Джелдубаева Э.Р. Биология индивидуального развития. Курс лекций
Подождите немного. Документ загружается.
61
гиалуронидазы и трипсина, играющих важную роль в процессе
оплодотворения).
При контакте ♂ и ♀ за несколько десятков секунд, наружная оболочка,
покрывающая акросому, лизируется и спермолизины (вещества акросомы)
выходят в окружающую среду, вызывают разрыхление яйцевых оболочек.
Возникают выпячивание мембраны акросомы в виде акросомных трубочек,
которые удлиняются и вступают в контакт с плазматической мембраной ♀. В
месте контакта плазматические мембраны сливаются и содержимое
акросомальной трубочки соединяется с цитоплазмой ♀. Из нее выделяются
ферменты: гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, содержащуюся
в блестящей зоне. Трипсин расщепляет белки цитолеммы ♀ и клеток
лучистого венца. В результате происходят диссоциация и удаление клеток
лучистого венца, окружающих ♀, и растворение блестящей зоны. Помимо
этого, высокий уровень pHi активирует динеиновую АТФ-азу в шейке
спермия, что приводит к увеличению подвижности спермия. Позже по этой
трубочке перейдет ядро и центриоли ♂, после чего акросомальная трубочка
исчезает (что связано с деятельностью фермента). У многих беспозвоночных
из акросомы выбрасывается акросомальная нить.
Важный этап контактного взаимодействия гамет связан с узнаванием
спермия и яйца. На поверхности формирующегося акросомного выроста
располагается белок биндин, ответственный за видоспецифичное узнавание
у морских ежей. На желточной оболочке яйца находится гликопротеиновый
комплекс, способный образовывать связи с биндином.
3.4. ПРОНИКНОВЕНИЕ СПЕРМАТОЗОИДА В ЯЙЦЕКЛЕТКУ
Вслед за узнаванием спермия желточной (прозрачной) оболочкой яйца
происходит лизис части этой оболочки в области головки спермия, в
результате чего плазматические мембраны спермия и яйца сливаются.
Поверхность яйца покрыта микроворсинками, контакт между ♂-ом и яйцом
вызывает полимеризацию актина и увеличение размеров микроворсинок,
которые формируют воспринимающий бугорок. Временно существующий
воспринимающий бугорок в значительной степени гомологичен
акросомному выросту. У морских ежей, воспринимающий бугорок может
возникать в любой области яйца (рис. 3.4).
Результатом будет дестабилизация мембраны акросомного пузырька и,
как следствие, возможность осуществления акросомной реакции (рис.3.3).
После капацитации следует акросомальная реакция, которая индуцируется
только при контакте ♂ с клетками яйценосного бугорка. Поверхность
спермия содержит фермент (галактозилтрансферазу), способную узнавать
концевые остатки N-ацетилглюкозамина. В спермиях, не прошедших
капацитации, активные центры этого фермента блокированы связанными с
их поверхностью углеводами, включающими остатки N-ацетилглюкозамина
(NАг) и галактозы (Гал). При капацитации эти углеводы отделяются от
62
поверхности спермия, освобождая активные центры галактозилтрансфераз.
Теперь галактозилтрансферазы могут узнавать N-ацетилглюкозаминовые
остатки в молекуле гликопротеина, расположенного на поверхности
прозрачной оболочки и представляющего, по сути, рецептор спермия.
Рис. 3.4. Оплодотворение у морского ежа (по Гилберт, 1993): А – спермии,
прикрепленные к желточной оболочке яйца; Б – спермий вовлекается в яйцо
Результатом будет дестабилизация мембраны акросомного пузырька и,
как следствие, возможность осуществления акросомной реакции (рис.3.3).
После капацитации следует акросомальная реакция, которая индуцируется
только при контакте ♂ с клетками яйценосного бугорка. Поверхность
спермия содержит фермент (галактозилтрансферазу), способную узнавать
концевые остатки N-ацетилглюкозамина. В спермиях, не прошедших
капацитации, активные центры этого фермента блокированы связанными с
их поверхностью углеводами, включающими остатки N-ацетилглюкозамина
(NАг) и галактозы (Гал). При капацитации эти углеводы отделяются от
поверхности спермия, освобождая активные центры галактозилтрансфераз.
