Тема 1. Предмет и история эмбриологии

Тема 1. Предмет и история эмбриологии

Эмбриология – наука об индивидуальном развитии многоклеточных организмов, старающаяся разгадать самую большую загадку жизни – как из одной клетки получается сложно устроенный организм. До сих пор нет единой теории развития, столь сложен и многогранен этот процесс.

Собственно эмбриология изучает развитие зародыша - самые начальные этапы существования особи и происходит от слов “em bryo”- в оболочках, т.е, изучающая зародышевые стадии развития, которые проходят до вылупления организма из яйцевых оболочек. Зародыш, или эмбрион, развивается под защитой оболочек и использует для своего существования внутренние ресурсы, которыми его обеспечила материнская клетка- яйцеклетка. Когда эти ресурсы кончаются, зародыш выходит из оболочек и приступает к самостоятельному существованию. Это уже постэмбриональное развитие. К нему относится такое удивительное явление как метаморфоз (примером может служить превращение гусеницы в бабочку). В постэмбриональный период особь увеличивается в размерах происходит её рост. Особь уже во взрослом состоянии может терять какую-то часть своего тела и её восстанавливать – этот процесс называется регенерацией. И в эмбриональный период, и в постэмбриональный может происходить морфогенез. С этим процессом связан один из основополагающих процессов, ведущих к формированию организма – цитодифференцировка. Все эти процессы составляют индивидуальное развитие особи. Эмбриологи, изучая их, расширили область эмбриологии и превратили её в науку об индивидуальном развитии, которая называется биологией развития. Она охватывает все индивидуальное существование особи, т.е. онтогенез, начиная с момента оплодотворения и даже раньше – с формирования половых клеток.

«Биология развития является ярким примером объединением ученых разных специальностей с целью решить одну проблему – как из оплодотворенной яйцеклетки получается живая система со всеми свойственными ей специфическими особенностями! Какие факторы регулируют специфическое развитие этой системы?» (Корочкин, 2002).

Кроме того, помимо полового размножения есть ещё и бесполое. Это означает, что новый организм может развиться не из половых клеток, а из соматических, которые составляют сому (тело) взрослого организма. Изучение механизмов бесполого размножения также входит в задачи биологии развития. Таким образом эмбриология, которая первоначально рассматривалась как наука о зародышах, сильно разрослась – её интересуют все процессы, слагающие развитие особи, когда бы они ни происходили – до вылупления зародыша или позже, в постэмбриональный период.

История эмбриологии.

Все развитие эмбриологии шло под знаком дискуссии преформизма и эпигенеза. Борьба двух различных точек зрения на формирование эмбрионов. Преформисты утверждали, что каждая яйцеклетка (или каждый сперматозоид) несет в себе законченный эмбрион, хотя и крошечный. Но ещё удивительнее то, что этот малюсенький зародыш также содержит в себе яйцеклетки и сперматозоиды и так далее до бесконечности. Согласно этим рассуждениям, каждый из яичников Евы содержал в себе всё будущее человечество. Теория преформизма отличалась оригинальностью, и среди её приверженцев было немало выдающихся имен.

Другая теория – теория эпигенеза.Согласно этой теории эмбриональный ряд не существует сам по себе в яйце или в сперматозойде, но возникает спонтанно после оплодотворения.

Сегодня в теоретической части эмбриологии есть пёстрый набор разных положений, очень разнородных и непонятных, если не знать их истории. Эта история очень богата и в неё вовлечены многие величайшие умы человечества. Вместе с тем эта история полна блужданий и неожиданных поворотов. Её нужно знать, чтобы увидеть, как происходило постепенное осознание сложности тех процессов, которые в совокупности и составляют онтогенез или индивидуальное развитие.

Современная эмбриология.

В современной эмбриологии преобладает последний подход, причинно-аналитический. Однако современная наука стремится выработать обобщенные принципы объяснения развития и поэтому учитывает все подходы к этой проблеме. Важное положение занимает сейчас экспериментальная эмбриология. Благодаря микроманипулированию с зародышами получены удивительные данные, открывшие тонкие связи между последовательными процессами, происходящими в зародыше. Об этом мы будем говорить много и часто. А сейчас надо назвать имена Ганса Шпемана, его ученицы Хильды Мангольд, и нашего соотечественника – основоположника экспериментальной эмбриологии в нашей стране Д.П.Филатова (1876 - 1943), удивительного человека и ученого. Он сочетал в своей работе экспериментальные и сравнительно-морфологические подходы.

