Общая характеристика процесса оплодотворения и его биологическое значение

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ

Общая характеристика процесса оплодотворения и его биологическое значение

Оплодотворение

Общая характеристика процесса оплодотворения и его биологическое значение. Стадии оплодотворения. Дистантное взаимодействие, привлечение спермиев к яйцу. Хемо- и реотаксисы. Концепция гамонов. Особенности оплодотворения у млекопитающих. Процесс капацитации. Его сущность и значение.Контактное взаимодействие. Акросомная реакция спермиев и ее роль в соединении гамет. Биохимические особенности, молекулярный механизм реакции, основные этапы. Проникновение сперматозоида в яйцеклетку. Механизм активации яйцеклетки: инозитолфосфатная система. Быстрый и медленный блоки полиспермии. Кортикальная реакция и ее роль в защите яйца от полиспермии у физиологически моноспермных животных. Слияние генетического материала. Преобразование цитоплазмы яйца: ооплазматическая сегрегация.Партеногенез. Андрогенез.

История вопроса

К. Бэр в «Комментарии» к сочинению «Об образовании яйца млекопитающих и человека» (1828) предвосхитил правильное понимание сущности процесса оплодотворения, правда в форме натурфилософского обобщения. Бэр, в частности, указывал, что сперматозоид, «победивший в неустанной борьбе», стремится к «соединению с яйцом». Это, по сути, верное утверждение не нашло признания, так как в то время не были установлены происхождение и природа сперматозоидов, так же как и факт проникновения сперматозоида внутрь яйца и соединения с ним.

В 1841 году К. Лаллеман в книге «Наблюдение над ролью сперматозоидов при зарождении» высказал мнение (основанное на данных по изучению образования и развития сперматозоидов), что зародыш может образоваться лишь в результате слияния яйца и сперматозоида. Материал классических работ А. Кёлликера (1841, 1847) послужил толчком к изучению роли сперматозоидов в процессе оплодотворения яйца. На основании обобщения результатов изучения оплодотворения у различных видов животных, проведенных многими учеными, а также собственных данных Ф.А. Пуше пришел (1847) к выводу, что сперматозоиды, проникнув в матку, а затем в яйцеводы, оплодотворяют яйца.

Однако и после этих работ правильное представление о сущности процесса оплодотворения часто оспаривалось. Данные исследований Т. Бишофа (1847) показывали, что сперматозоиды, накапливаясь в большом количестве в наружной прозрачной оболочке яйца, вступают в контакт с его желточной оболочкой, не проникая внутрь. Это явилось основой для создания А. Кёлликером контактно-каталитической теории оплодотворения, получившей широкое распространение. Согласно ей оплодотворяющим началом служит некое гипотетическое вещество, выделяемое сперматозоидами при контакте с желточной оболочкой яйца. Главным недостатком указанной теории было то, что она не объясняла, каким образом наследственные задатки самца могут передаваться образующемуся из яйца зародышу. оплодотворение яйцеклетка сперматозоид

Однако еще в 1843 году, а потом и попрошествии нескольких лет (1850 г.) М. Берри описал свои наблюдения за процессом внедрения сперматозоида в яйцо кролика, утверждая, что после объединения мужского и женского зарождающего начала происходит дробление яйца на две части.

В монографии «О размножении аскарид» (1851-1852) X. Нельсон также описывал, что сперматозоиды при встрече в яйцеводе с яйцом прилипают к его оболочке по всей поверхности и постепенно внедряются в желток яйца. Ученые того времени единодушно отмечали, что после проникновения сперматозоидов в яйцо их едва можно обнаружить под микроскопом. Это привело к очередным сомнениям в правильности описанных наблюдений за процессом оплодотворения.

Лишь в 1854 году появились монографии Ф. Кебера и Р. Вагнера, а годом позже обстоятельное экспериментальное исследование Г. Мейснера. В них убедительно доказывалось проникновение сперматозоидов в яйца, описывались их последующие превращения и протекающие одновременно сложные изменения в структуре яиц, за которыми происходили последовательные дробления яйца.

Таким образом, в 50-х гг. XIX столетия факт проникновения сперматозоида в яйцо был окончательно доказан. Было также дано первоначальное описание картины превращений сперматозоидов и яиц при их соединении.

