Мейоз как основа полового размножения и комбинативной изменчивости
Каждая соматическая клетка человека содержит 46 хромосом, образующих 23 пары, в каждой из которых одна хромосома материнского происхождения (из яйцеклетки), а другого отцовского (из сперматозоида). Каждая клетка организма несёт, таким образом, двойной набор из 23 S-хромосом, одинаковых по форме и по типу исчерченности (за исключением половых хромосом X и Y в клетках лиц мужского пола). Следовательно, соматические клетки содержат диплоидное число хромосом (диплос- двойной). Половые же клетки содержат по одной хромосоме из каждой пары - гаплоидный (единичный) набор(n).
В процессе эволюции появился механизм уменьшения числа хромосом, специальное редукционное деление- мейоз. Этот процесс состоит из двух следующих друг за другом деления ядра- мейоза I и мейоза II. При мейозе кроме редукции хромосом происходит ещё ряд процессов, отличающих этот тип деления от митоза. В первую очередь это рекомбинации генетического материала, обмен участками между гомологичными хромосомами (кроссинговер). Кроме того, для мейоза характерна активация транскрипции в профазе первого деления и отсутствия S-периода между первым и вторым делением.
Характерным для мейоза является и то, что в течение профазы происходит специальная перестройка и аранжировка хромосом в ядрах созревающих половых клеток. В связи с этим профазу I мейоза II делят на пять стадий - лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез.
В лептотену хромосомы начинают конденсироваться и становятся различными в световой микроскоп. Липтотену называют стадией тонких нитей.
В зиготену гомологичные хромосомы начинают объединяться друг с другом - конъюгировать, в результате чего образуются биваленты (тетрады хроматид). Гомологичные хромосомы находятся в стадии конъюгации длительный период: у дрозофилы- 4 суток, у человека - две недели.
В пахитене (стадия толстых нитей) между несестринскими хроматидами(принадлежащие разным хромосомам) происходит перекрёст с последующим разрывом и соединением участков ДНК разных гомологов. В результате кроссинговера хроматиды одной хромосомы в генетическом смысле не идентичны, содержат разный набор генов, свою группу сцепления.
Хромосомы каждого бивалента остаются соединёнными между собой только в местах кроссинговера (хиазмах). В метафазе I биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластину. Таким образом, если сравнивать митоз и мейоз в стадии метафазы, видно, что в экваториальной плоскости при митозе выстраиваются d- хромосомы (единичные, двухроматидные униваленты), а при мейозе I гомологичные хромосомы в виде ансамблей-бивалентов, в которых произошла рекомбинация генетической информации.
В анафазе I происходит разъединение каждого бивалента на d-хромосомы (гомологичные) и разведение их к противоположным полюсам (при митозе расходились S-хромосомы или хроматиды). Если оценивать событие разъединения и расхождения хромосом с точки зрения генетики, то выявляется следующее: по разным полюсам расходятся аллельные гены, располагающиеся в разных гомологах и распределение их совершенно случайное. Таким образом, мейоз I обеспечивает не только образование гаплоидных клеток, но и разнородных в плане генома, к чему приводит, во-первых, кроссинговер в профазе I, во-вторых, случайное расхождение хромосом в анафазе I. Число возможных комбинаций очень велико. Следовательно, редукционное деление клеток (мейоз I) обеспечивает образование генетически уникальных клеток, так как каждая клетка при этом несёт неповторимый набор генов. Всё сказанное позволяет считать, что мейоз является основой комбинативной изменчивости.
За телофазой I следует короткая интерфаза, в которой не происходит синтез ДНК (отсутствует S-период), поэтому этот промежуток жизни клеток часто называют интеркинезом. Он необходим для накопления АТФ и удвоения центриолей.
Второе мейотическое деление по морфологии и последовательности не отличается от митотического за исключением некоторых деталей: профаза II короче, чем профаза митоза, так как хромосомы в интеркинезе полностью не деспирализировались и времени на их конденсацию в профазе мейоза II надо меньше.
Следовательно, в результате двух следующих друг за другом мейозов образуется четыре дочерние клетки с гаплоидным набором хромосом и разнородной генетической информацией. В то время как в митозе образуется две дочерние клетки с прежним диплоидным набором генетически однородных хромосом.
Мейотические деления имеют место только в половых железах в процессе образования гамет - сперматогенезе и оогенезе. Клетки зачаткового эпителия в гонадах претерпевают ряд последовательных митотических и мейотических делений. Общими для того и другого гаметогенеза являются фазы размножения, роста и созревания. Для сперматогенеза ещё характерна ярко выраженная фаза формирования гамет.
