Стадии жизненного цикла В большинстве случаев стадии развития

Стадии жизненного цикла В большинстве случаев стадии развития (жизненного цикла) животного -Оплодотворение -Дробление -Гаструляция -Органогенез -Созревание-гаметогенез

Фертилизация или Оплодотворение -процесс во время которого две половые клетки (гаметы) сливаются вместе, образуя новый индивидуум с генетическим потенциалом, полученным от обоих родителей. -объединяет пол и репродуктивность

Структура яйцеклетки 10 мкм до 20 мкм за 24 часа 100 мкм Витилиновая мембрана у не млекопитающих или zona pellucida у млекопитающих Плазматическая мембрана Кортикальные гранулы 1000 мкм, а сам организм живет дни Митохондрии Ядро

m. vitellina - у не млекопитающих zona pellucida = блестящая оболочка – млекопитающие Это — гликопротеиновая оболочка вокруг плазматической мембраны яицеклетки. Толщина у человека составляет 5 -10 мкм Функции — 1) это препятствие возникновению полиспермии, защита эмбриона от биохимических и механических воздействий 2) Удерживает клетки раннего эмбриона вместе. Клетки эмбриона на этапе дробления у млекопитающих не образуют клеточных контактов и не способны к самостоятельному формированию единого зародыша. Zp 1, Zp 2, Zp 3, Zp 4 –у человека Zp 1, Zp 2, Zp 3 -у мыши

• Два гликопротеина (ZP 2 и ZP 3), связываясь попеременно, образуют нити, которые соединены друг с другом «перемычками» из ZP 1 и ZP 4. • Сахаридные части гликопротеинов ZP 2 и ZP 3 являются лигандами для связывания сперматозоидми, сахаридные части ZP 1 ZP 3 ZP 1

Cortical granules • • -содержат протеазы -Hyaline -пероксидазы -мукополисахариды -длинные, неразветвленные, единица-дисахарид Hyaluronan (-4 Glc. UAβ 1 -3 Glc. NAcβ 1 -) п

Различные стадии оогенеза (развития ооцита) Первичная половая клетка Оогоний Ооцит – это развивающееся яйцеклетка Претерпевают арест в профазе 1 деления мейоза (G 2) От дней до десятилетий, синтезируют оболочку и кортикальные гранулы, м. РНК для раннего эмбриогенеза Созревание ооцита обычно не происходит до полового созревания, стимулируется гормонами и заканчивает первое деление мейоза Первичный ооцит (после начала первогоделения мейоза) Вторичный ооцит Зрелая яйцеклетка

Мейотическое созревание Полярное тело 1 st meiotic division Ооцит второго порядка -Завершение первого мейотического деления, сегрегации гомологов хромосом, Образование первого полярного тела -у большинства арест метафазы 2 –го деления мейоза - до оплодотворения Необходимо 12 часов (мышь) Metaphase II

• Meiosis I – Prophase I • • • Leptotene Zygotene Pachytene Diplotene Diakinesis – Metaphase I – Anaphase I – Telophase I • Meiosis II Dictyotene характеризуется существенно большей продолжительностью (до нескольких месяцев и даже лет) в связи с прохождением этапа вителлогенеза Вителлогенезпроцесс синтеза и накопления питательных веществ (желтка) в ооцитах на этапе их быстрого роста, который может происходить экзогенно (вне яичника при алиментарном оогенезе) или эндогенно (в гранулярной эндоплазматической сети)

Оогенез насекомых–(meroistic ovary) Подобно сперматогенезу, деление клеток с цитоплазматическими мостиками (митоз) В отличие от сперматогенеза, только одна клетка, которая станет яйцеклеткой, остальные станут клетками -кормилицами Gilbert, Fig 19. 28

Рост ооцита и его контроль Примордиальный фолликул – ооцит , окруженный слоем фолликулярных клеток (обычные соматические клетки, Которые помогают развиваться ооциту). Развивающийся фолликул –многослойная оболочка из фолликулярных клеток 70 um -образуется zona pellucida 10 um oocyte granulosa cells (фоликулярные клетки) nucleus (germinal vesicle) Первичный фолликул zona pellucida Созревающий фолликул Фолликулярные клетки не способны доставлять большие макромолекулы в ооцит, но могут синтезировать оболочку и небольшие предшественники, Действовать на поверхность ооцита, определяя ассиметрию яйцеклетки

Рост ооцита и его контроль Первичный фолликул Созревающий фолликул

Структура фолликулы follicle ооцит granulosa cells (фоликулярные клеткм) Переводит тестостерон в эстрадиол basement membrane (базальная мембрана) (Между granulosa и theca) thecal cells (ответственны за синтез андрогенов) Синтезируют тестостерон из холестерина cumulus mural Granulosa Antrum фоликулярные (фоликулярные клеткм (полость) клетки)

