Тема 4. Гаметогенез

Гаметогенез – широкий термин, обозначающий процессы, в результате которых зародышевая плазма превращается в высокоспециализированные половые клетки, способные объединяться при оплодотворении и давать начало новому организму. Гаметогенез классифицируется на оогенез – у женских особей и сперматогенез – у мужских. Обычно гаметогенез делят на 4 главные стадии:

1. происходит образование первичных половых клеток и их миграция в гонады;

2. заключается в размножении половых клеток в гонадах путем митоза (их количественное размножение);

3. в результате мейоза число хромосом в половых клетках уменьшается вдвое;

4. гаметы окончательно созревают и дифференцируются, превращаясь в сперматозоиды или яйцеклетки, которые способны оплодотворять или быть оплодотворенными.

1 фаза – о происхождении первичных половых клеток и их миграции в гонадах.

В настоящее время о ранних стадиях развития зародышевой плазмы известно пока мало, но клетки, которым суждено превратиться в гаметы обособляются рано. Например, у бесхвостых амфибий зародышевая плазма хорошо различима. Поэтому легко можно проследить за судьбой материала, из которого образуются гаметы. Им является ограниченный участок яйца в близи вегетативного полюса. Проследив весь процесс дробления яйца, мы выделяем группу энтодермальных клеток на стадии гаструлы, ответственных за развитие гамет.

У зародышей амниот (рептилии, птицы, млекопитающие) на ранних стадиях развития зародышевая плазма не различима, но у всех этих форм, так же как и у бесхвостых амфибий, будущие гаметы можно обнаружить среди энтодермальных клеток желтка или желточного мешка. Эти клетки называются первичными половыми клетками. Они отличаются от других крупными размерами, прозрачной цитоплазмой, а также некоторыми гистохимическими характеристиками, такими как высокая активность щелочной фосфатазы у млекопитающих и высокое содержание гликогена у птиц.

Единственная группа позвоночных, у которых первичные половые клетки не энтодермального, а мезодермального происхождения – это хвостатые амфибии (саламандры). Столь резкое отличие в возникновении первичных половых клеток у хвостатых и бесхвостых амфибий учёные Ньюкоп и Сутакурье использовали в качестве главной посылки для предположения о раздельном филогенетическом происхождении хвостатых и бесхвостых амфибий.

В период эмбриогенезе, когда у зародышей впервые становится различимы первичные половые клетки, половые железы ещё на образованы или же только начинают формироваться. Таким образом, первичные половые клетки формируются вне гонад. Но, несмотря на это в конечном итоге первичные половые клетки заселяют гонады. Это было установлено тремя экспериментальными методами:

1. был удален участок энтодермы, который отвечал за формирование первичных половых клеток. Когда Уиллер провел такой опыт на курином зародыше, у последнего сформировались гонады, лишенные гамет;

2. был прослежен путь первичных половых клеток в процессе развития. Это смогли сделать, благодаря их крупным размерам и особым гистохимическим свойствам. Исследования, проведенные на ряде видов, показали, что первичные половые клетки мигрируют к зачаткам гонад;

3. был основан на использовании мутантной линии стерильных мышей. Минц и Рассел с помощью методов гистохимии показали, что у мутантных зародышей имеется лишь небольшое число первичных половых клеток.

В связи с этим возникают 2 вопроса: 1. Почему первичные половые клетки образуются так далеко от гонад? 2.Каким образом они попадают в гонады?

В настоящее время мы ещё не можем ответить на первый вопрос, однако следует отметить, что половые клетки не единственные в организме, возникающие в области развития желточного мешка. На более поздних стадиях зародышевого развития из области желточного мешка возникают также первичные клетки крови. Но в отличии от первичных половых клеток они возникают из мезодермы. По поводу второго вопроса теперь точно установлено, что первичные половые клетки мигрируют к гонадам по двум основным путям: 1. первичные половые клетки становятся способными к амёбоидному движению и мигрируют по дорзальной брыжейки к гонадам, например, у млекопитающих; 2. у птиц миграция происходит по другому пути. Примерно к тому времени, когда в желточном мешке начинается кровообращение, первичные половые клетки проникают в кровеносные сосуды и пассивно переносятся в теле зародыша. Вначале они распределяются случайно, но позднее большая их часть оказывается в гонадах.

Имеются экспериментальные данные, позволяющие предполагать наличие в зародыше химических атрактантов, веществ, стимулирующих миграцию первичных половых клеток к гонадам. Однако эти данные должны быть подтверждены дальнейшими исследованиями. Первичные половые клетки попавшие не в гонады, а в какие-либо другие участки зародыша, по-видимому, гибнут. Существует мнение, что первичные половые клетки, оказавшиеся не на своем месте, иногда перерождаются в тератомы (это странные опухоли, которые часто содержат участки различных высокодифференцированных тканей; иногда в них можно встретить даже волосы и зубы!).

2 фаза – заключается в размножении первичных половых клеток, их количественное увеличение.