При многократном митотическом делении клеток зачаткового эпителия семенных канальцев образуется большое количество сперматогоний (500 млрд.), которые переходят в зону роста, являющуюся интерфазой. Сперматогонии в этой зоне незначительно увеличиваются в размере (в 2-3 раза) и в S- периоде реплицируют ДНК, в результате образуется сперматоциты I порядка.
В зоне созревания эти клетки претерпевают два мейотических деления с образованием 4х одинаковых, равноценных сперматида из одного сперматогония. Начиная от наружного слоя канальца до его просвета, между созревающими мужскими клетками располагаются трофические клетки (клетки Сертоле), которые обеспечивают механическую опору, защиту и питание. Все питательные вещества и кислород, доставляемые к развивающимся клеткам и выделяемые в кровь отходы метаболизма проходят через клетки Сертоле. Они же секретируют и жидкость, с которой сперматозоиды проходят по семенным канальцам.
Форма мужских гамет у разных животных различная, однако, строение их однотипно. Каждый сперматозоид можно подразделить на пять отделов: акросома, головка, шейка, промежуточный отдел и жгутик (хвост). В головке сперматозоида располагается ядро, содержащее гаплоидное число хромосом. На головке располагается акросома - особая структура, ограниченная мембраной, это не что иное, как видоизменённый комплекс Гольджи с гидролитическими ферментами, необходимыми для процесса оплодотворения (гиалуронидаза и другие спермализины).
В головке сперматозоида присутствует небольшое количество цитоплазмы, так как значительная её часть была выброшена из сперматид в зоне формирования для уменьшения их массы. В шейке сперматозоида расположены две центриоли - проксимальная и дистальная. Последняя участвует в образовании осевой нити хвостового отдела, а проксимальная формирует веретено деления оплодотворённого яйца. Промежуточная (средняя) часть сперматозоида занята митохондриями, которые представляют собой компактные скопления вокруг осевой нити. Они обеспечивают энергией двигательную активность мужских половых клеток. Хвостовая часть сперматозоида имеет строение типичное для жгутиков: на поперечном разрезе 9 пар периферических микротрубочек окружают пару центральных микротрубочек.
Важнейшими биологическими свойствами сперматозоидов является их подвижность и способность к оплодотворению. Скорость движения сперматозоида составляет 3 мм/мин. При движении затрачивается большое количество энергии. Субстратом для осуществления биоэнергетических процессов служат содержащиеся в сперматозоидах и сперме фруктоза, глюкоза, молочная кислота, АТФ и ферменты.
Зрелые сперматозоиды несут отрицательный электрический заряд, что препятствует их агглютинации (в инфицированном эякуляте она возможна, что является причиной мужского бесплодия). Обнаружены факты, свидетельствующие о важной роли аутоаллергии в развитии бесплодия. Доказано, что сперматиды и особенно сперматозоиды являются антигенами для собственного организма и при нарушении особого барьера между кровью и содержимым семенных канальцев развивается аутоиммунный процесс, приводящий к неподвижности и склеиванию сперматозоидов.
В организме женщин сперматозоиды сохраняют подвижность (в слизи шейки матки) 38-48 часов. При быстром замораживании в жидком азоте (-192°) сохраняют оплодотворённую способность длительное время (есть банки).
Губительно действуют на сперматозоиды формалин, фенол, соединения ртути, марганцовокислый калий, сульфаниламиды, многие антибиотики. Убивает сперматозоиды прямой солнечный и сильный искусственный свет. К воздействию ионизирующего излучения устойчивы, активности не теряют при дозах до 100000 рад (1000Гр), но ДНК при этом значительно мутирует.
Сперматогенез контролируется гипоталамо-гипофизарной системой. Кроме того, на продукцию сперматозоидов влияют гормоны надпочечников и щитовидных желёз, семенные пузырьки и предстательная железа. Нарушения сперматогенеза могут быть обусловлены генетическими, гормональными факторами, воспалительными заболеваниями, а также лучевыми поражениями. При выявлении причин нарушений сперматогенеза необходимы: общее соматическое исследование эякулята, а часто и биопсия семенников (яичника).
Таким образом, всё строение сперматозоида направлено на то, чтобы достичь яйцеклетки и ориентироваться определённым образом для успешного с ней слияния.
