Оогенез

Тема Строение и развитие половых клеток

1. Оогенез.

2. Сперматогенез.

3. Регуляция сперматогенеза.

4. Отличия оогенеза и сперматогенеза.

Оогенез

Яйцевые клетки образуются в женской половой железе — яичнике (ovarium), расположенной в области малого таза, длиной 2,5-5,5 см, шириной 1,5-3,0 см, толщиной до 2 см, весом 5-8 г. Они проходят долгий путь развития, который начинается в эмбриональном и продолжается в репродуктивном периоде онтогенеза особей женского пола (рис.).

Первичные половые клетки возникают на ранних этапах эмбриогенеза из энтодермальных клеток вегетативного полюса, как, например, у бесхвос­тых амфибий, или из энтодермальных клеток желточного мешка, как у всех амниот — пресмыкающихся, птиц и млекопитающих. ППК очень рано от­личаются от других клеток благодаря крупным размерам и прозрачной ци­топлазме. Половые железы в этот момент только начинают формироваться. Экспериментально было показано, что первичные половые клетки мигри­руют из места возникновения в развивающиеся гонады и заселяют их. У млекопитающих они перемещаются по дорсальной брыжейке, будучи способными в этот период к амебоидному движению. У птиц миграция про­исходит пассивно по кровяному руслу. У высших позвоночных не обнару­жено веществ, стимулирующих миграцию первичных половых клеток к го­надам. Существует мнение, что первичные половые клетки, оказавшись в каких-либо других участках зародыша, как правило, гибнут, но иногда могут перерождаться в опухоли.

Попав в гонады, первичные половые клетки начинают пролиферировать. Они делятся митозом и называются оогониями. Наступает стадия размножения. У большинства низших позвоночных оогонии сохраняют способность к делению на протяжении всего репродуктивного периода, например, рыбы за один нерест выделяют тысячи яиц, земноводные — сотни (животные с наружным оплодотворением).

Виды, для которых характерно внутреннее оплодотворение, проду­цируют половые клетки более экономно. У млекопитающих размножение овогониев протекает только в эмбриональном периоде и к концу внутриутробного развития прекращается. Так, у человека максимальное количество оогониев (6-7 млн) наблюдается у пятимесячного плода. Далее следует массовая дегенерация половых клеток, количество которых у новорожденной девочки составляет около 1 млн, а к семи годам сокращается до 300 тысяч.

Рис. Схема процесса оогенеза человека

Женская половая клетка, прекратившая размножение, называется ооцит I порядка. Начинается свойственный только этой клетке период роста. Он связан с поступлением в яйцеклетку питательных веществ извне и с синтезом их в самой яйцеклетке. Масса и объем яйцеклетки увеличиваются в огромное количество раз (у насекомых — в 90 000 раз, у млекопитающих — более чем в 40 раз).

Рост ооцитов принято разделять на два периода:

• малого, или цитоплазматического, роста (превителлогенез): про­исходит относительно небольшое пропорциональное увеличение массы ядра и цитоплазмы;

• большого, или трофоплазматического, роста (вителлогенез): резко интенсифицируется рост цитоплазматических компонентов, в ооците откладывается желток.

Весь период превителлогенеза проходит на фоне подготовки ооцита I порядка к последующим делениям созревания (мейоза). Подготовка к пер­вому делению созревания начинается с того, что ооцит вступает в S-период редукционного деления (фаза удвоения ДНК). Затем следует профаза первого деления мейоза, которая продолжается у ооцитов млекопитающих несколько дней.

По достижении фазы диплотены, когда гомологичные хромосомы уже прошли конъюгацию и начали расходиться к противоположным полюсам ядра, наступает стадия диакинеза. На ней дальнейшее течение мейоза сильно замедляется. Остановка мейоза продолжается до достижения особью по- ловозрелости, т. е. длится много лет, применительно к некоторым млекопи­тающим и человеку. В период диакинеза ядерный материал ооцита не оста­ется инертным: у большинства яйцеклеток он выполняет роль матрицы для синтеза всех видов РНК — информационных, транспортных, матричных и рибосомальных. Все эти типы РНК синтезируются впрок и используются уже оплодотворенной яйцеклеткой. Синтез рРНК связан с уникальным процессом амплификации генов (т. е. временного увеличения числа генов, кодирующих данный вид РНК). Амплификация осуществляется путем избирательного копирования рибосомальных генов, расположенных вдоль нити ДНК. Отделившиеся копии обособляются морфологически в виде ядрышек, которых может насчитываться несколько тысяч.

После созревания ооцита ядрышки выходят в его цитоплазму и там ли- зируются. Синтез рРНК протекает в течение 3-6 месяцев. Низкомолеку­лярные рРНК и тРНК синтезируются без амплификации — их быстрое на­копление обусловлено тем, что кодирующие их гены многократно повторе­ны. Усиливающаяся синтетическая активность нуклеиновых кислот приво­дит к образованию хромосом типа ламповых щеток, что связано с наличием деспирализованных участков ДНК, на которых идет синтез мРНК. В зрелой яйцеклетке насчитывается до 25-50 тыс. различных типов мРНК.

