Genetika_cheloveka_Shevchenko

Рис. 4.8. Синаптонемный комплекс сперматоцита человека.

К — центромер». Стрелки указывают на плотные участки. Верхняя и нижняя врезки: параллельные оси синаптонемного комплекса. Изгибы могут соответствовать местам рекомбинации

Самой длительной фазой первого мейотического деления является профаза, так как именно в ней происходят такие сложные процессы как образование бивалентов из гомологичных хромосом и кроссинговер. У женщин профаза мейоза I активно протекает в течение нескольких месяцев в период внутриутробного развития, а полностью завершается к моменту овуляции в половозрелом возрасте. Длительность этого периода у женщин объясняется также одновременным протеканием процесса дифференцировки и созревания цитоплазмы будущей яйцеклетки. У мужчин длительность профазы мейоза I составляет 20 — 25 суток.

Профаза мейоза I подразделяется на 5 подфаз: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез.

Лептотена — стадия тонких нитей. Ядра клеток, вступающих в мейоз, значительно крупнее других. В этих ядрах вместо хроматина выявляются столь тонкие и длинные нитевидные хромосомы, что их трудно проследить по всей длине. Для лептотены характерно также появление па тонких хромосо-

ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

мах особых структур, напоминающих бусины. Это хромомеры — участки более сильно конденсированного хроматина. Число, размер и расположение хромомер специфичны для каждой хромосомы. Появление хромомерных структур отражает постепенный процесс конденсации хромосом из хроматина. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, но их далеко не всегда удается различить под световым микроскопом, настолько близко они прилегают друг к другу.

Зиготена — стадия сливающихся нитей. На этой стадии гомологичные хромосомы находят друг друга и сливаются (конъюгируют) с образованием бивалента. 46 хромосом человека конъюгируют в 23 пары гомологичных хромосом, следовательно, количество бивалентов равно 23 и соответствует гаплоидному хромосомному набору.

Бивалент — это стабильная структура из двух гомологичных хромосом и, соответственно, из 4 хроматид. Стабильность этой структуры поддерживают специфические белки синаптонемного комплекса (рис. 4.8). Объединение гомологов чаще всего начинается на концах хромосом — в теломерах, а также в центромерных районах. Позднее внутри бивалента по длине соединяющихся хромосом формируются сближающие их белковые тяжи синаптонемного комплекса.

В настоящее время выявлена специфичность хромомерного строения индивидуальных бивалентов человека в мужском и женском мейозе, т.е. по рисунку хромомер можно определить, какая пара хромосом образует тот или иной бивалент, даже если по размеру и общей морфологии биваленты одинаковы. Конъюгация гомологичных хромосом с образованием бивалентов обязательна для всех хромосом человека,

включая короткие и половые хромосомы. Известно, что конъюгация происходит не только между половыми хромосомами X и X, но также между X и Y хромосомами, несмотря на значительное превосходство в размерах Х-хромо- сомы.

В процессе сперматогенеза образование полового бивалента из X и Y хромосом начинается раньше других. При этом конъюгируют между собой часть короткого плеча Х- и короткое плечо Y-хромосом (рис. 4.9). Эксперименты по гибридизации ДНК показали, что эти районы гомологичны между собой. Негомологичные участки X и Y хромосом остаются свободными.

Зиготена заканчивается образованием 23 бивалентов.

Похищена — стадия прохождения кроссинговера. В пахитене хромосомы выявляются в виде толстых нитей, поскольку они представлены бивалентами. Именно в бивалентах и происходит кроссинговер: взаимный обмен идентичными участками по длине гомологичных хромосом. Генетическим следствием кроссинговера является рекомбинация сцепленных i-енов, что обеспечивает широкую генетическую изменчивость гамет. Морфологически этот процесс в пахитене уловить нельзя. Для умозрительного восприятия он изображен на схеме (рис. 4.10). Процесс обмена участками между ДНК несестренских хроматид в бивалентах можно представить следующим образом. По длине хромосомы разбросаны зоны повторяющихся последовательностей ДНК. С помощью ферментов-рестрик- таз целостность их может легко нарушаться, при этом однонитевые участки молекул ДНК соседних несестринских хроматид могут образовывать короткие двунитевые гибриды. Другие, репарирующие ферменты способны восста-