Общая характеристика оплодотворения

После своего выхода из гонад как яйцеклетка, так и спермий обречены на гибель в течение считанных часов, если они не отыщут друг друга и не сольются в единое целое в ходе процесса оплодотворения. Впоследствии, активированная проникновением сперматозоида, яйцеклетка приступает к осуществлению своей программы развития.

Оплодотворение -- слияние сперматозоида с яйцеклеткой, завершающееся объединением их ядер в единое ядро оплодотворенного яйца (зиготы). У подавляющего большинства животных при нормальном развитии именно оплодотворение служит толчком к выходу яйцеклетки из анабиотического состояния, в котором она находится на последнем этапе стадии созревания.

Готовность яйцеклеток к оплодотворению определяется выделением направительных телец. Сперматозоиды проникают в яйцеклетку на разных этапах этого процесса: до выделения (круглые черви), в момент выделения (млекопитающие, включая человека) и после их выделения (иглокожие).

Оплодотворение осуществляет две разные функции:

* половую (комбинирование генов двух родителей) -- включает передачу генов от родителей потомкам;

• репродуктивную (создание нового организма) -- включает инициацию в цитоплазме яйца тех реакций, которые позволяют продолжать развитие.

Важная роль в процессе оплодотворения принадлежит сперматозоиду, он необходим:

• для активации яйца, побуждения его к началу развития (данная функция неспецифична: в качестве активирующего фактора сперматозоид может быть заменен рядом физических или механических агентов, см. также «Партеногенез»);

• внесения в яйцеклетку генетического материала отца.

Существует несколько принципов классификации процесса оплодотворения:

по месту проникновения сперматозоида в яйцеклетку:

• наружное (оплодотворение происходит во внешней среде);

• внутреннее (оплодотворение происходит в половых путях самки);

по количеству сперматозоидов, участвующих в оплодотворении:

• моноспермное (один сперматозоид);

• полиспермное (два и более сперматозоидов).

У ряда беспозвоночных, рыб, хвостатых амфибий и птиц возможна полиспермия, когда в яйцо проникает несколько сперматозоидов, однако с ядром яйцеклетки сливается ядро одного спермия.

Продолжительность жизни сперматозоидов и яйцеклеток относительно невелика как при наружном, так и при внутреннем оплодотворении. Яйцеклетки многих беспозвоночных, а также рыб и амфибий должны быть оплодотворены сразу же после овуляции.

К моменту встречи с яйцеклеткой сперматозоид должен сохранять не только активное движение, но и свою оплодотворяющую способность. Как правило, они теряют ее раньше, чем способность к движению. Так, у морского ежа оплодотворяющая способность сперматозоидов сохраняется в течение 30 часов, а жизнеспособность в течение двух суток.

Оплодотворяющая способность спермы зависит от многих факторов: концентрации в ней сперматозоидов, температуры, pH среды (в щелочной среде спермии более активны, но быстро растрачивают энергию и раньше погибают, а в кислой их активность меньше, но продолжительность жизни больше).

Конкретные особенности оплодотворения очень сильно варьируют у различных видов. Взаимодействие половых клеток (гамет) канонически подразделяют на четыре стадии (фазы):

• дистантные взаимодействия;

• контактные взаимодействия;

• проникновение сперматозоида в яйцеклетку;

• слияние генетического материала.

Дистантные взаимодействия гамет

Осуществляются на некотором расстоянии, до соприкосновения гамет друг с другом. Они направлены на повышение вероятности встречи сперматозоидов и яйцеклетки. Характерны для водных организмов с наружным типом оплодотворения. При этом животные сталкиваются со следующими проблемами:

• осуществление встречи спермиев и яиц при их низкой концентрации в среде;

• предотвращение оплодотворения яиц спермиями другого вида.

В ходе эволюции выработалось соответственно два механизма для решения поставленных задач. Это видоспецифичное привлечение спермиев и видоспецифичная их активация.

Уже в ходе ранних исследований процесса оплодотворения возникло представление огамо`нах -- веществах, обеспечивающих активацию или блокирование отдельных его этапов.