В нашей стране возникло новое направление, в основе которого лежало понятие о морфогенетическом поле. Это понятие было введено А.О. Гурвичем (1874-1954). Он показал, что факторы, связанные с целостной организацией зародыша, влияют на процессы более низких уровней – движение клеток и их деление. Эти воззрения подготовили появление новой теории –теории самоорганизации или синергетики. В её основе – лежит представление о том, что в ходе необратимых процессов организация системы может самоусложняться и при этом могут возникать новые структуры. Все эти представления развиваются проф. Л.В. Белоусовым, учебник которого предлагается в качестве основного для лучшего усвоения курса «Биология развития».

Возникла новая область эмбриологии – молекулярная биология развития. Она изучает молекулярные превращения в ходе развития, но далеко не всегда это дает объяснение процессов развития.

Крепнет связь с генетикой. Процессы передачи наследственности и процессы её проявления в развитии – непрерывно связанные процессы.

«Наши тела – и я не без колебаний добавляю, наши души – являются продуктами наших генов. Наши гены содержат ту информацию (техническую инструкцию), которая позволяет эмбриональным клеткам превращаться в различные части нашего тела». «Генетика – это язык. У него есть свой словарь – сами гены, грамматика – способ организации наследственной информации, и литература- тысячи инструкций, необходимых для создания человеческого существа»… но язык генов в основном нам недоступен». (А.М.Леруа, 2009).

«Процесс индивидуального развития сводится к генетически детерминируемому распределению биологически активных макромолекул по объему развивающегося яйца. Таким образом, каждая клетка в зависимости от ее позиции в целостном зародыше содержит в себе или получает от соседних клеток специфический набор этих молекул как бы метящих ее наподобие «разноцветных флажков» от которых и зависит ее судьба. …Это позиционная информация, на основе которой реализуется генетическая программа молекулярной спецификации клеток, их сродства друг к другу, особенностей их формообразовательных движений. Следовательно, весь ход индивидуального развития, включая морфогенетические события, намечается и осуществляется на основе молекулярно-генетических процессов, которые присущи самим клеткам и их системам. Молекулярно-генетический подход характеризуется применением в генетике развития методов молекулярной биологии и генной инженерии. Стало возможным выделять отдельные гены и анализировать закономерности их экспрессии в развитии» (Корочкин, 2002).

Прикладные направления

Эмбриологические познания использовались человеком с глубокой древности и по сей день. Выведение птенцов в инкубаторе, разведение рыб и разных беспозвоночных невозможно без знаний эмбриологии того или иного объекта.

Практическое приложение эмбриологии – в птицеводстве, рыбовод-стве, щелковичном производстве, медицинской эмбриологии (аномалии внутриутробного развития).

Союз эмбриологии с генетикой дал свои плоды в шелководстве. Лучший шелк получают с коконов, внутри которых развиваются самцы тутового шелкопряда. В исследованиях Б.Л. Астаурова и В.А. Струнникова было найдено, как можно управлять формированием пола у насекомых.

В настоящее время возникло новое направление – биотехнология или биоинженерия, неотъемлемой частью которой является эмбриология. Активно развиваются такие её направления, как криоконсервация, оплодотворение ин витро, создание банков тканей и органов из стволовых клеток, клонирование животных.

Целый ряд не вполне удачных «атак» на проблему клонирования (быстрое старение клонированных животных и их гибель) говорит о том, что наши фундаментальные знания об этих проблемах ещё недостаточны. Необходимо продолжать эти исследования.

Перспективно применение прикладной эмбриологии в генной инженерии. Ген работает не сам по себе, но испытывает влияние цитоплазмы. (пример с интерфероном и ооцитами лягушки). Важны эмбриологические знания и при трансплантации органов. Все эти прикладные применения эмбриологии требуют точных и глубоких знаний в каждом её разделе и глубокого осмысливания полученных результатов. А это все говорит о приоритете фундаментальных исследований перед прикладными даже в наш меркантильный, «практический» век.

