ГАМЕТОГЕНЕЗ. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАПЛІДНЕННЯ ТА ЙОГО БІОЛОГІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ
• У деяких тварин статеві клітини утворюються із соматичних клітин протягом усього онтогенезу, наприклад, – у губок - з амебоцитів і хоаноцитів, – у кишковопорожнинних - з інтерстиціальних клітин, – у плоских хробаків - із необластів. • Для поліхет і олігохет характерне раннє відособлення зачатка статевих клітин, які утворюються із клітин соматичних. • Статеві клітини всіх інших груп тварин, в тому числі хребетних, формуються з особливого зачатка первинних статевих клітин, або гоноцитів.
Походження первинних статевих клітин у деяких хребетних. А – зародок ссавців; Б – зародок птахів; В – бластула жаби. 1 - задня кишка; 2 – первинні статеві клітини; 3 – жовточний мішок; 4 – первинні статеві клітини на межі між світлою та темною зонами; 5 – темна зона (area apaca); 6 – світла зона (area pellucida); 7 – бластоцель; 8 – первинні статеві клітини в презумптивній ентодермі
• Зачаток первинних статевих клітин у різних тварин відособлюється на різних стадіях ембріогенезу, але завжди окремо і незалежно від зачатка статевої залози. • У багатьох тварин (нематоди, членистоногі, хребетні) зачаток первинних статевих клітин, гоноцитів, відособлюється рано - на стадії гаструли або нейрули, або, навіть, дроблення. • Для Drosophila причиню диференціації клітин у первинні статеві вважають надходження в них при поділі “полярних гранул”. • Статеві клітини відрізняються від соматичних не часом відособлення в онтогенезі, а тим, що вони зберігають свою тотіпотентність.
• Гаметогенез – це процес утворення й дозрівання статевих клітин в статевих залозах: жіночих статевих клітин – яйцеклітин у яєчниках (овогенез) і чоловічих статевих клітин - сперматозоїдів у сім’яниках (сперматогенез). • Мейоз – ділення статевих клітин, результатом якого є утворення гамет із гаплоїдним набором хромосом. • Мейоз складається із двох послідовних поділів, під час яких з однієї клітини з диплоїдним набором хромосом утворюються чотири гаплоїдні клітини.
Перший мейотичний поділ (редукційний) • В інтерфазі, яка передує першому мейотичному поділу, відбувається редуплікація молекул ДНК • Профаза 1 мейозу має певні особливості: – стадія займає великий проміжок часу (від доби до декількох років); – складається з декількох фаз; – спостерігається ріст об’єму овоцитів, в яких накопичуються поживні речовини; – хромосоми здатні до синтезу РНК, часткового синтезу ДНК, тобто хромосоми І мейотичного поділу не перебувають у стані функціонального спокою, а беруть участь у певних подіях.
лептотена – стадія тонких ниток 1. Починається спіралізація інтерфазних редуплікованих хромосом 2. Кожна хромосома, що складається із двох сестринських хроматид, обома кінцями прикріплена до ядерної мембрани
зиготена – стадія кон’югуючих хромосом 1. гомологічні хромосоми зближуються й кон’югують 2. процес кон’югації забезпечує точне спарювання (синапсис) усіх гомологічних ділянок хромосом 3. між кон’югованими хромосомами утворюється синаптонемальний комплекс 4. синтезується невелика кількість специфічної z. ДНК
пахітена – стадія товстих ниток 1. кон’юговані хромосоми щільно прилягають одна до однієї і продовжують спаралізуватись 2. утворюється одна вкорочена потовщена мейотична хромосома. Число таких товстих пахітенних хромосом гаплоїдне (1 n), але вони складаються із двох об’єднаних гомологів, кожний з яких має по дві сестринські хроматиди. 3. відбувається кросинговер - взаємний обмін ділянками по всій довжині хромосом
• Кожну пару хромосом, яка утворилася в профазі I мейозу, як правило, називають бівалентом • під час розходження, біваленти залишаються зв’язаними хіазмами, які вважаються відповідними місцями обміну • починається активація транскрипційної активності хромосом Схематичне зображення хромосом, які утворюють хіазми • у жіночих статевих клітинах відбувається ампліфікація рибосомних генів, активуються деякі хромомери, і утворюються хромосоми типу “лампових щіток”.
