ПРОГЕНЕЗ

Прогенезомназывается процесс образования половых клеток, или гаметогенез.В свою очередь, гаметогенез делится на сперматогенез(образование сперматозоидов) и овогенез(образование яйцеклеток). Развитие половых клеток в эмбриогенезе человека начинается довольно рано. Они возникают во внезародышевой желточной энтодерме в конце 3-й недели эмбриогенеза. Позднее эти клетки (они называются гонобластами) мигрируют в закладку половых желез на медиальной поверхности первичной почки и принимают участие в образовании половых желез — гонад.

СПЕРМАТОГЕНЕЗ.Процесс развития мужских половых клеток — сперматозоидов — называется сперматогенезом. В сперматогенезе различа­ют 4 фазы: размножения, роста, созреванияи формирования(рис 5.5).

В период размножения мужские половые клетки представлены сперматогониями- мелкие округлые клетки, делящиеся митозом. Они подразделяются на темныеи светлыесперматогонии. Темные сперматогонии являются истинными стволовыми клетками, устойчивы к действию вредных факторов и способны совершать редкие митотические деления. Светлые сперматогонии подразделяются на А и В-сперматогонии. А-сперматогонии являются полустволовыми клетками, способными к частым митотическим делениям. При делении каждой такой сперматогонии могут возникать либо две А-сперматогонии, либо одна А- и одна В-сперматогопия. В-снерматогонии также способны митотически делиться, но при этом не происходит цитотомии, и клетки оказываются связанными между собой цитоплазматическими мостиками. При этом возникают клоны (ассоциации)клеток.

После некоторой паузы В-сперматогонии вступают в период роста, в течение которого превращаются в сперматоциты первого порядка.Для периода роста характерен значительный рост ядра и цитоплазмы развивающихся клеток, их размеры увеличиваются в четыре и более раз.

Сперматоциты I порядка митотически не делятся, но вступают в период созревания, который состоит из двух последовательных делений мейоза (мейоз I и мейоз II).

МейозI называется редукционнымделением, т. к. происходит уменьшение в два раза количества хромосом с формированием гаплоидного генома. Мейоз I имеет сложную профазу, состоящую из 5 стадий: лептотены, зиготены, пахитены,диплотены и диакинеза

-лептотена -хромосомы спирализуются и становятся видны в виде длинных тонких нитей. -зиготена -гомологичные хромосомы тесно сливаются друг с другом. В это время в них происходит кросинговер — обмен генами.

-пахитена-хромосомы сильно спирализуются и укорачиваются.

-диплотенахарактеризуется расщеплением хромосом на хроматиды и образованием тетрад.

-диакинез -хромосомы еще более утолщаются и несколько отходят друг от друга. Таким образом, в профазу мейоза 1 происходит подготовка к редукции числа хромосом.

В метафазу гомологичные пары хромосом располагаются в экваторе клетки. Это ключевой момент подготовки к редукции хромосом.

В анафазу к полюсам отходят целые гомологичные хромосомы, и этот момент является началом редукции генома.

В телофазу происходит цитотомия, в результате чего образуются два сперматоцита II порядкас гаплоидным набором хромосом. Их хромосомы состоят из двух хроматид.

Второе деление мейоза (мейоз II) называется эквационным ( уравнительным).Начинается сразу после мейоза I и протекает по типу обычного митоза. В анафазу мейоза II к полюсам отходят хроматиды, а в результате телофазы образуются сперматиды,содержащие вместо хромосом хроматиды. Сперматиды, как и сперматоциты второго порядка, содержат гаплоидный набор хромосом, каждая из которых представлена одной хроматидой.

Все образующиеся в процессе сперматогенеза клетки (В-сперматогонии, сперматоциты I и II порядка, а также сперматиды) остаются связанными между собой цитоплазматическими мостиками в клеточные ассоциации,или клоны.Окончательное разделение клеток происходит в фазу формирования. Сохранение цитоплазматических мостиков между клетками имеет очень большой биологический смысл. Оказывается, что для полноценной дифференцировки сперматозоидов необходим весь диплоидный геном и продукты его деятельности. Во-первых, потому, что в исходном диплоидном геноме могут содержаться дефектные, летальные аллели генов, и клетка, получившая их, погибнет, если не будет обеспечена продуктами нормального аллеля, находящегося в ядрах клеток, его получивших. Во-вторых, как известно, одни мужские половые клетки получают Х-, другие — Y- половую хромосому. Каждая из них содержит много важных генов, необходимых для развития сперматозоидов. Поэтому благодаря цитоплазматическим мостикам развивающиеся мужские половые клетки получают продукты деятельности диплоидного генома.