 

Тема 2. Гаметогенез.

Развитие зародыша начинается с оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. Но ещё до этого момента мужские и женские половые клетки пройдут длинный цикл развития – или как его называют – предзародышевый путь развития.

Гаметогенез.

Половые клетки называются гаметами, а остальные клетки нашего тела называются соматическими клетками. Разделение на генеративную часть(половые клетки) и соматическую часть происходит в каждом многоклеточном организме, но на разных стадиях развития. Первичные половые клетки (ППК) или гоноциты у многих животных обособляются очень рано. Области возникновения половых клеток у некоторых животных определены ещё в неоплодотворенном яйце, например у членистоногих. Так в продолговатом яйце у насекомых (пример – двукрылые) на одном из его полюсов –на заднем- находится так называемая половая (полярная) плазма. Она видна в микроскоп в виде крупной зернистости.Это особые базофильные гранулы, состоящие из РНК и белка. Если эту область облучить, или нагреть, или повредить механически, то из такого яйца возникнет совершенно нермальная жизнеспособная особь, только стерильная.

У веслоногих раков –циклопов после оплодотворения при первом делении на стадии метафазы у одного из полюсов появляются особые гранулы – эктосомы. При последующем делении они попадают лишь в одну клетку, которая и становится родоначальницей всех гоноцитов.

У круглых червей – аскариды – деления соматических клеток с самого начала развития отличаются от деления клеток, которые потом станут предшественниками половых клеток. При делениях соматических клеток постоянно происходит так называемая диминуция хроматина, т.е, часть ядерного материала отторгается и уходит в цитоплазму. Полностью сохраняется ядерный состав только у той клетки, которая даст начало половым. Окончательно это происходит на 4 делении оплодотворенной яйцеклетки. Диминуция хроматина была открыта эмбриологом Бовери в конце 19в и стала сенсацией, так как легла в основу первого объяснения различий между половыми и соматическими клетками. Возникла теория зародышевой плазмы немецкого биолога Вейсмана, по которой только в зародышевых (половых) клетках сохраняется вся необходимая информация для развития следующего поколения. С этой теорией связано много трагических событий в науке, сейчас она имеет только историческую ценность- она не выдержала последующей проверки и слишком много из неё исключений. Однако в настоящее время её забывать не стоит.

У другого представителя круглых червей Caenorabditis elegans, который является одним из излюбленных объектов для изучения механизмов развития, так как состоит из определенного числа клеток (959), судьба которых строго расписана по времени и по назначению, до оплодотворения эктосомы (РНК-содержащие гранулы) разбросаны по всей цитоплазме, а после оплодотворения и начала деления перемещаются в определенную область – задний полюс – и после 4 деления попадают в клетки –предшественники половых.

У некоторых позвоночных – у амфибий – в яйцеклетках тоже есть особая область где содержатся половые детерминанты – тоже РНК-содержащие гранулы. После оплодотворения они постепенно сосредоточиваются в тех клетках, которые дадут начало половым. У бесхвостых амфибий они отделяются очень рано, а у хвостатых намного позже, когда уже в зародыше возникают первые специализированные ткани.

У птиц и млекопитающих ППК возникают не в самом зародыше, а во вне зародышевых частях. Их очень хорошо видно, так как они довольно крупные и на гистологических препаратах четко выделяются. Если эти области облучить, то, так же как в случае с насекомыми, возникнет нормальная жизнеспособная особь, но стерильная.

У птиц ППК возникают поблизости от заднего конца зародыша, когда последний насчитывает уже несколько тысяч клеток. Затем гоноциты перемещаются вперед, в область так называемого головного серпа, вне тела самого зародыша. Позже, когда возникает внезародышевая кровеносная система, гоноциты с током крови перемещаются внутрь тела и затем активно проползают в зачатки половых желез.

У млекопитающих и человека половые клетки возникают в устье желточного мешка, когда зародыш имеет довольно сложное строение.

