Болотов. Биология размножения и развития, 2011. Иркутский государственный университет А. В. Болотов биология размножения и развития раздел. Биология индивидуального развития учебное пособие
 Скачать 12.32 Mb.
|
|
4. Развитие половых клеток Миграция первичных гоноцитов. Прежде всего гоноциты должны добраться до места своего назначения, те. до закладки половой железы гонады. Как первичные гоноциты, таки резервные клетки типа интерстициальных способны двигаться самостоятельно, иногда (шпорцевая лягушка) по ориентированным волокнам внеклеточного матрикса. Но значительную часть пути они, по- видимому, проходят пассивно интерстициальные клетки – стоком воды в гастральной полости, а гоноциты куриного зародыша, как, вероятно, и других амниот, – стоком крови по эмбриональным кровеносным сосудам. Но поблизости от места своего назначения они движутся, несомненно, активно. Так, гоноциты куриного зародыша активно проползают через стенку половой железы. На этом этапе своего движения они привлекаются химическими веществами типа мукополисахаридов, выделяемых зачатком гонады. Перед нами в данном случае один из немногих достоверных примеров хемотаксиса – движения клеток вверх по градиенту концентрации химических веществ. С другими примерами хемотаксиса мы познакомимся при изучении движения сперматозоидов. Пол зародыша определяется хромосомным набором, полученным им в момент оплодотворения. Нона стадии первичных гоноцитов мужские и женские половые клетки, как правило, неотличимы. Различия проявляются лишь после их проникновения в половые железы. Надо сказать, что генетическая детерминация пола не всегда стабильна и окончательна – у некоторых животных пол может быть переопределен воздействием гормонов. Размножение и гибель половых теток. Попав в зачатки половых желез, гоноциты обоих полов усиленно размножаются путем обычных митотических делений. В течение этого периода размножения женские половые клетки называются оогониями, а мужские – сператогониями. Однако оогонии прекращают размножаться еще в эмбриональном периоде жизни самки, задолго до наступления половой зрелости. Подсчитано, что у 4- месячного плода человека имеется приблизительно 2–3 млн женских половых клеток, потом наступает массовая дегенерация Болотов А. В. Биология размножения и развития их, так что к моменту рождения остается около 1 млн, а к 7- летнему возрасту – примерно 300 тыс. половых клеток. Размножение сперматогониев, напротив, происходит в течение всего периода половой зрелости самца, непрерывно (теплокровные животные) или с сезонной ритмикой холоднокровные. Профаза мейоза Перед вступлением клетки в профазу мейоза в предмейоти- ческой интерфазе происходит синтез белков, РНК и удвоение ДНК (с. Профаза мейоза (рис. 17) в отличие от таковой митоза сопровождается более значительными преобразованиями ядерных структур, большей длительностью во времени, достигающей иногда многих лет (например, у птиц и млекопитающих. Рис. 17. Профаза го деления мейоза Условно профазу мейоза делят на несколько стадий (рис. 17). Лептотенная (с лат. leptos – тонкий) стадия – хромосомные нити тонкие (период роста – ооцит и сперматоцит го порядка) и лишь к концу стадии по длине хромосом выявляются небольшие утолщения-хромомеры, количество и расположение которых специфичны для пары гомологичных хромосом. V. Гаметогенез 89 Зиготенная стадия (с лат. zeugos – пара) – состоит в конъюгации гомологичных хромосом. Сближение гомологичных хромосом (за счет комплиметарных участков ДНК) и пары конъю- гирующих хромосом называются бивалентами. Сдваивание подготавливает редукционное деление мейоза. Пахитенная стадия (с лат. pachis – толстый) – завершение конъюгации гомологичных хромосом. При усилении спирализа- ции хромосом происходит тесное взаимное закручивание хромосом в составе каждого бивалента. В конце этой стадии в составе каждой хромосомы, образующей бивалент, делается различимой ее двухроматидная структура. С этого момента бивалент может быть назван тетрадой, те, две гомологичные хромосомы, конъюгируя, образуют бивалент, каждая из этих хромосом расщепляется на две хроматиды. Четырехнитчатое строение пахи- тенных хромосом