иии / мроекулярная биология клетки / Глава4
.pdfГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ
КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ
Молекулярная биология клетки
Глава 4. Половые клетки. Ранний эмбриогенез
Казань 2012
УДК 611:018(075.8) ББК 28.05+28.06
Печатается по решению Центрального координационно-методичес- кого совета Казанского государственного медицинского университета.
Авторы:
Исламов Р.Р., Волков Е.М., Кошпаева Е.С., Пахалина И.А., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В.
Рецензенты:
Заведующий кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии КГМУ проф. Челышев Ю.А.
Молекулярная биология клетки. Глава 4. Половые клетки. Ранний эмбриогенез. Учебно-методическое пособие/ Исламов Р.Р., Волков Е.М., Кошпаева Е.С., Пахалина И.А., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В. – Казань: КГМУ, 2012. – 45 с.
Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования (ФГОС-3) и типовой Учебной программой по дисциплине «Биология». В 4 главе Учебно-методического пособия «Половые клетки. Ранний эмбриогенез»изложены цели и задачи изучения данной темы, указаны формируемые компетенции, приведён теоретический обзор, представленный в лаконичной и рубрицированной форме и имеющий медицинскую направленность. Практические навыки включают анализ особенностей строения и развития мужских и женских половых клеток, морфологические и функциональные характеристики раннего эмбриогенеза, лабораторную работу по изучению двигательной активности сперматозоидов. Пособие включает типовые тестовые вопросы, вопросы самоконтроля и справочник терминов.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов младших курсов медицинских факультетов и медицинских вузов.
© Казанский государственный медицинский университет, 2012
Глава 3. Половые клетки.
Ранний эмбриогенез
Цель занятия
Сформировать представление о строение половых клеток и об основных событиях гаметогенеза. Усвоить механизм наследования генетического материала. Ознакомиться с основными этапами раннего эмбриогенеза на примере развития ланцетника и лягушки. Разобрать особенности оплодотворения, дробления, гаструляции, нейруляции.
Задачи занятия
1.Изучить строение сперматозоида и яйцеклетки.
2.Ознакомиться со стадиями ово- и сперматогенеза.
3.Рассмотреть процесс мейоза, ознакомиться с основными процессами, происходящими с хромосомами и клеткой на разных стадиях мейоза.
4.Разобрать и зарисовать ранние стадии эмбриогенеза ланцетника по муляжам.
5.Ознакомиться с различными типами дробления, гаструляции и образования мезодермы.
6.Исследовать двигательную активность сперматозоидов лягушки.
7.Изучить микропрепараты и зарисовать половые клетки и ранние стадии развития лягушки.
Формируемые компетенции
ОК-7, ОК-8. ОК-12, ПК-22, ПК-23
Студент должен знать
1.Строение мужских и женских гамет.
2.Стадии овогенеза и сущность происходящих процессов.
3.Стадии сперматогенеза и сущность происходящих процессов.
4.Отличие овогенеза от сперматогенеза.
5.Цитологическую характеристику фаз первого и второго делений мейоза.
6.Отличие мейоза и митоза.
4
7.Биологическое значение мейоза.
8.Аномалии числа и структуры хромосом, возникающие в ходе мейоза.
9.Механизм оплодотворения.
10.Типы дробления.
11.Виды бластул в зависимости от типа яйцеклеток.
12.Способы гаструляции.
13.Способы образования мезодермы.
14.Механизм нейруляции.
15.Производные зародышевых листков.
16.Особенности морфогенеза (эмбриональная индукция, морфогенетическое поле, направленная миграция, детерминация, специализация (дифференцировка) клеток.
17.Тератогенные факторы, вызывающие аномалии развития.
18.Критические периоды эмбрионального развития.
Студент должен уметь
1.По описанию и по характерным признакам различать на микрофотографиях, рисунках и схемах половые клетки на разных стадиях гаметогенеза и мейоза.
2.Объяснить причины возникновения хромосомных аномалий
3.Идентифицировать различные стадии раннего развития по микропрепаратам, микрофотографиям, муляжам, рисункам и схемам.
4.Зарисовывать изучаемые муляжи и микропрепараты.
Студент должен владеть
1.Медико-функциональным понятийным аппаратом и терминологией по данной теме.
2.Навыками распознавания мужских и женских половых клеток.
3.Навыками диагностики разных стадий эмбриогенеза на гистологических микропрепаратах.
4.Навыками устного и письменного описания стадий раннего периода развития.
Оснащение занятия
1.Таблицы
1.Мейоз.
2.Гаметогенез (овогенез и сперматогенез).
3.Типы дробления.
5
4.Типы гаструляции.
5.Развитие ланцетника.
2.Микроскопы
1.Прямой световой монокулярный.
2.Прямой световой бинокулярный.
3.Микропрепараты
1.Сперматозоид морской свинки.
2.Яйцеклетка кошки.
3.Мейоз яйцеклетки конской аскариды.
4.Эмбриогенез лягушки.
4.Муляжи основных этапов раннего развития ланцетника.
5.Живые сперматозоиды лягушки
Хронологическая карта занятия
1.Организационная часть.