Самые различные опыты по удалению ППК у выше перечисленных животных показали, что единственный источник ППК обособляется от соматических клеток на ранних стадиях развития. Иными словами, у этих животных происходит очень ранняя необратимая детерминация ( т.е. жесткое определение судьбы ) половых клеток. Однако у других групп животных дело обстоит иначе. У них пул половых клеток может пополняться за счет соматических. Так происходит у губок, многих кишечнополостных, у плоских, кольчатых червей и у полухордовых. У них имеются особые тотипотентные стволовые клетки, которые могут трансформироваться в любые клетки организма, в том числе и в половые.

У губок даже больше того – специализированные клетки могут терять все черты специализации и превращаться в половые. То же самое можно предполагать и для плоских червей – планарий, но об этом мы поговорим позже- когда коснемся проблем регенерации. У кишечнополостных стволовые клетки называются I-клетками (интерстициальными). Они ползают по тканям и, если нужно, превращаются в половые. У плоских и кольчатых червей стволовые клетки носят название – необласты. Они могут превращаться в половые, а половые могут дедифференцироваться и становиться необластами, т.е, можно сказать, что у этих животных очень лабильная клеточная организация. В то же время, у кольчатых червей есть и другой источник половых клеток- раннеэмбриональный, в виде обособленных гоноцитов.

Каков бы ни был источник ПК, они должны пройти длинные пути превращений, прежде, чем стать зрелыми, способными к оплодотворению половыми клетками.

Миграция гоноцитов

Прежде всего гоноциты должны добраться до места своего назначения, т.е, до закладки половой железы – гонады. ППК способны самостоятельно передвигаться – они имеют амебоидную форму и могут активно двигаться, хотя считается, что они большую часть пути перемещаются пассивно с током воды (у кишечнополостных) или крови (у птиц и млекопитающих). Однако, несомненно, что поблизости от гонад они перемещаются активно. Они руководствуются хемотаксисом. Это избирательная чувствительность к определенным веществам. Они двигаются вверх по градиенту. Для гоноцитов птиц показано, что они чувствительны к гликопротеидным комплексам (белки+углеводы).

Половые клетки активно пролезают сквозь стенки сосудов и заселяют гонады. Очень наглядно их миграция происходит у насекомых (на примере дрозофилы). ППК формируются на заднем полюсе яйца вне самого зародыша, и когда начинается образование кишечника, попадают в его полость. Зачаток кишечника перемещается внутрь зародыша и с ним и ППК. Достигая уровня формирующихся гонад, ППК покидают полость кишечника и через его стенки попадают а полость тела, а оттуда уже в гонады.

Когда половые клетки попадают в гонады, морфологически их пол неразличим. Мужские и женские половые клетки занимают разное положе-ние в гонадах и это первые видимые их различия, хотя их пол определен генетически. Мужские ППК проникают в мозговой (внутренний) слой гонады. Женские ППК располагаются в корковом (внешнем) слое.

Яйцеклетки и оогенез.

Яйцеклетки – женские половые клетки. Их развитие называется оогенезом. Развитие яйцеклеток идет в специальных железах, называемых яичниками. Яйцеклетки образуются в эмбриональном периоде развития особи и размножаются делением.

Яйцеклетка по целому ряду признаков – обычная клетка округлой формы. В ней есть все, что есть и в других клетках – такие органеллы, как ядро, аппарат Гольджи, митохондрии, рибосомы и т.д, есть плазматическая мембрана –собственно оболочка яйцеклетки. По ряду признаков яйцеклетка – особенная клетка. Ни по структуре, ни по функции её нельзя заменить никакой другой клеткой организма. Яйцеклетка способна к производству целого организма. Для того, чтобы яйцеклетка развилась в организм, необходимо оплодотворение, но известно, что развитие может идти и без оплодотворения – это партеногенез. Значит, способность давать новый организм – это свойство собственно яйцеклетки.

Этому назначению яйцеклетки подчинен её метаболизм. Все обменные процессы происходят в ней таким образом, чтобы в ней накапливались вещества, которые впоследствии обеспечат развитие новой особи. Синтез этих веществ и их накопление необходимы для раннего развития зародыша. Очень много в яйцеклетке рибосом. Очень много митохондрий, которые являются энергетическим источником всех процессов развития зародыша на самых ранних стадиях. И рибосомы, и митохондрии образуются в яйцеклетке и хранятся там. Очень много в ней запасных питательных веществ – в их состав входят разнообразные белки с собирательным названием желток (это не научный термин, а жаргонный, но получивший «гражданские права»). Помимо желтка в яйцеклетке много белков, обеспечивающих метаболизм – это различные ферменты. В состав запасных питательных веществ входят липиды и углеводы (последние в виде гликогена).

