ОСНОВЫ ЭМБРИОЛОГИИ ПОЗВОНОЧНЫХ

Основы эмбриологии позвоночных. Эмбриональное развитие человека. Половые клетки. Оплодотворение, дробление.

 

Пользуясь лекциями (на web-странице кафедры есть презентации и текст лекций), учебниками, дополнительной литературой и другими источниками, студенты должны подготовить такие теоретические вопросы:

 

1.   Понятия о фило- и онтогенезе. Периоды эмбриогенеза позвоночных.

2.   Прогенез. Особенности овогенеза и сперматогенеза.

3.   Морфофункциональная характеристика мужских половых клеток.

4.   Типы яйцеклеток согласно количеству и размещению желтка. Строение и функции яйцеклетки.

5.   Оплодотворение, понятие о его дистантной и контактной фазах.

6.   Определение дробления и его типы.

7.   Гаструляция, способы ранней и поздней гаструляции.

8.   Внезародышевые органы позвоночных (амнион, желтковый мешок, хорион, алантоис, пуповина, плацента), Источника их развития, строение и функции.

9.   Плацента, типы плацент соответственно их строению, форме и способу питания плода.

10.Периоды эмбриогенеза человека.

11.Микро- и субмикроскопическая характеристика мужских половых клеток.

12.Тонкое строение и функция яйцеклетки человека.

13.Оплодотворение, его этапы и биологическая роль.

14.Биологическая роль половых клеток в процессе оплодотворения.

15.Понятие об экстракорпоральном оплодотворении и его значение.

16.Дробление зародыша человека, его особенности.

17.Морфофункциональная характеристика бластоцисты.

18.Определение процесса имплантации, фазы.

 

В комплексе медицинских наук эмбриология занимает одно из видных мест. Знания эмбриологии необходимо для понимания главных закономерностей внутриутробного развития и его видовых особенностей у разных представителей животного царства в связи с разными условиями их жизни и специфического происхождения. Знания основ сравнительной эмбриологии помогает понять общие биологические закономерности эволюции позвоночных, филогенетическую обусловленность процессов становления организма человека, а также осознать основы генной инженерии. При этом важным есть понимание следствий влияния разнообразных неблагоприятных факторов внешней среды на эмбриогенез представителей разных видов.

 

Эмбриология  – наука об образовании и развитии зародыша.

         Общая эмбриология – изучает наиболее общие закономерности образования и развития зародыша.

Специальная эмбриология – изучает особенности индивидуального развития представителей определенных групп или видов.

Индивидуальное развитие или онтогенез – это развитие организма, который длится с момента зачатия до его естественной смерти.

Онтогенез тесно связан с филогенетической – историей развития предков данного существа (филогенез – историческое развитие вида).

Предметом изучения эмбриологии также прогенез (предзародышевое период) – период формирования половых клеток (спермато-и овогенез) и постэмбрионального (послезародышевый) период индивидуального развития.

Эмбриология, наука, изучающая развитие организма на самых ранних стадиях, предшествующих метаморфозу, вылуплению или рождению. Слияние гамет – яйца (яйцеклетки) и сперматозоида – с образованием зиготы дает начало новой особи, но прежде чем стать таким же существом, как родители, ей предстоит пройти определенные стадии развития: клеточное деление, образование первичных зародышевых листков и полостей, возникновение осей зародыша и осей симметрии, развитие целомических полостей и их производных, образование внезародышевых оболочек и, наконец, появление систем органов, функционально интегрированных и образующих тот или иной узнаваемый организм. Все это составляет предмет изучения эмбриологии.

 

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Наиболее простым является метод наблюдения и описание развития зародыша у тех или иных животных или человека . На основе этого возникла описательная эмбриология .

2. Значительно позже в исследованиях начали применять метод сравнения, который создал сравнительную эмбриологии . С помощью этого метода К.М.Бер (1828 г.) открыл закон подобия зародышей .

3 . Постепенное накопление детальных и точных сведений о тех структурные преобразования , которые происходят с зародышем в процессе его развития , подготовили почву для эволюционной эмбриологии , основателями которой являются А.Ковалевский и I.Мечников . Развитие эволюционной эмбриологии привел к открытию биогенетического закона Е.Геккелем , Ф.Мюлером .

4. Экспериментальная эмбриология возникла вследствие развития и совершенствования экспериментальной техники. Основателями этого метода является В.Ру , Г.Дриш и Г.Шпеман . Экспериментальная эмбриология пытается установить контролирующие и регулирующие механизмы развития. Блестящие успехи молекулярной биологии дали толчок к развитию особого раздела , который получил название биохимическая эмбриология .

Тератология – раздел эмбриологии , изучающий пороки развития.

 

ТЕОРИИ эмбриологии

Проблема развития человека до его рождения на свет всегда вызывала чрезвычайный интерес. “Откуда я взялся?” – Один из первых вопросов, который ставит ребенок. С именами Гиппократа ( 460-377 pp . До н.э.) и Аристотеля ( 384-322 г.г. до н.э.) связано создание первых научных представлений по эмбриологии .

Согласно теории Гиппократа плод образуется из-за смешивания мужского семени и женской половой клетки. Он считал, что все члены организма возникают одновременно и независимо друг от друга. Эта идея вновь возродилась и стала доминирующей в течение 17-18 веков и получила название преформизма.

Согласно этой теории каждый зародыш в миниатюре с самого начала является уже вполне сложившимся , имеет все части тела и ему остается только расти. Среди преформистов было два течения: анималисты и овисты. Анималисты или сперматики считали, что зародыш преформирован в сперматозоиде, который вскармливается в яйце. Овисты думали, что зародыш в миниатюре находится в яйцеклетке , а сперма только стимулирует их рост .

Аристотель впервые заложил основы теории эпигенеза, согласно которой части зародыша не заложены в невидимо малых размерах, а развиваются и растут в определенной последовательности. Гарвей этот тезис дополнил виталистическим мнением о том, что материал материнского зачатка принимает форму будущего организма под влиянием нематериальных сил – ” ентелехий”, которые заложены в семени отца. К.Вольф в возрасте 26 лет в своей докторской диссертации блестяще обосновал концепцию эпигенеза. Идея развития путем прогрессивного роста и дифференциации быстро вытеснила теорию преформизма. Однако , борьба теорий преформизма и эпигенеза стала особенно ожесточенной в конце XIX века в связи с развитием экспериментальной эмбриологии и , так называемой механики развития, которая претендовала на каузальное объяснение онтогенеза.

Установление того факта, что взрослый организм полностью состоит из клеток и продуктов их жизнедеятельности, проложило путь к открытию основного положения эмбриологии: организм любого нового существа развивается из одной клетки, которая образовалась в результате объединения отцовских и материнских половых клеток при оплодотворении.

Вместе с тем, успехи молекулярной биологии и генетики во второй половине XX века доказали наличие в половых клетках детерминированных химических и биологических структур (молекул ДНК), которые определяют воспроизводство основных видов и индивидуальных особенностей организма, развивается.

Обе, долгое время конкурирующие теории (преформизма и эпигенеза) , могут быть использованы для утверждения генетической теории развития. Половые клетки не имеют готовых структур для будущего зародыша , но имеют постоянный набор генов – генетическую программу для конкретного вида животных , включая особенности для каждого индивидуума. Одновременно в процессе эмбриогенеза возникают структуры от молекулярного до органного уровней, которых нет в половых клетках, подтверждает некоторые положения эпигенеза. Итак, половым клеткам передаются по наследству не готовые структуры, а инструкция для их производства. Эта инструкция не “энтелехия”, а программа специфических синтезов , закодированных в молекулах ДНК.

В настоящее время процесс развития рассматривается как реализация тех возможностей, которые заложены в наследственном коде ДНК половых клеток. Хотя, для осуществления этих процессов развития необходимо наличие определенных условий среды, они неизменно реализуются путем самодифференцирования на основе тех видоспецифических закономерностей, которые были филогенетически наработаны и закреплены на протяжении эволюции органического мира.

 

Основные процессы эмбриогенеза

Из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) развивается многоклеточный организм. В зиготе гены репрессированы (неактивные) и находятся в виде гетерохроматина.

Гетерохроматин – это репрессирован генетический материал (ДНК хромосом связана с белками гистонами) . Начало развития характеризуется экспрессией ( активацией ) определенных групп генов , то есть освобождением частей ДНК от ассоциированных с ней гистонов. Эухроматин – это экспрессированные ( функционирующие ) гены . Первыми дере-прессуются гены , обуславливающие увеличение количества клеток ( пролиферацию ) и регулируют общий метаболизм клеток. На стадии гаструляции активируются первыми тканинноспецифични гены. В процессе органо – и гистогенеза , включаются другие гены , которые регулируют более специфические функции дифференцированных клеток.

В зиготе заложена возможность формирования целого организма. Отдельные клетки, образующиеся в результате нескольких первых делений после оплодотворения, сохраняют эту способность. Такие клетки называются тотипотентных. По мере развития клетки постепенно теряют свою способность к образованию клеток всех типов, которые являются во взрослом организме . Сокращение возможностей выбора (потеря тотипотентности ) клетки , которая развивается , называется детерминации . Детерминация – процесс , в результате которого группа клеток выбирает только один из многих возможных путей развития . В основе детерминации лежит экспрессия генов, в результате которых данная клетка (или группа клеток) становится специализированной клеткой типа .