отражает подготовленность хромосомного аппарата клетки к двум последующим мейотическим делениям, в результате которых каждая из образующих клеток получит по одному элементу из каждой тетрады. Диплотенная стадия (лат. diplos – двойной) – начинается процесс расхождения и раскручивания гомологичных хромосом в составе каждого бивалента. При этом может быть, что несест- ринские хроматиды в биваленте могут быть соединены между собой водной или нескольких точках, образуя перекресты – хиазмы. Хиазмы являются следствием происходящего в предшествующий период профазы мейоза кроссинговера – обмена участками между несестринскими хроматидами, происходящего в результате разрывов и воссоединений в соответствующих локусах хроматид. Кроссинговер, приводящий к обмену генетическим материалом между хроматидами, служит одной из причин увеличения резерва наследственной изменчивости в потомстве при половом размножении. У млекопитающих хромосомы сильно спирализованные и образуют клубок той или иной плотности – кариосферу. Снабжение ооцита запасными веществами выполняют питающие клетки или клетки фолликулярного эпителия яичника. У человека еще в эмбриогенезе хромосомы, приняв морфологическую форму ламповых щеток, прекращают дальнейшие структурные изменения на многие годы. В женской профазе го Болотов А. В. Биология размножения и развития деления мейоза имеется стадия диктотены(до диакинеза). При достижении женским организмом половой зрелости под влиянием лютеинизирующего гормона передней доли гипофиза один ооцит ежемесячно возобновляет мейоз, те. он проходит завершающую стадию профазы го деления – диакинез. Диакинез отличается все большей степенью спирализации хромосом, все большим смещением хиазм к концевым участкам хромосом (терминализация хиазм. Диакинез завершает профазу мейоза, и клетка вступает в первое деление мейоза. Затем после непродолжительной интерфазы, входе которой не происходит удвоения ДНК, наступает профаза второго мейотического деления и затем второе деление мейоза, которое по форме напоминает митоз и не сопровождается изменением числового состава хромосом, в связи с чем его называют эквационным или уравнительным делением. Но оно принципиально отличается от митоза тем, что отходящие к двум клеткам из состава каждой хромосомы хроматиды могут быть неидентичны по генетическим свойствам вследствие происшедшего кроссинговера. Итак, входе делений мейоза перекомбинация генетического материала осуществляется дважды при первом делении в связи с расхождением к каждому из полюсов веретена части материнских и части отцовских хромосом, при втором – вследствие расхождения разнокачественных по генетическому составу хроматид. Все сложные преобразования хромосомного аппарата клетки, сопровождающие мейоз, имеют два важнейших следствия 1. Редукцию числа хромосом и соответственно количества ДНК в ядре половых клеток. 2. Перекомбинацию генетического материала между формирующимися клетками, увеличивающую резерв наследственной изменчивости будущего потомства. 6. Оогенез Яйцевые клетки образуются в женской половой железе – яичнике. Они проходят долгий путь развития, который начинается в эмбриональном и продолжается в репродуктивном периоде онтогенеза особей женского пола. Развитие яйцеклеток происходит в три стадии 1) размножения 2) роста 3) созревания. V. Гаметогенез 91 1. Стадия размножения происходит у самок-эмбрионов в яичниках. При этом зачатковый эпителий, расположенный на поверхности яичника в виде тяжей, которые позже превращаются в стенки флюгеровских мешков. В эти мешки поступают первичные половые клетки – овогонии, которые многократно делятся путём митоза. Мешки постепенно распадаются на первичные или примордиальные фолликулы. Они состоят из половой клетки овогонии, окружённой одним слоем рыхлорасположенных плоских фолликулярных клеток (это бывшие клетки зачаткового эпителия. Стадия размножения заканчивается к моменту рождения самки. При этом около 200 тысяч первичных или спящих фолликулов располагаются возле наружной оболочки яичника. В течение жизни спящие фолликулы поочерёдно переходят в стадию роста. 