По количеству питательных веществ яйцеклетки условно подразделяются на: 1. маложелтковые или олиголецитальные (морской еж), 2. среднежелтковые или мезолецитальные (амфибии и осетровые рыбы), 3. многожелтковые или полилецитальные (рептилии, птицы, костистые рыбы, насекомые). Способ дальнейшего развития связан с количеством запасных питательных веществ и с их распределением в цитоплазме яйцеклетки.

В маложелтковых яйцеклетках питательные вещества распределены равномерно. (Рис.).Это олиго- изо- лецитальные яйцеклетки.

У среднежелтковых яйцеклеток возникает свойство полярности –четко определены анимальный и вегетативный полюса. По расположению такие яйцеклетки называются телолецитальными (или полярными). В них желток более смещен к вегетативному полюсу, а цитоплазма, хотя и распределена по всему объему яйцеклетки, но в чистом виде без включений находится у анимального полюса, куда смещено и ядро. (Рис.)

Ещё сильнее свойство полярности выражено у полилецитальных яйцеклеток. У костистых рыб, птиц, рептилий вся чистая цитоплазма сосредоточена в районе анимального полюса, а остальной объем яйцеклетки занимают огромные запасы желтка. Это тоже телолецитальные яйцеклетки.

Однако, полилецитальные яйца могут иметь и другое строение, как например у насекомых, у которых яйца принадлежат к центролецитальному типу. В этом случае желток находится в центре, а чистая цитоплазма в виде узкой полосы находится на периферии. В самом центре в островке чистой цитоплазмы расположено ядро. Этот островок тяжами цитоплазмы, как мостиками, которые пронизывают весь желток, связан с периферической (или поверхностной) цитоплазмой.

Оболочки яйцеклеток

Помимо собственно оболочки или плазмолеммы (плазматической) у почти всех яйцеклеток имеется первичная оболочка или желточная. Её толщина –40-60мкм. Она вырабатывается самой яйцеклеткой. В процессе оплодотворения она утолщается, меняет структуру и тогда её называют оболочкой оплодотворения. Под её защитой проходит все эмбриональное развитие.

Вторичные оболочки – образуются специальными клетками яичника. Примером может служить вторичная оболочка насекомых – плотный кожистый мешочек с отверстием – микропиле.

Третичные оболочки – образуются вокруг яйца уже вне яичника, при прохождении яйца по яйцеводу самки, когда яйцо покидает яичник (овулирует) и спускается по яйцеводу. Примером может служить куриное яйцо – в нем собственно яйцеклетка – это желток с небольшим островком чистой цитоплазмы, покрытые тонкой собственно оболочкой (плазмати-ческой). Белок, подскорлуповая (пергаментная) оболочка, скорлупа – это всё третичные оболочки.

Следует запомнить, что яйцеклетки всегда покрыты первичными оболоч-ками. Первичная оболочка может быть одна, либо вместе со вторичной, либо с третичными. Вторичные и третичные оболочки вместе не бывают, так как они выполняют одну и ту же функцию – механической защиты. Их всегда можноразличить по тому, что во вторичных оболочках всегда есть отверстие – микропиле – для проникновения сперматозоида, так как вторичные оболочки вырабатываются до оплодотворения. А в третичных его нет, так как они вырабатываются железистыми клетками яйцевода после того, как прошло оплодотворение, если оплодотворение внутреннее.

Оогенез

Оогенез проходит в яичнике и включает три стадии.

1 Стадия - размножение - стадия деления.

ППК митотическим путем многократно делится. На этой стадии яйцеклетки называются оогониями (Схема).

После окончания стадии деления оогонии вступают в стадию роста.

2 стадия – стадия роста, она подразделяется на две фазы – малого и большого роста. На этой стадии яйцеклетка называется ооцит 1го порядка

 

а) фаза малого роста или превителлогенез. Яйцеклетка растет, не накапливая питательных веществ. Затем начинается

б) фаза большого роста или вителлогенез. Она определяется депонированием запасных питательных веществ. 80% желтка приходит в яйцеклетки из организма матери, в частности из печени. Предшественники желтка попадают из кровеносных сосудов путем пиноцитоза в яйцеклетку. В это же время идет активный синтез рибосомальной РНК, которая накапливается в цитоплазме. Увеличивается число митохондрий. Ядро становится лопастным и в нем появляется множество ядрышек.