2.Тестовый контроль базового уровня знаний.
3.Объяснение практического задания.
4.Самостоятельная работа.
5.Проверка выполненных работ в альбомах.
6.Контроль конечного уровня знаний.
7.Установка задания для подготовки к следующей теме.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
МУЖСКИЕ И ЖЕНСКИЕ ПОЛОВЫЕ КЛЕТКИ
Сперматозоид
Открытие сперматозоидов принадлежит голландскому натуралисту Антони ван Левенгуку. В 1679 г. Левенгук доложил о «семенных зверьках» в семенной жидкости человека Британскому Королевскому научному обществу. Термин «сперматозоид» ввёл академик Петербургской Академии Карл Эрнст фон Бэр в начале XIX века.
В сперматозоиде человека различают головку, тело и хвостик/жгутик (flagellum) (рис. 4-1). Яйцевидная, сплющенная с двух сторон головка содержит ядро с гаплоидным набором хромосом (22+Х, 22+Y) и акросому с ферментами для растворения прозрачной оболочки яйцеклетки (гиалуронидаза, протеазы, гликозидазы, липазы, нейраминидаза, фосфатазы). Тело сперматозоида имеет утолщение за счёт спирально закрученной нитевидной митохондрии. Между телом и головкой расположены проксимальная (центр организации аксонемы) и дистальная
6
Рис. 4-1. Сперматозоид человека. Головка содержит ядро (А) и акросому(Б). В шейке (В) присутствуют дистальная и проксимальная центриоли. Промежуточный отдел (Г) содержит спирально закрученную нитевидную митохондрию (Д). В осевой части промежуточного отдела и почти вдоль всего хвоста расположена аксонема (Е). В хвосте снаружи от аксонемы находятся наружные плотные фибриллы и фибриллярный футляр (Ж) [из Fawcett D.W., 1975].
(имеющая кольцевую форму) центриоли. В осевой части тела и хвостика, начиная от проксимальной центриоли, находится сократительная органелла — аксонема, образованная микротрубочками по принципу 9+2 (девять пар микротрубочек по периферии и одна пара в центре). Снаружи от аксонемы расположено 9 фибрилл, состоящих из электроноплотного материала. Фибриллы начинаются от шейки, проходят через тело и заканчиваются на уровне середины хвостика. Фибриллы в пределах хвостика окружены фибриллярным футляром из электроноплотного материала, не доходящего до концевого отдела хвостика.
В эякуляте здорового мужчины содержится примерно от 150 до 600 млн сперматозоидов. В 23% случаев мужского бесплодия обнаруживается патозооспермия (отсутствие или недостаточное количество сперматозоидов, морфологические дефекты, снижение подвижности сперматозоидов).
•Спермограмма включает характеристики сперматозоидов (количество, морфология, жизнеспособность, подвижность, агглютинация) и семенной жидкости (объём, рН, вязкость, лейкоциты, микрофлора).
7
Яйцеклетка
Женская половая клетка имеет шарообразную формудиаметром 100150 µм, не способна к активному движению. Центрально расположенное округлое ядро с выраженным ядрышком содержит гаплоидный набор хромосом (22+Х). В цитоплазме яйцеклетки, кроме типичных органелл, содержится небольшое количество желточных включений (lecythos) с питательными веществами (белки, жиры, углеводы, минеральные соли), используемыми на начальных этапах развития зародыша, а под плазмалеммой локализуются кортикальные гранулы, содержащие ферменты (протеазы).
Прозрачная оболочка
По мере развития яйцеклетки в ней происходят синтез и последующая секреция гликопротеинов, постепенно формирующих zonapellucida. Зрелая прозрачная оболочка содержит густую сеть тонких нитей, состоящую из гликопротеинов (главным образом, белки ZP); один из них (ZP3) — главный рецептор сперматозоида. Инактивация или отщепление О-олигосахарида от молекулы ZP3 блокирует связывание сперматозоида с яйцеклеткой. ZP2 — вторичный рецепторсперматозоида, обеспечивающий дополнительное связывание гамет. Связывание сперматозоида с гликопротеинами ZP является сигналом к акросомной реакции.
Сегрегационные гены
Яйцеклетка — гетерогенная, химически преформированная высокоспециализированная клетка организма. Томас Морган предложил процесс созревания яйцеклетки считать точкой отсчёта онтогенеза, поскольку именно в ходе созревания яйцеклетки закладывается план будущего строения организма. Ядро развивающегося овоцита работает с опережением (на будущее). В цитоплазме накапливаются самые разнообразные мРНК, специфически распределённые в цитоплазме. В результате ооплазматической сегрегации возникает полярный градиент распределения биологически активных веществ. В яйцеклетке можно выделить три системы генов материнского эффекта, контролирующих формирование трёх градиентов: анимально-вегетативного, дорсо-вентрального и формирования головных и хвостовых структур. Сегрегационные гены материнского эффекта контролируют активность gap-генов, pair-rule генов и генов сегментарной полярности, последовательно осуществляющих сегментацию зародыша.
