Лекция 4

Морфофизиологическая характеристика половых клеток. Гаметогенез. Мейоз. Особенности сперматогенеза и овогенеза.

Все организмы, размножающиеся половым путем, развиваются из одной клетки – зиготы, которая образуется в результате слияния двух половых клеток (гамет). Мужские половые клетки – сперматозоиды, яйцеклетки – женские половые клетки. Сперматозоиды образуются в мужских половых железах – семенниках, яйцеклетки в женских половых железах – яичниках. Женские и мужские половые клетки имеют различное строение. Яйцеклетки обычно имеют круглую или овальную форму. Размеры их варьируют в значительной степени. Особенно больших размеров яйцеклетки животных, потомство которых развивается вне утробы матери (яйца птиц, икра рыб). Как и все клетки яйцеклетки имеют плазмолемму, цитоплазму, различные органеллы и включения. Кроме плазмолеммы, яйцеклетки большинства организмов имеют одну или несколько дополнительных оболочек. В зависимости от происхождения выделяют первичную, вторичную и третичные оболочки. Первичная оболочка образуется самой яйцеклеткой, вторичная оболочка – продукт деятельности фолликулярных клеток яичников. Третичные оболочки – это оболочки, которыми яйцо окружается во время прохождения по яйцеводу. В яйцеклетке млекопитающих (человека) вокруг плазматической мембраны имеется светлая оболочка (блестящая) – zona pellucida (рис. 1). Она продуцируется самим яйцом, а также фолликулярными клетками, расположенными снаружи. Это, собственно, одновременно первичная и вторичная оболочка яйцеклетки млекопитающих. Сверху ее находится лучистый венец (corona radiata), образованный фолликулярными клетками, которые прилегают к яйцеклетке.

Рис. 1. Яйцеклетка человека

Из включений яйцеклеток особое значение имеют питательные вещества, которые обеспечивают развитие и рост зародыша. Эти включения находятся обычно в виде желтка. Желток содержит жиры, белки, углеводы, минеральные вещества. В зависимости от количества и характера распределения питательного вещества по цитоплазме яйцеклетки различают следующие типы яйцеклеток: 1) изолецитальные; 2) умеренно-телолецитальные; 3) резко-телолецитальные; 4) центролецитальные (рис. 2). Изолецитальные яйцеклетки содержат относительно мало питательного вещества, равномерно распределенного по всей цитоплазме. Телолецитальные (умеренно- и резко-) имеют большой запас питательного вещества, расположенного у одного из полюсов клетки (вегетативный полюс). Противоположный полюс – анимальный. В центролецитальных яйцеклетках центральное положение занимает ядро, вокруг которого находится питательный материал, под оболочкой только узкая полоска цитоплазмы (рис. 2).

Рис. 2. Типы яйцеклеток

Особенности строения яйцеклеток связаны с условием развития зародыша. Изолецитальные яйцеклетки встречаются у низших животных с коротким сроком эмбрионального развития, а также среди высших – у видов, зародыши которых развиваются внутри утробно (млекопитающие). Телолецитальные яйцеклетки характерны для позвоночных, зародыши которых развиваются вне утробно (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и птицы). Яйцеклетка человека относится к изолецитальному типу. Она имеет форму шара с диаметром 100-150 мкм.

Сперматозоиды характеризуются малыми размерами (человека – 52-70 мкм). По внешней форме сперматозоиды отличаются от других клеток. Зрелый сперматозоид состоит из четырех частей – головки, шейки, средней части и хвоста (жгутика) (рис. 3). Сперматозоид «избавлен от всего лишнего» и не содержит такие органеллы как рибосомы, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, присутствия которых не требуется для передачи ДНК яйцеклетке. Основную массу головки составляет ядро. Кроме того, в головке сперматозоида располагается специализированный пузырек, называемый акросомой. Он содержит гидролитические ферменты. Акросоме принадлежит большая роль в проникновении сперматозоида в яйцеклетку. В шейке сперматозоида расположены две центриоли – проксимальная и дистальная. Дистальная центриоль участвует в образовании осевой нити хвоста, а проксимальная – веретена деления оплодотворенной яйцеклетки. В средней части находятся митохондрии, которые обеспечивают энергией двигательную активность сперматозоида. Мощный жгутик, благодаря которому сперматозоид движется в жидкой среде, содержит осевую нить, окруженную небольшим количеством цитоплазмы и плазматической мембраной. Все сперматозоиды несут одноименный заряд, что препятствует их склеиванию.

Рис. 3. Строение сперматозоида

Итак, мужские и женские половые клетки по форме и строению существенно отличаются друг от друга. Однако они обладают и некоторыми общими свойствами. Главное общее свойство – они имеют гаплоидный набор хромосом в отличие от соматических клеток.

