Эмбриология

Из двух делений созревания первое является редукционным, при этом каждая из образовавшихся клеток приобретает половинный набор хромосом. Поскольку 1-му делению созревания предшествовала S-фаза, каждая из разошедшихся хромосом состоит из двух идентичных хроматид. Эти хроматиды и расходятся по сестринским клеткам во втором делении созревания, которое является эквационным.

Основная особенности делений созревания в ооцитах состоит в том, что эти деления резко неравномерны. Перед первым делением созревания ядро ооцита мигрирует к его поверхности. Та точка поверхности ооцита, к которой ближе всего располагается ядро, названа анимальным полюсом. Противоположная точка - вегетативный полюс. В результате первого деления созревания половина хромосомного набора выталкивается в очень маленькую клетку, которая называется первым редукционным или полярным тельцем.

Яйцевая клетка после выделения I редукционного тельца называется ооцитом II порядка. Второе деление созревания осуществляется путем выделения II редукционного тельца таких же размеров, как и I. После его выделения ооцит II порядка превращается в зрелое яйцо.

Лишь у некоторых видов (некоторые кишечнополостные, морские ежи) мейоз доходит до конца бещ участия сперматозоида, внедряющегося в яйцеклетку. У большинства животных течение мейоза останавливается на некотором этапе созревания. Возникает блок мейоза, и для дальнейшего его протекания требуется активация яйцеклетки.

Различают три типа блока мейоза:

1. 
   Мейоз останавливается на стадии диакинеза профазы 1-го деления, т.е. участие сперматозоида необходимо для протекания обоих мейотических делений. Этот тип мейоза наблюдается у губок, некоторых представителей плоских, круглых и кольчатых червей, моллюсков. Сюда же относятся собака, лиса и лошадь.
   
2. 
   Мейоз останавливается на метафазе 1-го деления созревания. Такой блок отмечен у некоторых губок, немертин, кольчатых червей, моллюсков и почти у всех насекомых.
   
3. 
   Мейоз останавливается на метафазе 2-го деления созревания. Сюда относятся почти все хордовые. У летучих мышей блок мейоза происходит на анафазе 2-го деления созревания. Именно на этих стадиях происходит овуляция яйцеклетки.
   

Первые морфологические проявления поляризации яйцеклетки приурочены к периоду вителлогенеза: у большинства яйцеклеток желток откладывается приемущественно в вегетативном полушарии, а ядро оттесняется в анимальное полушарие. Но только во время второго деления созревания поляризация становится устойчивой и необратимой.

Материальные носители полярности яйцеклетки до сих пор полностью не выявлены, но судя по всему, они локализованы в плазматической мембране, а не в цитоплазме яйцеклетки. В последнее время были получены данные о наличии электрических полей, ориентированных от одного полюса яйцеклетки - к другому. Такие поля связаны с неравномерным распределением ионных каналов по мембране. Утверждается, что расположение насосов и ионных каналов однозначно определяет полярность яйцеклетки.

Кроме плазматической мембраны яйцо может быть окружено еще несколькими оболочками. Различают следующие оболочки:

• 
  Первичные (желтковые), представляющие собой производные мембраны яйцеклетки. Они присущи яйцеклеткам почти всех животных (кроме губок и большинства стрекающих), но особенно хорошо развиты у позвоночных. Первичная оболочка млекопитающих называется блестящей оболочкой (zona pellucida). Первичная оболочка образована гликопротеинами, обеспечивает видовую специфичность адгезии спермия при оплодотворении. Возможно, внешняя часть данной оболочки образована выделениями фолликулярных клеток.
  
• 
  Вторичные оболочки (хорион) образуются как продукт выделения фолликулярных клеток. Лучше всего выражены у насекомых. В хорионе имеется одно или несколько отверстий (микропиле), через которое сперматозоид проникает в ядро.
  
• 
  Третичные оболочки выделяются железами яйцевода. Очень сильно они развиты у химеровых рыб, амфибий, рептилий и птиц. У птиц третичные оболочки представлены белком, двумя слоями подскорлуповой пергаментной оболочки и скорлупой.
  

Характерные особенности сперматогенеза. Спермиогенез.

Мужские половые клетки, как и женские, возникают из первичных гоноцитов. При сперматогенезе непосредственными потомками гоноцитов являются стволовые сперматогенные клетки (у млекопитающих их называют сперматогониями типа А). Они присутствуют не только у зародышей, но и у половозрелых самцов. В семенниках млекопитающих они располагаются в пристеночном слое семенных канальцев. Стволовые клетки нерегулярно делятся. Некоторые из них перемещаются ближе к центру канальца, их деления становятся более регулярными (сперматогониальные деления), а после каждого деления изменяется форма и величина клеток. Такие клетки называют сперматогониями (сперматогониями типа В).