Гамоны

(от греч. gбmos -- брак) вещества, выделяемые половыми клетками и способствующие оплодотворению ( Оказывая специфическое действие на Гаметы своего и противоположного пола, Г. контролируют их встречу и содействуют соединению сперматозоида с яйцом. Впервые Г. обнаружены у морского ежа в 1911 Ф. Лилли. Термин «Г.» предложен в 1940 нем. учёными М. Хартманом и Р. Куном. Вещества, выделяемые женскими и мужскими гаметами, названы ими соответственно гиногамонами и андрогамонами. Г. найдены у некоторых растений (водоросли, грибы) и многих животных (моллюски, кольчатые черви, иглокожие, хордовые).

Яйцеклетка способна продуцировать гиногамоны, а сперматозоид -- андрогамоны. Полагали, что гиногамон I -- низкомолекулярное вещество небелковой природы, которое активирует движение сперматозоидов (повышая тем самым вероятность их встречи с яйцом), преодолевая действие андрогамона I, подавляющего подвижность спермия. Гиногамон II, часто именуемыйфертилизином, -- гликопротеин, расположенный в периферической области яйца и вызывающий связывание его со сперматозоидами при взаимодействии с комплементарным ему андрогамоном II (антифертилизином), встроенным в поверхностную оболочку спермия, способным разжижать студенистое вещество и растворять оболочку яйца, из-за чего его зачастую отождествляют с гиалуронидазой. Гипотезы оплодотворения, основанные на идее о взаимодействии фертилизина с комплементарным ему антифертилизином, сыграли положительную роль, поскольку позволили обнаружить существование целого семейства специфических молекул на поверхности взаимодействующих гамет (см. далее).

Видоспецифичное привлечение спермиев доказано для многих животных: кишечнополостных, моллюсков, иглокожих и первичнохордовых. Оно представляет собой род хемотаксиса -- движения по градиенту концентрации какого-либо вещества. В 80-х гг. XX века удалось идентифицировать два видоспецифичных аттрактанта сперматозоидов морских ежей -- сперакт ирезакт. Оба вещества, выделенные из студенистой оболочки яиц, относятся к пептидам и содержат 10 и 14 аминокислотных остатков соответственно. При взаимодействии со спермиями они стимулируют их метаболизм и увеличивают подвижность мужских гамет.

Контактные взаимодействия гамет

Как следует из названия, данная стадия начинается с момента контакта сперматозоида с третичной оболочкой яйцеклетки.

Первым ее этапом являетсяакросомная реакция (рис. 12).

Рис. 12.Акросомная реакция спермия морского ежа (по Гилберту, 1993): 1 -- акросомная мембрана; 2 -- плазматическая мембрана спермия; 3 -- глобулярный актин; 4 -- акросомные ферменты;5 -- актиновыемикрофиламенты; 6 -- акросомный вырост

У морского ежа ее инициируют сульфатированные полисахариды студенистой оболочки -- вызывают поступление Ca²+ в головку спермия. Это приводит к запуску процесса экзоцитоза, в результате которого акросомная мембрана сливается с цитоплазматической мембраной спермия и содержимое акросомного пузырька (прежде всего литические ферменты) выделяется в окружающую среду. Помимо этого активируется Na⁺/Н⁺-обменник, что приводит к снижению внутриклеточной концентрации протонов.

В результате повышения внутриклеточного pH наблюдается усиление полимеризации глобулярного актина и формирование актиновыхфиламентов, т. е. образованиеакросомного выроста. Помимо этого высокий уровень pH активирует динеиновую АТФ-азу в шейке спермия, что приводит к увеличению подвижности спермия. Однако удлинение акросомального выроста связано не только с полимеризацией актина. Приток внутрь клетки ионов кальция, натрия и хлора повышает количество осмотически активных молекул в головке спермия, что приводит к притоку в него воды. Вызванное этим резкое повышение гидростатического давления, вероятно, также способствует удлинению акросомального выроста.

Второй 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. Таким образом, узнавание гамет у морского ежа происходит на двух уровнях: активации акросомной реакции и прикрепления спермия к желточной оболочке.

Контактные взаимодействия гамет у млекопитающих имеют ряд особенностей, связанных с наличием у них внутреннего оплодотворения. При этом половые пути самки принимают активное участие в процессе оплодотворения.