Процесс развития, формирования половых клеток получил название – гаметогенез. Процесс образования мужских половых клеток называют сперматогенезом, а женских – овогенезом.

Понимание того, что половые клетки гаплоидны и потому должны формироваться с помощью особого механизма клеточного деления пришло в конце 19 века. При таком делении набор хромосом делится точно пополам. Деление такого типа было названо мейоз (слово греческого происхождения, означающее «уменьшение»).

Мейоз является одним из периодов развития половых клеток. Процесс развития половых клеток получил название гаметогенез (сперматогенез, овогенез). При сперматогенезе и овогенезе периоды развития в целом совпадают. У эмбрионов всех позвоночных на ранней стадии развития определенные клетки обособляются (отделяются) от других клеток тела как предшественники будущих гамет. Такие первичные половые клетки мигрируют в развивающиеся гонады (яичники у самок, семенники у самцов), где после периода митотического размножения вступают в период роста, затем в период созревания (претерпевают мейоз) и дифференцируются в зрелые гаметы.

Гаметогенез:

первичные половые клетки

↓ митотическое размножение ↓

гаметогонии 2n2c

↓ период роста ↓

гаметоциты I порядка 2n4c

период созревания (мейоз)

↓ мейоз I ↓

гаметоциты II порядка 1n2c

↓ мейоз II ↓

прегаметы 1n1c

↓ период формирования ↓

гаметы 1n1c

Ключевым периодом гаметогенеза является период созревания (мейоз). Мейоз представляет собой два последовательных клеточных деления, из которых только одно сопровождается удвоением ДНК. Классическая схема стадий митоза неприменима для описания сложных движений хромосом при мейозе.

В первое деление мейоза клетки вступают из периода роста, в котором произошло удвоение генетического материала. Каждая хромосома образует пару тесно связанных сестринских хроматид.

Профаза I. В профазе первого деления мейоза происходят сложнейшие изменения в ядре клетки. В соответствии с этими изменениями профаза делится на пять последовательных стадий: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез.

Лептотена (стадия тонких нитей). Соответствует ранней профазе. Хромосомы выходят из интерфазного состояния, спирализуются, переходят в конденсированную форму и выявляются в виде тонких нитей. Каждая хромосома уже реплицирована и состоит из двух сестринских хроматид, но тесно сближенных между собой и не различимых в эту стадию. Каждая хромосома обоими концами прикреплена к ядерной мембране.

Зиготена (стадия сливающихся нитей). Моментом перехода лептотены в зиготену считают начало синапсиса - тесной конъюгации гомологичных хромосом. Конъюгация отличается поразительной точностью и специфичностью: каждая точка одной из гомологичных хромосом совмещается с соответствующей точкой другой хромосомы. Способностью к гомологичному притяжению обладают отдельные гены, в результате точность гомологичной конъюгации хромосом достигает молекулярного уровня. Пока мы не знаем, что заставляет гомологичные участки хромосом точно ориентироваться друг против друга на стадии зиготены. Перед самой пахитеной между гомологичными хромосомами формируется длинное белковое образование, напоминающее веревочную лестницу, к противоположным сторонам которого плотно прилегают два гомолога - синаптонемальный комплекс (рис. 4).

Рис. 4. Синаптонемальный комплекс

Синаптонемальный комплекс удерживает гомологичные хромосомы рядом, скрепляя их по всей длине. Каждую пару хромосом, образовавшуюся при этом, называют бивалентом. Но, поскольку каждая гомологичная хромосома пары состоит из двух тесно сближенных сестринских хроматид, такую структуру еще называют тетрада.

Пахитена (стадия толстых нитей).

Как только завершается синапсис по всей длине хромосом клетки вступают в стадию пахитены, на которой они могут оставаться несколько суток. Таким образом, началом пахитены считают момент полной конъюгации хроиосом. В пахитену вдоль продольной щели синаптонемального комплекса появляются рекомбинационные узелки, которые представляют собой белковые комплексы. Синаптонемальный комплекс обеспечивает структурную основу, необходимую для рекомбинационных событий при кроссинговере, но сам он, вероятно, непосредственно в них не участвует. Предполагают, что важную роль в процессе кроссинговера играют рекомбинационные узелки. При синапсисе хроматиды конъюгировавших гомологичных хромосом закручиваются одна вокруг другой. В результате напряжения, возникающего при таком скручивании, в отцовской и материнской хроматидах происходят разрывы на одинаковом уровне и соединение разорванных концов крест-накрест. В конечном итоге все заканчивается обменом участками между хроматидами гомологичных хромосом. Разрыв и последующая рекомбинация, которая сопровождается обменом участками между двумя гомологичными хромосомами, определяют как кроссинговер (перекрест) (рис. 5).