2. Стадия роста происходит уродившихся самок в яичниках. У человека протекает в функционирующем зрелом яичнике после полового созревания девочки) и состоит в превращении ооцита го порядка первичного фолликула в ооцит го порядка в зрелом фолликуле. При этом под влиянием гормонов пробуждается половая клетка, которая теперь называется ооцит го порядка. В стадию роста ооцит го порядка растёт и готовится к будущему делению путём мейоза, те. стадия роста является ин- терфазой перед мейозом. И начинается весьма своеобразный, только этой клетке свойственный период роста. Он связан с поступлением в яйцеклетку питательных веществ извне и с рядом синтетических процессов в самой яйцеклетке. Увеличение массы и объема яйцеклетки может быть колоссальным. Так, ооциты дрозофилы за 3 дня увеличиваются в 90 тыс. раз. У лягушек диаметр молодого ооцита примерно 50 мкм, а зрелого – 2 000 мкм, что соответствует увеличению объема в 64 тыс. раз. Рост ооцита идет сравнительно медленно только летние лягушки достигают половоз- релости. Несравненно быстрее растет яйцо у птиц. Например, у курицы последние 6 дней перед овуляцией объем яйца возрастает враз. Яйца млекопитающих меньше по размеру диаметр яйца мыши возрастает от 20 до 70 мкм, что все же соответствует росту объема более чем враз. Рост яйцеклетки млекопитающих может длиться десятки лет, например, у человека – около 30 лет. Болотов А. В. Биология размножения и развития При подготовке к 1-му делению созревания ооцит длительное время находится в фазе диакинеза, когда и происходит его рост и вителлогенез. Рост ооцитов всех животных принято разделять на два периода. Первый из них называют периодом малого роста (стадия Винвартера), превителлогенеза, или цитоплазматического роста второй – периодом большого роста, вителло- генеза, или трофоплазматического роста. Для первого периода характерно относительно малое ипритом пропорциональное увеличение массы ядра и цитоплазмы таким образам, ядерно- цитоплазматическое отношение при этом не изменяется. Второй период характеризуется, напротив, резкой интенсификацией роста цитоплазматических компонентов ядерно-цитоплазма- тическое отношение при этом уменьшается. В течение второго периода в ооците откладывается желток. В период вителлогенеза в ооците го порядка образуется желток, а также другие питательные вещества – жиры и гликоген. Желток представляет собой высокофосфорилированный кристаллический белок. Он откладывается в виде желточных гранул, одетых пограничной мембраной. По количеству откладываемого в период вителлогенеза желтка яйцеклетки принято делить на полилецитальные, или многожелтковые (например, большинство членистоногих, некоторые рыбы, птицы, мезоле- цитальные – со средним количеством желтка (амфибии, осетровые рыбы, олиголецитальные – маложелтковые (большинство червей, моллюсков, иглокожих) и алецитальные, те. практически безжелтковые (плацентарные формы – млекопитающие, а также и некоторые беспозвоночные, например первичнотрахейные. Количество желтка строго детерминировано генетически и не зависит от условий питания самки. По способу образования желток принято разделять на экзогенный и эндогенный. Присущий большинству видов животных экзогенный желток строится на основе белка – предшественника вителлогенина, который поступает в ооцит извне. У позвоночных вителлогенин синтезируется в печени материи транспортируется к содержащему ооцит фолликулу по кровеносным сосудам. Попадая затем в пространство, непосредственно окружающее ооцит (периооцитное пространство, вителлогенин поглощается ооцитом путем пиноцитоза, в составе так называемых V. Гаметогенез окаймленных мембранных пузырьков. Каждая гранула желтка образуется в результате слияния большого количества (до тысячи) таких пиноцитозных пузырьков. При формировании гранул желтка вителлогенин расщепляется насильно фосфорилированный белок фосвитин и другой белок – липовителлин, содержащий до 20 % липидов. Эндогенный желток синтезируется из низкомолекулярных предшественников внутри самого ооцита, в его сильно развитом эндоплазматическом ретикулуме. Желточные гранулы возникают из концевых цистерн аппарата Гольджи. Лишь немногие типы яйцеклеток развиваются исключительно за счет эндогенного