Фаза формирования является самой продолжительной фазой сперматогенеза. В процессе ее из сперматид образуются сперматозоиды.Часто эту фазу называют спермиогенезом.Она длится дольше всех остальных фаз (около 50 суток). Процесс спермиогенеза начинается с образованием из комплекса Гольджи вначале акробласта, а затем акросомы,которая содержит ферменты для разрушения яйцевых оболочек. Центросома, состоящая из двух центриолей, перемещается в противоположный полюс. Проксимальная центриоль прилежит к ядру, а дистальная делится на две части. Из одной части образуется жгутик, который превращается в осевую нить хвостика. Вторая часть играет роль базального тельца. Образуются элементы цитоскелета: сегментированные колонны, плотные волок на, продольные столбы с ребрами. Цитоплазма сперматозоида сильно редуцируется, а ядро становится вытянутым, компактным и гипербазофильным. На заключительных этапах формирования сперматозоиды отделяются от соединяющей их друг с другом общей цитоплазмы и становятся свободными. Оставшийся после отделения объем цитоплазмы (остаточные тельца)подвергается фагоцитозу.

ОВОГЕНЕЗ(рис. 5.6) Принципиально протекает сходно со сперматогенезом, но имеет ряд отличий. Исходными клетками в овогенезе являются первичные половые клетки (гоноблас-ты),развивающиеся в раннем эмбриональном периоде в женской половой железе — яичнике. Эти клетки входят в состав эпителия индифферентной половой железы.В дальнейшем данный эпителий вырастает в виде тяжей в мезенхиму первичной почки (мезонефроса),а затем распадается на отдельные островки (шары Пфлюгера).В составе этих островков находятся половые клетки и окружающие их эпителиоциты (в дальнейшем - фолликулярные клетки).Гонобласты превращаются в овогонии.Эти мелкие клетки вступают в фазу размножения и интенсивно делятся митозом. В результате к концу эмбрионального развития их число достигает 7 млн. К моменту рождения период размножения заканчивается. Начиная с конца 3-го месяца эмбриогенеза и до рождения девочки одни овогонии превращаются в овоцит I порядка,другие же продолжают делиться. После рождения размножение овогонии прекращается, все они превращаются в овоциты I порядка, которые блокируются на стадии диплотены первого мейотического деления.

Далее овоциты I порядка вступают в длительный период роста. Период роста делится на две части: период малого,или медленного,роста (длится от рождения до полового созревания), и период большого,или быстрого,роста (происходит циклически на протяжении каждого менструального цикла). В период быстрого роста идет подготовка к мейозу. Таким образом, период роста может составлять 12—50 лет. Третья фаза овогенеза — созревание — начинается перед овуляцией. Происходит первое мейотическое деление, образуется овоцит II порядка, который вступает во второе мейотическое деление, но блокируется в метафазе, а также редукционное тельце.Завершение созревания инициируется оплодотворением. В отличие от сперматогенеза возникающие в результате двух делений мейоза клетки не равны по размерам. Из овоцита I порядка образуется крупный овоцит II порядка и очень мелкое редукционное тельце,которое может делиться на два редукционных тельца. Из овоцита II порядка образуется оотида и третье редукционное тельце. Следовательно, в результате двух делений образуется одна яйцеклетка и три редукционных тельца, которые вскоре погибают и фагоцитируются другими клетками. Яйцеклетка теряет центриоли.

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ. Оплодотворение — это процесс слияния мужской и женской половых клеток, который приводит к образованию одноклеточного зародыша — зиготы.Происходит в ампулярной части яйцевода. Перед оплодотворением сперматозоиды активируются под влиянием слизистого секрета яйцевода. Это явление называется капацитацией.Во время капацитации происходят существенные изменения белковых компонентов цитолеммы спермиев: некоторые вещества удаляются, другие белки существенно модифицируются. Эти изменения играют важную роль для последующей акросомной реакции.Одновременно сперматозоиды гиперактивируются, их двигательная способность резко возрастает, что способствует их проникновению через лучистый венец и блестящую оболочку.

Для оплодотворения необходимо около 200 миллионов сперматозоидов. В эякуляте человека содержится около 300 млн сперматозоидов, которые сохраняют способность к оплодотворению в течение 2 суток. Из них только около 200 достигают воронковой части яйцеводов, где происходит оплодотворение. При низком содержании сперматозоидов в эякуляте (так называемая олигозооспермия)из-за недостаточной литической активности оплодотворения не просходит.

Стадии оплодотворения см. в альбоме.

