Лекция № 2. Гаметогенез и оплодотворение
Гаметогенез (прогенез) – это процесс образования половых клеток – гамет, их развития и созревания. Образование половых клеток начинается на ранних этапах эмбриогенеза задолго до образования половых желез – гонад. Первичные половые клетки – гоноциты – можно обнаружить среди энтодермальных клеток желтка или желточного мешка. Миграция гоноцитов из области желточного мешка к гонадам осуществляется по кровеносным сосудам у птиц или по дорсальной брыжейке у млекопитающих благодаря способности к амебоидному движению. Попав в гонады, гоноциты делятся митозом, и их количество значительно увеличивается. Одно из основных условий, необходимых для полового размножения у любого биологического вида, – это сохранение нормального числа хромосом, что достигается путем редукции числа хромосом в гаметах вдвое во время гаметогенеза и образование зрелых гамет с гаплоидным набором хромосом. С генетической точки зрения в мужских и женских половых клетках мейоз протекает приблизительно одинаково и включает два последовательных деления (рис. 1):
первое деление созревания – редукционное, протекающее без интерфазы и синтеза ДНК. Ответственным этапом мейоза является профаза первого деления, в ходе которой хромосомы обмениваются гомологичными участками в процессе кроссинговера;
второе деление созревания – эквационное – протекает как обычный митоз, но из-за отсутствия интерфазы клетки из телофазы первого деления мейоза переходят в профазу второго деления мейоза без удвоения содержания ДНК. В образующихся дочерних клетках расходятся хроматиды от каждой из метафазных хромосом, поэтому гаметы получают гаплоидный набор генетического материала.
Соответственно двум видам гамет различают овогенез и сперматогенез.
Сперматогенез у всех позвоночных протекает сходным образом и включает четыре фазы: размножения, роста, созревания и формирования (рис. 2).
В фазу размножения первичные половые клетки делятся митозом и образуют сперматогонии – стволовые (у млекопитающих они обозначаются как сперматогонии типа А), которые остаются в недифференцированном состоянии и способны к редкому митотическому делению. После каждого деления стволовые клетки изменяют свою величину и форму и становятся способными к регулярному и частому митотическому делению (полустволовые или сперматогонии типа В). После определенного для каждого вида животных количества делений сперматогонии вступают в период 1 первого деления созревания и становятся сперматоцитами первого порядка.
В фазу роста клетки увеличиваются в размерах приблизительно в четыре раза.
Рис. 1. Схематическое изображение стадий мейоза в половых клетках [6]
В фазе созревания каждый сперматоцит первого порядка проходит первое деление созревания, образуя два одинаковых сперматоцита второго порядка. Каждый из них при эквационном делении образует по две сперматиды, обладающие, как и зрелые клетки, гаплоидным числом хромосом. До стадии сперматиды мужские половые клетки связаны между собой цитоплазматическими мостиками, образуя ассоциации клеток.
Сперматиды теряют синцитиальные связи и вступают в фазу формирования, когда в результате сложных цитоплазматических преобразований, не сопровождающихся клеточным делением, дифференцированная половая клетка с гаплоидным набором хромосом преобразуется в зрелый сперматозоид. Процесс формирования спермия из сперматиды называется спермиогенезом и включает следующие преобразования: уплотнения ядра, конденсация хроматина, отторжение почти всей цитоплазмы, перемещение органелл, формирование акросомы, появление у большинства биологических видов органа движения – жгутика.
В процессе сперматогенеза из одной первичной половой клетки образуется четыре зрелых сперматозоида.
Рис. 2. Мужской женский гаметогенез [6].
В отличие от сперматогенеза овогенез более разнообразен и зависит от биологии развития вида.
В фазу размножения происходит митотическое деление первичных половых клеток и образование овогоний. У низших позвоночных способность к митотическому делению сохраняется на протяжении всего репродуктивного периода. У животных с наружным оплодотворением эта фаза протекает очень активно, при этом образуются миллионы половых клеток. У животных с внутренним оплодотворением половых клеток образуется значительно меньше, а у млекопитающих размножение овогоний происходит только в период эмбрионального развития и к моменту рождения прекращается (рис. 2).
В фазу роста различают период малого роста, при котором образовавшийся из овогонии овоцит первого порядка незначительно увеличивается в размерах и вступает в первое редукционное деление мейоза. При этом основные изменения происходят в ядре овоцита, там образуются многочисленные копии с участков ДНК, где расположен код рРНК (амплификация генов). На уже законченных копиях образуются новые и т.д. Происходит заготовка впрок рРНК и мРНК, которые будут использованы в процессе дробления. Период большого роста наиболее продолжительный и может длиться от нескольких дней до десятков лет у более организованных животных (млекопитающих). На протяжении этого периода овоцит находится в профазе 1. Происходит увеличение клетки за счет отложения в цитоплазме питательных веществ (желтковых включений, жира, гликогена).