желтка. Подготовка к делениям созревания и синтетические процессы в период превителлогенеза. Весь период превителлогенеза проходит на фоне подготовки ооцита го порядка к последующим делениям созревания, или мейоза. Подготовка к 1- му делению созревания начинается вслед за прекращением оогониальных делений с того, что ооцит вступает в фазу редукционного деления, те. в фазу удвоения ДНК (предшествующую любому клеточному делению. Удвоенное количество ДНК в геноме, достигнутое по завершении этой фазы (с. Затем наступает профаза го деления мейоза. Профаза мейоза продолжается у ооцитов млекопитающих от несколько дней (у кроликов до 20 дней) до нескольких лету птиц и млекопитающих, однако по достижении фазы диплотены, когда гомологичные хромосомы уже прошли конъюгацию и начали расходиться, наступает стационарная фаза диакинеза. На этой стадии дальнейшее течение мейоза сильно замедляется или же полностью прекращается. Этот блок мейоза продолжается до достижения особью половозрелости, те. у ряда млекопитающих и человека много лет. Однако в период диакинеза ядерный материал ооцита не является инертным у большинства яйцеклеток, обладающих так называемым солитарным, или фолликулярным способами питания, он выполняет роль матрицы для синтеза всех видов РНК – рибосомных, транспортных и информационных, или матричных (соответственно рРНК, тРНК и мРНК). Все эти типы РНК синтезируются преимущественно впрок, те. для использования уже оплодотворенной яйцеклеткой. Болотов А. В. Биология размножения и развития События, происходящие в половой клетке в это время происходит накопление питательных веществ, как источника энергии удваивается молекула ДНК удваивается клеточный центр синтезируется специальный белок типа тубулина для построения нитей веретена деления происходит конъюгация и кроссинговер гомологичных хромосом. Кроме ооцита го порядка в стадию роста начинают расти и вспомогательные фолликулярные клетки. С этого момента фолликулы получают название вторичных или растущих фолликулов. Постепенно плоские фолликулярные клетки становятся кубическими, а затем и высокими – призматическими. Они формируют вторичную оболочку – лучистый венец. Затем, за счёт веществ, вырабатываемых ооцитом го порядка и клетками лучистого венца, между ними появляется блестящая или прозрачная оболочка, состоящая из гликозаминогликанов (гиалуроновая кислота) и белков. Затем фолликулярные клетки лучистого венца начинают размножаться и формируют снаружи зернистый слой – это будет третья вторичная оболочка, состоящая из множества плотно прилегающих другу другу фолликулярных клеток (отсутствуют щели между клетками. Снаружи вторичный фолликул покрывается соединительнотканной оболочкой – те- кой. Итак вторичный или растущий фолликул состоит из овоци- та го порядка, покрытого плазмалеммой, блестящей оболочкой, лучистым венцом (это первый слой кубических или призматических фолликулярных клеток. В некоторых фолликулах снаружи лучистого венца расположен зернистый слой из плотно прилегающих фолликулярных клеток. В период полового созревания организма фолликулярные клетки зернистого слоя вырабатывают половые гормоны (фол- ликулины или эстрогены, которые скапливаются в небольших щелях между клетками зернистого слоя. Такой фолликул, в котором имеются полости с гормонами, называется третичным или пузырчатым. Самые зрелые третичные фолликулы называются Граафовым пузырём. V. Гаметогенез Наружная оболочка Граафова пузыря – тека, состоящая из двух слоев наружного – фиброзного и внутреннего – сосудистого, состоящего из ретикулярной ткани, пронизанной множеством капилляров. Здесь содержится много кровеносных сосудов и интерстициальных клеток, дополнительно вырабатывающих половые гормоны. Тека отделяется от эпителиальных фолликулярных клеток зернистого слоя базальной мембраной (это студне- видная прослойка. Внутренний слой зернистой оболочки представлен клетками цилиндрической формы с радиальным расположением. Этот слой называется лучистым венцом (рис. 10, 4). Своими отростками фолликулярные клетки передают питательные вещества яйцеклеткам, которые находятся в стадии роста. Среди клеток зернистого слоя появляются