Мужская гамета - сперматозоид
Сперматозоид - самая маленькая клетка в организме. Он выполняет две основные функции:
1. Вводит в яйцеклетку гаплоидный набор хромосом для половой рекомбинации.
2. Запускает программу развития яйцеклетки.
В отличие от других клеток организма, спермии содержат незначительное количество органелл. Они имеют, кроме ядра, довольно много митохондрий, специальную органеллу - жгутик, который обеспечивает подвижность, а также специализированный секреторный пузырек - акросому, содержащий гидролитические ферменты, и позволяющий спермию проникнуть через наружные яйцевые оболочки.
Спермий состоит из двух частей - головки и хвостика. В головке располагается ядро и акросома. Ядро очень компактно и содержит сильно конденсированный хроматин. Когда головка спермия приходит в контакт с яйцеклеткой происходит акросомальная реакция - освобождение содержимого акросомы путем экзоцитоза.
Подвижный хвостик спермия представляет собой длинный жгутик, аксонема которого (микротрубочки и белки) начинается от базального тельца, расположенного сразу за ядром.
В переднем отделе хвостика, который называется средней частью, спирально располагаются плотно упакованные митохондрии, обеспечивающие спермий энергией за счет гидролиза АТФ.
Процесс образования сперматозоидов называется сперматогенезом. Он имеет ряд отличий от овогенеза:
1. Сперматогенез начинается лишь после полового созревания организма и затем непрерывно продолжается в извитых канальцах семенников до угасания половой функции.
2. Если из каждого овоцита 1 порядка образуется лишь 1 зрелая яйцеклетка (а три остальных гаплоидных ядра, образовавшихся в мейозе, дегенерируют), то каждый сперматозоид 1 порядка дает начало четырем зрелым спермиям.
3. Одна из загадочных и уникальных особенностей спермиев состоит в том, что в процессе их развития митотическое и мейотическое деления не сопровождаются полным цитокинезом и поэтому все дочерние клетки (за исключением сперматогоний и уже зрелых сперматозоидов) соединены цитоплазматическими мостиками. Эти мостики сохраняются до самого конца дифференцировки спермиев. Группа клеток, связанных подобным образом, называется синцитием.
В отличие от яйцеклеток у сперматозоидов большая часть их дифференцировки осуществляется после мейоза. В связи с этим через цитоплазматические мостики все гаплоидные клетки дифференцируются под контролем диплоидного генома. Это связано с тем, что генетический материал распределяется не равнозначно, т.е. одни ядра получают Х-хромосомы, другие - У-хромосомы. Поскольку Х-хромосома содержит много важных генов, отсутствующих в У-хромосоме, и если бы не цитоплазматические мостики между клетками, то те из них, которые содержат У-хромосому вероятно погибли бы. В результате в следующем поколении отсутствовали бы особи мужского пола. Этот механизм доказан на экспериментах по распределению хромосом у мутантов. Самое поразительное то, что дифференцировка протекает нормально даже у тех спермиев, ядро которых вообще не содержит хромосом. Существует и другая гипотеза, согласно которой еще в диплоидных сперматогониях и сперматоцитах 1 порядка заранее закладываются «инструкции» для дифференцировки спермия, в виде особых долгоживущих мРНК. Следовательно, отпадает необходимость в функционировани гаплоидного генома в период самой дифференцировки.
Таким образом, обе гипотезы свидетельствуют о том, что при дифференцировке спермия используются продукты обоих хромосомных наборов, хотя собственное ядро клетки - гаплоидно.
Оплодотворение
Яйцеклетка и спермий сливаются друг с другом при оплодотворении благодаря их специализации и специфичности этого процесса. Спермии млекопитающих способны оплодотворить яйцеклетку лишь после своего созревания, называемого капацитацией, который возможно связан с изменением в липидном слое плазмолеммы спермия. Контакт с оболочкой яйцеклетки индуцирует у спермия особую акросомальную реакцию, при которой содержимое акросомы (гидролитические ферменты) облегчает проникновение спермия через zona pellucida и способствует контакту спермия с плазмолеммой яйцеклетки. Однако связывание спермия с яйцеклеткой процесс высокоспецифичный. Он определяется наличием видоспецифичного белка, содержащегося в акросоме и называемого bindin (дословный перевод «связывание, сращение»). Этот белок обеспечивает связывание яйцеклетки и спермия лишь одного вида организма.