 

3 стадия – деления созревания или мейоз.

Происходит двукратное деление половой клетки, которое приводит её к состоянию гаплоидности. Деление резко неравномерное. Вся цитоплазма с питательными веществами остается в одной дочерней клетке, а другая- абортивная клетка с гаплоидным ядром и очень небольшим объемом цитоплазмы. (Цитологию мейоза мы будем разбирать позднее.). Перед 1 делением созревания ядро смещается к анимальному полюсу и делится. При этом наружу выталкивается минимальный участок цитоплазмы и гаплоидный набор хромосом. Это редукционное или полярное тельце, так как оно выделяется вблизи анимального полюса. 1ое деление – редукционное, при котором расходятся гомологичные хромосомы. Возникают две неравнокачественные клетки и по объему и по наследственной информации. Одна, большая, клетка называется ооцит 2го порядка, а другая,маленькая – 1ое редукционное или полярное тельце. После 1го, редукционного, деления яйцеклетка теряет центриоль. 2ое деление – эквационное. Расходятся хроматиды, несущие одинаковую наследственную информацию. Однако по распределению между дочерними клетками цитоплазмы это деление также неравномерное.Возникает зрелая яйцеклетка или яйцо (только на этой стадии яйцеклетку можно называть яйцом) и 2-ое редукционное тельце.

После окончания оогенеза, если не произошло оплодотворения или партеногенеза, яйцеклетка дегенерирует.

Теперь поговорим более подробно о росте и питании ооцитов, которое происходит в период роста. В это время в яйцеклетку извне поступает масса питательных веществ, за счет чего её объем увеличивается в огромное число раз. Так ооциты дрозофилы за 3 дня увеличиваются в 90 тысяч раз, у тараканов в 2 миллиона 500 тысяч. У лягушек половая зрелость достигается к 3 годам и за это время объем ооцита возрастает в 27 тысяч раз. У курицы за 6 дней – в в 200 раз. Яйцеклетки млекопитающих одни из самых мелких. Но и у них размеры в этот период сильно увеличиваются – (так у мыши в 40 раз), хотя рост их идет очень медленно, так у человека этот процесс может идти около 30 лет.

В первую фазу роста – в превителлогенезе идет пропорциональное увеличение массы ядра и цитоплазмы, так что ядерно-плазменное отношение не меняется. В это время в ядре идут процессы подготовки к 1 делению созревания. Начинается длительная профаза мейоза, которая блокируется на- долго, до достижения особью половозрелости, так у человека этот блок длится много лет. Но всё это время ядерный материал не остается инертным- у большинства яйцеклеток в это время идет усиленный синтез РНК матричных, рибосомальных и транспортных. Все эти типы РНК заготавливаются впрок- для использования яйцеклеткой после её оплодотворения.

Один из самых удивительных синтезов связан с синтезом рРНК. Речь пойдет об амплификации генов. Это процесс уникальный. Амплификация – временное увеличение числа генов. Идет избирательное копирование рибосомальных генов. Это хорошо разобрано на примере шпорцевой лягушки. В её диплоидном ядре имеется два локуса ДНК, каждый из которых содержит примерно 450 генов рРНК. После репликации ДНК в S-фазу, предшествующей профазе мейоза, таких генов должно было бы получиться 1800. А в действительности их становится более миллиона. Это возможно благодаря амплификации. На нити ДНК идет репликация генов рРНК, они отшнуровываются от матрицы, замыкаются в кольца и смещаются к периферии ядра. Они сами становятся матрицей для новых генов и этот процесс идет как каскад. Отделившиеся копии обособляются морфологически в виде ядрышек. В них идет синтез рРНК. Позже, после созревания ооцита ядрышки выходят в цитоплазму и там лизируют. Таким образом синтезируется рРНК, которая идет на образование большой и малой субъединиц рибосом (28S и 18S). Если бы этот синтез использовал механизм соматических клеток, то необходимая рРНК накопилась бы только за 400 лет. В ооцитах на этот процесс затрачивается 3-6 месяцев.

