Происхождение первичных половых клеток

Общая эмбриология

Эмбриология - наука о закладке, образовании и развитии клеток, тканей, систем и организма в целом. Слово «эмбриология» произошло от греческих слов em brio – в оболочках. Этим древние ученые хотели сказать, что эмбриология исследует те стадии развития организма, которые проходят до выхода организма из яйцевых оболочек. Следовательно, эмбриология первоначально рассматривалась как наука о зародышах.

Начало изучению зародышевого состояния положил Аристотель, работы которого позволили перейти от суеверий и домыслов к наблюдению. Ежедневно вскрывая куриные яйца на протяжении 3-недельного периода инкубации, он наблюдал, как небольшое скопление клеток постепенно превращается в сложный организм птицы. Однако в средние века идеи и наблюдения мыслителей древней Греции и древнего Рима были забыты, а преобладали в естествознании фанатизм и авторитаризм. Кроме этого низкий уровень развития науки и техники также не позволял более де­тально изучать процессы развития на ранних этапах эмбриогенеза.

Лишь в 17 веке, когда появились первые микроскопы, стало возможным более эффективное изучение ранних стадий развития клеток и организма. Впервые мужские половые клетки в 1677 году рассмотрели Хэм и Левенгук, а за 5 лет до этого де Грааф в 1672 году описал фолликулы в яичнике. Эти от­крытия привели к образованию особого филосовского течения - преформизма. Согласно этой теории считалось, что в гаметах уже заложен микроскопический индивидуум. Однако среди них имелись противоречия. Одни считали, что этот организм заложен в сперматозоиде (анималькулисты), а роль яйцеклетки вто­ростепенна, другие (овисты) считали наоборот.

Абсурдность этой теории в первую очередь заключалась в том, что каж­дый миниатюрный организм в свою очередь должен был бы содержать орга­низмы последующих поколений (условно от Адама и Евы). Эта теория просу­ществовала до тех пор, пока Л.Спаланцани (1740) впервые с помощью эксперименталь­ных методов в эмбриологии доказал, что для запуска процесса развития необ­ходимы в равной мере как женские, так и мужские половые клетки.

Важным толчком в развитии эмбриологии послужили работы Каспара Вольфа, который в 1759 году выдвинул новую концепцию развития, названную теорией эпигенеза. Согласно этой теории процесс развития происходит пу­тем прогрессивного роста и дифференцировки, что приводит к образованию новых форм систем и органов при развитии организма.

Однако отцом эмбриологии часто называют Карла фон Бэра, который в своей работе в 1828 году сформулировал закон Бэра или закон зародышевого сходства. В нем говорится о том, что «более общие основные черты, ха­рактерные для любой крупной группы животных, появляются в процессе раз­вития раньше, чем специфические черты, свойственные разным членам данной группы». Таким образом, К.Бэр продемонстрировал единство общего плана строения зародышей различных классов позвоночных. К.Бэр заложил основы представлений о зародышевых листках, од­нако, их истинное значение было установлено лишь с провозглашением в 1839 году М.Шлейденом и Т.Шванном клеточной теории.

Именно в это время были заложены основы современной эмбриологии. С этого момента оформляется основная концепция эмбриологии, согласно ко­торой организм любой новой особи развивается из одной клетки, образую­щейся в результате объединения отцовской и материнской половых клеток. Этой образующейся клеткой является новый организм, называемый зигота (от греческого Zigotos - спаренная). Процесс слияния половых клеток получил на­звание - оплодотворение, а сами половые клетки называются - гаметы (от гре­ческого Gamos - брак). С момента оплодотворения начинается процесс инди­видуального развития организма - онтогенез, который продолжается всю жизнь индивидуума и состоит из двух основных этапов - эмбриогенез и постнаталь­ный период.

Изучение истории индивидуального развития свидетельствует о тех из­менениях, через которые прошли наши предки в процессе эволюции т.е. в про­цессе исторического развития - филогенеза. С этого времени начинается ещё один важный этап в биологии, связанный с появлением теории Ч.Дарвина (1859) о происхождения видов и возникновение эволюционной эмбриологии. Ч.Дарвин предлагал в качестве гипотезы эволюционное обоснование данных сравнительных исследований К.Бэра о зародышевом сходстве.

На основании этой гипотезы Ф.Мюллер (1864) и Э.Геккель (1868) сформулировали биогенетический закон, в основу которого была положена концепция о рекапитуляции (recapitulatio - краткое повторение ска­занного). Суть этого закона сводиться к тому, что «животное в процессе индивидуального развития проходит через ряд последовательных стадий, ана­логичных тем, через которые прошел в процессе эволюционного развития дан­ный вид» т.е. онтогенез есть краткое повторение филогенеза.

