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.