Лекция 30: Основы эмбриогенеза человека.
1. Прогенез. Особенности сперматогенеза и овогенеза. Отличия половых клеток от соматических клеток.
2. Характеристика яйцеклетки человека.
3. Периоды эмбриогенеза человека:
а) оплодотворение;
б)характеристика дробления зародыша и бластулы человека;
в) гаструляция у зародыша человека;
г) гистогенез, органогенез и системагенез.
Эмбриогенезу человека предшествует прогенез– процессы развития половых клеток, т.е., овогенез и сперматогенез. Первые 3 стадииразвития половых клеток схожи и в тоже время имеют различия:
I – стадия размножения: происходит размножение стволовых половых клеток путем деления митозом малодифференцированных половых клеток (светлые сперматогонии типа А и овогонии). Стадия размножения у лиц женского пола протекает еще в эмбриональном периоде, у лиц мужского пола – после полового созревания.
II – стадия роста: происходит увеличение размеров половых клеток и подготовка к мейозу (происходит в стадии созревания) – синтез ДНК и перекомбинация генов в гомологичных хромосомах при кроссенговере. У лиц мужского пола происходит после полового созревания и при этом сперматогонии превращаются в сперматоциты I порядка, у лиц женского пола эта стадия протекает в 2 периода:“период малого роста” – в эмбриональном периоде происходит незначительное увеличение размеров половой клетки, синтез ДНК и перекомбинация генов в гомологичных хромосомах при кроссенговере, “период большого роста” – после полового созревания, при этом овоцит I порядка почти в 2 раза увеличивается в размерах, приобретает вторичную оболочку, накапливает желток (трофические включения).
III– стадия созревания: происходит мейоз (2 быстро следующих друг за другом деления половых клеток без удвоения хромосом), в результате образуются половые клетки с уже с гаплоидным набором хромосом. У мужчин стадия созревания происходит после полового созревания, а у лиц женского пола – начинается еще в эмбриональном периоде и завершается после полового созревания. У мужчин в стадии созревания из одного сперматоцита I порядка образуется 4 сперматида; у женщин первое деление начинается еще в эмбриональном периоде, но остается незавершенным, продолжается и заканчивается после полового созревания и из одного овоцита I порядка образуетсяодин овоцит II порядка и первое редукционное (направительное) тельце, а после второго деления – одна яйцеклетка и второе редукционное тельце. Первое редукционное тельце также может поделиться, поэтому в результате стадии созревания у женщин из одного овоцита I порядка образуется 1 яйцеклетка и 3 (или 2) редукционные тельца.
IV – стадия формированияимеет место только при сперматогенезе, при этом сперматидыизбавляются от излишнего количества цитоплазмы, покрываютсягликокаликсом, приобретают характерный для них структуру (морфологию), т.е. превращаются в сперматозоиды.
В результате гаметогенеза образуются мужские женские половые клетки, которые отличаются от соматических клеток по следующим признакам:
1. Набор хромосом: соматические клетки имеют диплоидный, половые клетки – гаплоидный набор хромосом.
2. Половые клетки имеют специальные приспособления для выполнения своих специфических функций:
а) сперматозоиды – акрасому (видоизмененный пластинчатый комплекс) для проникновения через оболочки яйцеклетки и двигательный аппарат (хвостик, центриоли и митохондрии);
б) яйцеклетки – I и II оболочки, желток (трофические включения).
3. Ядерно-цитоплазматическое отношение половых клеток резко отличается от соматических: в яйцеклетке – очень низкое (резко преобладает масса цитоплазмы), в сперматазоидах – очень высокое (преобладает масса ядра).
4. Жизненный цикл у половых сложный и многостадийный.
5. Биологическое назначение: из соматических клеток могут образоваться только подобные клетки, а из половых клеток – целый новый организм.
Яйцеклетка человека имеет диаметр около 130 мкм, окружена первичной (оолемма или собственная оболочка ) и вторичной (блестящая или прозрачная зона = Zonapollucida= Zp) оболочками и слоем фолликулярных клеток. Блестящая зона состоит из гликопротеинов Zp1, Zp2 и Zp3 (является специфическим рецептором для сперматозоидов) и гликозаминогликанов. Ядро содержит гаплоидный набор хромосом и хорошо выраженное ядрышко. В цитоплазме имеются гранулярный ЭПС, комплекс Гольджи, умеренное количество митохондрий, гранулы желтка (трофические включения), сразу под цитолеммой – кортикальные гранулы (гранулы диаметром около 1мкм, окружены элементарной мембраной, содержат ферменты для кортикальной реакции).В яйцеклетки человека желтка мало, желток распределяется по цитоплазме равномерно, т.е. яйцеклетка олиголецитальная и изолецитальная.