Спермии млекопитающих сразу после эякуляции не способны к акросомной реакции, для этого они должны какое-то время находиться в половых путях самки. Так, лизин, содержащийся в сперматозоидах всех млекопитающих и разрушающий прозрачную оболочку (так называемыйакролизин), активируется только под действием гликопротеина из половых путей самки. Условия, требующиеся длякапацитации (приобретение спер мием оплодотворяющей способности), варьируют в зависимости от вида.

Природа процесса капацитации заключается:

• в изменении структуры клеточной мембраны;

• удалении с поверхности спермия особых факторов, так называемых coatingfactors, которые, оставаясь на поверхности, препятствуют оплодотворению.

Перестройки клеточной мембраны связаны с изменением соотношения холестерин:фосфолипиды. Снижение этого соотношения в ходе капацитации обусловлено уменьшением содержания холестерина -- молекулы альбумина, имеющиеся в половых путях самки, способны отнимать холестерин у спермия. В результате происходит дестабилизация мембраны акросомного пузырька и как следствие возникает возможность осуществления акросомной реакции.

Поверхность спермия содержит фермент гликозилтрансферазу, способную узнавать концевые остатки N-ацетилглюкозамина на прозрачной оболочке яйцеклетки (рис. 13).

В спермиях, не прошедших капацитации, активные центры этого фермента блокированы связанными с их поверхностью углеводами, включающими остатки N-ацетилглюкозамина (NAr) 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.

У млекопитающих активация сперматозоида не сопровождается ни образованием микроворсинок, ни образованием акросомного выроста. У них акросомная реакция заключается в диссоциации наружной мембраны головки сперматозоида и мембраны акросомы, но не на апикальной поверхности, а на поверхности, расположенной вдоль головки сперматозоида. Это связано с тем, что сперматозоид контактирует с яйцом не вершиной, а боком. Далее ферменты акросомы растворяют клетки лучистого венца, после чего сперматозоид вступает в контакт с блестящей оболочкой.

Рис. 13. Модель узнавания спермием и яйцом друг друга у млекопитающих (модель капацитации) (по Гилберту, 1993): 1 -- спермий, не прошедший капацитации; 2 -- капацитированный спермий со свободнойгликозилтрансферазой; 3 -- капацитированный спермий, прикрепляющийся к NA^-остаткам гликопротеинаzonapellucida

Блестящая оболочка яйцеклетки образована тремя типами белков: ZP1, ZP2 и ZP3. Последние два белка расположены параллельно поверхности яйца, а ZP1 сшивает эти белки, находясь перпендикулярно по отношению к ZP2 и ZP3. Контакт с ZP3 осуществляется при взаимодействии с тремя типами рецепторов спермия: терминальной галактозой, N-ацетилглюкозамином, гликопротеином плазматической мембраны и составляет первую часть акросомной реакции. Затем происходит выделениепроакрозина (протеолитический фермент акросомы), который, взаимодействуя с ZP2, лизирует блестящую оболочку.

Таким образом достигается контакт задней мембраны акросомы и мембраны яйца. Молекулы, участвующие в процессе распознавания у млекопитающих, локализованы в плазматической мембране спермия, тогда как у морских ежей они располагаются в мембране акросомы. Заканчивается реакция активации сперматозоида слипанием задней мембраны акросомы спермия и мембраны яйцеклетки, их разрывом и соединением свободных концов.

В результате у яйца и сперматозоида формируется единая наружная мембрана, ограничивающая канал, через который ядро и проксимальная центриоль сперматозоида проникают в цитоплазму яйцеклетки.

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 сперматозоидом и яйцом вызывает полимеризацию актина и увеличение размеров микроворсинок, которые формируют воспринимающий бугорок.

Временно существующий воспринимающий бугорок в значительной степени гомологиченакросомному выросту. У морских ежей воспринимающий бугорок может возникать в любой области яйца (рис. 14).

У некоторых амфибий и многих беспозвоночных узнавание спермия и слияние с ним происходит в специализированных областях. Слияние представляет собой активный процесс, часто опосредуемый специфическими «фузогенными»(fusogenic) белками. Известно, что такие белки, как НА-белок вируса гриппа и F-белок вируса Сендай, способствуют слиянию клеток. Не исключено, что биндин относится к белкам именно такого типа.

