Физиология проэмбрионального развития

ГАМЕТОГЕНЕЗ. ПЕРИОДИЗАЦИЯ ГАМЕТОГЕНЕЗА

Гаметогенез — это процесс формирования половых клеток, способных при определенных условиях обеспечить воспроизводство новых особей. Зрелые половые клетки, или гаметы (от греческого уарос; — свадьба, брак) представляют собой высокоспециализированные клетки, дифференциация которых связана как со специфическими изменениями ядерного аппарата и прежде всего с редукцией числа хромосом, так и с существенным преобразованием клетки в целом.

В ходе оогенеза, т. е. при формировании женских половых клеток, их специализация определяется в первую очередь необходимостью создания запасов веществ, обеспечивающих энергетические и пластические потребности эмбриона. Дифференциация мужских гамет, или сперматогенез, характеризуется иной стратегией: она направлена на максимальную компактизацию ядерных структур, развитие органелл движения и иных органелл, обеспечивающих встречу и соединение спермия с яйцеклеткой.

У мужских и женских половых клеток глубокую специализацию претерпевает и поверхностный аппарат, который обеспечивает высокую точность распознавания родственных гамет противоположного пола. Специализированные плазматические мембраны гамет при определенных условиях создают возможность видоспецифического слияния гамет.

У различных представителей животного мира организация процесса гаметогенеза обнаруживает поразительное разнообразие форм. Тем не менее, в процессе гаметогенеза.

Таблица 1

Периодизация гаметогенеза (по Дондуа А. К., 2005, с изменениями).

можно выделить несколько последовательных этапов, каждый из которых имеет свои морфофункциональные характеристики (табл. 1).

Клетки половой линии обычно обособляются на ранних этапах эмбрионального развития. Клетки, потомки которых дают начало исключительно гаметам, называются примордиальными, или первичными половыми клетками (ППК).

В животном мире известно два способа образования клеток половой линии: эпигенетический, при котором свойства половой клетки индуцируются внешними по отношению к клетке факторами, и преформационный, обусловленный материнскими детерминантами, унаследованными клеткой вместе с цитоплазмой ооцита. У дрозофилы (преформационный способ) специфические материнские детерминанты транспортируются в заднюю область ооцита, где образуют половую плазму. Сегрегация этого материала в клетках дает начало популяции первичных половых клеток. У мыши (эпигенетический способ) клетки эпибласта, экспрессирующие «гены половой компетенции», воспринимают индуктивные сигналы из внезародышевой эктодермы и энтодермы и дают начало клеткам половой линии.

Первичные половые клетки представляют собой диплоидные клетки, способные к митотическому делению. У млекопитающих, как и у многих других животных, они способны к миграции и благодаря этому заселяют зачатки гонад, которые формируются независимо и на значительном расстоянии от места возникновения ППК (рис. 1).

ППК, заселившие гонады, называются гониями. Гонии, как и ППК, являются диплоидными и способны к митотическим делениям. Гонии мужских гонад называют сперматогониями, а женских — оогониями. Этап развития, который представлен ППК и гониями, называют периодом размножения половых клеток, а следующий за ним — периодом созревания.

В период созревания клетки полового пути теряют способность к митотическим делениям. В ходе мейоза они претерпевают сложный процесс редукции числа хромосом и превращаются в гаплоидные клетки. Половые клетки, вступившие на путь деления созревания, называют ооцитами и сперматоцитами. До завершения первого деления созревания половые клетки называют сперматоцитами (ооцитами) первого порядка, или первичными сперматоцитами (ооцитами). После первого деления созревания их называют сперматоцитами (ооцитами) второго порядка, или вторичными сперматоцитами (ооцитами). После завершения деления созревания вторичный ооцит становится зрелой яйцевой клеткой. Вторичный сперматоцит в результате второго деления созревания образует гаплоидную сперматиду. В процессе сперматогенеза различают особый период формирования, в течение которого сперматида преобразуется в зрелый сперматозоид.

Таким образом, развитие мужских половых клеток — сперматогенез включает четыре фазы: размножения, роста,.

Рис. 1.

Область формирования первичных половых клеток у млекопитающих (ЬащЬат, 1981; по Гилберт С., 1993):

1 — сердце; 2 — передняя кишка; 3 — задняя кишка; 4 — аллантоис; 5 — первичные половые клетки; 6 — желточный мешок.

Рис. 2.

Общая схема процессов гаметогенеза у млекопитающих:

I — фаза размножения;

II — фаза роста; III — фаза созревания, IV — фаза формирования. / — сперматогонии; 2 — сперматоциты 1-го порядка; 3 — сперматоциты 2-го порядка; 4 — сперматиды; 5 — сперматозоиды; 1а — оогонии; 2а — ооцит.