Сперматогониальные деления происходят постоянно у половозрелых самцов. Число делений сперматогония определено для каждого вида (4 для человека).

После определенного числа делений сперматогоний передвигается еще ближе к просвету канальца и вступает в профазу 1-го деления созревания. На этой стадии он называется сперматоцитом I порядка.

В результате первого деления созревания сперматоцит I порядка делится на два одинаковых сперматоцита II порядка, которые делятся на две сперматиды, в результате второго деления созревания.

Далее каждая сперматида преобразуется в сперматозоид. Этот сложный цитологический процесс, не сопровождающийся клеточными делениями, называется спермиогенезом. Процесс спермиогенеза продолжается несколько дней (у человека - 23 дня).

Как сперматогонии, так и сперматоциты и сперматиды всех исследованных видов животных связаны между собой цитоплазматическими мостиками, образуя синцитии. Этим объясняется высокая степерь синхронности делений сперматогониев и сперматоцитов. Между сперматидами по таким мостикам могут проходить мРНК.

Важное значение для сперматогенеза имеют соматические клетки, расположенные в стенках семенных канальцев - клетки Сертоли. Клетки Сертоли снабжают сперматогониальные клетки питательными веществами и гормонами, способствуют высвобождению сперматозоидов в просвет канальцев, фагоцитируют неполноценные сперматозоиды.

Клетки Сертоли не контактируют друг с другом на уровне базальной мембраны. Их контакт находится выше, над слоем сперматогоний. У плода и новорожденных между клетками Сертоли имеются лишь щелевые контакты. На протяжении пропубертатного периода происходит образование плотных контактов.

Как уже было сказано, после прохождения делений созревания образуется сперматида, которая является идентичной сперматозоиду генетически, но не цитологически. Основные процессы, происходящие во время спермиогенеза:

• 
  ядро сперматиды сильно уплотняется, хроматин конденсируется и становится синтетически неактивным.
  
• 
  происходят перемещения органелл: аппарат Гольджи смещается на апикальный конец сперматозоида (вперед от ядра) и формирует акросому, содержащую ферменты - спермолизины; центриоли смещаются на противоположный полюс ядра.
  
• 
  из дистальной центриоли начинает расти жгутик. Вокруг основания жгутика располагаются спиралевидные митохондрии. Однако, у некоторых видов животных сперматозоиды лишены жгутика (круглые черви, ракообразные).
  
• 
  почти вся цитоплазма отторгается.
  

Реотаксис – способность сперматозоидом передвигаться против тока жидкости в половых путях самки. Стереотаксис – способность двигаться по направлению к более крупному. чем сам сперматозоид, объекту – яйцеклетке.

К дистантным взаимодействиям можно также отнести реакцию капацитации сперматозоида, происходящую в половых путях самки. (1. Альбумины в половых путях самки связывают холестерин из мембраны сперматозоида, в результате чего уменьшается соотношение холестерин: фосфолипиды. Это приводит к дестабилизации акросомного пузырька. 2. Освобождение активных центров галактозилтрансфераз, ферментов, узнающих  N-ацетилглюкозаминовые остатки в молекуле гликопротеина, расположенного на поверхности прозрачной оболочки яйцеклетки и представляющего, по сути, рецептор сперматозоида).

Случаи хемотаксиса. Гиногамоны, андрогамоны, спермиолизины, их роль.

Хемотаксис – направленное движение сперматозоидов по градиенту концентрации веществ, выделяемых яйцеклеткой (аттрактантов). Хемотаксис встречается у многих групп животных, особенно беспозвоночных: кишечнополостных, моллюсков иглокожих, полухордовых.

 Термин «Гамоны» предложен в 1940 нем. учёными М. Хартманом и Р. Куном. Вещества, выделяемые женскими и мужскими гаметами, названы ими соответственно гиногамонами и андрогамонами. Гамоны найдены у некоторых растений (водоросли, грибы) и многих животных (моллюски, кольчатые черви, иглокожие, хордовые).

В женских половых продуктах животных выявлены: 1) гиногамон I, усиливающий и продлевающий подвижность сперматозоидов; антагонист андрогамона I; низкомолекулярное термостабильное вещество небелковой природы. 2) Гиногамон II (фертилизин), вызывающий агглютинацию сперматозоидов. Согласно Лилли, он является необходимым звеном при соединении сперматозоида с яйцом, однако, по современным данным, его функция заключается в элиминации значительной части сперматозоидов, приближающихся к яйцу. У морских ежей фертилизин идентичен материалу студенистой оболочки и представляет собой гликопротеид; аналогичное по своему действию вещество имеется внутри яйца у морских ежей (цитофертилизин) и костистых рыб. 3) Вещество, инактивирующее агглютинирующее начало (антифертилизин яйца); у морских ежей осаждает гель студенистой оболочки и вызывает агглютинацию яиц; антагонист гиногамона II; белок.