Рис. 14. Оплодотворение у морского ежа (по Гилберту, 1993): А -- спермии, прикрепленные к желточной оболочке яйца; Б -- спермий вовлекается в яйцо

Предотвращение полиспермии. При нормальном моноспермном оплодотворении гаплоидные ядра спермия и яйца соединяются, образуя диплоидное ядро зиготы, при этом восстанавливается присущее виду число хромосом. Полиспермия (проникновение множества спермиев) приводит у большинства животных к гибельным последствиям. Например, у морских ежей при оплодотворении двумя спермиями возникает триплоидное ядро, в котором каждая хромосома представлена тремя, а не двумя копиями. Вместо нормального процесса -- разделения хромосом с помощью биполярного веретена между двумя дочерними клетками -- происходит распределение триплоидного набора между четырьмя клетками. В результате одни клетки получают лишние копии некоторых хромосом, тогда как у других эти хромосомы отсутствуют. Такие клетки либо погибают, либо развиваются атипично.

Существуют механизмы защиты яйцеклетки от полиспермии.

Быстрый блок полиспермии. Сразу после контакта первого спермия с плазматической мембраной яйца она (мембрана) должна утрачивать способность сливаться с плазматической мембраной спермия. Быстрый блок полиспермии достигает этой цели путем изменения электрического потенциала плазматической мембраны яйца (рис. 15).

Рис. 15. Мембранный потенциал в яйце морского ежа до и после оплодотворения (по Гилберту, 1993)

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, осуществляется посредством кортикальной реакции. Этот более медленный блок полиспермии начинает действовать примерно через 1 мин после прикрепления спермия к яйцу.

В яйце морского ежа непосредственно под плазматической мембраной располагаются около 15 000 кортикальных гранул. После контакта спермия с яйцом в присутствии Ca²+ эти кортикальные гранулы сливаются с плазматической мембраной и выделяют содержимое в область между плазматической мембраной и желточной оболочкой (рис. 16).

Белки, связывающие желточную оболочку и поверхность яйца, разрушаются высвобождающимися пептидазами:

• вителлиноваяделаминаза -- отделяет желточную оболочку от цито- плазматической мембраны яйцеклетки;

• сперморецепторная гидролаза -- освобождает поверхность яйца от осевших на желточной оболочке сперматозоидов, лизируя сайты их соединения.

Выделяемые мукополисахариды и осмотически активный гликопротеид создают осмотический градиент, обусловливающий поступление воды из цитоплазмы яйца в пространство между желточной оболочкой и плазматической мембраной (перивителлиновое пространство). В результате объем яйцеклетки несколько уменьшается, желточная оболочка отделяется от поверхности яйца и с этого момента называется оболочкой оплодотворения. В процессе кортикальной реакции она претерпевает ряд изменений:

• воздействие протеаз приводит к изменению свойств биндиновых рецепторов или к их отделению вместе с прикрепленными к ним спермиями;

• ферменты из кортикальных гранулразрушают связи желточной оболочки

Рис. 16. Формирование оболочки оплодотворения (по Гилберту, 1993): 1 -- оболочка оплодотворения; 2 -- гиалиновый слой

* 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 происходит выделениегиалина -- белка, запасенного в кортикальных гранулах, который образует сплошной слой вокруг яйца. Плазматическая мембрана взаимодействует с этим белком, и гиалиновый слой поддерживает бластомеры в период дробления.

У млекопитающих кортикальная реакция не вызывает образования оболочки оплодотворения, но результат ее оказывается таким же, как и у морских ежей: рецепторы спермиев изменяются, и они больше не удерживают сперматозоиды на поверхности яйца. Этот процесс изменения свойств рецепторов спермиев носит название реакции прозрачной оболочки или реакции zona.

У млекопитающих частота полиспермии бывает минимальной благодаря малому числу спермиев, достигающих места, где происходит оплодотворение. Механизмы защиты от полиспермии, наблюдаемой при оплодотворении богатых желтком яиц (некоторые птицы, рептилии, амфибии), когда в цитоплазму проникает несколько сперматозоидов, неясны. При этом все спермии, за исключением одного, разрушаются, после того как женскийпронуклеус сольется с мужским.