• 1- го порядка; За — ооцит
• 2- го порядка; 4а — первое направительное тельце; 5а — гаплоидная яйцеклетка и второе направительное тельце; 6а — редукционные тельца, возникшие в результате митотического деления первого тельца.

созревания, формирования. В результате сперматогенеза возникают сперматозоиды (спермин), содержащие Xили У-хромосому. Развитие женских половых клеток — оогенез — состоит из трех фаз: размножения, роста и созревания. В результате оогенеза образуются яйцеклетки (ооциты), содержащие Х-хромосому (рис. 2).

За некоторыми исключениями мужской и женский гаметогенез протекает однотипно, однако сроки отдельных этапов гаметогенеза различаются. В мужском организме фаза размножения, как и сперматогенеза в целом, начинается после полового созревания (в репродуктивном возрасте) и может продолжаться до глубокой старости. В женском организме фаза размножения инициируется и завершается еще в эмбриогенезе (у человека к концу 7 месяца эмбрионального развития). К концу этой фазы в каждом яичнике человека закладывается около 6−7 млн оогоний.

Фаза роста в сперматогенезе выделяется в определенной степени условно, поскольку она не связана, как в оогенезе, с накоплением питательных веществ для будущего зародыша, и поэтому ее часто объединяют с третьей фазой сперматогенеза (фазой созревания) в одну так называемую мейотическую фазу. Рост характеризует увеличение объема сперматоцитов примерно в четыре раза. В оогенезе фаза роста более продолжительна, чем в сперматогенезе, и включает периоды «малого роста», когда происходит главным образом увеличение размеров ядра и цитоплазмы, и «большого роста», в течение которого в цитоплазме главным образом накапливается то или иное количество желточных включений. Эти включения образуются за счет тех питательных веществ, которые приносятся в яичник кровью материнского организма. В состав желтка входят белки и липиды. Чем больше в яйцеклетках данного животного накапливается желточных включений, тем более выражен период «большого роста». Следует отметить, что в яйцеклетках плацентарных млекопитающих и человека желтка очень мало. Малый рост женские половые клетки млекопитающих претерпевают в эмбриогенезе, а в большой рост вступают после полового созревания самки.

Фаза созревания — наиболее продолжительная фаза гаметогенеза. В оогенезе она начинается в эмбриогенезе (практически одновременно с началом малого роста половых клеток). После рождения самки млекопитающих фаза созревания половых клеток в ее яичниках приостанавливается и возобновляется только после наступления половой зрелости. В фазу созревания как мужские, так и женские половые клетки проходят мейоз — особый вид деления, в ходе которого содержание хромосом в их ядрах сокращается наполовину. Мейоз включает два последовательных деления созревания, протекающих без интерфазы и синтеза ДНК. Ответственным этапом мейоза является профаза первого деления.

По завершении последнего митотического деления в ядрах происходит дополнительный синтез ДНК, в результате чего вступающие в мейоз клетки содержат удвоенное по сравнению с нормальным количество ДНК. При этом каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, прикрепленных к общей центромере. Как говорилось выше, мейоз включает два клеточных деления (см. рис. 3). При первом делении гомологичные хромосомы сближаются и затем расходятся в разные клетки. Следовательно, при первом мейотическом делении гомологичные хромосомы распределяются.

Хромосомы во время мейоза (Longo, Anderson, 1974; по Гилберт С., 1993):

а — лептотена; б — зиготена; в — пахитена; г — диплотена; д — диакинез; е — метафаза I; ж — анафаза I; з — интеркинез; и — метафаза II; к — анафаза II; л — телофаза; м — мейоз завершен. 1 — ядсрная оболочка; 2 — хроматиды; 3 — реплицированная хромосома; 4 — центромера; 5 — ядрышко; 6 — синептонемальный комплекс; 7 — тетрада; 8 — хиазма; 9 — разрушение ядерной оболочки; 10 — восстановление ядерной оболочки; 11 — гаплоидные ядра.

между двумя дочерними клетками так, что каждая из них получает одну копию каждой хромосомы. Но поскольку они уже удвоены, следующее за первым делением второе деление мейоза разделяет сестринские хроматиды, которые расходятся в разные клетки. Таким образом, в результате мейоза каждая из четырех образующихся клеток получает единственную (гаплоидную) копию каждой хромосомы.