Процессвнутриутробного развития у человека длится в среднем 280 суток (10 лунных месяцев) и делится на 3 периода:
1. Начльный период (1-ая неделя).
2. Зародышевый период (2-8 недели).
3. Плодный период (с 9-й неделидо рождения).
Эмбриогенез включает в себя процессы с момента оплодотворения до рождения и включает следующие стадии:
1. Оплодотворение(фертилизация), в результате которого образуется одноклеточный зародыш - зигота.
2. Дробление зародыша с образованием бластулы (начинается в конце 1-х суток после оплодотворения, заканчиватся в 7-е сутки).
3. Гаструляция – образование 3-х листкового зародыша (происходит 7-17 сутки).
4. Гистогенез, органогенез и ситемагенез – дифференцировка зародышевых листков в ткани органов, образование из органов систем органов.
Оплодотворение –это сближение и слияние половых клеток с образованием одноклеточного зародыша – зиготы. У человека оплодотворение внутреннее, т.е. происходит в женских половых путях. В процессе оплодотворения выделяют:
1. Дистантное взаимодействие и сближение половых клеток.
2. Контактное взаимодействие половых клеток и активизацияяйцеклетки.
3. Вхождение сперматазоида в в яйцеклеткуи последующай синкарион(сингамия)– слияние женского и мужского пронуклеусов.
Дистантное взаимодействие (взаимодействие на расстоянии) половых клеток начинается с момента попадания сперматозоидов в женские половые пути, т.е. когда сперматозоиды находятся еще во влагалище: женские половые клетки выделяют специфические вещества – гемогомоны, которые вызывают хемотаксис сперматозоидов – свойство сперматозоидов двигаться против градиента концентрации (туда, где выше концентрация) гемогомонов. Хемотаксис сперматозоидов обуславливает их направленное движение к яйцеклетке. Продвижению сперматозоидов к яйцеклетке способствует также реотаксис сперматозоидов – свойство сперматозоидов всегда двигаться против тока жидкости (слизь в женских половых путях течет по направлению:маточные трубы ® матка® влагалище).
Сперматозоиды двигаются со скоростью 30-50 мкм/сек. Поэтому уже через 30-60 минут могут попадать в полость матки, а через 1,5-2 часа – ампулярной частиматочной трубы. Сразу после эякуляции и в ближайшие часы сперматозоиды еще не способны оплодотворить яйцеклетку, для этого должна произойти капацитация сперматозоида – приобретение способности к оплодотворению под воздействием секретов женских половых путей. Для капацитации сперматозоидов в среднем требуется 7 часов.
Контактное взаимодействие половых клеток и проникновение сперматозоида в яйцеклетку.Многочисленные сперматозоиды окружают яйцеклетку ивыделяют ферменты, под воздействием которых от яйцеклетки отсоединяются фолликулярные клетки. Сперматозоидысинхронным биением жгутиковвращают яйцеклетку со скоростью 4 оборота в минуту (в течении до 12 часов !). При помощи специфических (строго комплементарных для каждого вида)рецепторов сперматозоид (фермент гликозилтрансфераза на повнерхности акросомы) и яйцеклетка (сахар N-ацетилглюкозаминв составе Zp3 фракции гликопротеинов блестящей зоны) “узнают” друг друга – т.е. происходит контакт, в результате у сперматозоида просходит акрасомальная реакция – выделение и воздействие на оболочки яйцеклетки ферментов акросомы (гиалуронидаза и трипсин) и головка сперматозоидапроникает через блестящую зону и оолемму в цитоплазму яйцеклетки. У человека в яйцеклетку проникает только один сперматозоид – моноспермия. Проникновению других сперматозоидов (полиспермия) препятствует наступающая через несколько секунд кортикальная реакция – мембраны кортикальных гранул яйцеклетки сливаются с оолеммой и содержимое гранул воздействует на блестящщую зону (II оболочку яйцеклетки); в результате этого блестящая оболочка утрачиваетспособность осуществлять специфический контакт со сперматозоидами и запускать у них акрасомальную реакцию, уплотняется и превращается в оболочку оплодотворения, непроницаемую для остальных сперматозоидов.