Механизм кортикальной реакции сходен с механизмом акросомной реакции. Прикрепление спермия к плазматической мембране яйца через активацию находящегося в мембране G-белка стимулирует активность другого мембраносвязанного фермента -- фосфолипазы С. Она, в свою очередь, расщепляет находящийся здесь же фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат на диацилглицерол -- ДАГ (остается связанным с мембраной), и инозитолтрифосфат -- ИТФ (диффундирует в цитоплазму).

Диацилглицерол посредством протеинкиназы С активирует Na+/Н+-ан- типортер, что приводит к увеличению внутриклеточного pH (натрий входит в клетку, а протон ее покидает) и как следствие активации белкового синтеза, репликации ДНК и перемещения морфогенетических детерминант в цитоплазме (при участии Ca²+). ИТФ вызывает высвобождение Ca²+ из внутриклеточных депо (эндоплазматического ретикулума), что приводит к экзоцитозу кортикальных гранул и включению медленного блока полиспермии, а также образованию гиалинового слоя вокруг яйца.

Другим Ca²+-зависимым эффектом является активация НАД-киназы, которая катализирует превращение НАД в НАДФ+, что в конечном итоге обеспечивает синтез новых липидных компонентов плазматической мембраны, необходимых для последующего протекания процесса дробления.

Слияние генетического материала

У морских ежей головка спермия проникает в яйцо перпендикулярно его поверхности. После слияния мембран 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, а центриоли достаются от отцовского, поскольку яйцеклетка утрачивает свои центриоли при последнем делении мейоза.

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.

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 женскимпронуклеусом, после чего пронуклеусы перемещаются навстречу друг другу.

У морского ежа в результате слияния пронуклеусов возникает диплоидное ядро зиготы. Синтез ДНК инициируется на стадии пронуклеусов (в период их миграции) либо после образования ядра зиготы.

Рис. 17. Схема процесса оплодотворения у хомячка (по Гилберту, 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--двухклеточный зародыш

Рис. 18. Оплодотворение у хомячка (по Гилберту, 1993): А -- проникновение спермия в яйцо и набухание мужского про- нуклеуса; Б -- установление контакта между мужским и женским пронуклеусами; В -- двухклеточная стадия

У млекопитающих процесс сближения пронуклеусов (рис. 17) 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, мужскойпронуклеус увеличивается в размерах. Затем оба пронуклеуса перемещаются навстречу друг другу, реплицируя ДНК в процессе миграции.

Ядра женской и мужской половых клеток превращаются впронуклеусы, сближаются, наступает стадия синкариона.

Ядерная оболочка сперматического ядра распадается на мелкиепузырьки, что делает возможным воздействие цитоплазмы яйца накомпактный хроматин спермия. После проникновения спермия в цитоплазмуяйца мужской пронуклеус совершает поворот на 180о так, что центриольспермия оказывается расположенной между мужским и женскимпронуклеусом. Ее микротрубочки удлиняются, вступая в контакт с женскимпронуклеусом, после чего пронуклеусы перемещаются навстречу друг другу( танец пронуклеусов).

Когда пронуклеусы приходят в контакт, их ядерные оболочки разрушаются (рис. 18). Происходит конденсация хроматина с образованием видимых хромосом, которые (у большинства животных) располагаются на общем митотическом веретене первого деления дробления (центриоли присутствуют в яйцеклетках млекопитающих изначально, а не передаются зародышу от спермия). Таким образом, у млекопитающих истинно диплоидное ядро впервые появляется не у зиготы, а у двухклеточного зародыша.

Преобразование цитоплазмы яйца

После проникновения сперматозоида скорость метаболизма увеличивается в 70-80 раз, начинаются интенсивные перемещения слоев цитоплазмы яйцеклеток друг относительно друга. Иногда при этом происходит расслоение различных частей ооплазмы --ооплазматическая сегрегация. В ходе этого процесса намечаются основные, хотя далеко не все, элементы пространственной организации зародыша. Поэтому данный этап называют проморфогенезом, так как именно тогда расставляются вехи для будущих морфогенетических процессов.