В мужских половых продуктах животных найдены: 1) андрогамон I, подавляющий подвижность сперматозоидов; антагонист гиногамона I; низкомолекулярное термостабильное вещество небелковой природы. 2) Андрогамон II (антифертилизин сперматозоида), инактивирующий агглютинирующее начало; по действию сходен с антифертилизином яйца; относительно термостабильный белок. 3) Андрогамон III, вызывающий разжижение кортикального слоя яйца; низкомолекулярное термостабильное соединение (у морских ежей, по-видимому, ненасыщенная жирная кислота). 4) Лизины сперматозоида, растворяющие яйцевые оболочки; термолабильные белки (у млекопитающих — фермент гиалуронидаза).

Т.о., гамоны действуют как хемотаксические, рецепторные и литические агенты.
Контактные взаимодействия гамет.

Включают реакции активации сперматозоида и яйцеклетки, процессы слияния гамет (плазмогамии и кариогамии).

Реакция активации сперматозоида начинается при контакте его головки со студенистой оболочкой яйцеклетки. Контакт с гликопротеинами оболочки яйцеклетки вызывает открытие Ca2+ и Na + каналов.

1)В результате поступления ионов кальция в сперматозоид происходит слияние плазмалеммы с передней частью мембраны акросомы.

2)Раскрытие мембраны акросомы.

3)Выход протеаз из акросомы, лизис третичной (у млекопитающих – студенистой, zona pellucida) оболочки яйца.

4)В результате поступления Na+ из внешней среды в клетку, происходит отток H+ (через

Na+/Н+ - обменник), рН повышается и это приводит к взрывоподобному переходу G-актина в F-актин. В результате полимеризации актина задняя часть мембраны акросомы образует один (акросомная нить) или множество (акросомные микроворсинки) выростов.

Повышение pH также приводит к активации динеиновой АТФазы в шейке сперматозоида => повышение двигательной активности жгутика.

5) Взаимодействие биндина, встроенного в мембрану акросомной нити (бывшей внутренней мембраны акросомного пузырька) с рецептором на желточной оболочке яйцеклетки.

6)Лизис желточной оболочки яйцеклетки, образование бугорка оплодотворения.

1)Моментом начала активации яйцеклетки считается образование бугорка оплодотворения.

Происходит благодаря полимеризации кортикального актина. Бугорок оплодотворения формируется после рецепции биндинов рецепторами желточной оболочки яйца.

2) Мембраны сперматозоида и яйцеклетки сливаются, образуется канал, по которому затем пройдут ядро и центриоль сперматозоида. В мембране сперматозоида, оказавшейся частью этого канала, находятся Na+ каналы, по которым натрий поступает в цитоплазму яйца. Мембранный потенциал яйцеклетки на несколько секунд меняется с -70 мВ на + 10 мВ => быстрый блок полиспермии. Это объясняется тем, что положительно заряженная мембрана яйцеклетки для сперматозоидов непроницаема (наличие потенциал-зависимых рецепторов).

3) При контакте биндина с мембранным рецептором яйцеклетки меняется конформация G-белка. Он активирует фосфолипазу С, которая также встроена в мембрану. Она расщепляет фосфатидил-инозитол-4,5-дифосфат(PIP₂) на диацилглицерол, DAG, (он затем через протеинкиназу С стимулирует транспорт Na⁺ внутрь клетки, H⁺ - наружу, что приводит к подъему синтеза белка в цитоплазме яйцеклетки и синтез ДНК в мужском и женском ядрах) и инозитол-3-фосфат (IP₃). Последний стимулирует выход Ca²⁺ из ЭПР. Кальций стимулирует экзоцитоз кортикальных гранул (альвеол) яйцеклетки (происходит кортикальная реакция). При этом в пространство между плазмалеммой и желточной оболочкой высвобождается ряд веществ:

1) вителлиновая деламиназа. Отделяет желточную облочку от плазмалеммы путем лизирования динеина, их соединяющего.

2) Спермрецепторная гидролаза лизирует сайты соединения налипших сперматозоидов, очищая от них поверхность яйца.

3) Осмотически активный гликопротеид, приводяший к поступлению воды в щель между плазмалеммой и желточной оболочкой => образованию перивителлинового пространства.

4) Фактор, способствующий затвердеванию желточной оболочки (теперь она называется оболочкой оплодотворения и становится недоступной для сперматозоидов). Медленный блок полиспермии.

5)Гиалин – структурный белок, участвующий в формировании гиалинового слоя, располагающегося у яйцеклеток некоторых видов над плазмалеммой.