Внешним проявлением детерминации является дифференциация. Если детерминация сопровождается постепенным ограничением потенций клеток зародыша к развитию в разных направлениях, то под диференцициею понимают морфологическую или функциональную экспрессию той части генома, которая осталась в распоряжении данной клетки или группы клеток. В результате дифференциации, клетки приобретают некоторые новые свойства (специализируются), но одновременно теряют часть своих предыдущих возможностей. С биохимической точки зрения дифференциация – процесс , с помощью которого данная клетка выбирает для себя один или несколько специализированных путей синтеза (например эритроциты синтезируют гемоглобин, а клетки хрусталика – белок кристалин). Функциональную дифференциацию рассматривают как развитие способности к сокращению в миоцитах, или проводимости в нейроцитах .

С морфологической точки зрения конечная дифференциация выражается в образовании многочисленных специализированных клеток и структур. Следовательно, разница между клетками , которые имеют одинаковый набор генов , определяется дифференцированой репрессией и экспрессией генов. Различные клеточные типы экспрессируют разные гены.

В связи с тем , что синтез белков диктуется экспрессией генов, то гены делятся на две категории. Гены первой – функционируют во всех клетках организма, определяя их основной метаболизм и нечувствительны к непосредственным воздействиям , которые вызывают дифференциацию. Гены второй категории управляют синтезом тех белков, которые определяют разницу между клетками в период развития (т.е. их специализацию) и реагируют на факторы , которые вызывают дифференциацию (индукторы).

Возникает вопрос, а кто осуществляет экспрессию одних и репрессию других генов? При дроблении зиготы дочерние клетки получают идентичные наборы хромосом (46 для человека), однако , цитоплазма не всегда делится между дочерними клетками равномерно ни по количеству, ни по качеству. Установлено, что неравномерное распределение различных участков цитоплазмы оплодотворенного яйца между дочерними клетками , вызывает дифференциацию последних в клетки различного типа. Итак , цитоплазма приводит в действие механизм, который оказывает влияние на ядро для включения (экспрессии) одних и исключения (репрессии) других генов.

Отличительной чертой дифференциации является то, что дифференциация клеток, как правило, происходит после их пролиферации. Клетки, которые быстро размножаются, являются низкодифференцированными (например мезенхимные клетки). Напротив, высокодифференцированные клетки, как правило, теряют способность к пролиферации (например нейроциты , кардиомиоциты, эритроциты).

Дифференциация необратима и осуществляется в одном направлении – от менее дифференцированной к более дифференцированной структуре.

Морфогенез – воплощение плана пространственной организации зародыша. Морфогенез осуществляется при реализации различных процессов: роста, индукции, направленной миграции клеток, межклеточного взаимодействия, смерти клеток.

Рост – увеличение массы и линейных размеров за счет роста количества клеток , морфофункциональных единиц органов, собственно органов, систем органов. Увеличение массы без деления клеток наблюдается при гипертрофии в нормальных (гипертрофия миометрия при беременности) и патологических условиях. В организме вырабатываются многочисленные гуморальные факторы (факторы роста), которые стимулируют рост и пролиферацию разных типов клеток.

Конкретные типы клеток, которые образовались в результате детерминации, формируют ткани. Процесс, в результате которого отдельные ткани в ходе дифференциации приобретают характерный для них вид, называется гистогенез. Из клеток различной тканевой принадлежности формируются органы. В органогенеза важное значение имеет процесс индукции. Под индукцией понимают влияние одной ткани зародыша ( индуктора ) на другую ткань – цель, в результате чего происходит образование качественно новой структуры . Индуктор может давать инструкцию ткани – цели для дифференциации в конкретную структуру или разрешать ее. Примером первичной эмбриональной индукции является процесс формирования нервной системы из дорсальной эктодермы под влиянием индуктора – хордомезодермы. Открытие организатора и феномена первичной эмбриональной индукции является результатом двадцатилетних экспериментально эмбриологических исследований Ганса Шпемана, который за это открытие в 1935 году стал лауреатом Нобелевской премии. Все последующие индукционные процессы, происходящие в зародыше, называются вторичными индукции. В процессе развития зародыша происходит неоднократные перемещения, или миграция отдельных или групп клеток из одной части в другую. Нередко эмбриональные клетки возникают и размножаются в одном месте, а дифференцируются и функционируют в другом (например ганобласты образуются в желточном мешке, а мигрируют в семенники и яичник ; клетки нервного гребня выселяются и дифференцируются в мелаьгациты эпидермиса , хромаффинные клетки надпочечников , нейроциты вегетативных и спинномозговых узлов клетки дерматома мезодермы выселяются под покровный эпидермис и формируют соединительнотканную основу кожи).

Природу клеточных взаимодействий в морфогенезе объясняет концепция позиционной информации. При развитии общий план строения тела определяется очень рано. Позже , в течение всего периода формирования органа или целого организма, детали морфогенеза уточняются с помощью сигналов позиционной информации. Согласно названной концепции, клетка знает свое место в координатной системе зачатке органа и дифференцируется в соответствии с этим положением. Позиционную информацию клетка получает от других клеток. Более того, клетка достигает конечной дифференциации при условии своевременного получения ею серии последовательных сигналов позиционной информации. Участок, в пределах которой эффективно действуют сигналы позиционной информации , называется морфогенетическим полем. В течение ряда последующих делений, клетки морфогенетического поля хранят память о своем первоначальное назначении.

Постоянная активность гомейозисних генов определяет в клетке память о позиционной информации. Гомейозисные гены – семья родственных генов, содержащих гомеобокс и определяют форму тела . У млекопитающих эта семья представлена 38 генами, которые сгруппированы в 4 комплекса – Ноха, НОХВ , НОХС и НОХД (Human Gene Mapping Workshops – рабочая группа картирование генов человека). Эти группы генов расположены во 2 , 7 , 12 и 17 хромосомах. Экспрессия этих генов происходит в эмбриогенезе и определяет организацию общего плана тела. Экспрессия этих генов контролирует разделение тела эмбриона с координатами на морфогенетические зоны. Транскрипты гомейозисних генов присутствуют в головном и спинном мозге, в почках и сердце с 5- го по 9 – ую недели развития.

Смерть клеток – необходимый компонент эмбрионального ровития. Естественная (генетическая ) смерть клеток на ранних этапах онтогенеза реализуется путем апоптоза. Например: от 25% до 75 % общей популяции нейробластов погибает на определенных этапах развития нервной системы.

Следовательно, есть такие процессы и стадии эмбриогенеза

1. Оплодотворение

2. Дробление

3. Гаструляция

4. Нейруляция

5. Гистогенез

6. Органогенез

7. Системогенез

 

Развитию предшествует гаметогенез, т.е. образование и созревание сперматозоида и яйца. Процесс развития всех яиц данного вида протекает в общем одинаково.

Гаметогенез. Зрелые сперматозоид и яйцо различаются по своему строению, сходны у них только ядра; однако обе гаметы образуются из одинаковых на вид первичных половых клеток. У всех организмов, размножающихся половым путем, эти первичные половые клетки обособляются на ранних стадиях развития от других клеток и развиваются особым образом, готовясь к выполнению своей функции – продуцированию половых, или зародышевых, клеток. Поэтому их называют зародышевой плазмой – в отличие от всех других клеток, составляющих соматоплазму. Совершенно очевидно, однако, что и зародышевая плазма и соматоплазма происходят из оплодотворенного яйца – зиготы, давшей начало новому организму. Таким образом, в своей основе они одинаковы. Факторы, определяющие, какие клетки станут половыми, а какие – соматическими, до сих пор не установлены. Однако в конечном итоге половые клетки приобретают достаточно четкие отличия. Эти отличия возникают в процессе гаметогенеза.

 

Отличия половых и соматических клеток

 

Отличия	Половые клетки
Набор хромосом	23
Способность к слиянию	Имеют
Без оплодотворения	Погибают

 

У всех позвоночных и некоторых беспозвоночных первичные половые клетки возникают вдали от гонад и мигрируют к гонадам зародыша – яичникуили семенник – с током крови, с пластами развивающихся тканей или посредством амебоидных движений. В гонадах из них образуются зрелые половые клетки. Ко времени развития гонад сома и зародышевая плазма функционально уже обособлены одна от другой, и, начиная с этого времени, на протяжении всей жизни организма половые клетки совершенно независимы от каких бы то ни было воздействий сомы. Именно поэтому признаки, приобретенные индивидом на протяжении его жизни, не оказывают влияния на его половые клетки.

Первичные половые клетки, находясь в гонадах, делятся с образованием мелких клеток – сперматогоний в семенниках и овогоний в яичниках. Сперматогонии и оогонии продолжают многократно делиться, образуя клетки таких же размеров, что свидетельствует о компенсаторном росте как цитоплазмы, так и ядра. Сперматогонии и овогонии делятся митотически, и, следовательно, у них сохраняется первоначальное диплоидное число хромосом.

Спустя некоторое время эти клетки прекращают делиться и вступают в период роста, в течение которого в их ядрах происходят очень важные изменения. Хромосомы, полученные исходно от двух родителей, соединяются попарно (конъюгируют), вступая в очень тесное соприкосновение. Это делает возможным последующий кроссинговер (перекрест), в ходе которого гомологичные хромосомы разрываются и соединяются в новом порядке, обмениваясь эквивалентными участками; в результате кроссинговера в хромосомах оогониев и сперматогониев возникают новые комбинации генов. Предполагается, что стерильность мулов обусловлена несовместимостью хромосом, полученных от родителей – лошади и осла, из-за которой хромосомы не способны выжить при тесном соединении друг с другом. В результате созревание половых клеток в яичниках или семенниках мула прекращается на стадии конъюгации.