Теперь галактозилтрансферазы могут узнавать N-ацетилглюкозаминовые
остатки в молекуле гликопротеина, расположенного на поверхности
прозрачной оболочки и представляющего, по сути, рецептор спермия.
Таким образом, в процессе кортикальной реакции претерпевает ряд
изменений:
• воздействие протеаз приводит к изменению свойств рецепторов или к их
отделению вместе с прикрепленными к ним спермиями;
• пероксидаза, содержащаяся в кортикальных гранулах, вызывает
затвердевание оболочки путем образования поперечных связей между
остатками тирозина соседствующих белков.
Образование оболочки оплодотворения начинается в месте
проникновения спермия (примерно через 20 с после прикрепления) и отсюда
распространяется по всей поверхности яйца, завершаясь к концу первой
минуты после прикрепления оплодотворяющего спермия. Одновременно
63
происходит выделение гиалина – белка, запасенного в кортикальных
гранулах, который образует сплошной слой вокруг яйца. Плазматическая
мембрана слипается с этим белком, и образовавшийся гиалиновый слой
поддерживает бластомеры в период дробления.
У млекопитающих кортикальная реакция не вызывает образования
оболочки оплодотворения, но результат ее оказывается тем же, что и морских
ежей: рецепторы спермиев изменяются и они больше не удерживают ♂-ы на
поверхности яйца. Этот процесс изменения свойств рецепторов спермиев
носит название реакции прозрачной оболочки или реакции zona pellucida.
3.5. СЛИЯНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
После слияния мембран ♂ и ♀ сперматическое ядро и центриоль
отделяются от митохондрий и жгутика, которые разрушаются и в цитоплазме
развивающихся взрослых организмов не обнаруживаются. Таким образом,
митохондрии зародышу передаются только от материнского организма. Ядро
яйца после завершения второго деления созревания и приобретения
пузыревидной формы называется женским пронуклеусом. Сперматическое
ядро в цитоплазме яйца деконденсируется и преобразуется в мужской
пронуклеус. Ядра женской и мужской половых клеток превращаются в
пронуклеусы, сближаются, наступает стадия синкариона.
Ядерная оболочка сперматического ядра распадается на мелкие
пузырьки, что делает возможным воздействие цитоплазмы яйца на
компактный хроматин спермия. После проникновения спермия в цитоплазму
яйца мужской пронуклеус совершает поворот на 180
о
так, что центриоль
спермия оказывается расположенной между мужским и женским
пронуклеусом. Ее микротрубочки удлиняются, вступая в контакт с женским
пронуклеусом, после чего пронуклеусы перемещаются навстречу друг другу.
В результате слияния пронуклеусов возникает диплоидное ядро зиготы.
Синтез ДНК инициируется на стадии пронуклеусов (в период их миграции),
либо после образования ядра зиготы.
У млекопитающих процесс сближения пронуклеусов (рис. 3.5)
продолжается около 12 часов (у морского ежа – всего 1 час). Головка
спермия у млекопитающих проникает не перпендикулярно поверхности яйца,
а почти по касательной к ней, сливаясь с многочисленными
микроворсинками. Пока ядро ооцита млекопитающего завершает второе
мейотическое деление, мужской пронуклеус увеличивается в размерах. Затем
оба пронуклеуса перемещаются навстречу друг другу, реплицируя ДНК в
процессе миграции. Когда пронуклеусы приходят в контакт, их ядерные
оболочки разрушаются (рис. 3.6). Происходит конденсация хроматина в
хромосомы, которые у большинства животных располагаются на общем
митотическом веретене первого деления дробления.
64
Рис. 3.5. Схема процесса оплодотворения у хомячка (по Гилберт, 1993): А –
спермий прикрепляется к яйцу; Б – прикрепление спермия к яйцу и взмахи его
хвоста вызывают вращение яйца; В – плазматические мембраны спермия и
яйца сливаются; Г – формируются пронуклеусы; Д – начинается первое
деление дробления; Е – 2-х клеточный зародыш
Рис. 3.6. Оплодотворение у хомячка (по Гилберт, 1993): А – проникновение
спермия в яйцо и набухание мужского пронуклеуса; Б – установление контакта
между мужским и женским пронуклеусами; В – 2-х клеточная стадия
Пол будущего ребенка определяется комбинацией половых хромосом в
зиготе. Если ♀ оплодотворена ♂-ом с половой хромосомой X, то в
образующемся диплоидном наборе хромосом (у человека их 46) содержатся
две Х-хромосомы, характерные для женского организма. При
оплодотворении ♂-ом с половой хромосомой Y в зиготе образуется
комбинация половых хромосом XY, характерная для мужского организма.