Рис. 5. Кроссинговер

Безусловно процесс генетической перекомбинации при кроссинговере осуществляется на уровне ДНК. При этом происходит разрыв двойной спирали ДНК в одной материнской и одной отцовской хроматидах на определенном уровне, а затем получившиеся отрезки ДНК воссоединяются на «перекрест», что сопровождается генетической перекомбинацией.

Надо иметь ввиду, что сами гены при кроссинговере не изменяются, меняется лишь сочетание их в хромосомах. При этом гомологичные хромосомы обмениваются блоками генов. В один перекрест вовлечена одна пара из четырех хроматид бивалента, в другой перекрест - вторая пара. Оба перекреста происходят независимо. У человека в каждой паре гомологичных хромосом кроссинговер происходит в среднем в двух - трех точках.

Диплотена (стадия двойных нитей). В диплотену синаптонемальный комплекс распадается, что позволяет гомологичным хромосомам отходить друг от друга. Однако это разделение гомологичных хромосом не полное, так как они остаются еще связанными в точках произошедшего кроссинговера, которые называют хиазмами. Хромосомы выглядят в виде двойных нитей, соединенных в области хиазм. Таким образом, хиазмы - это морфологический результат произошедшего кроссинговера, который сам был не доступен для наблюдения. Для стадии диплотены характерна дальнейшая спирализация хромосом, что приводит к их укорочению и утолщению.

Диакинез. Диплотена незаметно переходит в диакинез - стадию предшествующую метафазе. Спирализация хромосом усиливается, они становятся максимально уплотненными. Несестринские хроматиды, претерпевщие кроссинговер, остаются связанными хиазмами. Происходит перемещение хиазм к концам хромосом, хромосомы при этом образуют характерные фигуры кольца и креста. До начала анафазы хромосомы остаются связанными хиазмами. В диакинез исчезает ядерная оболочка, ядрышко, образуется веретено деления, хромосомы перемещаются к экватору (рис. 6).

Рис. 6. Мейоз

Метафаза I. В ранней метафазе спирализация хромосом достигает максимума. Хромосомы, сгруппированные в биваленты, перемещаются и располагаются у экватора. Обе гомологичные хромосомы занимают такое положение у экватора, что их центромеры обращены к противоположным полюсам. В отличие от митоза кинетохорные нити сестринских хроматид присоединяются только с одной стороны центромеры, они направлены в одну сторону.

Анафаза I. На стадии анафазы I к полюсам клетки расходятся целые гомологичные хромосомы (сестринские хроматиды, соединенные в области центромеры), так как в отличие от митоза центромеры не делятся и хроматиды не разъединяются. При этом имеет место случайное распределение разных материнских и отцовских гомологов между дочерними клетками. Каждая будущая гамета получит свое сочетание отцовских и материнских хромосом.

Телофаза I. Как только хромосомы достигнут полюсов клетки начинается телофаза. Хромосомы деспирализуются, формируется два новых ядра со всеми их компонентами. Хромосомный набор в новых ядрах гаплоидный, гомологичные хромосомы отсутствуют, но каждая хромосома будет состоять из двух хроматид.

Заканчивается мейоз I делением цитоплазмы. Образуется две гаплоидные клетки, но содержание ДНК в них соответствует диплоидному, так как каждая хромосома состоит из двух хроматид (1n2с). Итак, мейоз I - это редукционное деление, так как приводит к уменьшению в 2 раза числа хромосом. При мейозе I происходит перекомбинация наследственного материала, которая связана с перекомбинацией генов при кроссинговере и перекомбинацией гомологичных хромосом в анафазу I.

Вслед за мейозом I следует короткая интерфаза, но удвоения ДНК в эту фазу не происходит. Далее клетки вступают во второе мейотическое деление. Мейоз II протекает как типичный митоз, но вступающие в него клетки содержат гаплоидный набор хромосом, хотя каждая хромосома состоит из двух хроматид (рис. 6). В профазу II происходят те же процессы, что в профазу митоза. Формируется веретено деления, спирализуются хромосомы, исчезают ядрышки, разрушается ядерная оболочка. Прерывистые нити присоединяются к центромерам с обеих сторон хромосомы, хромосомы движутся к экватору. В метафазу II хромосомы выстраиваются в области экватора клетки, число хромосом вдвое меньше, чем в соматических клетках. В анафазу II центромеры хромосом делятся и сестринские хроматиды каждой хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки. Как только хроматиды достигнут полюсов клетки начинается телофаза II. Исчезает веретено деления, хромосомы деспирализуются, формируется два ядра. В каждом ядре будет гаплоидный набор хромосом, хромосомы однохроматидные. Затем делится цитоплазма и образуется две гаплоидные клетки (1n1c).

Таким образом, при мейозе в результате двух последовательных делений (мейоз I и мейоз II) из одной клетки с диплоидным набором хромосом образуется четыре клетки с гаплоидным набором хромосом.