Когда ядро перестроилось и в клетке накопилось достаточное количество цитоплазмы, возобновляется процесс деления; вся клетка и ядро подвергаются двум разного типа делениям, определяющим собственно процесс созревания половых клеток. Одно из них – митоз – приводит к образованию клеток, аналогичных исходной; в результате другого – мейоза, или редукционного деления, в ходе которого клетки делятся дважды, – образуются клетки, каждая из которых содержит лишь половинное (гаплоидное) число хромосом по сравнению с исходным, а именно по одной из каждой пары. У некоторых видов эти клеточные деления происходят в обратном порядке. После роста и реорганизации ядер в овогониях и сперматогониях и непосредственно перед первым делением мейоза эти клетки получают названия овоцитов и сперматоцитов первого порядка, а после первого деления мейоза – овоцитов и сперматоцитов второго порядка. Наконец, после второго деления мейоза клетки, находящиеся в яичнике, называют яйцами (яйцеклетками), а находящиеся в семеннике – сперматидами. Теперь яйцо окончательно созрело, а сперматиде предстоит еще проделать метаморфоз и превратиться в сперматозоид.

 

 

Здесь необходимо подчеркнуть одно важное различие между овогенезом и сперматогенезом. Из одного ооцита первого порядка в результате созревания получается только одно зрелое яйцо; остальные три ядра и небольшое количество цитоплазмы превращаются в полярные тельца, которые не функционируют как половые клетки и в дальнейшем дегенерируют. Вся цитоплазма и желток, которые могли бы распределиться по четырем клеткам, концентрируются в одной – в зрелом яйце. В отличие от этого один сперматоцит первого порядка дает начало четырем сперматидам и такому же числу зрелых сперматозоидов, не теряя ни одного ядра. При оплодотворении восстанавливается диплоидное, или нормальное, число хромосом.

 

 

 

Яйцо. Яйцеклетка инертна и обычно крупнее соматических клеток данного организма. Яйцеклетка мыши составляет примерно 0,06 мм в диаметре, тогда как диаметр страусиного яйца бывает более 15 см. Яйца обычно имеют шаровидную или овальную форму, но бывают также продолговатыми, как у насекомых, миксины или ильной рыбы. Размеры и другие признаки яйца зависят от количества и распределения в нем питательного желтка, накапливающегося в виде гранул или, реже, в виде сплошной массы. Поэтому яйца делят на разные типы в зависимости от содержания в них желтка.

Гомолецитальные яйца (от греч. homs – равный, однородный, lkithos – желток). В гомолецитальных яйцах, называемых также изолецитальными или олиголецитальными, желтка очень мало и он равномерно распределен в цитоплазме. Такие яйца типичны для губок, кишечнополостных, иглокожих, морских гребешков, нематод, оболочников и большинства млекопитающих.

Телолецитальные яйца (от греч. tlos – конец) содержат значительное количество желтка, а цитоплазма сконцентрирована у них на одном конце, обозначаемом обычно как анимальный полюс. Противоположный полюс, на котором сконцентрирован желток, называют вегетативным. Такие яйца типичны для кольчатых червей, головоногих моллюсков, бесчерепных (ланцетник), рыб, земноводных, пресмыкающихся, птиц и однопроходных млекопитающих. У них хорошо выражена анимально-вегетативная ось, определяемая градиентом распределения желтка; ядро обычно располагается эксцентрически; в яйцах, содержащих пигмент, он также распределяется по градиенту, но, в отличие от желтка, его больше на анимальном полюсе.

Центролецитальные яйца. В них желток расположен в центре, так что цитоплазма сдвинута к периферии и дробление поверхностное. Такие яйца типичны для некоторых кишечнополостных и членистоногих.

 

Сперматозоид. В отличие от крупной и инертной яйцеклетки, сперматозоиды мелкие, от 0,02 до 2,0 мм в длину, они активны и способны «проплыть» большое расстояние, чтобы добраться до яйца. Цитоплазмы у них мало, а желтка нет вообще.

Форма сперматозоидов разнообразна, однако среди них можно выделить два главных типа – жгутиковые и безжгутиковые. Безжгутиковые формы сравнительно редки. У большинства животных активная роль в оплодотворении принадлежит сперматозоиду.

 

В пренатальном развитии человека выделяют начальный, зародышевый и плодный периоды.

Период	Продолжительность периода	Критическое событие (начало периода)	Другие важные события периода
Начальный (концептус)	Первые 2 недели	Оплодотворение
Зародышевый (эмбрион)	3–8 недели	Образование первичной полоски	Органогенез Появление сердцебиений — 21-й день
Плодный (плод)	До конца беременности	Плацентация

 

* Считают, что эмбрион — общность клеток или существо, формирующееся на стадии первичной полоски, но не ранее. По мнению A. McLaren [69], нельзя называть эмбрионом продукт дифференцировки зиготы до стадии первичной полоски. Автор предлагает называть этот продукт концептусом, проэмбрионом, предэмбрионом.

         Для начального периода и раннего эмбриона выделены такие фазы развития и связанные с ними события: зигота — начало синтеза ДНК и белка; дробление — начало синтеза основных типов РНК; морула — клетки ещё тотипотентны (эмбриональная стволовая клетка); бластоциста — утрата тотипотентности; клетки детерминированы к образованию зародышевых или внезародышевых структур; гаструла — наличие зародышевых листков и стволовых клеток; органогенез — формирование зачатков органов из клеточных клонов.

 

Оплодотворение – слияние половых клеток

 

•         Биологическое значение:

•         Возобновление диплоидного набора хромосом

•         Определение пола ребенка

•         Инициация дробления

•         Фазы:

•         Дистантная (капацитация, таксис)

•         Контактная (акросомальна реакция, денудация, пенетрация, кортикальная реакция, зонная реакция)

 

Оплодотворение. Оплодотворение – сложный процесс, в ходе которого сперматозоид проникает в яйцо и их ядра сливаются. В результате слияния гамет образуется зигота – по существу уже новая особь, способная развиваться при наличии необходимых для этого условий. Оплодотворение вызывает активацию яйца, стимулируя его к последовательным изменениям, приводящим к развитию сформированного организма. При оплодотворении происходит также амфимиксис, т.е. смешение наследственных факторов в результате слияния ядер яйца и сперматозоида. Начало оплодотворения — момент слияния мембран сперматозоида и яйцевой клетки, окончание оплодотворения — момент объединения материала мужского и женского пронуклеусов. Всё, что происходит до слияния мембран сперматозоида и яйцевой клетки, именуют событиями, предшествующими оплодотворению.

В эякуляте человека содержится 3´10⁸ сперматозоидов. В женских половых путях они сохраняют способность к оплодотворению максимально до 2 суток. Примерно 200 из них достигает воронки маточной трубы, где происходит встреча сперматозоида с яйцеклеткой.

Головка содержит ядро и акросому. Акросома образуется в ходе сперматогенеза как продукт комплекса Гольджи и может рассматриваться как аналог лизосом. Акросома расположена в головке сперматозоида, кпереди от ядра и тотчас под плазматической мембраной. Спереди мембрана акросомы (наружная) соприкасается с клеточной мембраной сперматозоида, а сзади (внутренняя мембрана) — с ядерной мембраной.

 

В шейке присутствует центриоль. Промежуточный отдел заполнен митохондриями, формирующими митохондриальную спираль. В осевой части промежуточного отдела и практически вдоль всего хвоста располагается аксонема. В хвосте (снаружи от аксонемы) локализуются наружные плотные фибриллы и фибриллярный футляр.

 

Направленная миграция

В феномене встречи сперматозоида и яйцеклетки важную роль играет хемотаксис — направленная миграция сперматозоидов по градиенту химических веществ, выделяемых овулировавшей яйцеклеткой. Хемоаттрактанты попадают в маточную трубу в составе фолликулярной жидкости лопнувшего фолликула, а также секретируются яйцеклеткой и фолликулярными клетками corona radiata.

Обонятельне рецепторы hOR17-4, локализованные в мембране хвоста сперматозоида, отвечают за хемотаксис. Связанные с G–белком (G_olf) рецепторы hOR17-4 активируют аденилатциклазу, запускающую внутриклеточный каскад на повышение содержания Ca²⁺ в цитоплазме хвоста. Повышение концентрации Ca²⁺ модулирует движение хвоста сперматозоида.

Пахучее вещество bourgeonal, имеющее запах цветка лилии, специфически связывается с рецептором hOR17-4 и является сильным хемоаттрактантом для сперматозоидов. На основе химической формулы bourgeonal ведутся поиски естественных хемоаттрактантов сперматозоидов.

Прогестерон считается слабым хемоаттрактантом, но за счёт медленного повышения концентрации ионов кальция в теле сперматозоида гормон повышает двигательную активность клетки.

