сокращений (Setchell et al. 1994). Несмотря на то, что она хорошо охарактеризована в семенниках после рождения, развитие у плодов tunica albuginea привлекала мало внимания.

Исследования на разных видах млекопитающих показали, что tunica albuginea формируется рано во время дифференцировки семенников у плодов, вскоре после образования примитивных семенных канатиков (Waters and Trainer 1996; Karl and Capel 1998; Carmona et al. 2009). Этот процесс испольщзует образование фиброзной базальной мембраны непосредственно за целомическим эпителием и, как полагают, использует как клеточные перемещения, так и дифференцировку, поскольку клетки д. подвергнуться изменению формы и местоположения и экспрессировать известные маркеры миграции (Carmona et al. 2009). Пока всё ещё в точности неясно,какие клетки вносят вклад в эту мембрану и подозреваются как целомический эпителий, так и интерстиций семенников (Karl and Capel 1998; Carmona et al. 2009). Также предполагается, что миграция клеток извне гонад является ключевым морфологическим событием ранней дифференцировки семенников, но после образования tunica albuginea, миграция этих клеток затихает (Karl and Capel 1998). Поскольку tunica albuginea содержит многочисленные гладкомышечные клетки, по крайней мере, у крупных млекопитающих, то было бы интересно выявить клетки-предшественники и генетические пусковые механизмы для этих клеточных клонов. Такие исследования д. помочь также выяснить происхождение PMCs.

Testis innervation

Хорошо известно, что физическая травма семенников может вызывать сильную боль, подтверждая. что семенники содержат многочисленные и высоко функциональные сенсорные нейроны. Однако, было предположено, что сенсорные нейроны могут располагаться в окружающих тканях и структурах скорее, чем в самих семенниках (Cushing 1900). Многие последующие исследования были адресованы нейрональной активности в семенниках после сдавливания, растягивания или общих травм (Woollard and Carmichael 1933; Moore 1938; Oettle 1954;Peterson and Brown 1973; Yoshioka et al. 2010).

Семенники имеют сеть нейронов, которая зависит от двух основных источников иннервации: верхнего и нижнего семенных нервов. Эксперименты по денервации показали, что эти нервы важны для функционирования семенников, включая эндокринную регуляцию и сперматогенез (Frankel and Ryan 1981; Nagai et al. 1982;Campos et al. 1993; Chiocchio et al. 1999; Chow et al. 2000; Lee et al. 2002;Gong et al. 2009). Однако очень мало известно об участии нервной системы в развитии семенников у плодов. Также время иннервации семенников у разных видов изучено слабо.

Нервные волокна в семенниках плодов человека выявляются самое раннее на 16 неделе беременности, при этом увеличение их количества наблюдается, начиная с 17-й , а четкая локализация между семявыносящими канальцами с 20-й недели (Otulakowski 1992). Считается. что эти внешние нервы вступают в гонады во время иннервации, а существование внутренне присущих нейронов в семенниках плодов не установлено с достоверностью. Тем не менее, прирожденные нейроны были идентифицированы в постнатальных семенниках приматов (Mayerhofer et al. 1996a; Mayerhofer et al. 1999; Frungieri et al. 2000) , а также в яичниках плодов у людей и свиней (Anesetti et al. 2001;Dees et al. 2006). В яичниках грызунов их мало или они отсутствуют (D'Albora and Barcia 1996; D'Albora et al. 2000). Однако существуют четкие половые отличия в сети нейронов гонад взрослых грызунов (Allen et al. 1989), указывающие, что семенники плодов могут не обладать прирожденными нейронами, несмотря на то, что яичники плодов их обнаруживают.

Исследования, предпринятые, чтобы установить факторы, способствующие или ингибирующие нейрогенез где-то в др. месте эмбриона, выявили пространственные про- и анти-нейрогенные зоны, использующие передачу сигналов ретиноевой кислоты и FGF (Diez del Corral et al. 2003; Maden 2007). Антагонистические взаимоотношения между одними и теми же сигнальными молекулами также являются жизненно важными для дифференцировки пола гонад; следовательно, хотя и предположительно, но эти перекрывающиеся молекулярные пути могут помочь объяснить половой диморфизм нейрональной сети гонад.

Concluding remarks

The embryo resembles a set of Russian dolls: Open it and you will find in each organ the same issues of structural organization and cell fate specification as occur in the embryo itself but on a smaller scale. Open each organ and most likely you will find smaller, repeated structural units-alveoli, glomeruli, and crypts-in which the same issues are played out once more on a smaller scale still. In recent decades, the availability of molecular tools, imaging systems, and mouse models has provided the opportunity to shed light on these processes in the developing testis.