Значение мейоза

1. Лежит в основе образования половых клеток (гамет).

2. Мейоз обеспечивает постоянство числа хромосом в ряду поколений (диплоидность организмов). Мейоз уменьшает число хромосом в клетке наполовину, а оплодотворение восстанавливает диплоидный набор хромосом.

3. Мейоз обеспечивает генетическое разнообразие гамет, образующихся в организме. Это связано с независимым расхождением хромосом в анафазу мейоза I, при котором происходит случайное распределение разных материнских и отцовских гомологичных хромосом между будущими гаметами. Только из одного этого следует, что клетки любой особи могут образовывать 2ⁿ генетически различающихся гамет, где n- гаплоидное число хромосом. Например, у человека каждый индивидуум способен образовывать 2²³ = 8,4 * 10⁶ генетически различных гамет. Однако на самом деле число возможных гамет неизмеримо больше из-за кроссинговера. Такое генетическое разнообразие гамет приводит к генетическому разнообразию особей в пределах вида.

4. Мейоз лежит в основе комбинативной изменчивости.

Итак, при половом размножении происходит циклическое чередование диплоидного и гаплоидного состояний: диплоидная клетка делится путем мейоза, порождая гаплоидные клетки, а гаплоидные клетки попарно сливаются при оплодотворении и образуют новые диплоидные клетки. Во время этого процесса происходит перемешивание и рекомбинация геномов, в результате чего появляются особи с новыми наборами генов. Вероятно, процесс эволюции благоприятствовал половому размножению, так как случайная генетическая рекомбинация увеличивала шансы организмов на то, что хотя бы некоторые из их потомства выживут в непредсказуемо изменчивом мире.

Особенности сперматогенеза и овогенеза.

Сперматогенез подразделяется на четыре периода – размножения, роста, созревания и формирования. В период размножения из первичных половых клеток семенников в результате митоза образуются сперматогонии ( 2n2c). Размножение предшественников половых клеток при сперматогенезе начинается в эмбриональный период и продолжается на протяжении всего периода половой зрелости. Вследствие этого увеличивается масса семенников и число сперматогоний. При наступлении половой зрелости часть сперматогоний продолжает делиться, а часть вступает в период роста. В период роста увеличиваются размеры клеток за счет увеличения цитоплазмы, удваивается ДНК и из каждой клетки развивается сперматоцит 1 порядка (2n4c). В период созревания в результате 1 деления мейоза образуются две клетки - сперматоциты ІІ порядка (1n2c), а после второго деления развиваются четыре одинаковые по величине клетки - сперматиды (1n1c). В период формирования происходит клеточная дифференцировка, сперматозоиды приобретают окончательную структуру: хроматин уплотняется, изменяются форма и размеры ядра, формируется жгутик и образуются зрелые сперматозоиды (1n1c). Таким образом, каждый сперматоцит первого порядка дает в конечном итоге четыре зрелых сперматозоида.

Основные периоды овогенеза сопоставимы с периодами сперматогенеза. Не выражен лишь период формирования. Исходной клеткой являются овогонии – особые клетки яичника (2n2c). Овогенез протекает в два этапа, разделенных большим промежутком времени. Первый этап, включающий размножение, рост и первую мейотическую профазу, проходят в эмбриональных яичниках. К моменту рождения девочки в яичниках все овогонии дифференцированы в овоциты первого порядка (2n4c), а последние прошли стадии лептотены-пахитены и остановились в стадии диплотены. Пребывание клеток в этой стадии, получившей название диктиотены, продолжается весь постнатальный период жизни женщины. Последующее развитие клеток из стадии диктиотены в зрелые яйцеклетки происходит с момента достижения половой зрелости циклически, ежемесячно, заканчиваясь овуляцией (выходом овоцита из яичника в женские половые пути). Перед овуляцией заканчивается первое мейотическое деление. При первом мейотическом делении образуется две неравние клетки одна крупная – овоцит второго порядка (1n2с), содержащая почти всю цитоплазму, и маленькая нежизнеспособная – первое полярное (направительное или редукционное) тельце (1n2с), в котором имеется минимум цитоплазмы. Второе мейотическое деление начинается во время прохождения яйца через маточные трубы и заканчивается лишь после проникновения в него сперматозоида. Овоцит второго порядка завершает деление и образуется крупная – яйцеклетка (1n1с) и второе полярное тельце (1n1с). Цитоплазма снова распределяется неравномерно. Первичное полярное тельце (1n2с) может делиться образуется два мелких вторичных (1n1с). Таким образом, каждый овоцит первого порядка дает только одну яйцеклетку и три полярных тельца, которые в размножении не участвуют. Все полярные тельца разрушаются. Неравномерное распределение цитоплазмы обеспечивает яйцеклетке получение значительного количества цитоплазмы и питательных веществ, которые потребуются для развития зародыша.