В фазу созревания заканчивается первое деление мейоза, при этом половина хромосомного набора выталкивается в маленькую клетку, называемую редуционным или полярным тельцем. Образуется овоцит второго порядка. Он вступает во второе эквационное деление, которое у большинства млекопитающих блокируется на стадии метафазы, покидает яичник в процессе овуляции и у большинства млекопитающих под активизирующим действием сперматозоида завершает второе деление мейоза в маточной трубе, превращаясь в зрелую яйцеклетку с гаплоидным набором хромосом. Если контакта со сперматозоидом не происходит, то овоцит второго порядка не завершает мейоз и погибает. У большинства животных для завершения мейоза при овогенезе требуется оплодотворение сперматозоидом или действие другого активизирующего агента.
Различают следующие типы блока мейоза:
на стадии диакенеза, когда участие сперматозоида необходимо для протекания обеих митотических делений (губки, черви, некоторые млекопитающие);
на стадии метафазы первого деления созревания (моллюски, насекомые);
на стадии метафазы второго деления созревания (почти все хордовые и млекопитающие).
Лишь у немногих видов (некоторые кишечнополостные) мейоз доходит до конца без участия сперматозоида.
В результате мейоза в овогенезе образуется одна дифференцированная яйцеклетка и три редукционных тельца.
Оплодотворение – это процесс слияния мужской и женской половых клеток и образование одноклеточной зиготы. При этом происходит восстановление диплоидного набора хромосом и образующийся новый одноклеточный организм – зигота – приобретает свойство тотипотентности – способности дать начало всему многообразию клеток и тканей будущего организма.
В зрелых половых клетках все жизненные процессы подавлены, и половые клетки фактически находятся в анабиотическом состоянии. Оплодотворение служит толчком к выходу клетки из неактивного состояния. Функция сперматозоида в процессе оплодотворения заключается в активации яйцеклетки, что дает начало всем последующим преобразованиям в ней.
В процессе оплодотворения сперматозоид выполняет следующие функции: вносит в яйцеклетку отцовский генетический материал; активизирует яйцеклетку.
В ходе оплодотворения условно выделяют три фазы:
фазу дистантного взаимодействия, во время которой гаметы взаимодействуют на некотором расстоянии;
фазу контактного взаимодействия, во время которой все процессы происходят при непосредственном соприкосновении поверхностей гамет;
фазу синкариона – это фаза оплодотворения, при которой все процессы происходят после вхождения спермия в яйцеклетку.
В фазу дистантного взаимодействия основные процессы направлены на обеспечение встречи гамет. В зависимости от вида оплодотворения (внешнего или внутреннего) у разных биологических видов существуют различные механизмы повышения вероятности встречи гамет: одновременность выделения спермия и яйцеклетки, перенос сперматозоидов в сперматофоре, кожное осеменение и др.
Основным фактором сближения гамет в фазу дистантного взаимодействия является хемотаксис – направленное движение сперматозоида по градиенту концентрации веществ, выделенных яйцеклеткой с последующим узнаванием и активацией сперматозоида. Такой метод видоспецифического привлечения гамет был выработан в ходе эволюции. Явление хемотаксиса доказано для многих видов животных. У млекопитающих наблюдается разновидность хемотаксиса – реотаксис – способность сперматозоида двигаться против встречного течения жидкости маточной трубы. При этом яйцеклетка выделяет химические вещества небелковой природы – гиногамоны. Одни из них активизируют движение спермиев, другие в определенный период времени вызывают их склеивание, что предохраняет яйцеклетку от полиспермии. В свою очередь сперматозоиды продуцируют андрогамоны, которые участвуют в растворении оболочек яйцеклетки.
При нахождении сперматозоида в половых путях самки он выходит из неактивного состояния и приобретает оплодотворяющую способность. Такой процесс называется капацитацией. Сущность капацитации заключается в дестабилизации мембраны акросомного пузырька, удалении с поверхности сперматозоида веществ, блокирующих активные центры, способные узнавать поверхность яйцеклетки и активизации ферментов акросомы, которые в последующем разрушают оболочки яйцеклетки.
В фазе контактного взаимодействия происходит разрушение оболочек яйцеклетки с последующим образованием оболочки оплодотворения.
В эту фазу при непосредственном контакте сперматозоида с оболочками яйцеклетки происходит разрыв акросомного пузырька и выход ферментов акросомы, которые разрыхляют и разрушают оболочки яйцеклетки, что обеспечивает последующее слияние гамет. Этот процесс называется акросомной реакцией (рис. 3).
Рис. 3. Акросомная реакция сперматозоида [3].
Разрыв акросомного пузырька происходит в результате изменения ионного состава мембраны акросомы под действием белков половых путей самки. У многих биологических видов при этом образуется акросомный вырост, мембрана которого содержит определенный белок, обеспечивающий видоспецифическое узнавание яйцеклетки. После того как осуществилось разрыхление лучистого венца и разрушение прозрачной оболочки яйцеклетки, происходит слияние плазматических мембран гамет.