щели, или полости, заполненные жидкостью. Таких щелей становится все больше, они объединяются и образуют общую полость, с этого момента фолликул называется пузырчатым или Граафовым пузырьком. Граафов пузырек сильно увеличивается и выпячивает стенку яичника. Внутри фолликула появляется бугорок (яйценосный) рис. 10, 1) – это скопление фолликулярных клеток, и на его вершине среди зернистых фолликулярных клеток располагается созревающее яйцо, окруженное высокими фолликулярными трофическими клетками, образующими лучистый венец. Стенки Граафова пузырька секретируют женский половой гормон – эстроген, которым насыщается жидкость пузырька. Попадая в кровь, он стимулирует образование лютеотропного гормона в гипофизе. Скопление половых гормонов в Граафовом пузыре приводит к тому, что пузырь лопается, а ооцит го порядка в прозрачной оболочке и лучистом венце овулирует в брюшную полость (рис. 9, 7), где его подхватывает воронка яйцевода. Дальнейшее развитие половой клетки будет происходить в трубке яйцеводе. У свиньи водном Граафовом пузырьке может созревать несколько яйцеклеток. У овец могут овулировать несколько Граафовых пузырьков. 3. Стадия созревания, или мейоз состоит из двух быстро следующих друг за другом делений – редукционного и экваци- онного (уравнительного. При первом этапе (начало) мейоза ооцит го порядка даёт начало двум дочерним клеткам с половинным набором хромосом. Это будет ооцит го порядка и ма- Болотов А. В. Биология размножения и развития 96 ленькое направительное тельце. И завершается выходом его из яичника в результате овуляции. Рис. 18. Схема делений созревания в ооците (по Э. Вильсону, 1940): А – метафаза го деления созревания Б, В – выделение I полярного тельца (1); Г, Д – метафаза и анафаза го деления созревания (одновременно делится I полярное тельце Е – выделение II полярного тельца (2) Перед м делением созревания ядро ооцита мигрирует к его поверхности. Та точка поверхности ооцита, к которой ближе всего располагается ядро, названа анимальным, противоположная вегетативным полюсом яйцеклетки. Затем в результате го деления созревания половина хромосомного набора выталкивается в очень маленькую клетку, которая называется первым редукционным, или полярным тельцем (рис. 18, В. Впоследствии эта клетка делится на две столь же малые, и никакого участия в дальнейшем развитии они не принимают (за исключением некоторых случаев партеногенеза. Яйцевая клетка после выделения го редукционного тельца называется ооцитом го порядка. Второе деление созревания осуществляется путем V. Гаметогенез выделения го редукционного тельца таких же размеров, как иго. После его выделения ооцит го порядка превращается в зрелое яйцо (рис. 18, Г. Биологический смысл резкой неравномерности делений созревания очевиден невыгодно дробить на части накопленный в процессе роста яйцеклетки запас питательных веществ. Итак, блок мейоза продолжается до достижения особью по- ловозрелости, Выход из фазы диакинеза и начало собственно делений созревания определяются половыми гормонами гонадотропные гормоны гипофиза воздействуют на фолликулярный эпителий, продуцирующий в ответ прогестерон или его аналоги. Гормоны фолликулярного эпителия поступают в ооцит и стимулируют его к созреванию. Современные представления о механизмах этого процесса таковы. Как уже говорилось, в период роста ооцита он связан с фолликулярными клетками щелевыми контактами, через которые из последних в ооцит поступает цАМФ. Высокий уровень цАМФ блокирует (путем фосфорилирования) белковый фактор созревания, который присутствует в цитоплазме ооцита. Под действием прогестерона или его аналогов щелевые контакты размыкаются, концентрация цАМФ в цитоплазме ооцита падает, и фактор созревания деблокируется (дефосфорилируется). Далее он способен еще не вполне изученным образом размножаться (амплифицироваться) в цитоплазме достаточно инъецировать немного этого фактора в незрелый ооцит, чтобы затем его количество возросло. Фактор созревания вызывает дезинтеграцию разрушение) оболочки ядра ооцита, разрушение ядрышек ими- грацию хромосом к будущему анимальному полюсу, где и произойдут деления созревания. Из двух делений