В отличие от образования сперматозоидов, образование яйцеклеток начинается в эмбриональном состоянии во время развития плода, клетки зачаткового эпителия многократно делятся митозом, образуя несколько тысяч крупных оогоний, но лишь 400-500 из них овулируют в течение жизни. Зона роста в оогенезе значительно выражена, нежели в сперматогенезе, так яйцеклетки накапливают большой запас питательных веществ, увеличиваясь в размере во много раз. В организме девочек ооциты остаются в профазе первого мейотического деления до рождения (период покоя). С началом полового созревания начинается и выход ооцита - примерно раз в 28 дней. Это означает, что ооцит первого порядка может быть в стадии покоя 40-50 лет и, поэтому, вероятность хромосомных аномалий под влиянием мутагенных факторов значительно увеличивается (в этом заключается опасность поздней беременности).
С наступлением половой зрелости, под воздействием лютеинизирующего гормона гипофиза и гормона яичника- эстрогена - процесс мейоза возобновляется. В результате двух мейозов образуется одна полноценная клетка - оотида и три полярных тельца. Последние вскоре погибают, смысл их образования в том, что они уносят лишнюю генетическую информацию не захватывая с собой желток. Зона формирования в оогенезе практически отсутствует и оотида есть, в сущность яйцеклетка (яйцо).
В процессе развития яйцеклетки проявляются некоторые специфические черты организации. Так выделяется кортикальный слой цитоплазмы, который располагается непосредственно под клеточной мембраной. В нём содержатся гранулы полисахаридной природы и некоторое количество пигмента. Функция кортикального слоя заключается в том, чтобы препятствовать проникновению сверхчисленных сперматозоидов в яйцо. Кроме того, кортикальной слой участвует в закономерном распределении веществ в цитоплазме яйцеклетки в ходе ооплазматической сегрегации. И, наконец, кортикальный слой определяет сагиттальную плоскость и полярность яйца, которые являются главными факторами упорядоченности развития. Процесс отложения желтка формирует в яйцеклетке два полюса - вегетативный и анимальный, ядро при этом смещается в область последнего. Специфическая организация проявляется и в том, что в различных участках цитоплазмы концентрируются различные вещества. Это достигается перемещением цитоплазмы - сегрегацией. Так, на анимальном полюсе увеличивается концентрация гликогена и РНК, а на экваторе яйца локализуется аскорбиновая кислота. Такое неслучайное перераспределение цитоплазмы сохраняется и в начальных стадиях эмбриогенеза между бластомерами.
У позвоночных животных, в том числе у человека, яйцеклетка имеет первичную оболочку, контактирующую непосредственно с плазматической мембраной. Она называется zona pellucida- блестящая. В образовании первичной оболочки принимают участие фолликулярные клетки, окружающие ооцит, и сам ооцит. В процессе роста ооцита эта оболочка пронизывается микроворсинками со стороны цитоплазматической мембраны и отростками фолликулярных клеток, что увеличивает транспорт в клетку питательных веществ.
Упомянутые выше фолликулярные клетки, окружающие ооцит, образуют лучистый венец- corona radiata.
Ядро яйцеклетки человека имеет 22 аутосомы и одну половую хромосому-X. В цитоплазме её содержатся митохондрии, комплекс Гольджи, рибосомы, а также липидные включения, гранулы гликогена и желточные гранулы. В яйцеклетке имеется запас различных белков- гистонов, тубулинов, актина, РНК-полимераз и ДНК-полимераз.
У женщин во время каждого менструального цикла в корковом слое яичника имеется несколько растущих фолликулов, однако, овулирует, как правило, одна яйцеклетка. После выхода из фолликула яйцеклетка захватывается бахромками маточной трубы и начинает продвигаться по яйцеводу в сторону матки.
Овуляция происходит каждые 21-30 дней. Биологическая надёжность процесса воспроизведения у человека обеспечивается огромным количеством ооцитов: к 20 неделе развития плода их 7000000. к препубертатному возрасту количество уменьшается до 300000, видимо, в результате биологического отбора. Процесс биологического отбора повторяется в каждом менструальном цикле, так как из 10-15 одновременно растущих фолликулов овулирует лишь один.
Необходимым условием развития нормальной яйцеклетки, способной дать начало новому организму, является сохранение в неизменном виде её генетического материала. Однако в процессе оогенеза возможны нарушения в структуре хромосом (хромосомные абберации) или изменения их числа- анеуплоидии. Многие исследователи связывают возникновение таких мутаций с биологическим возрастом женщины. Есть данные, что рождение больных детей с трисомией по 21ой хромосоме напрямую зависит от матери:
| Возраст женщины | Частота больных детей |
| =25 | 1:3000 |
| =35 | 1:290 |
| =45 | 1:40 |
Причинами указанных мутаций могут быть неблагоприятные экологические условия, расстройства гормональных регуляций.
