Период вителлогенеза - фаза большого роста
Способы питания яйцеклеток.
В период вителлогенеза в ооците 1го порядка образуется желток, а также другие питательные вещества – гликоген и жиры. Желток – это высоко фосфорилированный кристаллический белок. Он откладывается в виде желточных гранул, одетых пограничной мембраной.
По способу образования желток принято разделять на экзогенный и эндогенный. Экзогенный желток строится на основе белка вителлогенина, который у позвоночных синтезируется в печени матери и транспортируется к ооциту, окруженному специализированными клетками яичника, фолликулярными. Вителлогенин поглощается ооцитом путем пиноцитоза в составе так называемых окаймленных пузырьков. Каждая гранула желтка образуется в результате слияния большого количества (до 1000) таких пиноцитозных пузырьков. При формировании гранул желтка вителлогенин расщепляется на белок фосвитин, сильно фосфорилированный, и другой белок –липовителлин, содержащий 20% жира (липиды).
Эндогенный желток синтезируется из низкомолекулярных предшественников внутри самого ооцита в его сильно развитом эндоплазматическом ретикулуме. Желточные гранулы формируются из концевых цистерн аппарата Гольджи. Следует сказать, что основной источник питательных веществ – это экзогенный. Есть несколько способов их передачи развивающейся яйцеклетке или, как принято говорить, её питания:
1. Диффузный или фагоцитарный. У губок ооциты, как хищники, ползают по мезоглее и, натыкаясь на более мелкие клетки, заглатывают их. У некоторых кишечнополостных (гидра) в группе одинаковых клеток один (случайный) гоноцит начинает быстро расти и заглатывать другие клетки. Он и превращается в ооцит. Некоторое время генетический материал поглощенных клеток сохраняет свою активность и снабжает ооцит копиями мРНК для синтеза необходимых зародышу белков. Потом эти клетки гибнут. При таком способе питания в лизосомах откладывается фагоцитированный материал- получаются фаголизосомы, а настоящих желточных гранул нет.
2. Солитарный.Все необходимые для синтеза макромолекул вещества яйцеклетка получает из окружающей среды (полости гонады или из из полости тела - целома). Это наблюдается у гидроидных полипов (колониальных кишечнополостных), морских звезд, ланцетника и некоторых других животных. Желток и все типы РНК синтезируются самими ооцитами. Этот желток –полностью эндогенный.
3. Нутриментарный - Наиболее выражен у членистоногих. В группе оогониев превращается в ооцит только один (или два), а остальные оогонии превращаются в клетки –кормилки. Их ещё называют трофоцитами. И растущий ооцит, и клетки-кормилки являются сестринскими клетками, т.е, это всё клетки полового ряда.Все они связаны цитоплазматическими мостиками, по которым в ооцит в виде рибонуклеопротеидов поступает рРНК, синтезирующаяся в трофоцитах. Однако, синтез желтка и в этом случае идет в других , соматических, клетках (у насекомых, например в жировых телах) и поступает в ооцит с помощью пиноцитоза.
Каким способом определяется судьба казалось бы одинаковых оогониев, происходящих от одной клетки-предшественницы? Считается, что это прежде всего зависит от числа цитоплазматических мостиков, которыми конкретная клетка связана с соседями. Так у дрозофилы группа оогониев состоит из 16 клеток. Две из них имеют наибольшее число мостиков (четыре). Это определяется числом митотических делений, в которые вступает клетка. Но ооцитом станет из этих двух клеток станет та, у которой будут контакты с соматическими клетками яичника – фолликулярными, которые окружают ооцит и формируют яйцевую камеру. У насекомых нутриментарный способ питания сочетается с фолликулярным.
4. Фолликулярный.Этот способ считается самым распространенным и совершенным.Он имеется у всех хордовых и особенно развит у млекопитающих. Вокруг ооцита возникает венчик из эпителиальных клеток яичника. Это чисто соматические клетки.Эти клетки могут быть расположены в несколько слоев. Ооцит вместе с фолликулярным эпителием называется фолликулом. С помощью фолликулярных клеток идет транспорт веществ из тела матери. Питательные вещества синтезируются в печени и по кровеносным сосудам доставляются к фолликулярным клетках и фолликулярные клетки перекачивают их в яйцеклетку, но прямого контакта между ними нет. Фолликулярный эпителий отделен от ооцита узкой щелью – периоцитным пространством. В него обращены многочисленные отростки фолликулярных клеток. Они тесно контактируют с плазматической мембраной ооцита и с их помощью могут передаваться рРНК (у птиц и рептилий). Белки, из которых в ооцитах будут формироваться гранулы желтка, проходят через щели между фолликулярными клетками и с помощью пиноцитоза переходят в ооцит. Фолликулярный эпителий играет роль избирательного барьера для белков. Кроме того они синтезируют белки, формирующие вторичную оболочку ооцита. Основная их функция- это эндокринная. В них синтезируются гормоны, управляющие половыми циклами. Деятельность самих фолликулярных клеток находится под контролем гонадотропных гормонов гипофиза.