Сближению сперматозоидов и яйцеклетки способствует хемотаксис. По предложению М. Гартмана (1940), вещества, продуцируемые яйцеклеткой и сперматозоидом и влияющие на подвижность сперматозоидов, названы гамонами(гормонами гамет). При этом сперматозоиды вырабатывают хемотаксические вещества адрогамоны,а яйцеклетка — гиногамоны.Яйцеклетка содержит гиногамоны 1 и 2. Гиногамон 1 активирует движение спермиев, а гиногамон 2, или фертилизин,агглютинирует их. Андрогамон 1 спермиев блокирует их движение, а андрогамон 2 растворяет оболочку яйца. В последнее время, однако, путем наблюдения за половыми клетками при экстракорпоральном оплодотворении установлено, что никакого хемотаксиса при оплодотворении не существует. Встреча сперма­тозоида и яйцеклетки происходит случайно, но возникшее кратковременное взаимодействие между ними приводит к очень прочным межклеточным контактам.

Сперматозоиды достигают яйцеклетки через 2 часа после осеменения и окружают ее. За счет синхронного движения жгутиков сперматозоидов яйцеклетка начинает совершать вращательные движения. После вступления в контакт с фолликулярными клетками лучистого венца наступает акросомная реакция— выделение из акросом сперматозоидов ферментов. Морфологическим проявлением акросомной реакции является слияние ак­росомной мембраны с цитолеммой спермия в передней части головки. Для акросомной реакции большую роль играет быстрое поступление внутрь головки спермия ионов кальция, который запускает синтез циклических нуклеотидов и повышает активность АТФазы. Это приводит к увеличению внутриклеточного рН и включению акросомной реакции.

Из ферментов акросомы наибольшее значение имеют гиалуропидаза и трипсиноподобный фермент акрозин.Они воздействуют на лучистый венец и разрыхляют его: расщепляют связи между клетками, в результате чего последние диссоциируют, создавая возможность проникновения спермиев к блестящей зоне. Важную роль играет также денудация яйцеклетки в яйцеводах — частичное или даже полное освобождение яйцеклетки от клеток лучистого венца. При полной денудации спермии сразу взаимодействуют с блестящей зоной.

Блестящая зона является более существенным барьером на пути сперматозоидов. Вначале спермин связываются со специфическими рецепторами на блестящей зоне. Наиболее известным рецепторным белком для сперматозоидов является гликопротеид ZP3(аббревиатура от zona pellucida — блестящая зона, оболочка). Дополнительнм рецептором является ZP2.Прикрепление сперматозоидов к блестящей оболочке является видоспецифическим. После прикрепления к блестящей оболочке спермия ферменты, связанные с внутренней акросомной мембраной, растворяют тот небольшой участок зоны, к которому прикрепился спермий. Активные движения хвостика позволяют сперматозоиду мигрировать через блестящую оболочку за 5-10 мин. Касание одного из сперматозоидов оолеммы яйцеклетки приводит к образованию на поверхности воспринимающего бугорка.Оолемма содержит систему рецепторов для взаимодействия с рецепторами спермия. После взаимодействия и слияния плазматических мембран спермия и яйцеклетки мембраны спермия включаются в состав ооплазматической мембраны, а головка спермия внедряется в ооплазму.

МЕХАНИЗМЫ БЛОКАДЫ ПОЛИСПЕРМИИ.Несмотря на прикрепление к яйцеклетке одновременно большого числа спермиев, только один из них вносит в нее свой геном. В случае проникновения ядер нескольких сперматозоидов (полиспермия)формировались бы дополнительные веретена деления, что привело бы к аномальному расхождению хромосом при дроблении, формированию недиплоидных зигот и прекращению дальней­шего развития зародыша. Для предотвращения полиспермии существует несколько механизмов.

1. Одновременно с началом взаимодействия двух гамет в яйцеклетке происходит кортикальная реакция, запускаемая быстрым повышением в яйцеклетке концентрации ионов кальция. При этом кортикальные гранулы быстро перемещаются под цитолемму и их содержимое выделяется в перивителлиновое пространствопод блестящую оболочку. В результате из блестящей оболочки формируется твердая оболочка оплодотворения,непреодолимая для спермиев.

2. Кортикальные гранулы содержат ферменты, в том числе различные гидролазы. Эти ферменты расщепляют рецепторы ZP2 и модифицируют ZP3 блестящей оболочки, которая при этом теряет способность связывать другие спермин. Это препятствует развитию полиспермии. Одновременно содержимое кортикальных гранул блокирует акросомную реакцию в других спермиях. Все эти опосредованные через блестящую оболочку изменения обеспечивают позднюю блокадуполиспермии.