В период вителлогенеза в ооците I порядка образуется желток, а также жиры и гликоген. Желток — это высокофосфорилированный кристал­лический белок. Его количество в клетке строго детерминировано гене­тически и не зависит от условий питания самки. Вителлогенез может осу­ществляться за счет синтеза желтка внутри ооцита (эндогенный желток), либо желток синтезируется вне яичника (экзогенный желток). Синтез эн­догенного желтка происходит в эндоплазматическом ретикулуме из кон­цевых цистерн аппарата Гольджи. Накопление желтка может идти и в ми­тохондриях, которые при этом перерождаются в желточные гранулы. Большинству видов животных присуще образование экзогенного желтка. Он строится на основе белка, предшественника вителлогенина, поступающего в ооцит извне.

У позвоночных вителлогенин синтезируется в печени матери, транс­портируется к содержащему ооцит фолликулу по кровеносным сосудам и поглощается ооцитом путем пиноцитоза. В дальнейшем, при формировании гранул желтка, он распадается на липовителлин и фосфовитин, входящие в состав экзогенного желтка. Синтез вителлогенина клетками печени находится под гормональным контролем. Выделяемый гипоталамусом лю- либерин стимулирует продукцию гонадотропных гормонов гипофиза (ФСГ, ЛГ) в кровь. Под их воздействием клетки фолликула синтезируют в кровоток эстроген. Последний индуцирует, а впоследствии и контролирует, как на уровне транскрипции, так и на уровне трансляции, синтез вителлогенина клетками печени.

Созревание ооцита — это процесс последовательного прохождения двух делений мейоза (делений созревания). При подготовке к первому деле­нию ооцит длительное время находится в фазе диакинеза, когда и происхо­дит его рост и вителлогенез. Начало собственно делений созревания при­урочено к достижению самкой половой зрелости и определяется половыми гормонами.

Контроль за процессом созревания яйцеклетки лучше всего изучен у амфибий. У этих животных гонадотропины, находящиеся под контролем гипофиза, действуя на окружающие ооциты фолликулярные клетки, иници­ируют выделение последними стероидного гормона прогестерона. Подобно другим стероидным гормонам, прогестерон способен диффундировать через плазматические мембраны большинства клеток-мишеней и связываться с внутриклеточными рецепторными белками, регулирующими транскрипцию специфических генов. Однако при созревании ооцита прогестерон, по-видимому, действует иначе. Он связывается с рецепторными белками плазматической мембраны. При этом происходит инактивация плазма­тической аденилатциклазы, в результате чего снижается концентрация цик­лического АМФ в цитозоле и соответственно активность цАМФ-зависимой протеинкиназы (А-киназы). Поскольку А-киназа отвечает за фосфорилиро- вание N-концевых участков белков, то ее инактивация приводит к дефосфо- рилированию фактора созревания яйцеклеток (фактор инициации М-фазы, ФИМ), находящегося в цитоплазме. При этом он деблокируется, т. е. пере­ходит в активное состояние.

В норме ФИМ запускает переход из профазы первого деления мейоза в метафазу второго деления. Зрелые ооциты задерживаются на стадии мета- фазы II, когда уровень ФИМ высок. Инактивация А-киназы инициирует ак­тивацию небольших количеств ФИМ, которые, в свою очередь, активируют новые порции ФИМ (положительная обратная связь). Замечательное свой­ство ФИМ — его способность к автокаталитическому саморазмножению, т. е. он может фосфорилировать сам себя и, следовательно, активировать. Фактор созревания вызывает разрушение оболочки ядра ооцита, разрушение ядрышек и миграцию хромосом к будущему анимальному полюсу, где и произойдут деления созревания.

Основная особенность деления созревания в ооцитах состоит в том, что эти деления резко неравномерны. В результате первого деления созревания половина хромосомного набора выталкивается в очень маленькую клетку — редукционное (полярное или направительное) тельце. Впоследствии эта клетка делится на две столь же малые, и никакого участия в дальнейшем развитии они не принимают. Яйцеклетка после выделения первого редук­ционного тельца называется ооцитом II порядка.

Рис. 8. Ооцит II порядка после овуляции (по Алмазову, Сутулову, 1978): 1 — первое редукционное тельце; 2 — веретено второго деления созревания; 3 — блестящая зона; 4 — фолликулярные клетки

Второе деление созревания осуществляется путем выделения второго редукционного тельца таких же размеров, как и первое. После его выделения ооцит II порядка превращается в зрелое яйцо (рис. 8).

Количество яиц, созревающих одновременно, редко достигает 15, обычно их бывает меньше, иногда только одно (человек). У большинства животных течение мейоза останавливается на некотором этапе созревания (блок мейоза), а для дальнейшего его протекания требуется оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом (исключение составляют морские ежи и некоторые кишечнополостные).

Различают три типа блока мейоза (именно на этом этапе происходит овуляция яйцеклетки):

• на стадии диакинеза (губки, моллюски, отдельные представители плоских, круглых, кольчатых червей, млекопитающие: собака, лиса, лошадь);

• метафазы 1-го деления созревания (губки, немертины, кольчатые черви, насекомые);

• метафазы 2-го деления созревания (хордовые; у летучих мышей блок мейоза наступает в анафазе 2-го деления созревания).