Сперматогенез акросома головка Секреторный пузырекс Гидролитическими ферментами митохондрии Микротрубочки аксонемы ядро Средняя часть Митохондрия Плазматическая мембрана хвост Плотное волокно Плазматическая мембрана жгутик Движение за счет динеиновых моторных белков, Гидролиз АТФ

Стадии сперматогенеза (образования спермий) Первичная половая клеткаа -производятся у млекопитающих постоянно -мейоз начинается после полового созревания Сперматогоний Диплоидные сперматогонии делятся в семенниках путем митоза Сперматоцид 1 -ого порядка Первое деление мейоза Сперматоцид 2 -ого порядка Второе деление мейоза Сперматиды Дифференцировка Зрелые спермии

Сперматогенез

Упрощенная схема поперечного разреза семенного канальца семенника млекопитающего Сертоли клетки Сперматогоний Базальная Первичная половая клеткаа просвет Сперматоцид 1 -ого порядка Сперматоцид 2 -ого порядка сперматид Дифференцир. сперматид Лейдига клетки (тестостерон) Базальная мембрана

Цитоплазматические мостики Упрощенная схема для двух сперматогониев, обычно число связанных клеток на много больше В отличие от ооцитов основное созревание происходит после завершения мейоза

Молекулярный контроль в dictyotene (мейотического созревания) Изменения в паттерне белкового синтеза регулируется пост-транскрипционно Транскрипция останавливается, когда начинается созревание; обеспечивает несколько клеточных циклов после оплодотворения Трансляционный контроль за счет последовательности в 3’-нетранслируемом регионе (utr) на м. РНК; есть U-богатая последовательность (элемент контролирующий аденилирование /цитоплазматический элемент полиаденилирования) - стабильность 5’-utr coding sequence 3’-utr ‘обычная’ м. РНК Некоторая ооцитная м. РНК UUUUAAU Репрессируется на уровне трансляции до созревания; трансляционно активируется во время созревания

Молекулярный контроль в dictyotene (мейотического созревания) • Трансляция m. RNA в dictyate частично объяснена связыванием белков CPEB и maskin с m. RNA, которое препятствует факторам инициации трансляции связаться с CPE (цитоплазматический элемент полиаденилирования). Когда эти две молекулы остаются вместе, тогда maskin связан с фактором инициирования e. IF-4 E [4] –нет трансляции. С другой стороны, роспуск комплекса CPEB/maskin приводит к e. IF-4 E, связывающему с фактором e. IF-4 G –трансляция -завершение dictyate и созревания ооцита. Xenopus laevis CPEB Maskin 5’-utr coding sequence 3’-utr СРЕ Ciclin B 1 m. RNA нет трансляции UUUUAAU CPEB, or cytoplasmic polyadenylation element binding protein – стимулирует добавление поли(А)

Molecular and Cellular Biology, September 2005, p. 7605 -7615, Vol. 25 • С другой стороны, роспуск комплекса CPEB/maskin приводит к e. IF-4 E, связывающему с фактором e. IF-4 G –трансляция -завершение dictyate и созревания ооцита

Оплодотворение 2. Binding to and fusion with plasma membrane

Привлечение сперматозоидов (1) Яйцеклетка

Привлечение сперматозоидов (2)

вид Хемоатрактант References папаратники Low-molecular-weight unsaturated pheromones of cyclic or linear structure (for example 532 Da pentosylated hydroquinone in the case of Chlamydomonas allensworthii) (Cosson, 1990; Maier and Müller, 1986; Starr et al. , 1995) Амфибии Allurin — a 21 k. Da protein (for Xenopus) (Al-Anzi and Chandler, 1998; Olson et al. , 2001) Аксидианы SAAF — a sulfated steroid: 3, 4, 7, 26 -tetrahydroxycholestane-3, 26 -disulfate (for Ciona savignyi and intestinalis) (Yoshida et al. , 1993; 1994; 2002) Кораллы A lipid-like long chain fatty alcohol CH 3 -(CH 2)8 -CH=CH-CH 2 OH (for Montipora digitata) (Coll and Miller, 1992) Папоротники Dicarboxylic acids, for example malic acid in its partially ionized form (for Pteridium aquilinum) (Brokaw, 1958) Моллюски Sep. SAP — a 6 -residue peptide-amide with the sequence PIDPGV-CONH 2 (for Sepia officinalis) (Zatylny et al. , 2002) Морские пострелы Resact — a 14 -residue peptide with the sequence CVTGAPGCVGGGRLNH 2 (for Arbacia punctulata) (Ward et al. , 1985) Морская звезда Startrak — a 13 k. Da heat-stable protein (for Pycnopodia helianthoides) (Miller and Vogt, 1996)

Молекулярные механизмы спермотаксиса • sperm chemotaxis of the sea urchin Arbacia punctulata guanylyl cyclase (GC ), cyclic nucleotide-gated (CNG) K+-selective channels , phosphodiesterase (PDE) , cyclic nucleotide-gated (HCN) channels, voltage-activated Ca 2+ channels (Cav) , (Kaupp et al. , 2006) .