3. Кроме вышеизложенного, кортикальные гранулы изменяют молекулярную организацию оолеммы, которая приобретает новые свойства, в том числе и отрицательный заряд, отталкивающий отрицательно заряженные спермин (ранний блок полиспермии).

СИНКАРИОН. Ядра сперматозоида и яйцеклетки (с этого момента они называются мужским и женским пронуклеусами) набухают, в них обнаруживаются ядрышки. Пронуклеусы приближаются друг к другу, теряют ядерные оболочки и сливаются. Процесс слияния пронуклеусов называется синкарионом. При этом их геномы перемешиваются, и восстанавливается диплоидный набор хромосом. В результате образуется новый организм — зигота.

ИЗМЕНЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ЯЙЦЕКЛЕТКЕ ПОСЛЕ ОПЛОДОТВОРЕНИЯ.

1. В первые 10 мин. после оплодотворения в зиготе усиливается углеводный обмен, активируется распад гликогена, что свидетельствует о потреблении энергии.

2. В большинстве случаев резко повышается потребление кислорода.

3. В первые минуты увеличивается содержание нуклеиновых кислот, что является признаком усиления диссимиляционных процессов.

4. Резко (в 100 и более раз) возрастает обмен фосфатов, в 10 и более раз — калиевый и кальциевый обмен.

5. Резко возрастает проницаемость мембраны для фосфатов, изменяются ее электрические свойства.

6. Повышается активность протеолитических ферментов.

7. Запускается синтез ДНК, и-РНК и белка.

После короткого периода покоя зигота вступает в нов. период эмбриогенеза—дробление.

Искусственная инсеминация. Достижения современной эмбриологии позволяют решать целый ряд практических вопросов, связанных с женским и мужским бесплодием, исправления генетических дефектов. Искусственная инсеминация — это введение в половые пути женщины ранее полученной во время эякуляции семенной жидкости мужчины. Для этого эякулят замораживается в жидком азоте при температуре -196°С, где может сохраняться в течение длительного времени. В настоящее время искусственная инсеминация широко используется при мужском бесплодии (олиго- или азооспермия, т.е. существенное снижение количества полноценных активных сперматозоидов или их полное отсутствие в эякуляте). В таких случаях женщинам, желающим иметь детей, но из-за бесплодия мужа не имеющим таких возможностей, по понятным морально-этическим соображениям искусственным путем вводят в половые пути сперматозоиды мужчин-доноров. В некоторых странах благодаря технике криоконсервации создаются банки спермы.

Экстракорпоральное оплодотворение, или оплодотворение in vitro, применяют:

1. При женском бесплодии, не связанном с нарушением образования женских гамет (нарушении проходимости маточных труб).

2. После менопазы. Применяется тогда, когда в яичнике женщины еще имеются примордиальные фолликулы, но развитие их до уровня зрелых яйцеклеток и оплодотворе­ние последних в естественных условиях невозможно.

3. Может быть использована имплантация зародыша, полученного из родительских половых клеток, в матку приемной матери (так называемое "суррогат-материнство", которое необходимо тогда, когда у "генетической" матери отсутствует или недоразвита собственная матка при полноценной функции яичников).

Экстракорпоральное оплодотворение включает следующие этапы:

1. Гормональная стимуляция фолликулогенеза. Применяют препараты, представляющие смесь фоллитропина и лютропина. Их введение позволяет получить в яичнике большое число синхронно развивающихся зрелых фолликулов.

2. Извлечение из яичника (под контролем ультразвукового исследования) яйцеклеток путем пункции фолликулов.

3. Оплодотворение яйцеклеток специально подготовленными сперматозоидами (размороженными или свежими). Для этого сперматозоиды отделяют от семенной жидкости путем центрифугирования, отмывания, а затем вызывают капацитацию инкубацией в атмосфере углекислого газа.

4. Имплантация зародыша в матку женщины. Для этого зародыш вначале выращивают на питатель­ных средах до стадии 4—8 бластомеров. Для повышения эффективности метода имплантируют не один, а несколько зародышей. При этом эндометрий матки должен быть подготовлен к имплантации. Метод экстракорпорального оплодотворения, очевидно, позволит в дальнейшем исправлять генные аномалии: в настоящее время на эмбрионах жи вотных разработан метод микроинъекции генов в пронуклеус. После детальной диагностики генных нарушений подбираются аналогичные здоровье гены, определяющие желательный признак. Так, на мышах проведены опыты по инъекции в оплодотворенную яйцеклетку гена белка мышц миозина Это проявилось в сильном развитии мышц у потомства.

