Оплодотворение

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ лекция 3

Оплодотворение – слияние сперматозоида с яйцеклеткой, завершающе-еся объединением их ядер в единое ядро оплодотворенного яйца (зиготы). Готовность к оплодотворению определяется выделением направительных телец. Особенности процесса оплодотворения: Функции: половая (комбинирование генов двух родителей) – передача генов от родителей потомкам; репродуктивная (создание нового организма) – включает инициацию в цитоплазме яйца тех реакций, которые позволяют продолжать развитие. Роль спермия: активация яйца – побуждение яйцеклетки к началу развития; внесение в яйцеклетку генетического материала отца . Классификация: по количеству сперматозоидов, участвующих в оплодотворении: моноспермное – во внешней среде; полиспермное – в половых путях самки. по месту проникновения сперматозоида в яйцеклетку: наружное – во внешней среде; внесение – в половых путях самки.

Стадии (фазы) оплодотворения: дистантные взаимодействия – осуществляются на некотором расстоянии, до соприкосновения гамет друг с другом; контактные взаимодействия – начинаются с момента контакта сперматозоида с третичной оболочкой яйцеклетки; проникновение спермия в яйцеклетку – в её основе лежит слияние плазматических мембран спермия и яйца; слияние генетического материала – приводит к формированию диплоидного ядра зиготы.

Дистантные взаимодействия гамет: Направлены на повышение вероятности встречи сперматозоидов и яйцеклетки. Характерны для водных организмов, с наружным типом оплодотворения. встреча спермиев и яиц при их низкой концентрации в среде; предотвращение оплодотворения яиц спермиями другого вида. Видоспецифичные привлечение спермиев и их активация (кишечнополостные, моллюски, иглокожие, первичнохордовые и т.п.) Хемотаксис – движение по градиенту концентрации какого-либо вещества. У морских ежей (пептиды студенистой оболочки яиц): сперакт (10 а.к.) резакт (14 а.к.) Mov 1

Контактные взаимодействия гамет: поступление Ca2+ в головку спермия экзоцитоз акросомного пузырька (выброс протеолитических ферментов) активация Na+/H+-обменника (защелачивание цитоплазмы) полимеризация глобулярного актина (образование акросомного выроста) активация динеиновой АТФ-азы (увеличение подвижности спермия) повышение осмотического давления (способствует удлинению акросомального выроста) 1 – акросомная мембрана; 2 – плазматическая мембрана спермия; 3 – глобулярный актин; 4 – акросомные ферменты; 5 – актиновые микрофиламенты; 6 – акросомный вырост Акросомная реакция спермия морского ежа акросомная реакция

Контактные взаимодействия гамет: Узнавание спермия и яйцеклетки Морские ежи: Видоспецифичное узнавание при помощи белка (биндина), расположенного на поверхности акросомного выроста. На желточной оболочке яйца находится гликопротеиновый комплекс (рецептор), способный образовывать связи с биндином. Локализация биндина на акросомном выросте (по Гилберту, 1993) ДАБ – диамино-бензидин.

Капацитация (1): Спермии млекопитающих после эякуляции не способны к акросомной реакции. Капацитация – приобретение спермием оплодотворяющей способности Половые пути самки принимают активное участие в процессе оплодотворения. Суть процесса капацитации: изменение структуры клеточной мембраны; Снижение соотношения холестерин : фосфолипиды в мембране спермия (молекулы альбумина половых путей самки отнимают холестерин у спермия) – дестабилизация мембраны акросомного пузырька – возможность осуществления акросомной реакции. удалении с поверхности спермия особых факторов оставаясь на поверхности спермия “coating factors”препятствуют оплодотворению

Капацитация (2): Поверхность спермия содержит гликозилтрансферазу (узнаёт концевые остатки N-ацетилглюкозамина на прозрачной оболочке яйцеклетки) В спермиях, не прошедших капацитации, активные центры фермента блокированы остатками N-ацетилглюкозамина (NАг) и галактозы (Гал). При капацитации углеводы отделяются от поверхности спермия, освобождая активные центры гликозилтрансфераз. Гликтозилтрансферазы узнают N-ацетилглюкозаминовые остатки в молекуле гликопротеина, расположенного на поверхности прозрачной оболочки (рецептор спермия). Схема узнавания спермием и яйцом друг друга у млекопитающих (схема капацитации)