Примеры рекапитуляции:

1. Все многоклеточные организмы развиваются (при половом размно­жении) из одной яйцеклетки, оплодотворенной спермием;

2. При эмбриональном развитии большинства живых организмов обра­зуются зародышевые листки;

3. У всех позвоночных лишь в эмбриональном развитии формируется хорда, хотя у их предков она сохранялась на всю жизнь.

Большой вклад в развитие эволюционной эмбриологии внесли русские ученые А.О Ковалевкий (1880) и И.И.Мечников (1886), подробно изучившие онтогенез низших позвоночных (ланцетника) и некоторых беспозвоночных. Эти работы указывали на возможность переходов между различными типами развития и укрепляли тем самым эволюционные представления.

В дальнейшем (в XX столетии) А.Н.Северцов дополнил биогенетический закон сведениями о том, что на онтогенез влияют факторы окружающей среды и условия существования, которые, в свою очередь, определяют направ­ление эволюции изменяющегося вида в данную эпоху. Этот закон получил на­звание теории филэмбриогенеза.

Таким образом, несмотря на то, что процессы развития, происходящие до рождения, интересовали человечество с самых древних времен (ещё до появ­ления письменности), эмбриология превратилась в науку лишь с момента осу­ществления нескольких важнейших открытий:

1. Создание микроскопа и открытие половых клеток (Де Грааф, 1672; Хэм и А.Левенгук, 1677);

2. Разработка и внедрение экспериментального метода в эмбриологии (Л.Спаланцани, 1740);

3. Создание клеточной теории (М.Шлейден и Т.Шван, 1839);

4. Создание теории происхождения видов (Ч.Дарвин, 1859).

В настоящее время эмбриология является частью общего направления, называемого «Биология развития». Это обширная дисциплина, в которую вхо­дит не только изучение развития зародыша, но также изучение постнатальных процессов таких, как нормальный и злокачественный рост, метаморфоз, реге­нерация и заживление тканей, а также другие направления, исследуемые на всех уров­нях: от молекулярного до организменного.

Размножение. Происхождение и строение половых клеток.

Способность к размножению т.е. производить новое поколение особей того же вида - одна из важнейших особенностей живых организмов. В про­цессе размножения происходит передача генетического материала от родитель­ского поколения следующему, что обеспечивает воспроизведение признаков не только данного вида, но и конкретных родительских особей. В свою очередь, каждая новая особь, прежде чем достигнет стадии, на которой она способна бу­дет к размножению, должна пройти ряд стадий роста и развития в своем он­то­генезе.

К основным механизмам развития относится в первую очередь способ­ность исходной клетки (зиготы) к внутриклеточному синтезу и его регуляции. Этот процесс запускается и обеспечивается активацией определенных групп генов на каждом конкретном этапе онтогенеза. Кроме этого механизма в ходе развития большое значение имеет деление клеток с их последующей рестрик­цией, детерминацией и дифференцировкой.

Большинству многоклеточных организмов свойственно половое раз­множение, при котором женская половая клетка (яйцеклетка) соединяется с мужской половой клеткой (сперматозоид) и при этом образуется новый одно­клеточный организм - зигота. Однако и при половом размножении существуют некоторые его модификации, при которых женская половая клетка может раз­виваться в новую особь и без оплодотворения её мужской половой клеткой - партеногенез. Этот вид размножения встречается у многих насекомых, низших ракообразных и моллюсков.

При бесполом размножении специализированные половые клетки - га­меты не образуются, а начало новому организму дают соматические клетки.

При половом размножении наблюдается циклическое чередование образующихся гап­лоидных поколений клеток (т.е. имеющих одиночный набор хромосом-1n) с диплоидными поколениями клеток (т.е. имеющих двойной набор хромосом-2n). В результате слияния гаплоидных гамет образуется диплоидная зигота и при этом происходит смешивание геномов двух разных особей данного вида. Образующиеся организмы обычно генетически отличаются друг от друга, а также и от обоих родителей.

Следовательно, половое размножение приводит к генетическому разно­образию, которое способствует образованию организмов, наиболее устойчи­вых к существованию в условиях непредсказуемой изменчивости окружающей среды. При половом размножении в каждом формирующемся организме новые гаплоидные клетки (гаметы) образуются из диплоидных предшественников (гаметобластов) в результате особого клеточного деления - мейоза, при кото­ром гены диплоидного набора заново перераспределяются между гаплоидными наборами. При этом происходит особый процесс - рекомбинация генов, после которого каждая клетка нового гаплоидного поколения получает совершенно но­вое сочетание генов.

Таким образом, при половом размножении происходит постоянное чередование циклов, включающих следующие фазы:

1. Гаплоидную фазу (зрелые га­меты);

2. Слияние гаплоидных клеток (оплодотворение);

3. Диплоидную фазу (зигота - новый организм);

4. Мейоз (образование гаплоидных гамет в новом организме из диплоидных предшественников).