созревания первое у большинства видов является редукционным, так как именно входе этого деления гомологичные хромосомы расходятся по разным клеткам. Таким образом, каждая из разделившихся клеток приобретает половинный (гаплоидный) набор хромосом, где каждый ген представлен лишь одной аллелью. Поскольку 1-му делению созревания предшествовала, как и обычному митотическому делению, S- фаза, каждая из разошедшихся хромосом содержит двойное количество ДНК (две хроматиды). Эти генетически идентичные Болотов А. В. Биология размножения и развития 98 хроматиды и расходятся по сестринским клеткам во м делении созревания, которое является эквационным (как и обычное деление соматических клеток. Наследственный материал представляет из себя одну хромосому, содержащую двойное количество ДНК (1n2c) (рис. 19). Рис. 19. Схема оогенеза и сперматогенеза Эти клетки без интерфазы моментально делятся снова, проходя состояние профазы, метафазы, анафазы и телофазы. При этом из ооцита го порядка образуется крупная зрелая яйцеклетка и крошечное направительное тельце. А из первого направительного тельца также образуются две дочерние клетки – два направительных тельца (рис. 18, 2; 19). V. Гаметогенез Итог мейоза четыре дочерние клетки с половинным набором хромосом (это яйцеклетка и три направительных тельца, которые почти сразу погибают и рассасываются. На месте лопнувшего Граафова пузыря в яичнике отмечается небольшое кровотечение. Здесь размножаются фолликулярные клетки, откладывается желтый пигмент. Так образуется желтое тело – железа внутренней секреции. Она вырабатывает гормон – прогестерон, тормозящий овогенез. Различают 1) желтое тело полового цикла, оно функционирует один половой цикли рассасывается, превращаясь сначала в белое тело (рис. 9, 11); 2) желтое тело беременности (функционирует в период беременности. Некоторые третичные фолликулы в яичнике, наработав гормоны, подвергаются разрушению. После двух делений созревания число хромосом в каждой из клеток оказывается гаплоидным (1n), количество ДНК в каждом клеточном ядре тоже будет гаплоидным (с. Основная особенность делений созревания в ооцитах состоит в том, что эти деления резко неравномерны. Лишь у немногих видов (некоторые кишечнополостные из иглокожих – морские ежи) мейоз доходит до конца безучастия сперматозоида, внедряющегося в яйцеклетку. У большинства животных течение мейоза останавливается на некотором этапе созревания (возникает, как говорят, блок мейоза, и для дальнейшего его протекания требуется оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом (или действие другого активирующего агента. Различают следующие три типа блока мейоза 1. Мейоз останавливается на стадии диакинеза, те. участие сперматозоида необходимо для протекания обоих мейотических делений. Этот тип блока мейоза наблюдается у губок, отдельных представителей плоских, круглых и кольчатых червей, моллюсков и щетинкочелюстных. Удивительным образом сюда же относятся три представителя млекопитающих собака, лиса и лошадь. 2. Мейоз останавливается на метафазе го деления созревания. Такой блок мейоза отмечен у некоторых губок, немертин, кольчатых червей, моллюсков и почти у всех насекомых. 3. Мейоз останавливается на метафазе го деления созревания. Сюда относятся почти все хордовые. У летучих мышей Болотов А. В. Биология размножения и развития блок мейоза происходит на анафазе го деления созревания. Именно на этих стадиях созревания происходит овуляция яйцеклетки у млекопитающих. Лишь оплодотворение позволяет завершиться ее созреванию и перейти к дальнейшему развитию. 4. Мейоз не блокируется, яйцо останавливается в развитии после завершения мейоза, когда сформирован женский пронукле- ус (некоторые кишечнополостные и иглокожие – морские ежи. В большинстве случаев блок мейоза снимается после активации яйца при оплодотворении или путем искусственной активации. Механизм блока мейоза пока не выяснен. Яйцеклетки, или ооциты созревают в неизмеримо меньшем количестве, чем сперматозоиды. У женщины в течение полового цикла 24–28 дней) созревает, как правило, одна яйцеклетка. Таким образом, за детородный период образуются около 400 зрелых яйцеклеток. |