Помимо этого, увеличение концентрации Ca²⁺ приводит к:

• 
  активации синтеза белка (особенно гистонов и циклинов), ДНК (совместно с DAG)
  
• 
  сборке и перераспределение элементов цитоскелета, в результате чего кортикальный слой приобретает сократимость, необходимую для дробления
  
• 
  активация NAD-киназы (путем изменения активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы) => образование NADP => стабилизация оболочки оплодотворения (за счет синтеза липидов)
  
• 
  активация кальпина II.
  

Мейоз завершается еще во время оогенеза у морских ежей и некоторых кишечнополостных.

У остальных видов происходит блок мейоза, который снимается только с оплодотворением.

1) Диакинез профазы I. Губки, плоские, круглые, кольчатые черви, моллюски, щетинкочелюстные, лиса, собака и лошадь.

2) Метафаза I - губки, немертины, кольчатые черви, моллюски, почти все насекомые.

3) Метафаза II – почти все хордовые. (У летучих мышей – анафаза II).

В состоянии метафазы II яйцеклетку удерживает белковый комплекс MPF, деградацию которого предотвращает циклин В. А его защищает от деградации pp39mos.

Поведение пронуклеусов и центриолей при оплодотворении.

Ионы кальция, попавшие в цитоплазму при активации яйцеклетки, активируют протеазу кальпин II. Последний инактивирует pp39mos, запускается обратный каскад, который выводит яйцеклетку из блока мейоза. Образуется зрелый женский пронуклеус.

При попадании в яйцеклетку сперматозоид разворачивается шейкой по ходу дальнейшего движения. Т.о., проксимальная центриоль (в яйцеклетку попадает чаще всего только она) занимает положение перед еще компактизированным ядром. На ней происходит сборка микротрубочек, что обеспечивает движение мужского ядра. В ядре, тем временем, лизируется ядерная оболочка, что предоставляет контакт между цитоплазмой яйцеклетки и хроматином. Под действием факторов цитоплазмы происходит замена протаминов на гистоны, что приводит к деконденсации хроматина. Теперь ядро называется мужским пронуклеусом.

Пронуклеусы сближаются, совершая «танец пронуклеусов». Сначала мужской пронуклеус движется внутрь яйца перепендикулярно поверхности – это «дорожка проникновения». Затем оба пронуклеуса движутся по «дорожке копуляции».

При кариогамии или незадолго перед ней происходит репликация ДНК. Каждый пронуклеус – n2c. Кариогамия переходит непосредственно в первое деление зиготы. Центриоли веретена этого деления могут быть обе от сперматозоида, у некоторых видов – одна от матери, вторая от отца.

У животных, сперматозоид которых проникает в зрелую яйцеклетку, после кариогамии образуется интерфазное ядро зиготы. У остальных хромосомы выстраиваются в метафазную пластинку первого деления.

Определение пола при оплодотворении.

Определение пола при оплодотворении осуществляется на основании тех половых хромосом, которые достались зиготе и будущему организму от яйцеклетки и сперматозоида.

В таком случае есть два варианта определения пола:

1)в диплоидном наборе XX – ж,

XY (в редких случаях XO) – м.

То есть женский пол гомогаметен, мужской – гетерогаметен. Такое определение пола встречается у большинства млеков, амфибий, у нематод. моллюсков. иглокожих, большинства членистоногих.

2)У других видов гетерогаметен женский пол (ZW), гомогаметен мужской (ZZ). Птицы, пресмыкающиеся, тутовый шелкопряд.

Пол также может определяться не фактическим наличием Y-хромосомы, а соотношением X:аутосомы (у дрозофил). Чем больше Х, тем больше организм приобретает фенотип самки. Y хромосома на определение пола не влияет, но самцы без нее стерильны.

При оплодотворении осуществляется только хромосомное определение пола, тогда как существуют еще и генный (при различных мутациях гена SRY, например – при делеции участка с ним появляются XY женщины, при переносе на X или аутосому – ХХ мужчины) и геномный механизмы (у пчел), и некоторые другие.

Ооплазматическая сегрегация в разных типах яиц, ее морфогенетическая роль. Цитологические механизмы определения сагиттальной плоскости в яйцеклетке амфибий.

После проникновения сперматозоида начинаются процессы расслоения, отмешивания различных составных частей цитоплазмы яйцеклетки (ооплазмы) – ооплазматическая сегрегация.

Намечается радиальная (относительно анимально-вегетативной оси) симметрия.

У амфибий желтый (где вошел сперматозоид) и серый серпы. Через их середину проходит сагиттальная плоскость симметрии.

Развитие яйцеклетки без сперматозоида.

Стимулируется различными факторами: к-та/ температура и т. п. Которые похожи на реакции активации, идущие после контакта со сперм-ом. Обычно получаются диплоидные организмы.

Гиногенез: сперматозоид активирует яйцеклетку, но его ядро не участвует.

Андрогенез – развитие на базе мужского ядра и мужского пронуклеуса.