 

Капацитация

До того, как сперматозоид встретится с яйцеклеткой, он в течение нескольких часов находится в женских половых путях. При этом на сперматозоид воздействуют факторы женского организма (pH, слизь, прогестерон, хемоаттрактанты и др.), поддерживающие способность к миграции и оплодотворению. Жизнеспособные подвижные сперматозоиды не способны оплодотворить яйцеклетку пока не пройдут окончательное созревание в женских половых путях. Процесс, при котором сперматозоид приобретает способность к оплодотворению яйцеклетки называется капацитацией. Только после капацитации сперматозоиды смогут связаться с прозрачной оболочкой, осуществить акросомную реакцию, проникнуть в яйцеклетку и оплодотворить её. Для успешной капацитации сперматозоиды, должны примерно 7 часов находиться в женских половых путях.

Механизм капацитации. Капацитация представляет собой сложный молекулярный механизм, подготавливающий мембрану сперматозоида для связывания с прозрачной оболочкой, акросомной реакции и оплодотворения. При капацитации усиливается фосфорилирование остатков тирозина мембранных и цитозольных белков сперматозоида, благодаря чему повышается его двигательная активность и готовность к акросомной реакции. Лишь небольшая популяция сперматозоидов одновременно вступает в капацитацию, которая длится в течение 1–4-х часов. Поэтому в состоянии ожидания яйцеклетки на смену первой популяции сперматозоидов приходит другая и т.д., для того чтобы в любой момент быть готовым для оплодотворения.

Прогестерон и фолликулярная жидкость инициируют два основных события, стимулирующих фосфорилирование остатков тирозина. Это снижение содержание холестерина (и других стеринов) в плазматической мембране сперматозоида и образование активных форм кислорода. Супероксид анион O^2– регулирует цАМФ-зависимое фосфорилирование остатков тирозина. Выход холестерина из мембраны увеличивает её текучесть и проницаемость, что облегчает фосфорилирование тирозина в мембранных белках.

Последовательный ход молекулярных событий можно представить следующим образом: прогестерон (фолликулярная жидкость)  образование супероксид аниона (O₂^–) и выход из мембраны холестерина  активация аденилатциклазы  увеличение содержания цАМФ  активация протеинкиназы А (PKA)  фосфорилирование остатков тирозина  капацитация.

Механизмы предотвращения преждевременной капацитации

Семеногелины I и II ¾ основные белки семенной жидкости, продуцируются в семенных пузырьках, образуют гелеобразный матрикс, заключающий в себя сперматозоиды, ферменты, фруктозу, витамины, металлы и др. Белки расщепляются с помощью простато-специфического антигена (PSA) с образованием фрагментов, вследствие чего, с одной стороны, происходит разжижение спермы и обеспечивается подвижность сперматозоидов, а с другой ¾ предотвращается капацитация незрелых сперматозоидов путём связывания активных форм кислорода.

Гликоделины-S, –A и –F  семейство гликопротеинов, ингибирующих капацитацию. Гликоделин-S содержится в семенной жидкости, блокирует капацитацию сперматозоидов до эякуляции. Белок специфически связывается с головкой сперматозоида и снижает утечку холестерина из мембраны. Гликоделин-А секретируется клетками эндометрия и маточных труб, блокирует связывание сперматозоида с прозрачной оболочкой яйцеклетки, а также защищает сперматозоиды от агрессии со стороны иммунной системы в женских половых путях. Гликоделин-F содержится в фолликулярной жидкости, ингибирует прикрепление сперматозоидов к прозрачной оболочке, подавляет индуцированную прогестероном акросомную реакцию.

Вызванная капацитация является одним из условий для успешного оплодотворения in vitro. В настоящее время предлагаются коммерческие среды, стимулирующие капацитацию.

Большинство яйцеклеток в яичниках находится на стадии поздней диплотены профазы первого деления мейоза. При разрыве зрелого фолликула (овуляция) из яичника в брюшную полость выбрасывается овоцит второго порядка. Его окружают прозрачная оболочка (zona pellucida) и лучистый венец (corona radiata). Между прозрачной оболочкой и плазмолеммой яйцеклетки находится первое полярное тельце.

Перемещение яйцеклетки

Перед овуляцией увеличение тонуса ГМК маточной трубы приближает воронку маточной трубы к поверхности яичника. Биение ресничек эпителиальных клеток фимбрий ампулы маточной трубы создаёт ток жидкости, способствующий перемещению яйцеклетки из брюшной полости в ампулу.

При синдроме Картагенера и синдроме неподвижных ресничек женщины фертильны.

Способность к оплодотворению. Для успешного оплодотворения яйцеклетка должна встретиться со сперматозоидом в течение одних суток после овуляции. Из практических соображений время, в течение которого овулировавшая яйцевая клетка может быть оплодотворена, оценивают в пять суток. В течение этого времени яйцеклетка находится в состоянии пониженной активности и если оплодотворение не наступит, она погибает.

Прозрачная оболочка

По мере развития яйцеклетки в ней происходят синтез и последующая секреция гликопротеинов, постепенно формирующих zona pellucida. 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 рецептор сперматозоида, обеспечивающий дополнительное связывание гамет. Связывание сперматозоида с гликопротеинами ZP является сигналом к акросомной реакции.

Zona pellucida подразделяется на два слоя: внутренний, богатый нейтральными гликозаминогликанами, и наружный, содержащий преимущественно кислые гликозаминогликаны. В состав прозрачной оболочки также входят сульфатированные гликозаминогликаны, гиалуроновая и сиаловые кислоты, гликопротеины. Основная масса зрелой прозрачной оболочки — гликопротеины ZP: ZP1, ZP2 и ZP3 с M_r 90–110, 64–76 и 57–73 кД соответственно. ZP3 состоит из полипептида (44 кД), цепей N–олигосахаридов и О–олигосахаридов. Синтез ZP прекращается в ходе или тотчас после овуляции. Прозрачная оболочка содержит примерно 10¹² молекул ZP3, вместе с ZP2 формирующих нити длиной 2–3 мкм и толщиной 7 нм (рис. 3-5). В составе этих нитей комплекс ZP2–ZP3 образует структурные повторы каждые 15 нм. Нерегулярным образом нити соединены при помощи ZP1, что и приводит к образованию трёхмерной сети — каркаса прозрачной оболочки. В петлях этого каркаса расположены углеводные компоненты zona pellucida. ZP3 — рецептор сперматозоида. Инактивация или отщепление О–олигосахарида от молекулы ZP3 блокирует связывание сперматозоида с яйцеклеткой. ZP2 — вторичный рецептор сперматозоида.

Овоцит. Лучистый венец, прозрачная оболочка и плазматическая мембрана овоцита — барьеры, которые должен последовательно преодолеть сперматозоид, чтобы произошло оплодотворение.

 

События, предшествующие оплодотворению

Для того, чтобы произошло оплодотворение, сперматозоид должен последовательно преодолеть три барьера лучистый венец, состоящий из нескольких слоёв фолликулярных клеток, прозрачную оболочку и, наконец, плазматическую мембрану яйцеклетки, при слиянии которой с плазмолеммой сперматозоида и начинается собственно оплодотворение. Сперматозоид легко проникает через лучистый венец между рыхло расположенными фолликулярными клетками и достигает прозрачной оболочки. Прозрачная оболочка — существенный барьер на пути сперматозоида. При взаимодействии сперматозоида с прозрачной оболочкой последовательно происходят следующие события: связывание сперматозоида с его рецептором акросомная реакция расщепление компонентов zona pellucida ферментами акросомы проникновение сперматозоида через образовавшийся в оболочке канал к плазматической мембране яйцеклетки. Взаимодействие сперматозоида с прозрачной оболочкой происходит в два этапа. Сначала сперматозоид слабо прикрепляется к прозрачной оболочке. На этом этапе взаимодействие не видоспецифично, сперматозоиды могут быть легко отделены. На втором этапе сперматозоиды прочно связываются со своими рецепторами. Это взаимодействие видоспецифично (видовую специфичность обеспечивает также акрозин, освобождающийся в ходе акросомной реакции).

Преодоление сперматозоидом барьеров яйцеклетки. А — проникновение сперматозоида через лучистый венец; Б — акросомная реакция; В — прохождение сперматозоида через прозрачную оболочку; Г — слияние клеточных мембран сперматозоида и яйцеклетки.

 

Акросомная реакция

Акросомная реакция — экзоцитоз содержимого акросомы для локального разрушения прозрачной оболочки и преодоления сперматозоидом этого барьера. Начало акросомной реакции следствие взаимодействия олигосахаридов гликопротеина ZP3 прозрачной оболочки с лектин-подобным рецептором1,4–галактозилтрансферазой I (GalTI) в мембране головки сперматозоида. При акросомной реакции наружная мембрана акросомы и клеточная мембрана сливаются и формируют мелкие пузырьки, отделяющиеся от головки сперматозоида. При этом из акросомы освобождаются гиалуронидаза, протеазы (в том числе акрозин), гликозидазы, липазы, нейраминидаза и фосфатазы. Ферменты расщепляют молекулы прозрачной оболочки, что позволяет сперматозоиду преодолеть этот барьер.

Акросомная реакция. Последовательные этапы акросомной реакции.

 

Экзоцитоз

Секреция содержимого акросомы подчиняется правилам Са²⁺–регулируемого экзоцитоза. В ответ на увеличение концентрации Ca²⁺ в цитозоле белковый комплекс SNARE (t–SNARE и v–SNARE ) обеспечивает слияние наружной мембраны акросомы и плазмолеммы. Слияние и диссоциацию белков SNARE контролируют ГТФ–связывающий белок Rab3А и АТФ-гидролизующий фермент NSF.