• відбувається синтез невеликої кількості ДНК, яка йде на зшивання і відновлення цілісності молекул ДНК • у цьому процесові бере участь рекомбінаційний вузлик, який з’являється в повздовжній щілині синаптонемального комплексу • рекомбінаційний вузлик є великим білковим ансамблем, розміром біля 90 нм Схематичне зображення синаптонемального комплексу • його розміщення співпадає з місцями хіазм, де відбувається кросинговер
диплотена – стадія подвійних ниток • гомологи розходяться; • синаптонемальний комплекс починає розпадатись • однак, хромосоми все ще зв’язані однією або декількома хіазмами • відбувається деяке вкорочення і конденсація хромосом • на цій стадії хромосоми мають вигляд “лампових щіток”.
діакінез – стадія ниток, що розходяться • передує метафазі; • синтез РНК не відбувається, • хромосоми конденсуються, потовщуються й відділяються від ядерної мембрани; • чітко видно, що кожний бівалент містить чотири окремі хроматиди, причому кожна пара сестринських хроматид сполучена центромерою, тоді як несестринські хроматиди, де відбувся кросинговер, зв’язані хіазмами.
• Відмінність першого мейотичного поділу від мітотичного полягає в тому, що при першому поділі мейозу в кожну клітину попадають дві сестринські хроматиди, сполучені в області центромери, а при мітозі – дві розділені хроматиди. • Другий мейотичний поділ (екваційний) настає відразу після закінчення першого – інтерфаза є дуже короткою, в ній не відбувається синтезу ДНК – клітина з 2 с кількістю ДНК і 2 n числом хроматид дає початок двом клітинам із гаплоїдним набором ДНК і хромосом
Овогенез • • Овоґенез - процес розвитку жіночих статевих клітин Процес овоґенезу складається із трьох періодів: – розмноження, росту, дозрівання Період розмноження • • • потрапивши до яєчника, гоноцити стають овогоніями овогонії діляться мітотичним шляхом кількість поділів є видоспецифічною У деяких тварин, наприклад у риб та амфібій, періодичність мітотичних поділів овогоній пов’язана із сезонним розмноженням і повторюється протягом усього життя. У ссавців період розмноження закінчується під час внутрішньоутробного розвитку
Період росту • • статеві клітини в цьому періоді називаються овоцитами першого порядку вони втрачають здатність до мітотичного поділу вступають у профазу І мейозу відбувається ріст статевих клітин Розрізняють два типи росту статевих клітин: – період малого росту – період великого росту
• В період малого росту – об’єми ядра й цитоплазми збільшуються пропорційно й незначно – ядерно-цитоплазматичне співвідношення не порушується – на стадії диплотени профаза І мейозу призупиняється на строк від декількох днів до багатьох років (час зупинки є видоспецифічним) – під час цієї паузи овоцити І порядку формують зовнішні оболонки, кортикальні гранули, накопичують рибосоми, іРНК – хромосоми овоцитів деспіралізуються та утворюють бічні петлі, набуваючи вигляду “лампових щіток”, характерного для хромосом, які активно синтезують РНК період великого росту (вітеллогенез) – починається лише з набуттям особою статевої зрілості – інтенсифікуються синтетичні процеси, що призводять до накопичення жовтка
Період дозрівання • відбуваються два поділи мейозу: редукційний та екваційний Схема овоґенезу (А) та сперматогенезу (Б)
Схема розвитку овоциту людини
Вивільнення яйцеклітини з яєчника
Схема овогенезу у людини
Сперматогенез - процес розвитку чоловічих статевих клітин Характеризуючи сперматогенез, можна виділити ряд загальних моментів, спільних для всіх тварин: – чоловічі статеві клітини ніколи не розвиваються поодинці, а ростуть як клони синцитіально зв’язаних клітин, де всі клітини впливають одна на одну; – у більшості тварин у процесі сперматогенезу беруть участь допоміжні соматичні клітини: опорні або трофічні клітини Сертолі (що є клітинами фолікулярного епітелію); – статеві клітини і зв’язані з ними допоміжні клітини на ранніх стадіях розвитку відокремлюються від клітин соми шаром клітин, що виконує бар’єрну функцію; – сперматогенез включає 4 періоди: розмноження, росту, дозрівання, формування.