Тщательными количественными исследованиями было доказано, что в процессе миграции к гонадам число первичных половых клеток увеличивается. Например, у мыши за время миграции число этих клеток возрастает примерно от 100 до 5000. Однако основное увеличение числа половых клеток происходит уже в гонадах. Увеличение численности клеток в гонадах происходит за счет деления первичных половых клеток митозом. Митотически делящиеся женские первичные половые клетки называются оогониями, мужские-сперматогонии. Характер митотической активности половых клеток сильно различается в мужских и женских гонадах.

У человеческих зародышей и зародышей млекопитающих женского пола интенсивное митотическое деление наблюдается между 2-м и 5-м месяцем внутриутробного развития, когда число оогоний возрастает от нескольких тысяч до 7 миллионов. А к 7-му месяцу их число резко уменьшается и остаётся постоянным в количестве 300-400 тысяч.

У большинства других животных и низших позвоночных популяции оогоний сохраняют способность к делению на протяжение всего репродуктивного периода. Что же касается индивидумов мужского пола, то у них митозы в гонанах начинаются на ранних стадиях развития зародыша и обычно продолжаются в течение всей жизни, до тех пор пока индивидум способен к размножению.

3 фаза – гаметогенеза характеризуется процессом уменьшения числа хромосом в половых клетках вдвое, в результате деления мейоза

Нужно отметить, что одним из основных условий, необходимых для полового размножения у любого вида, является сохранение нормального числа хромосом из поколения в поколение. Это достигается путем уменьшения (редукции) числа хромосом в гаметах в двое во время гаметогенеза: из диплоидного (2п) оно становится гаплоидным (1п).

С генетической точки зрения мейоз протекает по существу одинаково в мужских и женских половых клетках. Поэтому в начале мы в общих чертах вспомним процесс мейоза, а затем рассмотрим его особенности, которые характерны для особей мужского и женского пола. Сущность мейоза заключается в том, чтобы каждая гамета получила гаплоидный набор хромосом. Однако вместе с тем мейоз – это та стадия гаметогенеза, на которой создаются новые комбинации генетического материала путем различных сочетаний материнских и отцовских генов. Генетическая рекомбинация в хромосомах возникает в двух случаях: 1) в результате случайного распределения материнских или отцовских хромосом по дочерним клеткам; 2) в результате обмена участками гомологичных хромосом в процессе кроссинговера, происходящего на стадии зиготены профазы мейоза 1.

До сих пор остается неясным вопрос: каким образом клетка получает сообщение о том, что ей следует перейти от простого митотического деления к мейозу. Мейоз не связан с синтезом ДНК и потому к началу профазы мейоза, репликация ДНК в клетке уже закончена. Содержание ДНК в клетке на стадии профазы вдвое выше, чем на стадии интерфазы. Следовательно, в начале мейоза клетку можно описать 2п4с (т.е. она содержит диплоидный набор хромосом 2п, но вследствие репликации, содержание в ней ДНК вдвое выше обычного 4с вместо 2с). Смысл мейоза заключается в создании гаплоидных гамет с набором генетического материала 1п1с. Редукция генетического материала достигается за счёт двух делений созревания, не сопровождающихся синтезом ДНК.

Первое деление мейоза иногда называют редукционным делением, приводит к образованию двух генетически неодинаковых дочерних клеток (1п2с). При втором, эквационном делении, каждая из двух клеток, возникших в результате предыдущего деления, даёт две генетически идентичные дочерние клетки (1п1с), которые теперь уже можно назвать гаметами.

В отличие от митоза, продолжительность которого измеряется в минутах и часах, мейоз протекает очень медленно и может занимать время от нескольких дней до 45-50 лет (у женщин).

4 фаза – гаметогенеза характеризуется окончательным созреванием и дифференцировкой половых клеток.

Итак, в результате мейоза исходные первичные половые клетки превратились в 4 гаплоидные дочерние клетки. У особей мужского пола все эти четыре клетки превращаются и преобразуются в гаметы; у особей женского пола вследствие ассиметричности мейоза лишь из одной клетки получается жизнеспособное яйцо. Три другие дочерние клетки мельче и превращаются в направительные (полярные тельца), о функции которых до сих пор ведутся споры.

Сперматогенез – развитие мужских половых клеток. Различают 4 стадии:

1. – период размножения – исходные в формировании сперматозоидов клетки – сперматогонии митотически делятся. Они имеют округлую форму клетки, относительно большое ядро, небольшое количество цитоплазмы. В результате митоза их число значительно увеличивается. В семенниках животных имеется особая зона размножения, где и происходят данные процессы. Одной их характерных особенностей сперматогониальных делений – незавершение цитотомии. В результате потомки одного исходного гония образуют клон клеток, объединенных цитоплазматическими мостиками. Число гониальных делений видоспецифично, но как правило их больше, чем в оогенезе.

2. фаза роста наступает, когда размножение прекращается и клетка приступает к мейотическому делению. Этой фазе соответствует особая зона роста в семенном канальце. Именно в этот период в ядрах клеток осуществляется профаза мейоза 1. Клетки, приступившие к росту, называются сперматоцитами 1-го порядка.