Синкарион. После проникновения в яйцеклетку ядро сперматозоида увеличивается в размерах, хроматин десперализуется. Далее ядра яйцеклетки и сперматозоида (пронуклеусы) сближаются и сливаются (синкарион), а из клеточного цетра сперматозоида начинает формироваться веретено деления – в результате образуется зигота, т.е. одноклеточный зародыш. В зиготе начинается интенсивный синтез белка – яйцеклетка активизируется, начинает готовится к следующей стадии эмбриогенезе – дроблению. Для активизации яйцеклетки проникновение в нее сперматозоида необязательно, достаточно кратковременного контакта между поверхностью яйцеклетки и сперматозоида. Яйцеклетку можно активизировать с помощью множества неспецифических химических и физических факторов (например укол иглы). Развитие яйцеклетки активацией без сперматозоида называется партеногенезом (пример: у некоторых насекомых, у пчел).
В настоящее время разработаныметоды оплодотворения яйцеклеток млекопитающих и человека invitro – в пробирке, с последующей пересадкой в матку. Благодаря этой методике бесплодные женщины получили возможность рожать нормальных детей.
Дробление – это деление зародыша, но это деление несколько отличается от обычного деления митозом: при дроблении отсутствует пресинтетическая фаза G1, поэтому дочерние клетки (бластомеры) после митоза не синтезируют белки и не растут – с каждым делением размеры образовавшихся бластомеров становится все меньше и меньше (отсюда и название “дробление”). В результате дробления восстанавливается нормальное ядерно-цитоплазматическое отношение (у оплодотворенной яйцеклетки оно очень низкое) и образуется бластула. Тип дробления зависит от количества и распределения желтка в яйцеклетке.Олиголецитальная изолецитальнаяяйцеклетка человека дробится по типу: полное неравномерное асинхронное. Полное = в дроблении участвуют все участки оплодотворенной яйцеклетки;неравномерное = образовавшиеся бластомеры не одинаковые, не равные:одни крупные и темные, располагаются в центре зародыша – их совокупность называется эмбриобластом = будущее тело, другие мелкие и светлые, окружают снаружи бластомеры эмбриобласта – их совокупность называется трофобластом = участвует при формировании плаценты; асинхронное = количество бластомеров увеличивается не погеометрической прогреции (2® 4® 8 и т.д., т.е. кратное увеличение числа блатомеров). В то же время следует отметить, что первые бластомеры (по крайней мере до 8 первых бластомеров) потенциально не различаются. Доказательствомэтого утверждения является образование однояйцевых (идентичных) близнецов. Однояйцевые близнецы образуются из одной яйцеклетки в случае, когда по каким-то причинам на стадии 2-х или 3-х бластомерного зародышапроисходит их разделение и из каждого бластомера развиваетсясамостоятельный отдельный организм. С другой стороны, если в эксперименте взять двухбластомерного зародыша и разрушить один бластомер, то из второго бластомера может развиться вполне нормальный организм. Или еще: если взять двух эмбрионов на стадии до 8-бластомерного этапа и их объединить в одну морулу, то можно получить новый организм, наследующий признаки не 2-х а 4-х родителей – такие экспериментально полученные животные называются химерами. Этими экспериментами было доказано, что бластомеры ранних стадий дробления (вплоть до 8-клеточной стадии)практически идентичны и обладают неограниченными потенциями. С помощью метода химер было доказано, что какие бластомеры дадут трофобласт, а какие – эмбриобласт зависит не от особенностей самих бластомеров, а лишь от места, какое они случайно заняли в моруле. Бластомеры расположенные снаружи морулы подвергаются воздействию одних условий, внутренние бластомеры оказываются в других условиях, что и определяет направление их дальнейшей дифференцировки.
Дробление зиготы человека начинается в конце 1-х суток после оплодотворения в дистальной части маточной трубы и заканчивается в 7-е сутки в полости матки. На 2-3-и сутки зародышнаходится в маточных трубах и имеет вид плотного узелка - морулы, в центральной части которого находятся крупные темные бластомеры - эмбриобласт, а по периферии –мелкие светлые бластомеры = трофобласт. В 4-е сутки бластула находится в проксимальной части маточной трубы, т.е вплотную подходит к полости матки и имеет вид пузырька. Бластомеры трофобласта всасывают секрет маточной трубы и сами секретируют жидкость, поэтому трофобласт растягивается и превращается в пузырек, заполненный жидкостью, а эмбриобласт прикрепляется на одном полюсе к трофобласту снутри. Такая бластула называется эпибластулой(или синонимы:бластоциста, стерробластула). На 5-е сутки бластоциста попадает в полость матки и остается там до 7-х суток, за это время несколько увеличивается в размерах (100 и более бластомеров).
Гаструляция – это сложный процесс, где в результатеразмножения, роста, дифференцировки и направленного перемещения клеток образуется 3-х листковый зародыш. Гаструляция происходит 7-17 сутки и осуществляется путем деламинацииили расщипления (7-14 сутки) и иммиграции или выселения (14-17 сутки).