После слияния плазматических мембран яйцеклетки и спермия, ядро спермия переходит в цитоплазму яйцеклетки. Затем два ядра (пронуклеуксы) сливаются, и образуется одно диплоидное ядро клетки, которая называется зиготой. Дальнейшие процессы, связанные с предотвращением проникновения в зиготу других спермиев (полиспермия), а также развертывание программы развития зависят от активации яйцеклетки в процессе оплодотворения. Активация яйцеклетки реализуется через изменение внутриклеточных концентраций ионов. Уже в первые секунды после слияния, в яйцеклетке наблюдаются три различных ионных сдвига:
1. Увеличение проницаемости плазмолеммы для Na+ вызывает деполяризацию мембраны в течение нескольких секунд;
2. Массовое высвобождение ионов Са2+ из неизвестного пока внутриклеточного хранилища ведет к резкому повышению их концентрации в цитозоле яйцеклетки в течение 30 секунд;
3. Примерно через 1 минуту начинается выведение ионов Н+, сопряженное с поглощением ионов Na+, что приводит к значительному повышению внутриклеточного рН с 6,6 до 7,2.
Эти ионные сдвиги обуславливают два физиологических процесса. Во-первых, деполяризация мембраны приводит к быстрой блокаде полиспермии (ранний кратковременный барьер). Приток в цитозоль ионов Са2+ вызывает высвобождение из кортикальных гранул их содержимого. Эта кортикальная реакция перестраивает оболочку яйцеклетки так, что связывание других спермиев или их проникновение становится невозможным. Это приводит к более продолжительной блокаде полиспермии (поздний долговременный барьер). Во-вторых, приток ионов Са2+ в цитозоль яйцеклетки способствует изменению концентрации ионов Н+, а следовательно повышению внутриклеточного рН. Это повышение рН индуцирует биосинтетические процессы, связанные с активацией яйцеклетки и развертыванием программы развития нового организма Большое значение имеют, происходящие при этом:
1. Повышение рН, при котором ускоряются процессы редупликации ДНК (при дроблении);
2. Запасенные ранее в яйцеклетке молекулы мРНК обнажаются (деблокируются), и их информация становится доступной для использования;
3. Активация рибосом, что позволяет им быстрее транслировать мРНК, то есть начинается развитие нового организма (рост и дифференцировка).
Развитие - сложнейший морфо-генетический процесс, в ходе которого реализуется несколько механизмов. К основным процессам развития относится в первую очередь способность исходной клетки (яйцеклетки), следовательно и зиготы, к внутриклеточному синтезу и его регуляции. Этот процесс запускается особым механизмом, связанный с активацией генов, который начинает работать уже с момента оплодотворения.
Как известно, в зиготе все имеющиеся гены условно неактивны, т. к. они репрессированы белками гистонами. При запуске программы развития происходит дерепрессирование определенных групп генов, которые будут являться в данный момент функциональными генами. Как правило, первыми активизируются (дерепрессируются) гены, обеспечивающие способность клетки (зиготы) и бластомеров к пролиферации (размножению), а также гены, регулирующие общий метаболизм клетки.
С этого момента начинается и продолжается 2-й (после оплодотворения) этап эмбриогенеза - дробление, происходящее путем митотического деления клеток. При этом одноклеточный организм (зигота) превращается в многоклеточную бластулу. По мере окончания дробления и вступления зародыша в следующую стадию - гаструляцию, начинают активизироваться первые тканеспецифичные гены. Это приводит к образованию разных слоев клеток - зародышевых листков. Позднее, в процессе органо- и гистогенеза, активизируются другие гены, регулирующие образование более специализированных и дифференцированных клеток.
Активация генов тесно связана с другими механизмами развития, одним из которых является коммитирование - детерминация. Известно, что в оплодотворенной яйцеклетке и в зиготе заключена возможность образования целого организма. Этой возможностью у многих позвоночных обладают и некоторое количество бластомеров до определенной стадии дробления.Данные клетки принято в эмбриологии называть тотипотентными. По мере продолжения развития (дробление, гаструляция и т.д.) образующиеся клетки постепенно утрачивают способность к образованию клеток всех типов будущего организма. Развитие таких клеток как бы направляется по разным, но определенным всё более сужающимся каналам, которых становятся всё больше. Такое сокращение возможностей выбора, предоставляющихся развивающейся клетке, и приобретение клеткой или популяцией клеток каких- либо специфических свойств и функций называется детерминацией. Примером детерминации может служить процесс нейруляции, когда из определенных клеток эктодермы закладывается зачаток нервной трубки и системы. Остальные эктодермальные клетки уже не способны к образованию этих структур. Когда этот процесс достигает такой степени, что из одной группы клеток образуется только одна структура (роговица, волос, перья и т.д.), эти клетки называются детерминированными. Установлено, что в процессе детерминации происходит взаимодействие между формирующимися зачатками. Это явление получило название эмбриональной индукции, также являющейся одним из механизмов развития. В настоящее время известно, что эмбриональная индукция - это особый механизм влияния (воздействия) одного такого зачатка (индуктора) на другой. В результате этого влияния происходит направление развития этого зачатка по качественно новому пути.