8
Цитоплазматический контроль активности хромосом. Клонирование
Функциональное состояние ядра зависит от вида цитоплазмы, в которой находится ядро. Ядро выдаёт наследственную информацию в соответствии сцитоплазматическим окружением. Переход ядра в новое функциональное состояние характеризуется накоплением в ядре цитоплазматических белков, в результате чего ядра в разных клеточных типах проявляются дифференциальной экспрессией генов. Обратимость изменений в ядрах дифференцированных соматических клеток была установлена в 60-е годы ХХ века. Джон Гердон (Оксфорд, Великобритания) трансплантировал ядро клетки кишечника взрослых лягушек в облучённое яйцо лягушки. Около 1% таких яиц развивался во взрослых лягушек. Клонирование стало общеизвестным в 1997 г., когда Ян Вильмут (Эдинбург, Шотландия) клонировал овцу Долли.
ГАМЕТОГЕНЕЗ
Мужские и женские половые клетки (гаметы) образуются в ходе гаметогенеза.
Развитие мужских половых клеток — сперматозоидов (сперматогенез) совершается в мужских половых железах — яичках, развитие женских половыхклеток — яйцеклеток (овогенез) происходит в яичниках — женских половых железах.
Сперматогенез подразделяют на четыре стадии: (1) размножения,
(2) роста, (3) созревания (мейоз) и (4) формирования (спермиогенез). Первичные половые клетки мигрируют в зачатки яичек, делятся и дифференцируются в сперматогонии. До периода полового созревания сперматогонии остаются в состоянии покоя. Стадия размножения начинается с наступлением половой зрелости. После ряда митотических делений сперматогонии дифференцируются в сперматоциты первого порядка, вступающие в стадию роста. Сперматоциты увеличиваются в размерах в 4 и более раз. Стадия созревания (мейоз) следует сразу за стадией роста. В результате первого деления мейоза из одного сперматоцита первого порядка образуется два сперматоцита второго порядка, а после второго мейотического деления — четыре сперматиды, имеющие по 22 аутосомы и одной X- илиY-хромосоме. Сперматоциты второго порядка в два раза, а сперматиды в четыре раза меньше по объёму спематоцитов первого порядка. Спермиогенез (стадия формирования) — постмейотическая стадия морфологических изменений сперматид с образованием сперматозоидов (рис. 4-2). Таким образом, в ходе сперматогенеза из одной сперматогонии образуется четыре полноценных сперматозоида.
9
Овогенез (образование яйцеклетки) проходит через три стадии: (1) размножения, (2) роста и (3) созревания (мейоз). Первичные половые клетки мигрируют в зачатки яичников и дифференцируются в овогонии, которые сразу вступают в стадию размножения. Завершив серию митотических делений, овогонии вступают в стадию роста. В этот период в цитоплазме накапливаются желточные включения. Вслед за стадией роста начинается стадия созревания (мейоз). Первое деление мейоза остается незавершённым: образующиеся овоциты первого порядка в профазе первого деления мейоза вступают в длительный период покоя, продолжающийся до наступления половой зрелости. С наступлением половой зрелости и установлением овариально-менструального цикла при овуляции (выхода яйцеклетки из фолликула) завершается первое деление мейоза и начинается второе деление, останавливающееся в метафазе. При этом образуеся крупный овоцит второго порядка и мелкая абортивная клетка — первое полярное (направительное, или
Рис. 4-2. Созревание мужских и женских половых клеток. Перед первым мейотическим делением генетический материал удваивается с образованием конъюгированных хромосом (2n4c). После первого деления мейоза в дочерних клетках уменьшаются количество хромосом и содержание ДНК; остаётся по 23 конъюгированных (удвоенных) хромосомы с диплоидным содержанием ДНК (1n2c). После второго деления мейоза дочерние клетки получают по 23 хромосомы с гаплоидным содержанием ДНК (1n1c) — 22 аутосомы и одну половую хромосому. n — число хромосом, c — количество ДНК[из Kaplan S., 1987].
10
редукционное) тельце. Сигнал для завершения второго мейотического деления — оплодотворение; овоцит второго порядка делится с образованием зрелой яйцеклетки и второго полярного тельца. Первое полярное тельце также подвергается второму делению мейоза. Зрелая яйцеклетка имеет 22 аутосомы и однуX-хромосому (рис. 4-2).Таким образом, в ходе овогенеза из одной овогонии образуется одна полноценная яйцеклетка, под прозрачной оболочкой которой локализуются три полярных тельца.
Мейоз. В ходе мейоза образуются гаплоидные гаметы (рис. 4-3). При этом происходят следующие события:
•генетическая рекомбинация путём кроссинговера между гомологичными хромосомами (отцовскими и материнскими),
•уменьшение числа хромосом,
•снижение содержания ДНК,
•уменьшение плоидности клеточных потомков,
•значительный синтез РНК.
Рис. 4-3. Мейоз обеспечивает переход половых клеток из диплоидного состояния в гаплоидное. Клетка, вступающая в мейоз, проходит два деления: первое деление — редукционное, второе — эквационное [из Gilbert S.F., 1985].