Clearly, Sertoli cells stand out as the central drivers of testis differentiation, the testicular equivalent of an embryonic organizing center. Having one cell lineage direct the fate of the others avoids the problem that would otherwise occur if different transcriptional cascades were flowing from a single master regulator gene in different cell types. It also allows the behavior of several lineages to be coordinated rather than independently specified. In that regard, it is curious that no mechanism appears to exist that ties the onset of Sry expression in the supporting cell lineage to the arrival of the germ cells, given how tightly these two events need to dovetail.

Unlike other organ systems, at least three cell lineages (supporting cells, steroidogenic cells, and germ cells) are bipotential and can differentiate into testicular or ovarian counterparts (Fig. 2). Having the Sertoli cells coordinate testis development also provides a means of canalizing gonadal fate: Where expression of Sry is weak or delayed, recruitment mechanisms are in play to encourage all supporting cells to follow the Sertoli cell path, maximizing the signals that induce Leydig cell differentiation and promote male germ cell fate and minimizing the possibility of mixed-sex cell types in the gonad.

It is especially noteworthy that Sertoli (or granulosa) cell fate, once specified, is not permanent but instead needs to be constantly reinforced. Loss of FOXL2 function in the adult ovary allows granulosa cells to transdifferentiate into Sertoli cells (Uhlenhaut et al. 2009), while loss of DMRT1 in Sertoli cells of the adult testis allows their transformation into granulosa cells (Matson et al. 2011). Perhaps this plasticity is an evolutionary vestige of mechanisms that allow some fish species to change sex during adult life in response to social cues. Considering their importance for endocrine function and hence the intensity with which Leydig cells have been studied, it is surprising that their origins and the nature of the difference between FLCs and ALCs have not been resolved. Comparative studies involving marsupials, which appear to have only one population of Leydig cells, may be informative, and detailed lineage-tracing studies using appropriate mouse marker strains will be required to settle the issue conclusively.

Some mechanisms used during testis organogenesis are completely novel. Testis cord formation proceeds via a mechanism that is completely distinct from other modes of tube formation in the embryo, such as the branching morphogenesis seen in the kidneys and lungs and the sprouting of existing tubes under the guidance of tip cells, as occurs during angiogenesis and pancreatic duct outgrowth (for review, see Cleveland et al. 2012; Tung et al. 2012). In the testis, dispersed pre-Sertoli cells coalesce into primitive tubes that are then remodeled in close association with the testis vasculature. Clearly, this mechanism deserves detailed real-time imaging in three dimensions and molecular study; it would also be surprising if this mechanism were not used elsewhere in the embryo.

Similarly, testis vascularization appears to be mechanistically unique. Rather than sprouting from pre-existing arteries by angiogenesis, the coelomic blood vessel that runs the length of the testis forms from endothelial cells that originate from a vascular plexus in the adjacent mesonephros, migrate across the width of the gonad, and reassemble on its opposite face. Although it is not known how or indeed why this occurs, this mechanism is completely distinct from known modes of vasculogenesis and angiogenesis.

Unlike the situation with Sertoli, Leydig, and germ cells, where a bipotential lineage is induced to adopt one of two alternative fates, the vasculature and neuronal components of the developing testes arise from external cell populations exposed to immigration cues that differ between the testis and ovary. While these cues are currently not well understood, analysis of ovotestis development may prove instructive. Ovotestes provide a unique situation in which both testicular and ovarian tissues are present in the one organ, allowing for detailed analyses of the interplay between different cell populations in instructing formation and patterning of immigrant cell networks. Detailed study of cell behavior at the border of testis and ovary in these organs will allow juxtacrine, paracrine, and autocrine signaling to be distinguished and can also help distinguish between the presence of attractive or repulsive cues. Further study of ovotestis development may also shed light on the origin and sexual dimorphism of other cell types of the gonad about which less is known.

Despite tremendous advances, many questions pertaining to testis development and function remain. The basic determinants of gonadal shape and size remain unresolved. Some components such as the PMC lineage and the tunica albuginea remain very poorly characterized. Furthermore, the tools that have been so thoroughly exploited in the mouse system have not been widely used in comparative studies to date. Understanding the detailed processes involved in building a testis will guide efforts to identify the genes and pathways that drive them, which in turn will fuel the search for genetic lesions that underpin the many XY disorders of sex development whose causes remain unknown. Similarly, understanding how somatic cells and cord structures physically and molecularly regulate the proliferation, meiosis, maturation, and export of germ cells is likely to reveal new causes for infertility and germ cell cancers.

Building the mammalian testis: origins, differentiation, and assembly of the component cell populations Terje Svingen1 and Peter Koopman Genes & Dev. 2013. 27:2409-2426

Building the mammalian testis: origins, differentiation, and assembly of the component cell populations
Terje Svingen1 and Peter Koopman
Genes & Dev. 2013. 27:2409-2426