 

Слияние гамет

В результате акросомной реакции в прозрачной оболочке образуется узкий канал, через который проходит сперматозоид; плазматические мембраны сперматозоида и яйцеклетки вступают в соприкосновение и сливаются. Вскоре слившиеся мембраны разрушаются, сперматозоид, лишённый собственной плазматической мембраны, оказывается погружённым в цитоплазму яйцеклетки.

 

Активация яйцеклетки

Оплодотворение активизирует яйцеклетку, в цитоплазме повышается концентрация Ca²⁺, что служит сигналом для второго деления мейоза. Оплодотворённый овоцит второго порядка после метафазы второго деления завершает мейоз с образованием гаплоидной зрелой яйцеклетки и второго полярного тельца. Оно располагается рядом с первым между прозрачной оболочкой и плазмолеммой.

Овариальная тератома — патология, возникающая в яичниках будущего организма в случае, если второе полярное тельце не выталкивается из зиготы (более того, возможно вхождение его хромосом в состав синкариона — самооплодотворение).

 

Объединение пронуклеосов

В течение первых 12 часов после проникновения сперматозоида в яйцеклетку происходит перестройка ядер (пронуклеусов) слившихся гамет. Ядра набухают, появляются ядрышки. Пронуклеусы мигрируют в центр яйцеклетки и сближаются. Их ядерные оболочки исчезают, а материнские и отцовские хромосомы перемешиваются — образуется синкарион. Этот процесс (сингамия) и есть собственно оплодотворение. Таким образом, при сингамии происходит объединение ядерного генома гаплоидных гамет: (22 аутосомы + 1 половая хромосома)х 2 = 44 аутосомы + 2 половые хромосомы и появляется диплоидная зигота (новый организм, пока одноклеточный). Сперматозоид приносит также митохондриальную ДНК и сигнальные белки дробления — с M_r 14 и 18 кД. Наконец, в ходе оплодотворения происходит завершение мейоза, и детерминируется генетический пол нового организма.

Биологическая роль сперматозоидов в процессе оплодотворения

1.     Обеспечивает встречу с овоцитом.

2.     Предоставляет 23 родительских хромосомы.

3.     Определяет пол ребенка.

4.     Вносит в овоцит центріоль.

5.     Предоставляет митохондриальную ДНК.

6.     Провоцирует завершение мейозу яйцеклеткой.

7.     Вносит сигнальный белок дробления.

 

Генетический пол определяет Y-хромосома. Примерно половина сперматозоидов содержит Y-хромосому, другая половина — хромосому Х. Следовательно, половина зигот имеет генетически мужской пол (XY), вторая половина — генетически женский пол (XX).

В медицинской практике выявлены различные пороки развития, обусловленные аномальным кариотипом. Причиной пороков чаще бывает нерасхождения в анафазе половинок половых хромосом в процессе мейоза женских половых клеток. В результате этого в одну клетку попадает две Х – хромосомы ( XX ), а в другой – нет никакой. При оплодотворении таких яйцеклеток формируются различные кариотипы.

Синдром Клайнфельтера ( 47 хромосом из них : 44а + XXY ) у мужчин характеризуется уменьшением половых желез , в которых отсутствует сперматогенез , увеличением молочных желез .

Синдром Шерешевского – Тернера ( 45 хромосом из них : 44а + X ) – женский организм с рядом изменений : невысокий рост , недоразвитые половые органы ( яичники , матка , маточные трубы) , отсутствие месячных и вторичных половых признаков .

 

Митохондриальный геном

Самореплицирующиеся митохондрии имеют собственную ДНК (митохондриальная ДНК), кодирующую полипептиды, частично обеспечивающие функцию этой органеллы. Митохондрии зиготы имеют двоякое происхождение: часть содержалась в овоците (материнская часть митохондриального генома), другую часть этих органелл приносит сперматозоид (отцовский митохондриальный геном).

Наследуемые с митохондриями (отцовскими или материнскими) заболевания (например, врождённая невропатия зрительного нерва Лебера, MERRF– и MELAS–синдромы, дилатационная митохондриальная кардиомиопатия, некоторые скелетномышечные миопатии).

При соприкосновении сперматозоида с поверхностью яйца желточная оболочка яйца изменяется, превращаясь в оболочку оплодотворения. Это изменение считается доказательством того, что произошла активация яйца. Одновременно на поверхности яиц, содержащих мало желтка или не содержащих его вовсе, возникает т.н. кортикальная реакция, не допускающая проникновения в яйцо других сперматозоидов. У яиц, содержащих очень много желтка, кортикальная реакция возникает позднее, так что в них обычно проникает несколько сперматозоидов. Но даже в таких случаях оплодотворение совершает только один сперматозоид, первым дошедший до ядра яйца.

У некоторых яйцеклеток в месте соприкосновения сперматозоида с плазматической мембраной яйца образуется выпячивание мембраны – т.н. бугорок оплодотворения; он облегчает проникновение сперматозоида. Обычно в яйцо проникают головка сперматозоида и центриоли, находящиеся в его средней части, а хвост остается снаружи. Центриоли способствуют образованию веретена при первом делении оплодотворенного яйца. Процесс оплодотворения можно считать завершенным, когда два гаплоидных ядра – яйцеклетки и сперматозоида – сливаются и их хромосомы конъюгируют, готовясь к первому дроблению оплодотворенного яйца.

 

Пенетрация сперматозоидом оболочек яйцеклетки

В ходе собственно оплодотворения и сразу после него в зиготе и окружающих её структурах происходит ряд процессов (уменьшение объёма зиготы, формирование перивителлинового пространства, кортикальная реакция, модификация прозрачной оболочки). Назначение этих процессов — предупреждение полиспермии и создание гомеостатической среды для концептуса.

 

 

Схема оплодотворения

1 цитоплазма яйцеклетки, 2 – ядро овоцита, 3 – пеллюцида, 4  клетки corona rаdiаtа, 5 – головка сперматозоида, 6 – шейка сперматозоида, 7 – хвост сперматозоида, 8 – oволемма.

 

 

9 – оболочка оплодотворения. 10 – материнский пронуклеус, 11 – отцовский пронуклеус, 12 – веретена деления, 13 – слияние пронуклеусов.

 

Зигота

При слиянии плазматических мембран гамет и объединении ядерных геномов происходят существенные изменения внутриклеточного ионного состава, приводящие к уменьшению объёма зиготы, деполяризации её плазмолеммы, развитию кортикальной реакции. Прямое следствие уменьшения объёма — образование перивителлинового пространства. Перивителлиновое пространство содержит оба полярных тельца и имеет характерный ионный состав (гомеостатическая среда для концептуса), создающий дополнительное препятствие для проникновения к зиготе других сперматозоидов. Деполяризация плазматической мембраны также предупреждает проникновение сперматозоидов в зиготу.

 

Кортикальная реакция

По периферии яйцеклетки расположены кортикальные гранулы. Их диаметр 200–600 нм; они содержат ферменты, в том числе различные гидролазы. Сразу после проникновения сперматозоида в яйцеклетку начинается кортикальная реакция — выделение содержимого кортикальных гранул в перивителлиновое пространство. Сигнал для кортикальной реакции — повышение концентрации Ca²⁺ в цитозоле. Под действием ферментов кортикальных гранул происходят протеолиз ZP2 (ZP2 – ZP2f) и модификация рецептора сперматозоида ZP3 (ZP3 – ZP3f). В модифицированном состоянии ZP3f теряет способность к запуску акросомной реакции. Тем самым блокируется полиспермия. Белки SNARE (синтаксин, SNAP-25), регулирующие белки (например, Rab3A) контролируют Са²⁺–зависимый экзоцитоз кортикальных гранул.

Есть такие механизмы кортикальной реакции:

1. Модификация потенциала клеточной мембраны (минуса на плюс).

2. Освобождение Са + + из депо в гиалоплазму.

3. Экзоцитоз кортикальных гранул.

4. Накопление воды между оволеммой  и блестящей оболчкой в перивителиновом пространстве.

5. Уплотнение блестящей оболочки с образованием оболочки оплодотворения.

 

Оболочка оплодотворения

В результате кортикальной реакции прозрачная оболочка подвергается существенным изменениям — происходит её стабилизация (оболочка оплодотворения). В стабилизированном состоянии оболочка оплодотворения защищает проходящий по маточной трубе концептус. Без оболочки оплодотворения дробление зиготы невозможно.

 

Экстракорпоральное оплодотворение

В акушерско-гинекологической практике часто сталкиваются с невозможностью иметь ребёнка вследствие патологии маточных труб, олигоспермии и т.д. Проблему решают применением экстракорпорального оплодотворения. Сущность метода состоит в получении жизнеспособных яйцеклеток с последующим их оплодотворением in vitro, введением в матку концептуса и возникновением беременности. Если в естественных условиях при овуляции из яичника выходит одна яйцеклетка, то для успешного экстракорпорального оплодотворения необходимо одновременное получение большого их количества. Для этого женщине проводят медикаментозную стимуляцию овуляции гормональными препаратами. Яйцеклетки получают при хирургической операции с применением эндоскопического оборудования или при помощи трансвагинальной техники. Полученные яйцеклетки культивируют in vitro в питательной среде специального состава, где и производят их оплодотворение путём введения в среду сперматозоидов. Дробление контролируют микроскопически, и 4 нормально развивающихся концептуса одновременно вводят через шейку в полость матки. Операция успешна в 20–25% случаев.