3. период созревания, который заключается в двух последовательных делениях мейоза; сначала редукционного, а затем эквационного. В результате, после редукционного деления из сперматоцита 1 порядка образуются два сперматоцита 2-го порядка, а затем 4 сперматиды. Последние отличаются от исходных клеток меньшими размерами, относительно большим количеством цитоплазмы, иным отношением к красителям, а главное – важным преобразованием ядер, связанным с осуществлением мейоза. Таким образом, мейоз по времени совпадает с периодом роста и созревания в ходе гаметогенеза. У человека первое деление мейоза занимает несколько недель, тогда как второе – занимает 8 часов. Именно поэтому на гистологических препаратах легче найти сперматоциты 1 порядка, чем сперматоциты 2 порядка.

4. период формирования спермиев, или спермиогенез, или метаморфоз сперматид. Здесь происходит много коренных изменений: происходит отток воды из ядра, оно уменьшается в размерах, хроматин концентрируется. Изменяются морфология клеток. Ядро концентрируется в головке спермия, цитоплазма как бы оттекает в хвостовой отдел, остается лишь тонкий слой, окружающей ядро. Центриоли становятся заметными. Проксимальная располагается ближе к ядру, дистальная отходит от неё и приобретает форму кольца, охватывающего хвост. Часть цитоплазмы, содержащая аппарат Гольджи концентрируется на апикальном конце головки и формирует акросому. Митохондрии образуют спиральную обвертку вокруг той части филаментов, которые формируют среднюю часть хвоста – это митоходриальная спираль – источник энергии. Дистальнее средней части хвоста – слой цитоплазмы представлен лишь тонкой пленкой, а его кончик совсем лишен цитоплазмы. У человека развитие спермия из сперматогонии занимает примерно 64 дня.

Оогенез – развитие женских половых клеток. В нем различают 3 периода.

1. период размножения, где оогонии – первичные половые клетки делятся путем митоза. У женщин и у всех самок млекопитающих этот период заканчивается ещё у эмбриона, до рождения.

2. период роста; он длиннее, чем при сперматогенезе и делится на периоды малого и большого роста. Оогонии, приступившие к периоду роста называются ооцитами 1 порядка. В период малого роста клетка вырастает незначительно, но в её ядре в это время осуществляются важные превращения первых этапов мейоза 1 вплоть до диплотены профазы. В период большого роста происходит интенсивный рост цитоплазмы и ядра, максимальное развитие хромосом «ламповых щеток» - это так называемый период цитоплазматического роста; затем наступает период трофоплазматического роста, в конце которого в ооплазме осуществляется накопление желтка; в это время интенсивность синтеза РНК в ядре падает.

Процесс накопления желтка называется вителлогенезом. Он может осуществляться за счет синтеза желтка внутри ооцита (эндогенный желток), либо синтезироваться вне яичника (экзогенный желток). Синтез эндогенного желтка происходит в эндопламатическом ретиккулуме и аппарате Гольджи; у некоторых может идти в митохондриях, которые при этом перерождаются в желточные гранулы. Эндогенный синтез характерен для солитарного оогенеза. У животных с алиментарным оогенезом эндогенный дополняется экзогенным синтезом желтка, при этом вителлогенины – предшественники желтка, синтезируются в печени (у позвоночных), поступают в кровь и в яичнике поглощаются растущими ооцитами. Большую роль при этом играет фолликулярный эпителий.

3. период созревания. Здесь наблюдается своеобразное деление ооцита 1 порядка. При редукционном делении образуется ооцит 2 порядка и одна клетка, которая из-за необычного поведения цитоплазмы в телофазе деления, окажется очень маленькой почкой в области анимального конца яйца. Это первое направительное (редукционное) или первое полярное тельце. При эквационном делении – образуется яйцеклетка и второе направительное тельце. Впоследствии полярные тельца дегенерируют. Резкая неравномерность делений созревания яйцеклетки имеет очевидный биологический смысл: невыгодность дробить накопленный в ходе роста яйцеклетки запас питательных веществ.

Несмотря на сходство генетических аспектов сперматогенеза и оогенеза между ними существуют значительные различия:

1. при сперматогенезе образуется 4 полноценные половые клетки; при оогенезе – лишь одна яйцеклетка;

2. у индивидуумов женского пола 1 деление мейоза начинается ещё зародыша, а завершается мейоз самое раннее при наступлении полового созревания, а самое позднее с наступлением менопаузы. Сперматогенез начинается лишь при достижении половой зрелости и продолжается в течении всей жизни индивидуума;

3. сперматогенез протекает примерно одинаково у всех позвоночных; зрелый сперматозоид мельче сперматогония и отличается высокой подвижностью. Оогенез, напротив, сильно различается у разных представителей позвоночных, в следствии больших различий как в количестве желтка, так и в биологии размножения. Зрелое яйцо крупнее оогония и неподвижно;

4. в период роста в яйцо по сравнению со сперматозоидом поступает большее количество питательных веществ;

5. ну и наконец, в процессе сперматогенеза мы наблюдаем 4 периода, а в оогенезе – 3, отсутствует период формирования.