Один из классических примеров эмбриональной индукции - формирование хрусталика глаза как результат индуцирующего воздействия глазного бокала на лежащую над ним эктодерму. Более ранним проявлением индукции является влияние хордомезодермального зачатка на образование нейроэктодермы (первичная индукция). Регуляция процесса индукции может осуществляться разными способами: путем внеклеточной диффузии веществ, вырабатываемых тканью-индуктором; в результате прямого контакта между клетками, либо через посредство внеклеточного матрикса, секретируемого взаимодействующими клетками.
В процессе развития организма наряду с детерминацией зачатков наблюдается еще один механизм, в ходе которого клетки приобретают специализацию. Этот механизм называется дифференцировкой - морфологическая и функциональная экспрессия той части генома, которая остается в распоряжении данной клетки или популяции на все время жизнедеятельности ткани, органа, организма. Конечный продукт этого процесса называется дифференцированной клеткой.
Дифференцировку можно рассматривать с различных точек зрения. В связи с этим дифференцировка может быть:
1. Биохимическая - клетка выбирает для себя один или несколько путей биосинтеза (эритроцит синтезирует гемоглобин, а клетки хрусталика - белок кристалин).
2. Функциональная - развитие способности к виду деятельности (к сокращению у мышечных клеток, к проведению нервного сигнала у нервных волокон).
3. Морфологическая - образование в клетках множества специализированных структур, а в тканях - множества клеточных форм.
Процесс дифференцировки на тканевом уровне, в ходе которого ткани принимают характерный для них вид, называется гистогенезом. С ним тесно связан еще один механизм развития, называемый морфогенезом. Этот механизм представляет собой комплекс процессов, формирующих внешнюю и внутреннюю конфигурацию зародыша. При этом активную роль играет еще один комплекс механизмов: пролиферация (деление); миграция и агрегация клеток; секреция внеклеточного матрикса; локальная гибель клеток.
К результатам морфогенетических процессов можно отнести, например, формирование бронхиального дерева, форму конечностей или глазного яблока, образование структуры пера или сложного рисунка пальцев.
Однако, изначальное возникновение и причины морфогенеза до конца еще не изучены. В настоящее время имеются данные, свидетельствующие о том, что на очень ранних стадиях развития многих структур, еще до начала клеточной дифференцировки, закладывается некий невидимый план пространственной структуры организма, и дальнейшее развитие протекает по этому плану. В дальнейшем, происходит реализация этого плана с помощью уже перечисленных процессов.
Существующая сейчас концепция «позиционной информации» в какой-то мере объясняет поведение клеток при их взаимодействии в ходе морфогенеза. Эта концепция сводится к тому, что каждая клетка любого зачатка в ходе развития способна, во-первых, оценивать свое местоположение в координатной системе, заложенной в зачатке органа и, во-вторых, способна дифференцироваться в соответствии с этим местоположением.
Дробление
Развитие большинства живых организмов можно подразделить на несколько этапов:
1. Дробление зиготы на множество более мелких клеток.
2. Гаструляция, при которой клетки претерпевают сложные перемещения, приводящие к образованию полости первичной кишки.
3. Гистогенез, органогенез и дифференцировка. В это время оформившиеся зачатки органов и систем растут и дифференцируются.
Процесс дробления может происходить по разному в зависимости от многих факторов. В первую очередь на дробление влияет среда обитания организма, имеет значение и строение яйцеклетки. Важнейшим фактором является количество желточных включений и их распределение в яйцеклетке. В связи с этим различают два типа дробления:
1.Полное (голобластическая яйцеклетка):
а) равномерное,
б) неравномерное.
2. Неполное - частичное (меробластическая яйцеклетка):
а) дискоидальное (пресмыкающиеся, птицы),
б) поверхностное (членистоногие).