Період розмноження: • сперматогонії, які вступають у мітотичний поділ мають найбільші розміри і носять назву первинних сперматогоніїв • клітини, що утворились в результаті поділу первинних сперматогоніїв називають вторинними сперматогоніями • сперматогонії поповнюються за рахунок поділу стовбурових клітин чоловічої гонади, поділу, що може бути незалежним від самого процесу сперматогенезу • утворений при мітозі синтиціальний зв’язок зберігається протягом сперматогенезу від сперматогоній до пізніх сперматид
Період росту • Клітини, які закінчили поділ і вступили в період росту та дозрівання – сперматоцити • сперматоцити, що здійснюють інтенсивний ріст носять назву сперматоцитів І порядку Період дозрівання • відбуваються редукційний та екваційний поділ мейозу • по завершенню редукційного поділу мейозу сперматоцитів І порядку утворюються сперматоцити ІІ порядку • при екваційному поділі сперматоцитів ІІ порядку утворюються гаплоїдні сперматиди
Формування синцитіального клону чоловічих статевих клітин
Схема сперматогенезу
Період формування • Перетворення сперматид у сперматозоїди називається сперміогенезом • диференціювання сперматозоїдів відбувається під специфічним генетичним контролем • відбувається заміна гістонів на протаміни під час конденсації хроматину клітин, що формуються • іРНК протамінів транскрибується у ранньому сперматогенезі і запасається у вигляді неактивних РНП
Стадії сперматогенезу у ссавців
Загальна схема сперматогенезу у людини
• Запліднення - це викликана сперматозоїдом активація яйця до розвитку з одночасною передачею яйцеклітині спадкового матеріалу батька • Утворена зигота набуває властивості тотіпотентності – здатності дати початок усій різноманітності клітин і тканин майбутнього організму Мікрофотографія спермієв морського їжака на поверхні жовточної оболонки • Власне процес запліднення починається з контакту сперматозоїда і яйцеклітини і включає реакції активації сперматозоїда і яйцеклітини й процеси злиття гамет
Стадії запліднення яйцеклітини людини
Дистантна взаємодія гамет • забезпечується гіпотетичними речовинами, що продукуються гаметами – гіногомони – гомони яйцеклітин: • гіногомон І – активує рух сперматозоїдів; • гоногомон ІІ– аглютинує сперматозоїди; – андрогомони – гомони сперматозоїдів: • андрогомон І – паралізує рухливість сперматозоїдів; • андрогомон ІІ (лізин, гіалуронідаза ? )– розчиняє оболонку яйця (що містить мукополісахарид гіалуронову кислоту) • механізм хемотаксису є видоспецифічним • яйцеклітини морського їжака вивільнюють два атрактанта: • • сперакт – пептид з 10 АК залишків резакт – пептид з 14 АК залишків
• У сім’яниках ссавців дозрілі сперматозоїди нерухомі • в придатках сім’яника в них відбувається заміна деяких білків і вуглеводів у мембрані • У статевих шляхах самки сперматозоїди підлягають реакції капацитації, внаслідок якої клітини стають рухливими й набувають здатності до запліднення • суть природи капацитації полягає в тому, що: - в клітинній мембрані спермія співвідношення холестерин/фосфоліпіди по мірі капацитації знижується (молекули альбуміну жіночих статевих шляхів самки здатні вилучати холестерин у спермія) - з поверхні сперміїв видаляються певні речовини (полімери з повторювальних залишків галактози і N-ацетілглюкозаміну? ), наявність яких перешкоджає прикріпленню до яйця
Схема акросомальної реакції у морського їжака
Схема акросомальної реакції у морського їжака контакт з сульфатованими полісахаридами драглистої оболонки ↓ надходження йонів кальцію ↓ ↓ кальційзалежний екзоцитоз акросомного пухирця ↓ ↓ оголення біндинів вивільнення літичних ферментів вихід протонів та надходження йонів натрію ↓ зростання внутрішньоклітинного р. Н ↓ ↓ полімеризація активація актину денеїнової АТФази ↓ ↓ утворення акросомного зростання виросту рухливості спермію
Контакт акросомного виросту з зовнішньою поверхнею жовточної оболонки • на акросомному вирості локалізований нерозчинний білок біндин (мол. маса 35 500 Д) • жовточка оболонка містить видоспецифічний рецептор для зв’язування біндину • існує обмежена кількість місць для зв’язування спермію • контакт викликає полімеризацію актину в корі яйця та збільшення розмірів мікроворсинок, які формують сприймаючий горбик • мембрани спермію та яйця зливаються, за участю фузогенних білків (роль якого, можливо, виконує білок головки спермію) • прикріплення спермію індукує відкриття натрієвих каналів в мембрані яйця з наступною деполяризацією самої мембрани (заряд змінюється від -70 м. В до +20 м. В) – швидкий блок поліспермії • прикріплення спермію індукує повільний блок поліспермії – кортикальну реакцію