Низкомолекулярная рРНК (5S) и тРНК синтезируются другим способом. Их кодирующие гены многократно повторены в нити ДНК. Синтез мРНК идет по другому образцу. Еще в конце 19 века в ооцитах с помощью микроскопа были обнаружены хромосомы типа ламповых щеток. Нигде больше такие хромосомы не встречались. Было выяснено, что это связано с наличием в конденсированных хромосомах участков, где нити ДНК деспирализованы и расплетены. На них очень активно идет синтез мРНК, которая тоже запасается впрок. Эти молекулы мРНК сохраняются в цитоплазме, будучи связанные с белками. Это – информосомы – прочные белок-рибонуклеиновые комплексы.

Способы питания яйцеклеток.

В период вителлогенеза в ооците 1го порядка образуется желток, а также другие питательные вещества – гликоген и жиры. Желток – это высоко фосфорилированный кристаллический белок. Он откладывается в виде желточных гранул, одетых пограничной мембраной.

По способу образования желток принято разделять на экзогенный и эндогенный. Экзогенный желток строится на основе белка вителлогенина, который у позвоночных синтезируется в печени матери и транспортируется к ооциту, окруженному специализированными клетками яичника, фолликулярными. Вителлогенин поглощается ооцитом путем пиноцитоза в составе так называемых окаймленных пузырьков. Каждая гранула желтка образуется в результате слияния большого количества (до 1000) таких пиноцитозных пузырьков. При формировании гранул желтка вителлогенин расщепляется на белок фосвитин, сильно фосфорилированный, и другой белок – липовителлин, содержащий 20% жира (липиды).

Эндогенный желток синтезируется из низкомолекулярных предшественников внутри самого ооцита в его сильно развитом эндоплазматическом ретикулуме. Желточные гранулы формируются из концевых цистерн аппарата Гольджи. Следует сказать, что основной источник питательных веществ – это экзогенный. Есть несколько способов их передачи развивающейся яйцеклетке или, как принято говорить, её питания:

1. Диффузный или фагоцитарный. У губок ооциты, как хищники, ползают по мезоглее и, натыкаясь на более мелкие клетки, заглатывают их. У некоторых кишечнополостных (гидра) в группе одинаковых клеток один (случайный) гоноцит начинает быстро расти и заглатывать другие клетки. Он и превращается в ооцит. Некоторое время генетический материал поглощенных клеток сохраняет свою активность и снабжает ооцит копиями мРНК для синтеза необходимых зародышу белков. Потом эти клетки гибнут. При таком способе питания в лизосомах откладывается фагоцитированный материал- получаются фаголизосомы, а настоящих желточных гранул нет.

2. Солитарный. Все необходимые для синтеза макромолекул вещества яйцеклетка получает из окружающей среды (полости гонады или из из полости тела - целома). Это наблюдается у гидроидных полипов (колониальных кишечнополостных), морских звезд, ланцетника и некоторых других животных. Желток и все типы РНК синтезируются самими ооцитами. Этот желток –полностью эндогенный.

3. Нутриментарный - Наиболее выражен у членистоногих. В группе оогониев превращается в ооцит только один (или два), а остальные оогонии превращаются в клетки –кормилки. Их ещё называют трофоцитами. И растущий ооцит, и клетки-кормилки являются сестринскими клетками, т.е, это всё клетки полового ряда.Все они связаны цитоплазматическими мостиками, по которым в ооцит в виде рибонуклеопротеидов поступает рРНК, синтезирующаяся в трофоцитах. Однако, синтез желтка и в этом случае идет в других, соматических, клетках (у насекомых, например в жировых телах) и поступает в ооцит с помощью пиноцитоза.

Каким способом определяется судьба казалось бы одинаковых оогониев, происходящих от одной клетки-предшественницы? Считается, что это прежде всего зависит от числа цитоплазматических мостиков, которыми конкретная клетка связана с соседями. Так у дрозофилы группа оогониев состоит из 16 клеток. Две из них имеют наибольшее число мостиков (четыре). Это определяется числом митотических делений, в которые вступает клетка. Но ооцитом станет из этих двух клеток станет та, у которой будут контакты с соматическими клетками яичника – фолликулярными, которые окружают ооцит и формируют яйцевую камеру. У насекомых нутриментарный способ питания сочетается с фолликулярным.