Во время дробления наблюдаются очень быстрые волны митотических клеточных делений, следующих одна за другой. В результате этих делений из одноклеточной крупной зиготы образуется скомпонованная масса клеток в виде плотного скопления без полости - морула. Клетки морулы морфологически и метаболически еще не специализированы.
Затем у образующегося зародыша образуется центральная полость (бластоцель) и наступает стадия бластулы. В зависимости от разновидности дробления образуются разные виды бластул:
1. Целобластула - равномерная (у ланцетника),
2. Амфибластула - неравномерная (у амфибий),
3. Дискобластула (у птиц),
4. Стерробластула (кишечнополостные),
5. Бластоциста (млекопитающие),
6. Перибластула (насекомые).
Входящие в состав бластулы бластомеры начинают дифференцироваться, что проявляется в синтезе разных РНК. В результате клетки начинают взаимодействовать друг с другом новыми и разными способами.
Характер дробления определяется не только количеством желтка и его распределением, но и взаимным расположением клеток, т.е. их полярностью и полярностью эмбриона.
В настоящее время развитие зародыша рассматривают, пользуясь системой трех осей:
- кранио-каудальная (от головы к хвосту);
- дорсовентральная (от спины к животу);
- медиолатеральная (от плоскости симметрии влево и вправо).
Однако каким образом эти оси устанавливаются в шаровидном яйце, до настоящего времени остается еще не ясно. Хотя по некоторым данным, плоскость симметрии у зародыша лягушки определяется особой точкой противоположностей, в которой в которой спермий проникает в яйцеклетку. Именно здесь спустя 2 часа после оплодотворения у некоторых видов амфибий под оболочкой яйцеклетки появляется характерная структура, называемая серым серпом. Как правило, эта структура появляется вдоль границы между темной цитоплазмой анимального полюса и светлой цитоплазмой вегетативного полюса. Средний участок серого серпа соответствует среднеспинной плоскости тела, определяя тем самым дорсовентральную ось будущего зародыша. Учитывая то, что анимальный полюс в конечном итоге образует головной отдел, а вегетативный полюс - хвостовой отдел зародыша, то наложение дорсовентральной оси на уже существующую краниокаудальную ось чисто геометрически определяет положение третьей оси - медиолатеральной.
Следовательно, еще до начала дробления у зародыша амфибии можно установить три главные оси симметрии.
Серый серп также играет важную роль в регуляции развития, т.к. именно здесь формируется дорсальная губа бластопора, в связи с чем этот участок называется зародышевым организатором. Например, если удалить серый серп на одноклеточной стадии, то дробление происходит, а гаструляция не начинается. Если серый серп на ранних стадиях (два бластомера) разрезать на 2 части и не дать им слиться, то развиваются два зародыша.
Образующиеся в ходе дробления клетки - бластомеры - соединяются между собой щелевидными контактами, обеспечивающими электрическую сопряженность клеток. В наружном слое бластомеры соединяются плотными контактами, которые изолируют внутреннюю среду зародыша от внешней. Между бластомерами уже со стадии 4 и более клеток (у амфибий) образуется небольшая полость, заполненная продуктами жизнедеятельности бластомеров. Эта полость постоянно увеличивается и называется полостью дробления, или бэровской полостью. Постепенно слой бластомеров приобретает вид эпителиального пласта, а полость дробления превращается в полость бластулы - бластоцель (т.е. первичная полость зародыша). Слои клеток, составляющие стенку бластулы, называются бластодермой, которая может быть либо однослойная (ланцетник, морской еж), либо многослойной (амфибии).
Таким образом, процесс дробления можно рассматривать не только как стадию простого увеличения количества клеток зародыша, а и одновременное увеличение количества генетического материала (ДНК), что не менее важно. Кроме того, образование множества отдельных клеток способствует возникновению различий в экспрессии (активации) генетического материала зародыша. Это достигается путем синтеза различных и уникальных видов РНК и белков, что в свою очередь создает основу для клеточной дифференцировки. Для реализации этих клеточных функций необходимо, чтобы размеры клеток соответствовали обычному ядерно-цитоплазматическому соотношению, что и наблюдается в ходе дробления.
По мере созревания бластулы, ее деятельность направляется на подготовку к следующему этапу - гаструляции. Эта подготовка проявляется не только в изменении характера синтеза, но также в изменении свойства плазматических мембран клеток и их взаимодействий, а также в перемещениях клеток относительно друг друга. Как правило, в этот период, между концом дробления и началом гаструляции, не имеется четкой границы.