Рассмортим более подробно формирование фолликула у млекопита-ющих.
Пояснения к рисункам.
Первичный фолликул.
Ооцит 1го порядка на стадии малого роста
Хроматин
3-4 плоских фолликулярных клеток
Однослойный фолликул.
Сама яйцеклетка (ооцит 1го порядка) мало изменилась, но её окружает большое количество фолликулярных клеток. Произошла их переориентация. Их ядра лежат перпендикулярно к поверхности клетки. Границы фолликулярных клеток слабо различаются. Оболочка яйцеклетки утолщилась Это первичная оболочка- zona pellucida.
Формирование многослойного фолликула
Первый слой фолликулярных клеток отходит от поверхности ооцита и в образовавшееся пространство проникают новые фолликулярные клетки и выстраиваются там правильным слоем и вновь отодвигаются. Новые клетки вползают и под влиянием яйцеклетки строят новый слой и так возникает многослойный фолликул.
Лакунарный фолликул.
Ооцит 1го порядка переходит в фазу болшого роста. При этом фолликулярные клетки начинают разрушаться. Отдельные лакуны сливаются между собой и возникает
Стадия зрелого фолликула
Вокруг ооцита, увеличившего свой объем, остается один слой фолликулярных клеток – corona radiata.
Zona pellucida пронизана тонкими канальцами.
Остается неразрушенном небольшой участок, который, как ножка – cumulus - соединяет ооцит со стенкой фолликулярного пузырька. Полость пузырька составляют слившиеся лакуны. Другое название этого образования – Граафов пузырек. Затем стенка Граафова пузырька лопается и ооцит с окружающей его «корона радиата» выходит из яичника в полость тела, а затем попадает в воронку яйцевода. На этой стадии ооцит 1го порядка вступает в 1ое деление созревания и выталкивает на поверхность 1 редукционное тельце, становясь ооцитом 2го порядка.
Процесс выхода яйцеклетки из Граафова пузырька называется овуляцией.
Деления созревания. Мейоз.
Созревание ооцита – это процесс последовательного прохождений двух делений мейоза. При подготовке к первому делению созревания ооцит длительное время находится в профазе 1го деления созревания.Вся эта подготовка приходится на период превителлогенеза, т.е, на фазу малого роста.
Вслед за прекращением оогониальных делений ооцит вступает в S-фазу редукционного деления- в фазу синтеза ДНК.Удвоенное количество ДНК обозначается как 4С. Возникает состояние, при котором на диплоидное число хромосом приходится учетверенное количество ДНК, что выражается как 2n : 4С. При этом каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, прикрепленных к общей центромере. Другими словами, хотя клетка диплоидна, она содержит две копии каждой хромосомы, т.е. хромосомы видны как две хроматиды, связанные вместе. Затем наступает профаза1го деления мейоза, в течение которого медленно разворачиваются фазы или стадии - лептотена, зиготена и пахитена. В фазе лептотены (тонкие нити ) хроматин хроматид оформляется в очень тонкие нити. Возникает клубок, в котором ещё нельзя различить отдельные хромосомы. Но каждая хромосома представлена двумя параллельно лежащими хроматидами.
На стадии зиготены (сопряженные нити) гомологичные хромосомы располагаются одна вдоль другой. Они как бы спариваются. Происходит синапсис.Как узнают гомологичные хромосомы друг друга, неизвестно, но известно, что между ними возникает синаптонемальный комплекс, напоминающий лестницу. При этом спаренные хромосомы прикреплены к оболочке ядра. Возникает фигура, которая называется тетрады.
Во время пахитены(стадия толстых хромосом) хроматиды утолщаются и укорачиваются. В это время начинается кроссинговер – перекрест хромосом – при этом происходит обмен генетическим материалом между хроматидами спаренных хромосом.
Затем следует стадия диплотены (двойных нитей), когда кроссинговерпродолжается. После этого синаптонемальный комплекс разрушается и гомологичные хромосомы обособляются, но между ними еще сохраняются места сцепления –хиазмы- там еще идет (возможен) кроссинговер. Именно на этой стадии наблюдаются хромосомы типа ламповых щеток, что говорит о высоком уровне транскрипции мРНК.