Это было в 1976 году в Великобритании, Луиза Браун родилась благодаря усилиям эмбриологов Эдвардса и Stantow.

Есть определенные успехи такого экстракорпорального оплодотворения:

1. Существует возможность выбора будущего пола ребенка.

2. Сперма может быть обогащена сперматозоидами, можно отобрать неполноценные.

3. Можна почти исключить эктопическую имплантацию  (в таком случае невозможна трубная беременность).

Дробление

Дробление – образование многоклеточного зародыша бластули

•         Характеристики:

•         а) полное, частичное

•         б) равномерное, неравномерное

•         в) синхронное, асинхронное

Дробление. Если возникновение оболочки оплодотворения считается показателем активации яйца, то деление (дробление) служит первым признаком действительной активности оплодотворенного яйца. Характер дробления зависит от количества и распределения желтка в яйце, а также от наследственных свойств ядра зиготы и особенностей цитоплазмы яйца (последние целиком определяются генотипом материнского организма). Выделяют три типа дробления оплодотворенного яйца.

Голобластическое дробление характерно для гомолецитальных яиц. Плоскости дробления разделяют яйцо полностью. Они могут делить его на равные части, как у морской звезды или морского ежа, или же на неравные части, как у брюхоногого моллюска Crepidula. Дробление умеренно телолецитального яйца ланцетника происходит по голобластическому типу, однако неравномерность деления проявляется только после стадии четырех бластомеров. У некоторых клеток после этой стадии дробление становится крайне неравномерным; образующиеся при этом мелкие клетки называют микромерами, а крупные клетки, содержащие желток, – макромерами. У моллюсков плоскости дробления проходят таким образом, что начиная со стадии восьми клеток бластомеры располагаются по спирали; этот процесс регулируется ядром.

Меробластическое дробление типично для телолецитальных яиц, богатых желтком; оно ограничено относительно небольшим участком у анимального полюса. Плоскости дробления не проходят через все яйцо и не захватывают желток, так что в результате деления на анимальном полюсе образуется небольшой диск клеток (бластодиск). Такое дробление, называемое также дискоидальным, свойственно пресмыкающимся и птицам.

Поверхностное дробление типично для центролецитальных яиц. Ядро зиготы делится в центральном островке цитоплазмы, и получающиеся при этом клетки перемещаются на поверхность яйца, образуя поверхностный слой клеток вокруг лежащего в центре желтка. Этот тип дробления наблюдается у членистоногих.

Правила дробления. Установлено, что дробление подчиняется определенным правилам, названным именами исследователей, которые их впервые сформулировали. Правило Пфлюгера: веретено всегда тянется в направлении наименьшего сопротивления. Правило Бальфура: скорость голобластического дробления обратно пропорциональна количеству желтка (желток затрудняет деление как ядра, так и цитоплазмы). Правило Сакса: клетки обычно делятся на равные части, и плоскость каждого нового деления пересекает плоскость предшествующего деления под прямым углом. Правило Гертвига: ядро и веретено обычно располагаются в центре активной протоплазмы. Ось каждого веретена деления располагается по длинной оси массы протоплазмы. Плоскости деления обычно пересекают массу протоплазмы под прямым углом к ее осям.

В результате дробления оплодотворенных яиц любого типа образуются клетки, называемые бластомерами. Когда бластомеров становится много (у земноводных, например, от 16 до 64 клеток), они образуют структуру, напоминающую ягоду малины и названную морулой.

 

 

 

 

 

Бластула. По мере продолжения дробления бластомеры становятся все мельче и все плотнее прилегают друг к другу, приобретая гексагональную форму. Такая форма повышает структурную жесткость клеток и плотность слоя. Продолжая делиться, клетки раздвигают друг друга и в итоге, когда их число достигает нескольких сотен или тысяч, формируют замкнутую полость – бластоцель, в который поступает жидкость из окружающих клеток. В целом это образование носит название бластулы. Ее формированием (в котором клеточные движения не участвуют) завершается период дробления яйца.

В гомолецитальных яйцах бластоцель может располагаться в центре, но в телолецитальных яйцах он обычно бывает сдвинут желтком и располагается эксцентрически, ближе к анимальному полюсу и прямо под бластодиском. Итак, бластула обычно представляет собой полый шарик, полость которого (бластоцель) заполнена жидкостью, но в телолецитальных яйцах с дискоидальным дроблением бластула представлена уплощенной структурой.

При голобластическом дроблении стадия бластулы считается завершенной, когда в результате деления клеток соотношение между объемами их цитоплазмы и ядра становится таким же, как в соматических клетках. В оплодотворенном яйце объемы желтка и цитоплазмы совершенно не соответствуют размерам ядра. Однако в процессе дробления количество ядерного материала несколько увеличивается, тогда как цитоплазма и желток только делятся. В некоторых яйцах отношение объема ядра к объему цитоплазмы в момент оплодотворения составляет примерно 1:400, а к концу стадии бластулы – примерно 1:7. Последнее близко к соотношению, характерному и для первичной половой и для соматической клетки.

Поверхности поздней бластулы оболочников и земноводных можно картировать; для этого на разные ее участки наносят прижизненные (не наносящие вреда клеткам) красители – сделанные цветные метки сохраняются в ходе дальнейшего развития и позволяют установить, какие органы возникают из каждого участка. Эти участки называют презумптивными, т.е. такими, судьбу которых при нормальных условиях развития можно предсказать. Если, однако, на стадии поздней бластулы или ранней гаструлы переместить эти участки или поменять местами, их судьба изменится. Подобные эксперименты показывают, что до какой-то определенной стадии развития каждый бластомер способен превратиться в любую из множества разнообразных клеток, составляющих организм.

 

Дробление зародыша человека

Дробление — митотическое деление диплоидных клеток без увеличения их суммарного объёма — стадия развития, наступающая после оплодотворения. При дроблении происходит относительно быстрое увеличение количества клеток (бластомеры), от 2 до примерно 12–16 к третьим суткам после оплодотворения, когда концептус достигает стадии морулы и выходит в полость матки из маточной трубы.

Сигнальный белок дробления. В зиготе обнаружены два принесённые сперматозоидом белка с M_r 14 и 18 кД, содержащие одну и ту же Аг-детерминанту. АТ к этому Аг блокируют первые дробления зиготы, не оказывая влияния на другие процессы.

Дробление отличается от обычного клеточного цикла отсутствием фаз G1 и G2 и очень короткой S–фазой, во время которой происходит синтез ДНК. Интервал между делениями дробления составляет примерно 12–24 часа. Роста клеток не происходит и в ходе дроблений клетки уменьшаются в размерах, так что диаметр концептуса не превышает 100 мкм. На стадии бластоцисты дробления прекращаются и клетки возобновляют нормальный клеточный цикл G1, S, G2, M.

Концептус от оплодотворения до имплантации. Овуляция наступает на 14-й день менструального цикла, в течение 1 сут происходит оплодотворение. Трое суток с момента оплодотворения концептус продвигается по маточной трубе, на 4 сут попадает в полость матки и через 5,5–6 сут имплантируется в эндометрий. В ходе перемещения по маточной трубе происходит дробление, и в полости матки оказывается бластоциста, готовая к имплантации. 1 — овоцит тотчас после овуляции, 2 — оплодотворение через 12–24 ч после овуляции, 3 — стадия появления мужского и женского пронуклеусов, 4 — начало дробления, 5 — двухклеточная стадия (30 часов), 6 — морула, состоящая из 12–16 бластомеров (3 сут), 7 — продвинутая морула в полости матки (4 сут), 8 — ранняя бластоциста (4,5–5 сут), 9 — имплантация бластоцисты (5,5–6 сут).

В ходе дробления и на последующих стадиях развития происходит устранение дефектных клеток путём апоптоза. На всех стадиях развития наблюдается конститутивная экспрессия белка BAX. В ходе развития частота экспрессии проапоптозных и антиапоптозных белков семейства BCL–2 проявляется сходным образом, но на 2–клеточной стадии преобладает экспрессия проапоптозных белков. В отличие от нормальных, клетки дефектных концептусов на стадии 4–х бластомеров экспрессируют BAK.

Характер дробления определяется количеством и распределением в цитоплазме желточных включений. У человека — плацентарного млекопитающего — в связи с внутриутробным питанием плода через плаценту нет необходимости в создании больших запасов желтка. Поэтому желток распределён в цитоплазме равномерно (изолецитальная яйцеклетка). Зигота, образованная такой яйцеклеткой, совершает голобластическое дробление, т.е. полностью разделяется на два бластомера. Дальнейшие дробления — асинхронные и несколько неравномерные. При дроблении зигота окружена прозрачной оболочкой (оболочкой опрлодотворения), сохраняющейся до стадии бластоцисты.

Первое дробление начинается примерно через 30 часов после оплодотворения. Плоскость первого деления проходит через область направительных телец. Поскольку желток в зиготе распределён равномерно, выделение анимального и вегетативного полюсов затруднено. Область отделения направительных телец обычно рассматривают как анимальный полюс. Образующиеся два бластомера несколько различны по размерам.