Рис. 4.9. Спаривание коротких плеч хромосом X и У в раннем мейозе человека

навливать целостность поврежденных участков. Таким образом, кроссинговер — это процесс, происходящий со сложными пространственными изменениями суперспирализованных участков молекул ДНК несестренских хроматид с использованием целого комплекса ферментов, возможно, объединенных в специализированную структуру.

Кроссинговер обязательно происходит в каждом биваленте. Не исключено, что отсутствие кроссинговера в какомто из бивалентов может быть фактором, прекращающим течение мейоза.

Позже, в следующей стадии, когда гомологичные хромосомы в бивалентах начинают расходиться, выявляются места, где происходил процесс кроссинговера. В них гомологичные хромосомы во время разрушения бивалентов соединены дольше всего. Поскольку морфологически они напоминают греческую букву "X", их называют хиазмами (рис. 4.10). В зоне хиазм видно,

Рис. 4.10. Схема кроссинговера.

а - парные гомологи, лежащие отдельно;

б- их спирализация в пахитене;

в- расположение хроматид в диплотене; г - диакинез.

Стрелки указывают на места кроссинговера

Рис. 4 . 11 . Расхождение хромосом в первом делении мейоза (а) и во втором делении мейоза (б). 1 - микротрубочки, 2 - хиазма, 3 - сестринские хроматиды

что в перекрест вовлекаются только хроматиды из четырех: по одной от каждого гомолога.

Диплотена — стадия двойных нитей. На этой стадии синаптонемный комплекс разрушается, и гомологи отталкиваются друг от друга, оставаясь соединенными только в районе хиазм, где по-прежнему сохраняется структура синаптонемного комплекса. Поскольку каждая хиазма соответствует одному событию кроссинговера, в котором участвуют две несестренские хроматиды, то но количеству хиазм можно судить об интенсивности процесса кроссинговера. По данным равных авторов, общее число хиазм на хромосомный набор человека колеблется от 35 до 66. Некоторые биваленты могут содержать несколько (до 5- 6) хиазм. В среднем на бивалент их приходится около двух. Анализ генетического сцепления показал, что кроссинговер у женщин происходит

чаще, чем у мужчин, следовательно, и хиазм у женщин должно быть больше.

Диакинез — стадия, завершающая профазу мейоза I. Она является переходной к метафазе. Число хиазм в ней уменьшается, биваленты укорачиваются, разрушается ядро, начинает формироваться веретено деления.

Вметафазе I биваленты располагаются в экваториальной плоскости, в цитоплазме. Центромеры хромосом лежат на экваторе, к ним прикреплены нити веретена деления. Число выстроившихся бивалетов соответствует гаплоидному набору хромосом и у человека равно 23.

Ванафазе I происходит расхождение гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид (рис. 4.11, а).

Телофаза I. В этой фазе происходит образование двух дочерних ядер каждое из которых содержит гаплоидное

имеет размер 2-3 см. В это время закладываются зачатки половых органов. Развитие яичников у женщин и у мужчин основано на митотическом делении клеток и дифференцировке морфологических структур. Начало дифференцировки половой системы у пятинедельного эмбриона связано с миграцией клеток из желточного мешка в яичники у девочек и в яички у мальчиков. Именно мигрирующие клетки дают начало гониям. Таким образом, первая фаза — фаза размножения — начинается у эмбриона человека на пятой неделе развития. Сперма тогенез и оогенез у человека идут по-раз- ному. Рассмотрим эти виды гаметогенеза в отдельности.

Сперматогенез

Сперматогенез происходит в извитых семенных канальцах яичка. Оттуда продукты сперматогенеза поступают в семявыводящий проток, и далее — в семяизвергательный канал.