Диакинез – стадия обособления двойных нитей. На этой стадии происходит длительный блок мейоза. Расходятся центромеры и гомологичные хромосомы связаны только в концевой области -теломерами (теломеры – особые ДНК-белковые структуры, которые поддерживают стабильность хромосом, защищая их от деградации и слияния, участвуют в процессах клеточного старения, в регуляции транскрипции прилежащих к ним генов… Теломеразная ДНК состоит из повторяющихся нуклеотидных последовательностей и заканчивается 3’ выступающим одноцепочечным участком. При каждом клеточном делении в результате недорепликации происходит укорачивание теломер. При достижении теломерами критической длины клетка перестает делиться и входит в состояние сенессенса(?) ) и погибает. Однако во многих клетках, для которых природой предусматривается неограниченный потенциал делений – у одноклеточных, половых, стволовых и раковых клеток- существует механизм, поддерживающий длину теломер, в основу которого положен синтез теломерной ДНК с помощью специального фермента - теломеразы. Он состоит из молекулы РНК, обратной транскриптазы и ряда других белковых комплексов (Щербакова и др., Молек. Биол., 2006, т.40, № 4, с. 1-15) Затем длительная профаза 1го деления созревания заканчивается и наступает метафаза.
Метафаза– разрушается ядерная оболочка, хромосомы формируют метафазную пластинку. Затем следует анафаза 1, когда расходятся гомологичные хромосомы. Возникает соотношение 2С : 1n. Произошло редукционное деление. На стадии телофазы – образовались две дочерние клетки, в каждой из них по одному партнеру из пары гомологичных хромосом.
После короткой интерфазы наступает 2ое деление созревания, в ходе которого расходятся хроматиды каждой хромосомы, те, это деление эквационное. Оно происходит без участия центриолей, это его отличает от обычного митотического деления соматических клеток. В результате этого деления происходит выравнивание отношения 1С :1 n. Возникли клетки с гаплоидными ядрами.
В ходе мейоза происходит перегруппировка хромосом. Если учитывать кроссинговер, то в результате этого деления (мейоза) возникает 4 гаплоидные клетки, каждая со своим уникальным хромосомным набором. У человека с его 23 парами различных хромосом на основе генома единственной особи может быть сформировано 223 (около 10 миллионов) разнообразных типов гаплоидных клеток, а учитывая кроссинговер, их может быть ещё больше.
Сперматогенез
Мужские половые клетки возникают из первичных гоноцитов.Их непосредственными потомками являются стволовые сперматогенные клетки или сперматогонии типа А (у млекопитающих). Они присутствуют в пристеночном слое семенных канальцев в семенниках не только у зародышей, но и у взрослых животных. Стволовые клетки нерегулярно делятся, оставаясь в недифференцированном состоянии. Некоторые из них перемещаются ближе к центру семенного канальца и начинают делиться более регулярно. Это промежуточные сперматогонии и сперматогонии типа В. Их деления называются сперматогониальными. Они происходят постоянно у взрослых самцов. Но их число невелико и строго определенно для каждого вида животных. Огромное число сперматозоидов получается за счет деления стволовых клеток.
Сперматогонии последовательных поколений отличаются друг от друга по внешнему виду. Сперматогоний А представляет собой небольшую клетку округлой формы, в центре округлое ядро с небольшим количеством хроматина, который хорошо прокрашивается. Промежуточныйсперматогоний отличается более дисперсным распределением хроматина. Главное его отличие – каплевидное ядрышко – «слезка», соприкасающееся с ядерной мембраной.Сперматогоний Вимеет хроматин в виде глыбок, прикрепленных в внутренней стороне ядерной мембраны. В центре могут быть и мелкие зернышки хроматина.
Не все сперматогонии А (стволовые) одновременно вступают в деление, часть их составляет дремлющую популяцию. Они будут вступать в клеточный цикл в последующие периоды сперматогенеза.
После определенного числа делений сперматогоний передвигается постепенно ближе к просвету канальцев и вступает в профазу 1го деления созревания. Начинается период роста.Сперматогоний превращается в сперматоцит 1го порядка. По сравнению с женским половым рядом период роста при сперматогенезе выражен слабо. Увеличивается объем цитоплазмы, и ядра. В цитоплазме накапливаются рибосомы в виде полисом и митохондрии. Затем начинается период созревания. В результате 1го деления созревания формируются два одинаковых сперматоцита 2го порядка, а после их деления – две сперматиды с гаплоидным числом хромосом и ДНК =1С. Затем каждая сперматида в результате сложных цитологических преобразований без клеточного деления превращается в сперматозоиды. Процесс формирования из сперматиды сперматозоида называется спермиогенезом (Рис.)