Нарушение овуляции может быть обусловлено дисфункцией гипоталамо - гипофизарно-яичниковой системы, а также воспалительными процессами гениталий, дисфункцией коры надпочечников или щитовидной железы. Отсутствие овуляции возможно при различных системных заболеваниях, опухолях гипофиза и гипоталамуса, стрессовых ситуациях. Ановуляция всегда приводит к бесплодию.
К восстановлению овуляции может привести избавление от основного заболевания, коррекция нарушений функции коры надпочечников, щитовидной железы. При нарушениях в системе гапоталамус-гипофиз-яичники производится лечение гормональными препаратами эстрогенами и гонадотропинами.
Половые клетки по своим структурным показателям являются высоко специфическими клетками, не способные к пролиферации. Судьба клеток определена - либо они дают начало новой жизни, либо элиминируют.
Важнейшими этапами процесса оплодотворения являются:
· Проникновение сперматозоида в яйцо
· Активизация в яйце синтетических процессов
· Слияние ядер гамет с восстановлением диплоидного набора хромосом.
У млекопитающих яйцеклетка сохраняет способность к оплодотворению в течение суток, сперматозоиды - несколько часов. Для успешного оплодотворения нужна определённая концентрация сперматозоидов в семенной жидкости (для человека это 200 млн. на 1 мл). вероятность выделения гаметами особых веществ - гино - и андрогамонов, повышает вероятность контакта их. Непосредственный контакт сперматозоида и яйца вызывают в обеих клетках закономерные изменения, обуславливающие проникновение ядра и центриоли (проксимальной) в цитоплазму яйцеклетки. Со стороны сперматозоида, при этом, протекает акросомная реакция, а со стороны яйцеклетки - кортикальная.
Сущность акросомной реакции заключается в том, что в момент контакта с яйцеклеткой происходит растворение плазматической мембраны сперматозоида и акросомы, мембрана последней образует вырост в виде трубки, вышедшие из акросомы ферменты лизируют участок яйцевой клетки. У млекопитающих, в том числе и у человека, сперматозоид преодолевает несколько рядов фолликулярных клеток, блестящую зону и цитоплазматическую мембрану. В области контакта акросомной и цитоплазматической мембран и образуется бугорок оплодотворения, после чего мембраны обеих гамет сливаются, содержимое клеток объединяется в одно целое.
После акросомной реакции со стороны яйцеклетки начинается кортикальная реакция, которая заключается в том, что микротрубочки и микрофиламенты кортикального слоя принимают упорядоченную пространственную организацию, в результате чего образуется специфическая структура- оболочка оплодотворения. Значение её очень велико, так как она препятствует проникновению уже ненужных более сперматозоидов, которые могут отрицательно повлиять на эмбриогенез. Кроме того, под оболочкой оплодотворения формируется перивителлиновое пространство, в которое изливается содержимое гранул кортикального слоя цитоплазмы, обеспечивающее специфическую среду, в которой протекает ранний эмбриогенез.
Процесс проникновения сперматозоида в яйцеклетку сопровождается усилением метаболической активности последней. Отмечается значительное потребление кислорода, начинается интенсивный синтез белков.
Ядро сперматозоида, продвигаясь к женскому, преобразуется в мужской пронуклеус, в котором хроматин из плотно упакованного становится рыхлым, ядерная оболочка растворяется. К этому моменту ооцит завершает второе деление созревания и происходит слияние пронуклеусов с образованием ядра зиготы - синкарион. Чаще всего, однако, происходит объединение отцовского и материнского хромосомных наборов путём образования метафазной пластинки, минуя фазу общего ядра.
В заключение, следует отметить, что проникновение сперматозоида в яйцо усиливает процесс ооплазматической сегрегации, которая обуславливает основные черты пространственной организации эмбриона - пролиферацию клеток, перемещение клеточных пластов, контактную индукцию, торможение, адгезию и т.д. Достаточно сказать, что включение генома мужской гаметы в геном женской, стимулирует формирование между анимальным и вегетативным полюсами зоны серого серпа, определяющим плоскость двухсторонней симметрии. В дальнейшем, материал серого серпа используется для построения дорсальной губы бластопора (или первичный узелок), который является первичным организатором закладки комплекса осевых органов зародыша (нервная трубка, хорда, сомиты).
Глава III
Индивидуальное развитие организмов.