В результате первого деления дробления нарушается симметрия зародыша и образуется два бластомера с различными потенциями развития: один бластомер дает начало «эмбриональной части» бластоцисты (полярный трофобласт и глубокая часть внутренней клеточной массы), а другой бластомер — «неэмбриональной части» бластоцисты (муральный трофобласт и поверхностный слои внутренней клеточной массы)

 

Компактизация и морула на ранних этапах развития. В результате компактизации уменьшается размер межклеточных пространств между бластомерами, они сближаются, и формируется морула. В моруле различают внутреннюю часть (клетки связаны щелевыми контактами) и наружную часть (клетки соединены при помощи плотных контактов). Из клеток внутренней части морулы развивается эмбриобласт, а из клеток наружной части формируется трофобласт. Внутренняя клеточная масса и трофобласт — главные структурные элементы бластоцисты.

 

Второе дробление. Образование второго митотического веретена в каждом из бластомеров происходит вскоре после окончания первого деления, плоскость второго деления проходит перпендикулярно плоскости первого деления дробления, концептус переходит в стадию 4–х бластомеров. Однако, дробление у человека асинхронно, поэтому при переходе от стадии 2–х бластомеров к стадии 4–х бластомеров в течение некоторого времени можно наблюдать трёхклеточный концептус. На стадии 4–х бластомеров синтезируются все основные типы РНК.

Третье дробление. На этой стадии несинхронность дробления проявляется в большей мере, в итоге образуется концептус с различным количеством бластомеров; условно его можно отнести к стадии 8 бластомеров. До этого бластомеры расположены рыхло. Непосредственно перед следующим (4–м) делением дробления с образованием 16 бластомеров эмбрион подвергается компактизации. Концептус уплотняется (компактизация), поверхность соприкосновения бластомеров увеличивается, объём межклеточного пространства уменьшается. Сближение бластомеров в ходе компактизации — необходимое условие для образования между бластомерами специализированных межклеточных контактов (щелевых и плотных), формирующихся на поздней 8–клеточной стадии (морула). До формирования контактов в плазматическую мембрану бластомеров начинает встраиваться E–кадгерин (увоморулин) — белок адгезии клеток. В бластомерах ранних концептусов E–кадгерин равномерно распределён в клеточной мембране. Позднее в области межклеточных контактов образуются скопления (кластеры) молекул E–кадгерина.

В ходе компактизации E–кадгерин способствует поляризации клеток. Между апикально-латеральными областями наружных бластомеров формируются плотные контакты, достигающие максимального развития на 32–клеточной стадии, когда начинает формироваться полость (бластоцель). Позднее, в ходе гаструляции, E–кадгерин замещается N–кадгерином.

Морула

По мере увеличения числа бластомеров концептус перемещается по маточной трубе и к третьим суткам достигает стадии морулы. Морула — группа клеток, возникших в ходе нескольких делений дробления и заключённых внутри прозрачной оболочки. Центрально расположенные клетки морулы образуют щелевые контакты, при помощи которых осуществляются информационные межклеточные взаимодействия. Именно из этих клеток и возникает собственно эмбрион. Периферические клетки морулы соединяют плотные контакты; они формируют барьер, обособляющий внутреннюю среду морулы.

Для внутренних клеток морулы характерна выраженная экспрессия Nanog. LIF/STAT3–независимый фактор транскрипции Nanog необходим для самоподдержания эмбриональных стволовых клеток и сохранения их плюрипотентности. В ходе дальнейшего развития nanog (ген плюрипотентности) экспрессируется клетками внутренней клеточной массы бластоцисты. По мере развития экспрессия nanog снижается и сохраняется только в первичных половых клетках.

В обособлении в моруле клеток будущей внутренней клеточной массы также участвует фактор транскрипции Oct4, при этом происходит подавление экспрессии генов, ответственных за дифференцировку клеток в трофобласт. Oct4, как и Nanog, отвечает за поддержание плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток и в дальнейшем Oct4 также экспрессируется клетками внутренней клеточной массы.

С другой стороны, на стадии поздней морулы поляризованные бластомеры наружного слоя экспрессируют cdx2 (caudal-related homeobox gene). Повышенная экспрессия фактора транскрипции Cdx 2 индуцирует формирование трофобласта. Гены Cdx1 и Cdx2, кодирующие соответствующие факторы транскрипции, гомологичны гену, содержащему гомеобокс, Caudal у Drosophila. Cdx 1 экспрессируется на ранних стадиях развития, когда определяются оси тела; на более поздних стадиях экспрессия Cdx 1 характерна только для клеток эмбриональной энтодермы, дающих начало кишечной трубке. У взрослого человека Cdx 1 экспрессируется стволовыми эпителиальными клетками крипт кишечника.

Бластоциста

Бластоциста возникает с появлением бластоцеля (заполненной жидкостью полости) к четвёртым суткам после оплодотворения. Объём бластоцеля увеличивается, и концептус приобретает форму пузырька. Прозрачная оболочка истончается и исчезает. Если не произойдёт растворения прозрачной оболочки, бластоциста не сможет прикрепиться к поверхности эндометрия. Бластоцисту составляют трофобласт и внутренняя клеточная масса (эмбриобласт).

Трофобласт — покров зародышевого комплекса; образован периферическими клетками морулы, связанными плотными контактами. Крупные удлинённые клетки трофобласта соединены при помощи плотных контактов, что стабилизирует состав жидкости в бластоцеле. Клетки трофобласта «накачивают» жидкость в бластоцель.

Внутренняя клеточная масса (эмбриобласт) — компактная масса мелких клеток, выступающих в бластоцель. Если трофобласт образуется относительно быстро делящимися клетками, то внутренняя клеточная масса представлена клетками с меньшей частотой делений. Клетки внутренней клеточной массы происходят из центральной части морулы и связаны при помощи щелевых контактов. В дальнейшем из внутренней клеточной массы образуются собственно зародыш и некоторые связанные с ним оболочки. Частичное или полное разделение внутренней клеточной массы приводит к развитию близнецов.

 

На пятый день бластоциста попадает в полость матки и в течение двух суток (с пятого до седьмого дня ) находится в стадии свободной бластоцисты . Питание зародыша в указанные периоды осуществляется частично за счет желтка овоцита , а также частично за счет секрета маточных труб и желез эндометрия и называется вителотрофним .

На седьмой день проходит имплантация . Имплантация – это процесс врастания зародыша в слизистую оболочку матки . Бластоциста на седьмой день задерживается в углублении одной из многочисленных маточных желез . Под влиянием маточного секрета, содержащего р – гликопротеины, разрушается оболочка оплодотворения и бластоциста вступает в контакт со слизистой оболочкой матки.

Различают две фазы имплантации : адгезию и инвазию .

 

Фаза адгезии ( прилипания ) заключается в прикреплении бластоцисты между выводными протоками двух соседних маточных желез . Фаза инвазии ( врастание ) бластоцисты в слизистую оболочку матки осуществляется с участием ферментных систем трофобласта и , как правило , тем полюсом , на котором размещен эмбриобласт . Под их влиянием сначала локально разрушаются эпителиоциты , затем соединительная ткань и , наконец , стенка сосудов эндометрия. Обрасти ямка, в которую углубляется бластоциста и зарастает соединительной тканью. Дефект эпителия устраняется пролиферацией эпителиоцитов эндометрия .

С седьмых суток (начало имплантации ) и до вступления трофобласта в контакт с материнской кровью (конец 4 – й недели) продолжается гистиотрофный период эмбриогенеза. Питание зародыша в этом периоде происходит за счет усвоения питательных веществ из секрета маточных желез и продуктов разрушения трофобластом тканей эндометрия .

Гематотрофний период эмбриогенеза продолжается со 2-го по 9-ый месяц. В этом периоде поставки зародыша и плода питательными веществами и газообмен осуществляются кровью матери .

В предимплантационный период клетки эндометрия экспрессируют A – рецепторы прогестерона и a – рецепторы эстрогена. Эстроген , связываясь со своими рецепторами, инициирует формирование рецептивного поля для бластоцисты в эндометрии , а также стимулирует образование в эндометрии ряда ростовых факторов, наиболее значимым из которых является лейкоз ингибирующий фактор (LIF , Leukemia Inhibitory Factor). LIF играет важную роль в запуске и нормальном ходе имплантации. LIF продуцируется клетками эпителия и желез эндометрия в середине секреторной фазы менструального цикла , а при имплантации – клетками стромы эндометрия.

Первый этап в ходе имплантации – адгезия – слабое и нестабильное связывания бластоцисты с эпителием чувствительной участка обусловлено гормонами эндометрия . При этом бластоциста освобождается от прозрачной оболочки , а клетки трофобласта начинают экспрессировать L – селектин . Одновременно в эпителиальных клетках эндометрия рецептивного участки активируются олигосахаридных лиганды , они связываются с L – селектина клеток трофобласта. Такое связывание по нестабильно. Затем слабое связывание становится прочным , что позволяет трофобласта внедряться в ткань эндометрия.

В прочном связывании с эндометрием ( инвазии ) участвуют интегрины . Так, экспрессируемый трофобластом anb3 интегрин связывается с фибронектином и перлекана ( гепаран сульфат протеогликанами ) внеклеточного матрикса эндометрия . anb3 Интегрины экспрессируется также клетками эпителия эндометрия в 19-24 сутки менструального цикла , когда рецептивность эндометрия для бластоцисты оптимальная. У женщин с дефектами лютеиновой фазы овариально – менструального цикла отмечено отсутствие anb3 интегрина в эпителии эндометрия, ведет к бесплодию.