Таким образом, пол ребенка зависит от половых хромосом отца. Так как
число образующихся ♂-ов с Х- и Y-хромосомами одинаково, число
новорожденных девочек и мальчиков должно быть равным. Однако в связи с
большей чувствительностью эмбрионов мужского пола к повреждающему
65
действию различных факторов число новорожденных мальчиков немного
меньше, чем девочек: на 100 мальчиков рождаются 103 девочки.
В медицинской практике выявлены различные виды патологии развития,
обусловленные аномальным кариотипом. Причиной подобных аномалий
является чаще всего нерасхождение в анафазе половинок половых хромосом
в процессе мейоза женских половых клеток. В результате этого в одну клетку
попадают две хромосомы и формируется набор половых хромосом XX, а в
другую не попадает ни одна. При оплодотворении таких яйцеклеток
спермиями с Х или У- половыми хромосомами могут образоваться
следующие кариотипы: 1) с 47 хромосомами, из них 3 хромосомы Х (тип
XXX) — сверхженский тип, 2) кариотип ОУ (45 хромосом) —
нежизнеспособный; 3) кариотип XXY (47 хромосом) — мужской организм с
рядом нарушений — уменьшены мужские половые железы, отсутствует
сперматогенез, увеличены молочные железы(синдром Клайнфельтера); 4)
тип ХО (45 хромосом) —женский организм с рядом изменений — невысокий
рост, недоразвитие половых органов (яичника, матки, яйцеводов), отсутствие
менструаций и вторичных половых признаков (синдром Тернера).
3.6. АКТИВАЦИЯ ЯЙЦА
Оплодотворение влечет за собой два важных следствия:
•
активацию яйца, то есть побуждение к развитию;
•
синкариогамию, то есть образование диплоидного ядра зиготы в
результате слияния гаплоидных ядер половых клеток, несущих
генетическую информацию двух родительских организмов
Происходят следующие физико-химические изменения: в ♀ –
повышается проницаемость клеточной мембраны; усиливается поглощение
из окружающей среды фосфора и калия; выделяется кальций; активизируется
синтез белка; усиляется потребление кислорода, теплопродукция,
углеводный обмен, диссимилляционные процессы (увеличивается
содержание свободных аминоксилот), начинается синтез мРНК и т.д.
Показателем изменения обмена веществ является и то, что у ряда видов
животных созревание яйца заканчивается после проникновения в него ♂-а. У
человека ♂-ды проникают в ♀, находящиеся еще в периоде созревания.
Первое редукционное тельце выделяется через 10 ч, а второе - только через 1
сутки после проникновения ♂-а.
Дальнейшие процессы, связанные с предотвращением проникновения в
зиготу других спермиев (полиспермия), а также развертывание программы
развития зависят от активации ♀ в процессе оплодотворения. Активация ♀
реализуется через изменение внутриклеточных концентраций ионов. Уже в
первые секунды после слияния, в ♀ наблюдаются три различных ионных
сдвига:
1.
Увеличение проницаемости плазмолеммы для ионов Na
+
вызывает
деполяризацию мембраны в течение нескольких секунд;
66
2.
Массовое высвобождение ионов Са
2+
из неизвестного пока
внутриклеточного хранилища ведет к резкому повышению их
концентрации в цитозоле ♀ в течение 30 секунд;
3.
Примерно через 1 минуту начинается выведение ионов Н
+
, сопряженное с
поглощением ионов Na
+
, что приводит к значительному повышению
внутриклеточного рН с 6,6 до 7,2.