Эпителий зрелого семенного канальца состоит примерно из 6 слоев клеток (рис. 4.13). Самый наружный слой — клетки зачаткового эпителия, которые делятся митозом. Образовавшиеся в результате этого деления клетки перемещаются внутрь канальца, образуя второй слой. В нем клетки также сохраняют способность к делению митозом. Они будут являться сперматогониями. Фаза размножения в процессе сперматогенеза связана именно с этими двумя слоями клеток. Перемещение размножающихся сперматогониев в третий слой связано с началом фазы роста и превращения сперматогониев в более крупные сперматоциты I порядка. В этом слое клеток происходит первое мейотическое деление, и из одного сперматоцита первого порядка образуются две клетки с гаплоидным набором хромосом, которые становятся сперматоцитами второго порядка.

Любой этап клеточного деления сопровождается перемещением клеток

из более наружного слоя в более внутренний. Изменяется окружение клеток, соответственно изменяется и дифференцировка. Каждый сперматоцит второго порядка проходит второе мейотическое деление и дает начало двум сперматидам с гаплоидным набором хромосом. Вначале сперматиды являются небольшими клетками с округлым ядром. Вскоре ядро удлиняется и располагается у того конца клетки, который обращен к стенке канальца. В каждой сперматиде одна из двух центриолей образует жгутик, конец которого обращен к центру канальца (рис. 4.14). Созревание сперматид происходит в самых внутренних слоях семенного канальца. Здесь же сперматиды превращаются в зрелые сперматозоиды, способные к движению с помощью жгутика и покидают семенной каналец.

У человека длительность фазы роста, составляет 14 дней. Мужские половые клетки не развиваются поодиночке. Они растут в клонах и объединены между собой цитоплазматическими мостиками. Контакты между клетками разрушаются лишь при формировании зрелых сперматозоидов. Вспомогательную функцию выполняют клетки Сертоли.

Таким образом, в результате процесса сперматогенеза из одного диплоидного сперматоцита I порядка получаются 4 зрелых сперматозоида. Общая схема процесса сперматогенеза представлена на рисунке (рис. 4.15).

В детстве (от рождения до 10 лет) семенные канальцы развиты слабо. Они состоят из клеток зачаткового эпителия, покрывающих каналец, и сперматогониев. В подростковом возрасте (от 10 до 14 лет) сперматогонии начинают активно делиться, и процесс сперматогенеза активируется. В даль-

нейшем сперматогенез происходит непрерывно, в течение всей жизни мужчины.

Семенники расположены вне брюшной полости, и поэтому спермии развиваются при температуре на 2-3 С ниже температуры внутренних областей тела. У мужчин, принимающих очень горячие ванны или носящих слишком тесные трусы, образование спермиев снижается, что в конечном счете может привести к бесплодию. В норме процесс образования спермия занимает около 70 суток. На 1 г веса яичка образуется 107 спермиев в сутки.

Сперматозоиды, или спермии, — это очень мелкие подвижные клетки. В головке сперматозоида находится ядро, содержащее гаплоидный набор хромосом (23). К периферии от ядра лежит особая структура — акросома. Функционально акросому можно рассматривать как увеличенную лизосому, т.к. к эта органелла ограничена одной мембраной и наполнена гидролитическими ферментами, помогающими проникновению спермия в ооцит. Округлая головка сперматозоида сужается и переходит в шейку, где под прямым углом другу к другу располагается пара центриолей. Микротрубочки одной из центриолей являются местом образования осевой структуры жгутика так, что система микротрубочек жгутика проходит от самого начала шейки сперматозоида до кончика его хвоста. Более нижняя часть шейки расширена за счет многочисленных митохондрий, уложенных в виде спирали вокруг жгутика. Митохондрии обеспечивают энергией движение сперматозоида. Заканчивается спермий жгутиком, имеющим типичное строение.

У человека максимальная дневная продуктивность составляет 10е сперматозоидов. Продолжительность су-