12 сутки эмбриогенеза человека

 

LIF , фактор роста эпидермиса, интерлейкин -1 , инсулиноподобный фактор роста , в присутствии Hox A10 регулируют активность циклооксигеназы и образование простагландинов, необходимых для имплантации. Циклооксигеназа ( COX ) существует в двух изоформах : конститутивной (COX -1) и индуцибельной ( COX -2). В эндометрии прогестерон и эстроген подавляют образование COX -1 в середине лютеиновой фазы овариального цикла , тогда как образование COX -2 сохраняется. При дефектах COX -2 и отсутствия простагландинов (особенно простациклина) имплантации не происходит. Простагландин I2 , продуцируемый с участием COX -2 , является лигандом для PPAR . Ядерный рецептор PPARg ( Peroxisome Proliferator – Activated Receptor g ) важен для имплантации , дифференцировки и функционирования трофобласта ; дефекты PPARg ведут к аномальному развитию плаценты .

Завершение иплантации . 13 сутки развития

 

Имплантация – первый критический период развития зародыша. Гематотрофний тип питания, который заменяет гистиотрофный, сопровождается переходом к качественно новому этапу эмбриогенеза – второй фазы гаструляции и закладке внезародышевых органов.

Для зародыша человека, как и всех плацентарных , характерно раннее развитие внезародышевых органов и , в первую очередь, трофобласта . Клетки трофобласта активно размножаются и на седьмой день из однослойного трофобласт превращается в двухслойный. Внутренний слой сохраняет клеточное строение и называется цитотрофобластом, внешний слой имеет неклеточных организации и называется синцитиотрофобласта. В последнем выявляется высокая активность гидролитических ферментов.

В дифференцировке цитотрофобласта и инвазии в эндометрий большую роль играет содержание кислорода. Кислород контролирует баланс между пролиферацией цитотрофобласта и его дифференцировкой. Ранние события развития плаценты происходят в условиях относительной гипоксии (2–5% O₂), что является благоприятным условием для пролиферации, но не дифференцировки цитотрофобласта в ходе имплантации; количество клеток в составе цитотрофобласта быстро увеличивается. Клетки цитотрофобласта внедряются глубже в стенку матки и перекрывают просвет материнских сосудов, поддерживая тем самым состояние физиологической гипоксии. Таким образом, в течение первого триместра беременности наблюдается преобладающий рост цитотрофобласта по сравнению с ростом плода, сохраняющего сравнительно небольшие размеры, то есть формирование плаценты предваряет рост плода. Во вторую половину беременности, при наличии зрелой функционирующей плаценты, происходит быстрый рост плода.

Реакции клеток на недостаток O₂ контролируются индуцированным гипоксией фактором HIF (Hypoxia–Inducible Factor). Три белка семейства HIFа являются факторами транскрипции bHLH, которые содержат Per/Arnt/Sim домен, способствующий димеризации HIFа с HIFb. Гетеродимеры активируют транскрипцию ряда важных генов, в промоторе которых присутствует HIF-чувствительный элемент. По мере углубления в стенку матки и внедрения в материнские сосуды клетки трофобласта получают доступ к большему количеству кислорода, который опосредует их выход из клеточного цикла и последующую дифференцировку.

 

 

 

Методика выполнения практической работы

 

СПЕРМАТОЗОИДЫ МОРСКОЙ СВИНКИ (мазок).

Окраска нигрозином, эозином.

 

При большом увеличении микроскопа изучить строение мужских половых клеток. Обратить внимание на жгутиковую форму этих клеток и овальную форму их головок. Зарисовать и обозначить: 1. Головка. 2. Ядро. 3. Акросома. 4. Шейка. 5. Хвостик.

 

 

P     В какой части сперматозоида находится ядро?

P     Какие структуры размещаются в теле сперматозоида?

P     Какое строение хвостика сперматозоида? Его роль?

 

ОВОЦИТ ЗРЕЛОГО ФОЛЛИКУЛА (яичник кошки).

Окраска гематоксилином-эозином.

 

При малом увеличении найти зрелый фолликул, который содержит яйцеклетку. При большом увеличении изучить строение яйцеклетки и окружающих ее оболочек. В овоците видно ядро и цитоплазму с небольшим количеством зерен желтка. Клетка окружена розовой прозрачной зоной, которая сильно преломляет свет. Фолликулярные эпителиоциты (мелкие клетки с фиолетовыми ядрами) и их отростки образуют лучистый венец. Зарисовать и обозначить: 1. Овоцит. 2. Прозрачная зона. 3. Лучистый венец. 4. Фолликулярные эпителиоциты.

 

 

P     Какой тип яйцеклетки у кошки?

P     Где в яйцеклетке размещается ядро?

P     Какая органелла отсутствует в яйцеклетке?

 

ОПЛОДОТВОРЕННАЯ ЯЙЦЕКЛЕТКА АСКАРИДЫ.

Окраска железным гематоксилином.

 

В поперечно разрезе матки лошадиной аскариды при малом увеличении видно яйцеклетки, большинство из которых уже оплодотворены. При большом увеличении в широкой щели между оболочкой и самой зиготой (в околожелточном пространстве) можно видеть одно или два направляющих тельца. Найти клетку с двумя ядрами. Одно из них больше – женский пронуклеус, а второе меньше – мужской пронуклеус. Зарисовать синкарион и сделать обозначения: 1. Синкарион. 2. Пронуклеусы. 3. Направляющие тельца.

 

P     Как отличить в препарате оплодотворенную яйцеклетку от неоплодотворенной?

P     Что такое синкарион?

 

СПЕРМАТОЗОИДЫ ЧЕЛОВЕКА (мазок).

Окраска нигрозином, эозином.

 

 

При большом увеличении (под иммерсионным объективом) микроскопа изучить строение мужских половых клеток. Обратить внимание на жгутиковую форму этих клеток. Зарисовать и обозначить: 1. Головка. 2. Ядро. 3. Акросома. 4. Шейка. 5. Хвостик.

 

P     В какой части сперматозоида находится ядро?

P     Какие структуры размещаются в теле сперматозоида?

P     Как устроен хвостик сперматозоида? Его роль?

 

ИМПЛАНТАЦИЯ ЗАРОДЫША В СЛИЗИСТУЮ ОБОЛОЧКУ МАТКИ (7-8-дневной зародыш).

 

Во время первой фазы имплантации (адгезии) бластоциста прикрепляется к поверхности эндометрия, преимущественно между выводными протоками маточных желез. Вторая фаза врастания (инвазия) бластоцисты в эндометрий осуществляется под влиянием ферментов трофобласта (симпластотрофобласта), которые разрушают слизистую оболочку матки и бластоциста погружается в имплантационную ямку и обрастает соединительной тканью. Зарисовать одну из фаз имплантации и обозначить: 1. Эмбриобласт. 2. Трофобласт. 3. Ворсинки трофобласта. 4. Эпителий эндометрия. 5. Соединительная ткань эндометрия.

 

 

P     Когда происходит имплантация зародыша в матку?

P     В каких случаях имплантация невозможна?

 

ЗАРОДЫШ ЧЕЛОВЕКА НА СТАДИИ БЛАСТОЦИСТЫ (4-5-дневный зародыш). Схема.

 

Бластоциста состоит из двух разновидностей бластомеров: темных больших, которые размещаются внутри (и образуют эмбриобласт) и светлых мелких, что обрастают эмбриобласт и называются трофобласт. В центральной части зародыша находится полость – бластоцель, заполненная жидкостью. Зарисовать и обозначить: 1. Эмбриобласт (зачаточный узелок). 2. Трофобласт. 3. Бластоцель.

P     В результате какого дробления получается бластоциста?

P     Что формируется из эмбриобласта и трофобласта?

 

 

Источники информации:

a) основные

1. Материалы для подготовки к практическому занятию по теме “Основы эмбриологии позвоночных. Эмбриональное развитие человека. Половые клетки. Оплодотворение, дробление.” из tdmu.edu.ua.

2. Презентация лекции “Общая и сравнительная эмбриология” из tdmu.edu.ua.

4. Гистология, цитология и эмбриология / [Афанасьев Ю. И., Юрина Н. А., Котовский Е. Ф. и др.] ; под ред. Ю. И. Афанасьева, Н. А. Юриной. – [5-е изд., перераб. и доп.]. – М. : Медицина. – 2002. – С. 93–107.

5. Гистология : [учебник] / под ред. Э. Г. Улумбекова, Ю. А. Чельшева. –[2-е изд., перераб. и доп.]. – М. :ГЕОТАР–МЕД, 2001. – С. 104-107.

6. Данилов Р. К. Гистология. Эмбриология. Цитология. : [учебник для студентов медицинских вузов] / Р. К. Данилов – М. : ООО «Медицинское информационное агенство», 2006. – С. 73–83.

б) дополнительные

1.    Практикум по гистологии, цитологии и эмбриологии. Под редакцией Н.А. Юриной, А.И.Радостиной. Г., 1989.- С.40-46.

2.    Гістологія людини / [Луцик О. Д., Іванова А. Й., Кабак К. С., Чайковський Ю. Б.]. – Київ : Книга плюс, 2003. – С. 72-109.

3. Волков К.С. Ультраструктура основних компонентів органів систем організму: навчальний посібник-атлас / К. С. Волков, Н. В. Пасєчко. – Тернопіль : Укрмедкнига, 1997. – С. 95-99.