Эти ионные сдвиги обуславливают два физиологических процесса. Во-
первых, деполяризация мембраны приводит к быстрой блокаде полиспермии
(ранний кратковременный барьер). Приток в цитозоль ионов Са
2+
вызывает
высвобождение из кортикальных гранул их содержимого. Эта кортикальная
реакция перестраивает оболочку ♀ так, что связывание других спермиев или
их проникновение становится невозможным. Это приводит к более
продолжительной блокаде полиспермии (поздний долговременный барьер).
Во-вторых, приток ионов Са
2+
в цитозоль ♀ способствует изменению
концентрации ионов Н
+
, а следовательно повышению внутриклеточного рН.
Это повышение рН индуцирует биосинтетические процессы, связанные с
активацией ♀ и развертыванием программы развития нового организма
Большое значение имеют, происходящие при этом:
1.
Повышение рН, при котором ускоряются процессы редупликации ДНК
(при дроблении);
2.
Запасенные ранее в ♀ молекулы мРНК обнажаются (деблокируются), и их
информация становится доступной для использования;
3.
Активация рибосом, что позволяет им быстрее транслировать
специфические белки, то есть начинается развитие нового организма (рост
и дифференцировка).
После этих преобразований отмечается начало слияния родительских
наборов хромосом в систему единого клеточного ядра, а по окончании этого
процесса — вступление зиготы в фазу дробления.
3.7. МОНО- И ПОЛИСПЕРМИЯ
Различают моноспермное (в ♀ проникает один ♂) и полиспермное (в ♀
проникают два и более ♂-ов, но с ядром ♀ сливается только одно ядро ♂ – у
некоторых членистоногих, моллюсков, хордовых акулообразных, рептилий,
птиц) оплодотворение. Вообще ученные считают, что при полиспермии
возникают уродства и более 50 % зародышей погибает.
Тем не менее для оплодотворения требуется участие многих ♂-ов, так
как они выделяют ферменты, обеспечивающие их проникновение в ♀. Если
ферментов недостаточно, оплодотворение не наступает.
Сохранению активности спермиев во время прохождения их в половых
путях женщины способствует слабощелочная среда шеечного канала матки,
заполненного слизистой пробкой. Во время оргазма при половом акте
слизистая пробка из шеечного канала частично выталкивается, а затем вновь
втягивается в него и тем самым способствует более быстрому попаданию ♂-
67
ов из влагалища (где в норме у здоровой женщины среда слабокислая) в
более благоприятную среду шейки и полости матки. Прохождению ♂-ов
через слизистую пробку шеечного канала способствует и резко
повышающаяся в дни овуляции проницаемость слизи. В остальные дни
менструального цикла слизистая пробка имеет значительно меньшую
проницаемость для ♂-ов.
Существуют специальные механизмы защиты ♀ от полиспермии:
• Быстрый блок полиспермии. Сразу после контакта первого спермия с
плазматической мембраной яйца (первые 1-2 сек), мембрана должна
утрачивать способность сливаться с плазматической мембраной спермия.
Быстрый блок полиспермии достигает этой цели путем изменения
электрического потенциала плазматической мембраны яйца.
• Медленный блок полиспермии. Быстрый блок полиспермии действует
недолго. Мембранный потенциал яйца морского ежа остается
положительным только около 1 мин. Это кратковременное смещение
потенциала может быть недостаточно для предотвращения полиспермии.
Удаление избыточных спермиев, прикрепленных к желточной оболочке,
может осуществляется также посредством кортикальной реакции. Этот
более медленный блок полиспермии начинает действовать примерно
через 1 мин после прикрепления спермия к яйцу.
3.8. ТИПЫ ОПЛОДОТВОРЕНИЯ ОТ ВРЕМЕНИ ВХОЖДЕНИЯ
СПЕРМИЯ В ЯЙЦО
У различных животных различают 4 типа оплодотворения по времени
вхождения ♂ в ♀.
1 тип – ♂ входит в ♀ после обоих деления созревания (морской еж);
2 тип – ♂ проникает в ♀ на стадии метафазы второго деления созревания и
необходим для завершения этого деления (млекопитающие);
3 тип – ♂ проникает в ♀ на стадии метафазы первого деления созревания
(асцидии, моллюски);
4 тип – ♂проникает в ♀ перед периодом созревания (аскарида).