Гаструляция - процесс, при котором клетки приобретают способность к направленным морфогенетическим перемещениям. В ходе этих перестроений из однослойной (однородной) бластулы образуется зародыш, состоящий как минимум, из двух зародышевых листков: наружный - эктодерма, внутренний - энтодерма. Однако на этом этапе клеточные перемещения не заканчиваются, а продолжаются, в результате чего группы клеток, удаленные друг от друга, сближаются и между ними устанавливаются индукционные взаимодействия, обеспечивающие становление основных систем организма. Гаструляция совершается 4-мя основными механизмами: инвагинация; иммиграция; деламинация; эпиболия. В основе этих процессов лежат изменения свойства клеток, составляющих бластулу:
1. Способность клеток изменять свою форму, что вызывает изменения кривизны слоя бластодермы;
2. Ввозможность морфогенетических движений, что проявляется в приобретении клетками способности вытягиваться, прикрепляться, сокращаться, образовывать псевдоподии;
3. Сохранение способности деления и роста клеток в разных участках зародыша с разными скоростями.
В изучении процессов гаструляции большую роль сыграла методика прижизненной маркировки (витальное окрашивание) различных бластомеров с последующим изучением судьбы этих клеток в процессе гаструляции и органогенеза. Эта методика была предложена Фогтом в 1925 г. С помощью этого метода он создал так называемые карты презумптивных зачатков. Наиболее простой тип гаструляции (инвагинация) хорошо изучен на примере ланцетника. При этом из однослойного шара образуется двухслойная чаша с полостью, которую назвали гастроцель, или архептерон (первичная кишка). Отверстие, через которое сообщается гастроцель с внешней средой, называется бластопор. Наружный слой клеток слой клеток - эктодерма, внутренний слой - энтодерма. Между ними формируется слой клеток среднего зародышевого листка - мезодермы.
У амфибий гаструляция совершается почти подобным образом, но имеются и отличия, связанные, во-первых, с тем, что пласт клеток бластодермы образован несколькими слоями клеток, во-вторых, что движению инвагинирующих клеточных слоев препятствуют клетки, содержащие много желтка, и что в свою очередь усложняет геометрию гаструляции.
Впячивание энтодермы начинается не на вегетативном полюсе, а несколько в стороне от области серого серпа. Здесь образуется углубление (будущий бластопор), которое постепенно расширяется в виде дуги и затем превращается в окружность. Центр этой окружности занимают крупные клетки, заполненные желтком и называемые клетками желточной пробки.
Расположенные по периметру этой окружности клетки, подворачиваясь, уходят с поверхности вокруг губ бластопора и движутся вглубь зародыша. В это же время эпителий в области анимального полюса активно разрастается, занимая место клеточных пластов, ушедших внутрь. В дальнейшем эпителий анимального полушария покрывает всю наружную поверхность зародыша, а окружность бластопора сжимается до точки.
Важнейшим участком зародыша во время гаструляции является дорсальная губа бластопора, т.к. именно этот участок играет ключевую роль в запуске гаструляции, а, следовательно, и в построении всего тела. Этот участок зародыша получил название зародышевый организатор, или первичный индуктор. Например, если в начале гаструляции вырезать у зародыша дорсальную губу и пересадить ее в любое место другому зародышу, то у него гаструляция будет происходить и в области собственного бластопора, и в области пересаженной губы. В результате формируется двойной зародыш (подобие сиамских близнецов).
С помощью методики Фогта удается проследить и определить дальнейшую судьбу клеточных пластов, мигрирующих внутрь зародыша. Клетки, расположенные вокруг вентрального края бластопора и вентральной части зародыша, попадая внутрь зародыша, образуют выстилку его гастроцеля(первичной кишки), т.е. образуют энтодерму.
Большинство клеток дорсальной губы бластопора образуют зачаток, называемый хордомезодермальным. Из него, в дальнейшем, образуется хорда и головная мезодерма.
Таким образом, основным механизмом гаструляции у амфибий является инвагинация с частичной иммиграцией. Вместе с тем некоторая часть клеток будущей хордомезодермы, удаленная от области бластопора, движется к нему, перемещаясь в качестве наружного слоя по сферической наружной поверхности растущего зародыша, т.е. происходит эпиболия.
С момента образования зародышевых листков начинается новая фаза развития, связанная с преобразованием этих листков в зачатки тканей, органов и систем органов. Этот процесс называется стадией формирования осевых органов, важнейшей из которых является нервная трубка.