4. Фолликулярный. Этот способ считается самым распространенным и совершенным.Он имеется у всех хордовых и особенно развит у млекопитающих. Вокруг ооцита возникает венчик из эпителиальных клеток яичника. Это чисто соматические клетки.Эти клетки могут быть расположены в несколько слоев. Ооцит вместе с фолликулярным эпителием называется фолликулом. С помощью фолликулярных клеток идет транспорт веществ из тела матери. Питательные вещества синтезируются в печени и по кровеносным сосудам доставляются к фолликулярным клетках и фолликулярные клетки перекачивают их в яйцеклетку, но прямого контакта между ними нет. Фолликулярный эпителий отделен от ооцита узкой щелью – периоцитным пространством. В него обращены многочисленные отростки фолликулярных клеток. Они тесно контактируют с плазматической мембраной ооцита и с их помощью могут передаваться рРНК (у птиц и рептилий). Белки, из которых в ооцитах будут формироваться гранулы желтка, проходят через щели между фолликулярными клетками и с помощью пиноцитоза переходят в ооцит. Фолликулярный эпителий играет роль избирательного барьера для белков. Кроме того они синтезируют белки, формирующие вторичную оболочку ооцита. Основная их функция- это эндокринная. В них синтезируются гормоны, управляющие половыми циклами. Деятельность самих фолликулярных клеток находится под контролем гонадотропных гормонов гипофиза.

Рассмортим более подробно формирование фолликула у млекопита-ющих.

Пояснения к рисункам.

Первичный фолликул.

Ооцит 1го порядка на стадии малого роста

Хроматин

3-4 плоских фолликулярных клеток

Однослойный фолликул.

Сама яйцеклетка (ооцит 1го порядка) мало изменилась, но её окружает большое количество фолликулярных клеток. Произошла их переориентация. Их ядра лежат перпендикулярно к поверхности клетки. Границы фолликулярных клеток слабо различаются. Оболочка яйцеклетки утолщилась Это первичная оболочка- zona pellucida.

Формирование многослойного фолликула

Первый слой фолликулярных клеток отходит от поверхности ооцита и в образовавшееся пространство проникают новые фолликулярные клетки и выстраиваются там правильным слоем и вновь отодвигаются. Новые клетки вползают и под влиянием яйцеклетки строят новый слой и так возникает многослойный фолликул.

Лакунарный фолликул.

Ооцит 1го порядка переходит в фазу болшого роста. При этом фолликулярные клетки начинают разрушаться. Отдельные лакуны сливаются между собой и возникает

Стадия зрелого фолликула

Вокруг ооцита, увеличившего свой объем, остается один слой фолликулярных клеток – corona radiata.

Zona pellucida пронизана тонкими канальцами.

Остается неразрушенном небольшой участок, который, как ножка – cumulus - соединяет ооцит со стенкой фолликулярного пузырька. Полость пузырька составляют слившиеся лакуны. Другое название этого образования – Граафов пузырек. Затем стенка Граафова пузырька лопается и ооцит с окружающей его «корона радиата» выходит из яичника в полость тела, а затем попадает в воронку яйцевода. На этой стадии ооцит 1го порядка вступает в 1ое деление созревания и выталкивает на поверхность 1 редукционное тельце, становясь ооцитом 2го порядка.

Процесс выхода яйцеклетки из Граафова пузырька называется овуляцией.

Деления созревания. Мейоз.

Созревание ооцита – это процесс последовательного прохождений двух делений мейоза. При подготовке к первому делению созревания ооцит длительное время находится в профазе 1го деления созревания.Вся эта подготовка приходится на период превителлогенеза, т.е, на фазу малого роста.

Вслед за прекращением оогониальных делений ооцит вступает в S-фазу редукционного деления- в фазу синтеза ДНК.Удвоенное количество ДНК обозначается как 4С. Возникает состояние, при котором на диплоидное число хромосом приходится учетверенное количество ДНК, что выражается как 2n: 4С. При этом каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, прикрепленных