У большинства животных в ♀ ♂ входит целиком (включая хвостовую
часть), у некоторых – жгутик остается на поверхности. Он не играет важного
значения, его функцию выполняет центриоль, вокруг которого возникает
характерное полярное сияние. Прежде чем сблизиться пронуклеусы
проделывают сложные движения («танец пронуклеусов»). В их хромасомах
происходит удвоение ДНК и кариогамия переходит в первое деление
дробление зиготы.
В ооплазме таже отмечаются изменения – она расслаивается–
происходит ооплазматическая сегрегация. При этом намечаются основные
(далеко не все) элементы пространственной организации зародыша. Данный
этап также называют преморфогенезом.
68
В последние годы для лечения бесплодия применяется метод
экстракорпорального оплодотворения — оплодотворение ♀ человека вне
организма, культивирование её до определённой стадии и перенос эмбриона
(зародыша) в матку. Абсолютным показанием для этого метода
оплодотворения является трубное бесплодие, которое развивается вследствие
непроходимости или отсутствия маточных труб. В случаях мужского
бесплодия применяют инструментальное введение в половые пути женщины
спермы мужа или донора с целью обеспечения у неё зачатия.
3.9. ПАРТЕНОГЕНЕЗ И АНДРОГЕНЕЗ
При определенных условиях возможно дальнейшее развитие организма
без процесса оплодотворения, т.е. без участия ♂. Такой процесс называется
девственным размножением или партеногенезом (из греч. parthenos –
девственница, genesis – происхождение, развитие).
У некоторых представителей таких как тли, низшие ракообразные,
коловратки, моллюски, ящерицы, индюшки, описан естественный
партеногенез, где развитие организма происходит из неоплодотворенных яиц.
Следует отметить, в ряде случаев такое развитие носит сезонных характер.
Например, у коловраток летом яйца развиваются партеногенетически, но
только последняя летняя кладка дает разнополые особи. Описаны
телетокические поколения тлей и дафний, т.е. состоящих из самок.
Имеет место факультативный партеногенез. Он свойственен для
социальных насекомых (пчел, ос, муравьев). Самка может произвольно
регулировать откладку оплодотворенных или неоплодотворенных яиц. Из
последних образуются гаплоидные самцы (трутни). Например, у некоторых
сосальщиков партеногенез наблюдается в личиночную стадию развития.
Первый кто получил явление искусственного партеногенеза у
тутового шелкопряда, был зоолог А.А. Тихомиров в 1886 году. Это стало
возможным при обработке кладки яиц концентрированной серной кислотой,
а так же перепадами температур, механическим воздействием. Гусеницы из
таких яиц превращаются в диплоидных бабочек. В середине ХХ века
академик Б.Л. Астауров разработал способ промышленного стимулирования
партеногенеза при помощи теплового шока, что дало возможность получать
бабочек шелкопрядов женского пола. В дальнейшем, академик В.А.
Струнников получил партеногенетическое развитие бабочек-самцов, дающих
еще больше шелка, чем самки.
В дальнейшем рядом исследователей был получен партеногенез: для
морского ежа – при обработке стрихнином или хлороформом (Оскар и
Рихард Гертвиги), или при обработке органическими кислотами (Жак Леб); у
лягушек и жаб – уколом иглы, смоченной кровью этих животных (Е.
Батайон). У птиц показан естественный партеногенез (М. Олсен): так была
выведена порода индеек, где в 50% наблюдали развитие из таких яиц самцов.
69
Считается, что партеногенез возможен практически у всех видов
животных, за исключением плацентарных млекопитающих. Это связано с
тем, что для развития, уже на раннем этапе эмбриогенеза необходим геном
обоих родителей (геномный импритинг).
Как правило, из партеногенетических яиц, кроме оговоренных случаев,
развиваются диплоидные или даже полиплоидные организмы. Выделяют два
основных механизма диплоидизации партеногенетических яиц –
амейотический и мейотический. Регуляция хромосом в партеногенезе
может происходить следующими способами:
Путем выпадения редукции, в результате оба деления оказываются
эквационными (дафнии, моллюски).