У некоторых кишечнополостных сегрегация ограничивается процесcом разделения ооплазмы на внешний ободок эктоплазмы (содержащий различные пигменты и бедный питательными включениями) и внутреннюю массу эндоплазмы (богата желтком и другими питательными включениями). Уже такое достаточно простое расслоение влияет на последующие процессы развития, определяя в яйцах радиальную установку веретен делений дробления. Так, в яйцеклетках амфибий положение сагиттальной плоскости и проходящей в ней дорсо-вентральной оси определяется именно процессами ооплазматической сегрегации, которые протекают в первые десятки минут после оплодотворения. Реорганизации цитоплазмы зиготы способствуют микротрубочки спермия (при добавлении колхицина перемещения цитоплазматических масс не происходит). В большинстве случаев ооплазматическаясегрегация влияет не на конечную дифференцировку клеток, а на ближайшие этапы развития -- дробление и гаструляцию.

Партеногенез

Яйца многих животных могут быть активированы естественно или искусственно без участия сперматозоида.

Партеногенез -- развитие, происходящее без оплодотворения (участия сперматозоида).Такой процесс называетсядевственным размножением или партеногенезом (из греч. parthenos-девственница, genesis- происхождение, развитие).

Андрогенез - явление гораздо более редкое, и когда он происходит(естественный или искусственный), развитие идет без женского пронуклеусана базе мужского ядра и мужского пронуклеуса (табак, кукуруза, тутовыйшелкопряд).

Естественный партеногенез обнаружен у ос, пчел, ряда чешуекрылых, у некоторых видов ящериц и змей, типичен для летних поколений ряда ракообразных и коловраток. Успешные опыты по искусственному партеногенезу были выполнены А. А. Тихомировым в 1886 году. Ему удалось стимулировать развитие неоплодотворенных яиц тутового шелкопряда кратковременным нагреванием или потиранием их щеткой. Естественный партеногенез чаще всего случается при незавершенном оплодотворении, т. е. в тех случаях, когда имела место активация яйцеклетки, но ядро сперматозоида не участвовало в оплодотворении. В активированных яйцах используется генетическая информация, содержащаяся только в женскомпронуклеусе (гиногенез). При искусственном партеногенезе, когда существует возможность экспериментально удалить женский пронуклеус, развитие зародыша может осуществиться только за счет мужского пронуклеуса(андрогенез). В указанных случаях потомки целиком наследуют либо признаки матери (при гиногенезе), либо отца (при андрогенезе). Это лишний раз свидетельствует о том, что наследственные свойства особи определяются в основном ядром, а не цитоплазмой. В большинстве случаев после партеногенетической активации яйцеклетки в ней восстанавливается диплоидный набор хромосом.

У млекопитающих также отмечались случаи вступления яйцеклеток на путь партеногенетического развития -- самопроизвольно либо под влиянием активирующего агента (электростимуляция, тепловой шок, этанол). Однако развитие таких зародышей всегда останавливалось на ранних стадиях -- рождения партеногенетическиразвившихся особей никогда не наблюдалось. Полноценное развитие партеногенетиков у млекопитающих невозможно, по-видимому, вследствие того, что в женских хромосомах заблокированы (в результате метилирования) определенные участки ДНК, присутствующие в активной форме в мужских хромосомах. Именно поэтому самец не может быть заменен партеногенетическим агентом. Экспериментально показано, что если у мыши при мейозе подавить отделение полярного тельца, то возникнут и начнут развиваться диплоидные яйцеклетки, в которых весь наследственный материал берет начало от материнского организма. Такие клетки делятся и образуют зародышей с хордой, мышцами, скелетом и разными органами, включая бьющееся сердце. Но развитие продолжается недолго -- уже на 10--11-е сутки между нормальными и партеногенетическими зародышами обнаруживаются глубокие различия.

Таким образом, хотя у многих животных оба пронуклеуса эквивалентны, у млекопитающих между ними имеются важные функциональные различия. Для завершения развития млекопитающих необходимы оба пронуклеуса: материнский и отцовский.

Контрольные вопросы

1. Общая характеристика, классификация и стадии процесса оплодотворения.

2. Дистантные взаимодействия гамет.

3. Контактные взаимодействия гамет: акросомная реакция и капацитация.

4. Быстрый и медленный блоки полиспермии. Их молекулярные механизмы.

5. Слияние генетического материала. Ооплазматическая сегрегация.

Размещено на Allbest.ru