Стадии оплодотворения -Контакт и узнавание между спермием и яйцеклеткой Связывание спермия Акросомальная реакция -Регуляция проникновения спермия в яйцеклетку -Слияние генетического материала спермия и яйцеклетки Проникновение -Активация метаболизма яйцеклетки для начала развития Слияние мембран Ядро спермин попадает В цитоплазму яйцеклетки

Оплодотворение Связывание и проникновение через zona pellucida -содержит гликопротеины zp 1 (пространственная структура), zp 2, zp 3 (рецептор спермиев) Связывание Спермий связывает олигосахариды в близи COOH конца zp 3 (доказательство: эффекты очищенного zp 3, олигосахаридов) galactosyl transferase РН 30 PH 30 экспонируется на поверхность спермия после акросомальной реакции и предположительно обеспечивает связывание спермия с мембраной яйцеклетки и слияние двух плазматическихмембран Аналог белков, взаимодействующих с интегрином, рецептор клеточной поверхности животных, обеспечивающих адгезию к поверхности Регион, подобный участку вирусного белка, который обеспечивает слияние вируса с клеткой Индуцируется акросомальная реакция – содержимое акросомы приводит к экзоцитозу

Оплодотворение Механизм активации яйцеклетки: освобождение. Ca 2+ Модификация zona pellucida белков (ZP) и плазматической мембраны за счет кортикальных гранул предотвращает дальнейшее проникновение сперматозоидов -10 -50 с после контакта

Слияние пронуклеусов спермиев и яйцеклетки Оплодотворение завершается после слияния гаплоидных ядер (пронуклеусов) двух гамет -определяется структурой цитоскелета -спермии поставляют центриоли для зиготы

Стадии жизненного цикла Многоклеточный организм увеличивается за счет относительно медленных процессов усложняющихся изменений, называемых РАЗВИТИЕМ Эмбриогенез: 1. дробление 2. гаструляция и нейруляция 3. органогенез

Жизненный цикл Стадии развития

Развитие на стадии дробления (расщепления) Во время первого клеточного цикла Второе мейотическое деление Гистоны заменяют протамины в хроматине из спермя ДНК репликация митоз 0 h 5 h 10 h 15 h 20 h

Фазы клеточного цикла

Эмбриональный клеточный цикл

Полярность эмбриона Серый серп Желток -кортекс яйца ( слой в несколько мкм глубиной) на 30 к кору и направление определено местом проникновения -система из трех осей: переднезадней, дорсовентральной (от спины к животу), медиолатеральной(от серединной плоскости в лево и в право) - место проникновения спермия соответствует брюшку

Развитие на стадии дробления ( расщепления) Особенности пре имплантационного развития Период развития до имплантации в матку Примерно 5 дней Деление дроблением (ДНК репликация и митоз без роста клеток) дает эмбрион ~50 клеток 2 -cell 4 -cell 8 -cell compacted morula blastocyst

Развитие на стадии дробления (расщепления) Особенности пре имплантационного развития Эмбрионнальная транскрипция начинается во время пре имплантационного развития (мыши: стадия 2 -х клеток; человек: 4 -х клеток) Развитие до этого контролируется м. РНК синтезированной и хранящейся в не оплодотворенном яйце Доказательство -детекция синтеза РНК -экспрессия отцовских генов -арест развития при ингибировании транскрипции Активация транскрипции у мышей Материнский контроль Эмбрионный контроль

Развитие на стадии дробления (расщепления) Особенности пре имплантационного развития Бластомеры (клетки) раннего эмбриона эквивалентны Доказательство -удаление одной или двух не мешает развитию; -разделение эмбриона на ранней стадии дает идентичные организмы

Бластула -образуется слой, окружающий полость с жидкостью – бластоцель -только наружные клетки плотно прилегают друг к другу

Establishment of three cell lineages Inner cell mass Primitive endoderm Trophectoderm (trophoblast)

Локализация Vgl 1 и его предполагаемая роль в эмбриональном развитии Xenopus -in situ гибридизация проб на м. РНК Vgl 1

Определение функционирования генов во время развития Введение новой ДНК в клетку -микроинекция -трансфекция -электропорация Химерные или трансгенные мыши Таггирование генов или их удаление Антисмысловые РНК

Дифференцирующая экспрессия генов -Каждое клеточное ядро содержит полный геном, образовавшийся после оплодотворения -Неиспользуемые гены в дифференцированных клетках не разрушены -Только небольшой процент генов экспрессируется в каждой клетке, и синтезированные м. РНК специфичны для каждого типа клеток.