При таком чередовании происходит распад старых генетических комбинаций и создание новых. Это явление обеспечивает половому размножению значитель­ные преимущества перед бесполым размножением.

МЕЙОЗ

Мейоз (от греческого meiosis - уменьшение) - особая форма деления кле­ток, сопровождающаяся уменьшением числа хромосом с диплоидного до гап­лоидного. При этом в родительской клетке происходит однократное удвоение хромосом (редупликация ДНК, как при митозе), за которым следует два цикла клеточных и ядерных делений (1 и 2 деления мейоза), что приводит к образова­нию четырех гаплоидных клеток из одной диплоидной.

Важнейшее биологическое значение мейоза заключается в следующем:

1. При оплодотворении, ядра двух гамет сливаются и в образующейся зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом. Если бы не было мейоза, слияние гамет приводило бы к удвоению числа хромосом в каждом новом поколении, полученном половым путем и образованию полиплоидных организмов.

2. Мейоз создает возможности для возникновения в гаметах новых генных комбинаций, которые ведут к изменениям в генотипе и фенотипе потомства, т.е. обеспечивает генетическую изменчивость.

Как известно, клетки-предшественницы гамет - гаметобласты (овогонии, сперматогонии), так же как и другие соматические клетки – диплоидны и содержат в своем ядре по две копии каждой хромосомы (за исключением половой хромосомы). Одна из этих двух копий происходит от мужского родителя, другая - женского. Эти две копии называются гомологами (гомологичными хромосомами). Перед обычным митозом каждый гомолог удваивается и образуются две сестринские хрома­тиды, которые затем в анафазе отделяются и расходятся к полюсам. Образующиеся дочерние клетки, тем самым, на­следуют по одной копии каждой гомологичной хромосомы.

Гаметы же должны содержать лишь по одной гомологичной хромосоме от каждой пары. В связи с этим, гомологи при мейозе должны узнавать друг друга и соединятся в пары, только затем эти пары будут выстраиваться по эква­тору клетки.

Такое спаривание (конъюгация) гомологичных хромосом, часто называемых d-хромосомами, происходит только в мейозе. Спаренные гомологи, называемые бивалентами, в метафазе 1 располагаются на экваторе веретена. В анафазе первого деления гомологи расходятся к противоположным полюсам, причем в каждом гомологе сестринские хроматиды (s-хромосомы) остаются ещё соеди­ненными.

Таким образом, при первом делении мейоза каждая дочерняя клетка наследует по две копии (s-хромосомы) одной из двух гомологичных хромосом (d-хромосом) и поэтому содержит еще ди­плоидное количество ДНК. Однако она уже отличается от исходной диплоидной клетки следующим:

1. Обе копии ДНК каждой хромосомы происходят лишь от одной из двух гомологичных хромосом.

2. Эти две копии находятся в клетке в виде тесно связанных сестринских хроматид (s-хромосом) в составе единой хромосомы (d-хромосома).

Образование гаплоидных ядер гамет происходит в результате второго деления мейоза. При этом хромосомы выстраиваются на экваторе нового вере­тена и без дальнейшей репликации ДНК сестринские хроматиды отде­ляются друг от друга, образуя клетки с гаплоидным набором ДНК.

Важным и уникальным процессом при мейозе является пересортировка генов. Первый вид пересортировки - результат случайного распределения раз­ных материнских и отцовских гомологов между дочерними клетками при пер­вом делении мейоза. При этом каждая гамета получает свою, совершенно не похожую на другие, комбинацию материнских и отцовских хромосом. При такой пересорти­ровке клетки любой особи могут образовать 2ⁿ количество генети­чески различающихся гамет (где n - гаплоидное число хромосом данного вида). Например: у человека каждый индивидуум способен образовать по меньшей мере 2²³ = 8,4 х 10⁶ генетически различных гамет. Однако на самом деле число возможных гамет неизмеримо больше, вследствие наличия второго вида пересортировки генов.

Второй вид генетической рекомбинации осуществляется за счет осо­бого процесса - кроссинговера (перекреста), происходящего в пахитене профазы 1 деле­ния мейоза. При этом происходит разрыв двойной спирали ДНК в одной материнской и отцовской хроматиде (s-хромосомы) в составе бивалента (тетрады) с после­дующим обменом этими участками. Место, где происходит разрыв ДНК и осуществляется кроссинговер, называется хиазмой. Количество их может быть различным. У человека, например, в каждой паре гомологичных хромосом кроссинговер происходит в среднем в двух-трех хиазмах. При этом каждая их двух хроматид одной хромосомы может обмениваться участками с любой хроматидой другой хромосомы.