ДРОБЛЕНИЕ. ЗНАЧЕНИЕ И МЕХАНИЗМЫ. СТРОЕНИЕ МОРУЛЫ И БЛАСТОЦИСТЫ. ИМПЛАНТАЦИЯ

Дробление характеризуется превращением одноклеточной зиготы в мно­гоклеточный зародыш.Это последовательное митотическое деление зиготы на клетки (бластомеры) без последующего роста их до размеров материнской. При- этом из-за отсутствия С,-периода клетки не успевают увеличиваться в размерах. Поэтому с каждым делением размеры клеток уменьшаются.Общий объем зародыша в ходе дробления уменьшается на 20-40%, т.к. в ходе дробления теряются какие-то вещества, и эти потери не компенсируются синтезом новых белков. Образующиеся в результате дробления клетки называются бластомерами.

Дробление зависит от количества и распределения желтка в яйцеклетке и может быть полным (голобластическое) и неполным (меробластическое), равномерным и неравномерным, синхроннымили асинхронным.У млекопитающих, в том числе и у человека, дробление полное(делится весь материал зиготы), неравномерное(образуются бластомеры разной величины), асинхронное(бластомеры делятся неодновременно: за стадией двух бластомеров наступает стадия трех бластомеров, так как один из бластомеров вступает в деление позже второго, и т.д.). Асинхронность и неравномерность дробления проявляется не сразу, а начиная со второго деления, первые два бластомеры имеют одинаковые размеры.

В результате дробления образуются бластомеры разной величины крупные темные и мелкие светлые. Светлые бластомеры дробятся быстрее и быстро окружают снаружи темные бластомеры, занимающие внутреннее положение. Светлые бластомеры называются трофобластоми в дальнейшем явятся источником развития эпителия хориона(см. ниже). Из темных бластомеров (эмбриобласт) образуются тело и провизорные органы зародыша, за исключением хориона.

Зародыш, состоящий из плотного скопления клеток эмбриобласта и трофобласта, у млекопитающих называется морулой.Она образуется на 3-й сутки эмбриогенеза. Между клетками эмбриобласта устанавливаются щелевидные контакты (нексусы), которые обеспечивают информационные взаимодействия. В трофобласте - плотные контакты, обеспечиваювают его барьерные свойства.

К 4-м суткам развития клетки трофобласта начинают секретировать жидкость, которая накапливается внутри морулы и приводит к образованию полости, а также смещает эмбриобласт на один из полюсов. Так образуется бластоциста. Она состоит из бластодермы (трофобласт), бластоцеля (полость внутри) и эмбриобласта (рис. 5.8). Клетки бластоцисты уже дифференцированы на трофобласт и эмбриобласт. При образовании бластоцисты блестящая оболочка разрушается и сбрасывается.

Дробление у человека происходит в течение первой недели эмбриогенеза. За это время зародыш попадает в полость тела матки и начинает имплантироваться.

Имплантация — процесс проникновения зародыша в слизистую оболочку стенки матки и установления тесных связей с ее кровеносными сосудами. Состоит из 2 фаз:

1.адгезии, или прилипания трофобласта к слизистой оболочке матки, и

2. инвазии.

Перед имплантацией трофобласт разделяется на два слоя: клеточный трофобласт, или цитотрофобласт (внутренний листок), и симпластотрофобласт (синонимы: плазмодиотрофобласт, синцитиотрофобласт, синтрофобласт) — наружный листок.

Симпластотрофобласт выделяет ферменты, которые лизируют ткани эндометрия. За счет этого происходит инвазия — внедрение зародыша в слизистую оболочку. Трофобласт раз­рушает кровеносные сосуды эндометрия, из которых изливается кровь, омывая зародыш. После инвазии края слизистой оболочки над зародышем срастаются (рис. 5.9). Таким образом, у человека имплантация является глубокой, интерстициальной, поскольку зародыш глубоко проникает в эндометрий, разрушая его сосуды.

Имплантация длится около 40 часов. В ходе имплантации изменяется тип питания зародыша. В течение короткого времени после оплодотворения зародыш использует небольшие запасы питательных веществ, содержашихся в яйцеклетке (аутотрофный тип питания). После расходования материала желточных включений зародыш переходит на гистотрофныйтип питания, используя секрет слизистых клеток эпителия яйцевода, матки, маточных желез, и продукты распада тканей в начальные фазы имплантации. После разрушения сосудов эндометрия, устанавливается гемотрофныйтип питания зародыша.