Схема кортикальної реакції
Проникнення сперматозоїда у яйцеклітину морського їжака а) схема; б) електронна мікрофотографія
Послідовність подій при кортикальній реакції • прикріплення спермію до плазматичної мембрани яйця змінює конформацію неідентифікованого рецептора так, що він активує мембранний G білок • активований G білок спричинює активацію мембранного ферменту фосфоліпази С • фосфоліпаза С каталізує гідроліз мінорних фосфоліпідів плазмолеми з утворенням двох сполук: – вторинного месенджера ІР 3, який активує ліганд-залежні кальцієві канали в мембрані гладенького ендоплазматичного ретикулума, викликаючи вихід іонів кальцію в цитозоль – діацилгліцеролу, який активує мембранну протеїнкіназу С, яка, у свою чергу, активує Nа+/Н+ - переносник, викликаючи зростання внутрішньоклітинного р. Н
Послідовність подій при кортикальній реакції (продовження) збільшення концентрації іонів кальцію в кальційзалежний екзоцитоз кортикальних гранул • відбувається вивільнення вмісту кортикальних гранул у зону між плазмолемою та жовточною оболонкою • білки, що зв’язували жовточну оболонку з плазмолемою, розчиняються вивільненими ферментами • вивільнені мукополісахариди створюють осмотичний градієнт, який забезпечує надходження води у проміжок між плазмолемою та жовточною оболонкою • жовточна оболонка відділяється від плазмолеми (тепер її називають оболонкою запліднення, її утворення починається у місці проникнення спермія і від нього поширюється по всій поверхні) • дія вивільнених протеаз змінює конформацію біндинових рецепторів (або, навіть, їх відділення разом із прикріпленими сперміями) • вивільнена пероксидаза викликає затвердіння оболонки шляхом утворення поперечних зв’язків між залишками тирозину сусідніх білків жовточної оболонки • вивільнений гіалін утворює суцільний шар навкруги яйця (він підтримує бластомери під час дроблення) цитозолі яйця спричинює
Синкаріогамія • ядерна оболонка ядра спермію розпадається на пухирці, що дозволяє цитоплазмі яйця впливати на хроматин спермію • білки, що забезпечували конденсований неактивний стан хроматину спермію, замінюються на білки подібного типу яйцевого походження • наслідком такої заміни є деконденсація хроматину спермія (утворення чоловічого пронуклеусу) • чоловічий пронуклеус здійснює поворот на 180º, так, що центріоль спермію опиняється між чоловічим та жіночим пронуклеусами • мікротрубочки, що відходять від центріолі спермію, подовжуються і контактують з жіночим пронуклеусом • обидва пронуклеуси переміщуються назустріч один одному і зливаються
Активація метаболізму яйця після запліднення Ранні реакції • здійснюються упродовж декількох секунд після синкаріогамії • активація яйця зумовлена підвищенням концентрації іонів кальцію в цитоплазмі. У первинноротих (наприклад, равликів, червів) іони кальцію надходять у яйце із зовнішнього середовища. У вторинноротих (наприклад, риб, жаб, морських їжаків) вони вивільнюється із внутрішньоклітинних депо. • здійснюється підвищення внутрішньоклітинного р. Н • скачкоподібно зростає споживання кисню. Припускають, що кисень використовується для окисних реакцій різних компонентів яйця: – оболонки запліднення, яка твердішає при окисленні залишків тирозину, – ліпідів цитоплазми (відбувається кальційзалежна активація ферменту НАД+кінази, яка перетворює НАД+ у НАДФ+, який використовується як кофермент при біосинтезі ліпідів • інтенсифікується синтез білків та ДНК
Пізні реакції • високий вміст кальцію та високий р. Н призводять до реалізації повного спектру явищ запліднення (включаючи синтез ДНК та білків) • зростання внутрішньоклітинного р. Н спричинюється вторинним надходженням іонів кальцію • відбуваються радикальні переміщення компонентів цитоплазми, в тому числі морфогенетичних детермінант, які сегрегуються у процесах дроблення і потрапляють у певні клітини, викликаючи активацію чи репресію певних генів, і, як наслідок, клітинну диференціацію
ДЯКУЮ ЗА УВАГУ !
Скачать презентацию ГАМЕТОГЕНЕЗ ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАПЛІДНЕННЯ ТА ЙОГО БІОЛОГІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ
L_2_BIR_2012.ppt