Процесс конъюгации гомологов и осуществление кроссинговера происходит при помощи особого синаптонемального комплекса, представляю­щего собой длинную белковую структуру, которая удерживает гомологичные хромосомы рядом, скрепляя их по всей длине. Этот комплекс образуется лишь в пахитену профазы первого деления мейоза. Однако конкретные и точные места для кроссинговера в конъюганте определяют особые рекомбинационные узелки. Они входят в состав синапто­немального комплекса и представляют собой сферические, эллипсоидные или стержневые белковые элементы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Предполагается, что они представляют собой крупные мультифер­ментные тельца, которые подтягивают друг к другу локальные участки ДНК материнской и отцовской хроматид в составе тетрады. Этому также способствует образование особых белковых нитей, расположенных на контактирующих поверхностях гомологичных хромосом. Эти продольные белковые нити приобретают определенные локальные свойства и обеспечивают точное спаривание соответствующих участков гомологичных хромосом в зиготене профазы 1 мейоза. По мере осуществления конъюгации эти нити сближаясь, превращаются в боковые элементы синаптонемального комплекса и образуют две стороны своеобразной белковой «лестницы». Клетки могут находится в профазе первого деления мейоза очень длительное время (от нескольких дней до нескольких лет) в зависимости от вида орга­низма и типа образующихся гамет.

После окончания первого деления мейоза у двух дочерних ядер вновь обра­зуются оболочки и происходит короткая интерфаза. В это время хромосомы частично деспирализуются,, однако, затем очень быстро вновь конденсируются и начинается профаза второго деления мейоза. Все остальные стадии второго деления мейоза протекают так же как и при митозе. Единственным отличием является то, что образующиеся клетки имеют гаплоидный набор s - хромосом, представленного одной копией каждого гомо­лога, а не двумя, как при митозе.

Мейоз заканчивается формированием ядерных оболочек вокруг 4-х гаплоидных ядер, образовавшихся в телофазе 2 деления. Однако степень развития мужских и женских гамет к концу мейоза различна. Если яйцеклетка к этому времени уже почти полностью сформиро­вана, то спермии продолжают свое развитие.

ПОЛОВЫЕ КЛЕТКИ - ГАМЕТЫ

Происхождение первичных половых клеток.

Все современные многоклеточные организмы в ходе своего развития разделяются на генеративную часть (половые клетки) и соматическую часть, из которой развиваются все остальные органы. Подобное разделение является важнейшим эволюционным событием, которое и обусловило переход от одно - к многоклеточности и сделало возможным сам процесс онтогенеза, сводящийся главным образом к прогрессивному усложнению и специализации соматической части организма.

У развивающихся эмбрионов всех позвоночных и человека на ранней стадии эмбриогенеза первичные половые клетки - гаметобласты мигрируют в развивающиеся гонады (семенники и яичники) и обособляются как предшест­венники будущих гамет. Здесь они проходят следующие стадии своего развития – гаметогенеза (оогенез в женских и сперматогенез в мужских гонадах): размножение (путем митоза); рост; созревание (путем мейоза); формирование (для мужских гамет).

У зародышей амниот (птицы, рептилии и млекопитающие) на ранних стадиях развития первичные половые клетки обнаруживаются в составе внезародышевой энтодермы стенки желточного мешка Затем эти клетки, приобретая способность к амебоидному движению, мигрируют в зачатки гонад, где и происходит их дальнейшее развитие. Первичные половые клетки способны двигаться самостоятельно по ориентированным фибриллярным компонентам внеклеточного матрикса. Значительную часть пути они проходят пассивно с током крови по эмбриональным кровеносным сосудам, но поблизости от места своего назначения они движутся активно, проникают через стенку зачатка гонад и локализуются в их кортикальном слое. На этом этапе своего движения их миграция стимулируется хемотаксисом, т.е. по градиенту концентрации определенных химических веществ, выделяемых зачатками гонад. В процессе миграции некоторые первичные половые клетки иногда не достигают пункта назначения т.е. гонад и, как правило, погибают, но некоторые из них, оказавшись не на своем месте, перерождаются и дают начало необычным опухолям – тератомам, в которых обнаруживаются участки, содержащие компоненты высокодифференцированных тканей; иногда в них можно встретить даже волосы или зубы. Количество первичных половых клеток в ходе миграции их к гонадам постепенно увеличивается. Однако более интенсивное увеличение числа гаметобластов происходит в результате активной пролиферации после проникновения их в гонады и соответствует первому этапу развития – стадия размножения. Митотически делящиеся женские гаметобласты называются оогониями, а мужские гаметобласты – сперматогониями. Однако характер митотической активности этих клеток в мужских и женских гонадах существенно различается, как и отличаются образующиеся половые клетки.