Проникновение сперматозоида в яйцеклетку

Вслед за узнаванием спермия желточной (прозрачной) оболочкой яйца происходит лизис части этой оболочки в области головки спермия, в результате чего плазматические мембраны спермия и яйца сливаются. Поверхность яйца покрыта микроворсинками, контакт между сперматозоидом и яйцом вызывает полимеризацию актина и увеличение размеров микроворсинок, которые формируют воспринимающий бугорок.

Временно существующий воспринимающий бугорок в значительной степени гомологичен акросомному выросту. У морских ежей воспринимающий бугорок может возникать в любой области яйца (рис. 14).

У некоторых амфибий и многих беспозвоночных узнавание спермия и слияние с ним происходит в специализированных областях. Слияние представляет собой активный процесс, часто опосредуемый специфическими «фузогенными» (fusogenic) белками. Известно, что такие белки, как НА-белок вируса гриппа и F-белок вируса Сендай, способствуют слиянию клеток. Не исключено, что биндин относится к белкам именно такого типа.

Рис. 14. Оплодотворение у морского ежа (по Гилберту, 1993): А — спермии, прикрепленные к желточной оболочке яйца; Б — спер­мий вовлекается в яйцо

Предотвращение полиспермии. При нормальном моноспермном опло­дотворении гаплоидные ядра спермия и яйца соединяются, образуя диплоидное ядро зиготы, при этом восстанавливается присущее виду число хромосом. Полиспермия (проникновение множества спермиев) приводит у большинства животных к гибельным последствиям. Например, у морских ежей при оплодотворении двумя спермиями возникает триплоидное ядро, в котором каждая хромосома представлена тремя, а не двумя копиями. Вместо нормального процесса — разделения хромосом с помощью биполярного веретена между двумя дочерними клетками — происходит распределение триплоидного набора между четырьмя клетками. В результате одни клетки получают лишние копии некоторых хромосом, тогда как у других эти хромосомы отсутствуют. Такие клетки либо погибают, либо развиваются атипично.

Существуют механизмы защиты яйцеклетки от полиспермии.

Быстрый блок полиспермии. Сразу после контакта первого спермия с плазматической мембраной яйца она (мембрана) должна утрачивать способность сливаться с плазматической мембраной спермия. Быстрый блок полиспермии достигает этой цели путем изменения электрического потенциала плазматической мембраны яйца (рис. 15).

Рис. 15. Мембранный потенциал в яйце морского ежа до и после оплодотворения (по Гилберту, 1993)

Медленный блок полиспермии. Быстрый блок полиспермии действует недолго. Мембранный потенциал яйца морского ежа остается положительным только около 1 мин. Это кратковременное смещение потенциала может быть недостаточно для предотвращения полиспермии. Удаление избыточных спермиев, прикрепленных к желточной оболочке, осуществляется посредством кортикальной реакции. Этот более медленный блок полиспермии начинает действовать примерно через 1 мин после прикрепления спермия к яйцу.

В яйце морского ежа непосредственно под плазматической мембраной располагаются около 15 000 кортикальных гранул. После контакта спермия с яйцом в присутствии Ca²+ эти кортикальные гранулы сливаются с плазматической мембраной и выделяют содержимое в область между плазматической мембраной и желточной оболочкой (рис. 16).

Белки, связывающие желточную оболочку и поверхность яйца, разрушаются высвобождающимися пептидазами:

• вителлиновая деламиназа — отделяет желточную оболочку от цито- плазматической мембраны яйцеклетки;

• сперморецепторная гидролаза — освобождает поверхность яйца от осевших на желточной оболочке сперматозоидов, лизируя сайты их соединения.

Выделяемые мукополисахариды и осмотически активный гликопротеид создают осмотический градиент, обусловливающий поступление воды из цитоплазмы яйца в пространство между желточной оболочкой и плазматической мембраной (перивителлиновое пространство). В результате объем яйцеклетки несколько уменьшается, желточная оболочка отделяется от поверхности яйца и с этого момента называется оболочкой оплодотворения. В процессе кортикальной реакции она претерпевает ряд изменений:

• воздействие протеаз приводит к изменению свойств биндиновых ре­цепторов или к их отделению вместе с прикрепленными к ним спермиями;

• ферменты из кортикальных гранул разрушают связи желточной оболочки

Рис. 16. Формирование оболочки оплодотворения (по Гилберту, 1993): 1 — оболочка оплодотворения; 2 — гиалиновый слой

• пероксидаза, содержащаяся в кортикальных гранулах, вызывает затвердевание оболочки путем образования поперечных связей между остатками тирозина соседствующих белков.

Образование оболочки оплодотворения начинается в месте проникновения спермия (примерно через 20 с после прикрепления) и отсюда распространяется по всей поверхности яйца, завершаясь к концу первой минуты после прикрепления оплодотворяющего спермия. Одновременно происходит выделение гиалина — белка, запасенного в кортикальных гранулах, который образует сплошной слой вокруг яйца. Плазматическая мембрана взаимодействует с этим белком, и гиалиновый слой поддерживает бластомеры в период дробления.

У млекопитающих кортикальная реакция не вызывает образования оболочки оплодотворения, но результат ее оказывается таким же, как и у морских ежей: рецепторы спермиев изменяются, и они больше не удерживают сперматозоиды на поверхности яйца. Этот процесс изменения свойств рецепторов спермиев носит название реакции прозрачной оболочки или реакции zona.

У млекопитающих частота полиспермии бывает минимальной благодаря малому числу спермиев, достигающих места, где происходит оплодотворение. Механизмы защиты от полиспермии, наблюдаемой при оплодотворении богатых желтком яиц (некоторые птицы, рептилии, амфибии), когда в цитоплазму проникает несколько сперматозоидов, неясны. При этом все спермии, за исключением одного, разрушаются, после того как женский пронуклеус сольется с мужским.

Механизм кортикальной реакции сходен с механизмом акросомной реакции. Прикрепление спермия к плазматической мембране яйца через активацию находящегося в мембране G-белка стимулирует активность другого мембраносвязанного фермента — фосфолипазы С. Она, в свою очередь, расщепляет находящийся здесь же фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат на диацилглицерол — ДАГ (остается связанным с мембраной), и инозитолтрифосфат — ИТФ (диффундирует в цитоплазму).

Диацилглицерол посредством протеинкиназы С активирует Na+/Н+-ан- типортер, что приводит к увеличению внутриклеточного pH (натрий входит в клетку, а протон ее покидает) и как следствие активации белкового синтеза, репликации ДНК и перемещения морфогенетических детерминант в цитоплазме (при участии Ca²+). ИТФ вызывает высвобождение Ca²+ из внутриклеточных депо (эндоплазматического ретикулума), что приводит к экзоцитозу кортикальных гранул и включению медленного блока полиспермии, а также образованию гиалинового слоя вокруг яйца.

Другим Ca²+-зависимым эффектом является активация НАД-киназы, которая катализирует превращение НАД в НАДФ+, что в конечном итоге обеспечивает синтез новых липидных компонентов плазматической мембраны, необходимых для последующего протекания процесса дробления.