Первое деление мейоза начинается с длительной профазы, которая подразделяется на пять стадий. В ходе первой из них — стадии лептотены (стадии тонких нитей) хроматин хроматид оформляется в очень тонкие нити, не позволяющие в этом клубке идентифицировать отдельные хромосомы. А так как репликация ДНК уже произошла, то каждая хромосома представлена двумя параллельно лежащими хроматидами. На стадии зиготены (стадия сопряженных нитей) гомологичные хромосомы располагаются одна вдоль другой. Такое спаривание называется синапсисом; оно служит характерной чертой мейоза и не наблюдается при митозе. Механизм, лежащий в основе узнавания каждой хромосомой своего гомолога, неизвестен, однако спаривание хромосом требует присутствия ядерной мембраны и формирования синаптонемального комплекса. Этот комплекс представляет собой структуру, напоминающую лестницу, с центральным элементом и двумя полосами по бокам. Поскольку хроматин связан с этими боковыми полосами, хроматиды оказываются соединенными. Изучение ядер мейотических клеток в электронном микроскопе свидетельствует о том, что спаренные хромосомы связаны с ядерной мембраной. Конфигурация, образованная четырьмя хроматидами и синаптонемальным комплексом, называется тетрадой, или бивалентом.

Во время следующей стадии профазы мейоза хроматиды утолщаются и укорачиваются, в связи с чем эта стадия носит название пахитены (стадия толстых нитей). На этой стадии в световом микроскопе можно различить отдельные хроматиды и наблюдать кроссинговер. Во время кроссинговера (перекреста хромосом) происходит обмен генетическим материалом (гомологичными генами) между хроматидами спаренных хромосом. Кроссинговер продолжается и на следующей стадии — стадии диплотены (стадия двойных нитей). При этом синаптонемальный комплекс разрушается, и обе гомологичные хромосомы начинают обособляться, хотя между ними часто сохраняются места сцепления, называемые хиазмами; полагают, что именно в этих местах и происходит кроссинговер. Для стадии диплотены характерен высокий уровень транскрипции генов. У некоторых видов хромосомы как мужских, так и женских половых клеток принимают форму «ламповых щеток», свойственную хромосомам, активно синтезирующим РНК. Во время следующей стадии — диакинеза (стадия обособления двойных нитей) центромеры расходятся, так что хромосомы остаются соединенными только в области концов хроматид. Это завершающая стадия мейотической профазы заканчивается разрушением ядерной оболочки и миграцией хромосом к метафазной пластинке.

В течение анафазы I гомологичные хромосомы совершенно разъединены и не зависят друг от друга. За этой стадией следует стадия телофазы I, в ходе которой формируются две дочерние клетки, причем каждая включает одного партнера из пары гомологичных хромосом. После кратковременного интеркинеза наступает второе деление мейоза. В ходе этого деления центромеры каждой хромосомы делятся во время анафазы, вследствие чего каждая из новых клеток получает одну из двух хроматид. Весь процесс заканчивается образованием четырех гаплоидных клеток. Следует отметить, что в ходе мейоза происходит перегруппировка хромосом. Теперь каждая из четырех гаплоидных клеток имеет свой, отличный от других набор хромосом. У человека с его 23 парами хромосом на основе генома единственной особи может быть сформировано 2²³ (около 10 млн) разнообразных типов гаплоидных клеток. Кроме того, кроссинговер, происходящий на стадиях пахитены и диплотены профазы I, еще больше увеличивает генетическое разнообразие, создавая бессчетное число различных гамет.

В оогенезе в результате первого деления мейоза образуется один ооцит 1-го порядка и одна абортивная дочерняя клетка, именуемая редукционным, или полярным, тельцем. Другое название этих мелких клеток — «направительные тельца» — происходит от существовавшего ранее ошибочного представления, будто они направляют движение сперматозоида при его проникновении в яйцо во время оплодотворения. Для полярных телец характерно присутствие половинного набора генетического материала и практически полное отсутствие цитоплазмы. Это тельце, как правило, остается расположенным рядом с ооцитом. Первое деление созревания и второе деление созревания до стадии метафазы женские половые клетки подавляющего большинства млекопитающих проходят в яичнике. На стадии метафазы второго деления мейоза ооцит 2-го порядка овулирует и заканчивает второе мейотическое деление в яйцеводе в результате контакта со спермиями. Если контакта со спермиями не происходит, то ооцит 2-го порядка не завершает мейоз и погибает. В результате завершения второго мейотического деления также происходит выделение второго полярного тельца. На практике визуализация второго полярного тельца может служить признаком успешного оплодотворения. Первое полярное тельце иногда также делится на две клетки.

Таким образом, период созревания оогенеза заключается, как и при сперматогенезе, в двух последовательных делениях ооцита, приводящих к образованию четырех клеток с гаплоидным числом хромосом. Однако в отличие от сперматогенеза эти деления резко неравномерны. Неравномерность делений созревания при оогенезе объясняется биологической целесообразностью максимального снабжения цитоплазмой и желтком одной из четырех клеток, получающихся при делениях созревания ооцита.

В сперматогенезе в результате мейоза из одной исходной сперматогонии образуются четыре равноценные половые клетки — сперматиды, которые в результате последнего этапа сперматогенеза — фазы формирования — превращаются в зрелые сперматозоиды.