В 7-е сутки эмбриобласт расщепляется на 2 слоя:верхний слой – эпибласт или первичная эктодерма(содержит материал будущей эктодермы, мезодермы, хорды и части энтодермы) и нижний слой – гипобласт (будущая энтодерма после присоединенияклеточного материала прехордальной пластинки из эпибласта). Почти одновременно с этим происходит выселение клеток из эпи- и гипобласта – внезародышевая мезенхима, которая выстилает внутреннюю поверхность трофобласта. Далее в течение 2-й недели эпибласт и гипобласт начинают прогибаться в противоположных направлениях и превращаются в пузырьки: из эпибласта образуется амниотический пузырек, из гипобласта – желточный пузырек. Эти 2 пузырька окружаются внезародышевой мезенхимой. Соприкасающиеся поверхности амниотического и желточного пузырькаимеют вид диска (или щитка) и соответственно называются зародышевым эпибластом и зародышевым гипобластом, а вместе – зародышевым щитком. Остальные участки амниотического и желточного пузырька называются внезародышевым эпи- и гипобластом.
В начале 3-й недели (14-17 сутки) происходит иммиграция (выселение) клеток из эпибласта, причем это происходит в 2 фазы: в I фазе идет подготовка к выселению – клеточный материал подлежащий иммиграции перемещается (медленно двигающиеся клетки: с будущего краниального конца к каудальному концу по центру эпибласта, а быстродвигающиеся клетки: вначале тоже с краниального полюса к каудальному полюсу, но по краю эпибласта, а затем поворачиваются и идут по центру эпибласта к краниальному концу) и собирается вместе и образует на поверхности эпибласта 3 структуры: прехордальную пластинку, I узелок и I полоску;II фаза – собственно выселение материала этих 3- структур.I узелок выселяется и между имеющимися двумя листками образует первый осевой орган – хорду.Материал прехордальной пластинки выселяется и присоединяется к гипобласту, с этого момента нижний листок будет называться энтодермой.
Клетки I полоски выселяется, занимает положение между двумя имеющимися листками и образует средний листок – мезодерму.Оставшаяся часть эпибласта после выселения клеток 3-х структур будет называться эктодермой.
В следующей стадии начинается дифференцировка зародышевых листков в ткани (гистогенез) органов (органогенез) и формирование из органов систем органов (системогенез). При этом следует выделит 20-21 сутки эмбриогенеза – в эти сроки происходят следующие важные процессы:
1. Из всех трех зародышевых листков, но преимущественно из мезодермы, выселяются клетки, заполняют пространства между тремя зародышевыми листками, т.е. формируется зародышевая мезенхима.
2. Мезодерма дифференцируется на составные части (томы) – сомиты, сегментные ножки и спланхнотомы.
3. Трехлистковый плоский зародыш сворачивается “в трубку” – формируется туловище (энтодерма сворачиваясь в трубку превращается в I кишку, окруженную слоем мезенхимы и спланхнатомами; эктодерма покрывает туловище снаружи).
4. При сворачивании зародыша“ в трубку” внезародышевые части организма обособляются от тела зародыша и формируютсяпровизорные органы – желточный мешок, амниотическая оболочка.
Материал зародышевых листков дифференцируется вткани, органы и системы органов ( более подробно о развитии конкретных органов и систем смотри в лекциях по частной гистологии):
I. Эктодерма:
- нервная ткань органов нервной системы;
- эпидермис кожи и его производные (сальные, потовые, молочные железы, ногти, волосы);
- эпителий роговицы и хрусталик глаза, эпителий преддверья ротовой полости и анального отдела прямой кишки;
II. Мезодерма:
- дерматомы ®дерма кожи;
- миотомы ® скелетная мускулатура;
- склеротомы ® осевой скелет (кости и хрящи позвоночного столба;
- сегментные ножки (нефрогонотомы) ®эпителий мочеполовой системы;
- спланхнатомы ® мезотелий серозных покровов (брюшины, плевры и околосердечной сумки), эпителий гонад (клетки Сертоли яичка и фолликулярные клетки яичников), корковая часть надпочечников, миокард и эпикард;
III. Энтодерма:
- эпителий и железы (включая печень и поджелудочную железу) пищеварительной и дыхательной системы;
IV. Мезенхима:
- ткани внутренней среды (кровь и лимфа, все виды волокнистых соединительных тканей – рыхлая волокнистая соединительная ткань, плотная волокнистая оформленная и неоформленная волокнистая соединительные ткани, соединительные ткани со специальными свойствами,костные и хрящевые ткани) и гладкая мышечная ткань.