Посредством эндодупликации (удвоения числа хромосом) или в
последнем оогониальном делении, или перед началом I профазы мейоза. В
этом случае и после двух мейотических делений ядро оказывается
диплоидным (планарии, турбеллярии, земляные черви, некоторые
насекомые, рыбы, амфибии, ящерицы). Организм, развивающийся
партеногенетически, оказывается диплоидным, а из оплодотворенного
яйца развивается полиплоид.
I мейотическое деление может быть абортивным или полностью выпадать,
т.е. разошедшиеся хромосомы вновь объединяются в одном ядре, которое
и переходит ко второму делению созревания.
II мейотическое деление может быть абортивным или полностью
выпадать (некоторые ракообразные, птицы).
Плоидность восстанавливается в результате так называемого
самооплодотворения. Женский пронуклеус сливается с одним из
направительных телец (некоторые насекомые).
После II деления дробления попарно сливаются гаплоидные ядра и
диплоидность восстанавливается (некоторые насекомые).
В абсолютном большинстве случаев партеногенетическое развитие
происходит на основе женского пронуклеуса. Существует форма однополого
развития, когда ♂ активизирует ♀, но в процессе слияния генетического
материала не участвует – гиногенез. Естественный процесс описан у одного
вида карася, икра которого обрабатывается спермой другого вида, без
участия ядра первого.
Андрогенез – явление гораздо более редкое, и когда он происходит
(естественный или искусственный), развитие идет без женского пронуклеуса
на базе мужского ядра и мужского пронуклеуса (табак, кукуруза, тутовый
шелкопряд).
У млекопитающих не возможен партеногенез. Нормальное
функционирование зародыша возможно только при совместной работе
женского и мужского геномов. В эксперименте у мышей
партеногенетический зародыш существует до 11 суток, затем наступает его
гибель. У млекопитающих невозможен андрогенез. В опыте, при создании
диплоидной зиготы зародыша из двух мужских пронуклеусов, получить
70
дальнейшее развитее организма не удалось. При этом имело место,
усиленное развитие ткани плаценты, в конечном итоге приводящее к
образованию опухоли матки
В 1984 г. независимо друг от друга две группы американских ученых
пришли к выводу, что материнский и отцовский геномы, передаваемые
потомству, качественно дополняют друг друга. Было проведено несколько
очень изящных экспериментов по пересадке пронуклеусов (ядер половых
клеток с гаплоидным набором хромосом) и искусственному их слиянию,
чтобы создать нормальный, двойной, набор хромосом, необходимый для
дальнейшего развития ♀. В результате выяснилось, что и гиногенетические
(несущие лишь материнский двойной набор хромосом), и андрогенетические
(только с отцовскими хромосомами) эмбрионы не способны полноценно
развиваться. Так подтвердилась невозможность партеногенеза у
млекопитающих и была доказана обязательность участия в управлении
развитием и отцовского, и материнского геномов. Хотя у многих животных
оба пронуклеуса эквивалентны, у млекопитающих между ними существуют
важные функциональные различия.
Поиски партеногенеза у млекопитающих привели к открытию ядерной
памяти, или геномного импринтинга, отпечатка. Именно он обусловливает
активность разных генов в отцовских и материнских хромосомах. Иными
словами, одни гены работают только тогда, когда наследуются от отца, а
другие — если переданы новому организму матерью.
Такие функциональные различия материнского и отцовского геномов
имеют особое значение только у плацентарных млекопитающих. Теперь,
исходя из наличия в онтогенезе млекопитающих личиночной стадии,
сходной с той, что присуща паразитическим насекомым, нужно попытаться
понять, как она возникла и что, в конце концов, представляет собой весь
эмбриогенез млекопитающих. Похоже, он состоит из набора определенных
“блоков”, которые можно найти в развитии других групп животных, не
связанных прямыми эволюционными отношениями.
Геномный импринтинг был открыт сначала у насекомых (галлиц, ратных
комариков и наездников), затем у млекопитающих, а также цветковых
растений (рис. 3.7). В размножении растений, как известно, чередуются
половое и бесполое поколения (гаметофит и спорофит). Удивительно, что
одним и тем же организмам, независимо от того, к какому миру —
животному или растительному — они принадлежат, присущи и геномный
импринтинг, и соматический эмбриогенез.