Непосредственный контакт между половыми клетками приводит к образованию восприимчивого бугорка – участка на поверхности яйцеклетки, где в последующем произойдет слияние мембран обоих гамет. С этого момента в яйцеклетке включаются механизмы, предупреждающие полиспермию и одновременно создающие определенную среду для развития будущего зародыша. Этот процесс называется кортикальной реакцией яйцеклетки. После контакта с первым сперматозоидом мембрана яйцеклетки мгновенно деполяризуется и утрачивает способность соединяться с мембраной другого сперматозоида. Этот так называемый быстрый блок полиспермии поддерживается в течение одной минуты. За это время образуется медленный блок полиспермии, который обеспечивается кортикальной реакцией.
Механизм кортикальной реакции заключается в следующем. Под воздействием увеличения концентрации ионов кальция в яйцеклетке происходит слияние мембран кортикальных гранул с плазматической мембраной яйцеклетки и выход притеолитических ферментов вокруг внедрившегося сперматозоида. Этот процесс передается по кортикальному слою на противоположный полюс яйцеклетки. Под действием протеолитических ферментов растворяются белки, связывающие плазматическую мембрану с блестящей оболочкой. При этом выделяются мукополисахариды, которые создают осмотический градиент, привлекающий воду в перивителиновое пространство. Таким образом, формируется жидкое перивителиновое пространство с характерным ионным составом, необходимое для развития будущего зародыша.
Затем прозрачная оболочка отделяется от поверхности яйцеклетки, уплотняется и образуется оболочка оплодотворения, которая препятствует проникновению спермиев.
У ряда животных (рептилии, некоторые птицы) в процессе оплодотворения в цитоплазму яйцеклетки проникает несколько сперматозоидов, но оплодотворяющей способностью обладает только один из них, остальные разрушаются в самой яйцеклетке.
Кортикальная реакция является первым этапом активации яйцеклетки, которая заключается в серии биохимических изменений:
возрастает потребление кислорода;
усиливается углеводный обмен;
начинается интенсивный синтез белка с помощью заранее заготовленных, но заблокированных в информосомах рРНК и мРНК;
возрастает обмен фосфатов, калия, кальция.
В этот период времени одновременно с активацией метаболизма в яйцеклетке происходит сегрегация цитоплазмы, перераспределение органелл и включений. Цитоплазма яйцеклетки становится биохимически неоднородной, что в дальнейшем определяет направление развития зародыша.
Фаза синкариона – третья фаза оплодотворения, во время которой происходит слияние гамет. Она начинается с момента проникновения в яйцеклетку головки и шейки сперматозоида. Ядро сперматозоида набухает, хроматинные нити раскручиваются, исчезает ядерная оболочка, и формируется мужской пронуклеус. К этому времени в яйцеклетке млекопитающих и большинства амфибий завершается второе деление мейоза и происходит формирование женского пронуклеуса (рис. 5). Пронуклеусы сближаются, и мужские и женские хромосомы смешиваются. Этот процесс в фазе синкариона называется сингамией.
У многих видов животных спермии проникают в яйцеклетку на более ранних стадиях развития. Так, у лисиц и собак – на стадии овоцита первого порядка, у насекомых – в метафазу первого деления мейоза. У морских ежей, напротив, фаза синкариона протекает на стадии окончательно сформированного женского пронуклеуса с уже завершенных мейозом.
Рис. 4. Процессы ооплазматической сегрегации в яйцеклетках разных групп животных до начала их дробления [9]:
A1—А3 — смещение вещества полярной плазмы (мелкие точки) от вегетативного (вег) к анимальному (ан) полюсу в период между 1-м делением созревания и слиянием пронуклеусов в яйцеклетке моллюска прудовика; Б—Б3 — сегрегация в яйцеклетках асцидий, связанная с детерминацией их сагиттальной плоскости (Б1 — неоплодотворенное яйцо, Б2 — яйцо сразу после вхождения сперматозоида, Б3 — яйцо перед первым делением дробления; В — вхождение сперматозоида в яйцо лягушки (Д — дорсальная, V — вентральная сторона, д.пр.— дорожка проникновения сперматозоида, с.с. — зона серого серпа); Г1, Г2, Г3 — сегрегация внутренних компонентов ооплазмы в яйце хвостатой амфибии Discoglossus pictus через 15, 75 и 135 мин после оплодотворения (Д — дорсальная, V — вентральная сторона, с.с. — серый серп.
В ходе оплодотворения происходит важный процесс образования различий между отдельными частями зиготы, то есть оотипическая дифференцировка (рис. 4). При сегрегации цитоплазмы происходит перераспределение пигментированных гранул и морфогенных детерминант – белков кортикальных гранул и мРНК. Такое перераспределение в кортикальном слое яйцеклетки особым образом определяет ход дальнейшего развития зародыша. После объединения хромосомных наборов обоих пронуклеусов начинается митотическое деление ядра зиготы – дробление, в результате которого формируется многоклеточный организм – бластула. Правильное пространственное распределение морфогенных детерминант является решающим условием нормального развития организма. Попадая в последующем в разные клетки, морфогенные детерминанты активизируют или угнетают специфические гены, в результате чего клетки приобретают определенные свойства и развиваются в заданном направлении. Таким образом, в основе оотипической дифференцировки лежит дифференциальная экспрессия генов. По сути это первый этап детерминации, который определяет пути дальнейшего развития.