Проникновение спермия у млекопитающих: Блестящая оболочка яйцеклетки – видоспецифичный барьер для связывания и проникновения спермиев собственного вида; Абсолютной (100 %) защиты от проникновения спермия другого вида не даёт (e.g. лошадь + осёл = мул), однако удаление блестящей оболочки позволяет оплодотворять яйцеклетку спермиями другого вида. Типы гликопротеинов (zona proteins, ZP): ZP1 – сшивает белки ZP2 и ZP3, находясь перпендикулярно по отношению к ним; ZP2 – расположен параллельно поверхности яйца. Взаимодействует с акрозином (протеолитический фермент акросомы), лизирующим блестящую оболочку; ZP3 – расположен параллельно поверхности яйца. Необходим для взаимодействия с рецепторами спермия: терминальной галактозой, N-ацетилглюкозамином, гликопротеином плазматической мембраны. Mov 2

У млекопитающих активация сперматозоида не сопровождается ни образованием микроворсинок, ни образованием акросомного выроста. Проникновение спермия у млекопитающих: Акросомная реакция у млекопитающих: сперматозоид контактирует с яйцом не вершиной, а боком; диссоциация наружной мембраны головки сперматозоида и мембраны акросомы (на поверхности, расположенной вдоль головки сперматозоида); ферменты акросомы растворяют клетки лучистого венца; сперматозоид вступает в контакт с блестящей оболочкой Membrane cofactor protein (MCP; CD46) экспрессируется на внутренней мембране акросомы.

Проникновение спермия у млекопитающих: A – экзоцитоз акросомы (иммунофлуорестенция и электронная микроскопия): а – интактная акросома, b – связывание спермия и блестящей оболочки, с – проникновение спермия через блестящую оболочку; В – локализация протеасом у спермия, связанного с блестящей оболочкой яйцеклетки; С – локализация протеасом у спермия, проходящего через блестящую оболочку. PM – плазмалемма, IAM (OAM) – внутренняя (наружная) мембрана акросомы, АCMX – матрикс акросомы, содержащий протеасомы (зелёный цвет), ZPC – рецептор спермия (красный цвет, для части B), DNA – ДНК (синий цвет). по: Sutovsky P. Reproduction. 2011. 142:1-14

Проникновение сперматозоида в яйцо: Реакция активации сперматозоида заканчивается слипанием задней мембраны акросомы спермия и мембраны яйцеклетки, их разрывом и соединением свободных концов. Формируется единая наружная мембрана, ограничивающая канал, через который ядро и проксимальная центриоль сперматозоида проникают в яйцо. Контакт между сперматозоидом и яйцом вызывает полимеризацию актина и увеличение размеров микроворсинок яйца – формируется воспринимающий бугорок (гомологичен акросомному выросту). Проникновение спермия в яйцеклетку хомячка (по Yanagimachi, R. and Noda, Y.D. 1970. Electron microscope studies of sperm incorporation into the hamster egg. American Journal of Anatomy 138:429-462). Mov 3

Быстрый блок полиспермии: Полиспермия (проникновение множества спермиев) приводит у большинства животных к гибельным последствиям. Возникает триплоидное ядро (каждая хромосома представлена тремя копиями). Полноценное распределение триплоидного набора между клетками невозможно. Одни клетки получают лишние копии некоторых хромосом, тогда как у других эти хромосомы отсутствуют (атипичное развитие и гибель эмбриона). Быстрый блок полиспермии (1 мин) достигает этой цели путем изменения электрического потенциала плазматической мембраны яйца. Открытие ионных каналов в яйце индуцируется прикреплением к нему спермия. Мембранный потенциал в яйце морского ежа до и после оплодотворения

Медленный блок полиспермии: Кортикальная реакция – действует через 1 мин после прикрепления спермия. В её основе Ca2+-зависимое слияние кортикальных гранул с плазмалеммой (выделение содержимого в область между плазмалеммой и желточной оболочкой У млекопитающих кортикальная реакция не вызывает образования оболочки оплодотворения (реакция прозрачной оболочки или zona reaction) Схема оплодотворения у морского ежа (по Гилберту, 1993) Mov 4 Mov 5 Mov 6

Медленный блок полиспермии: вителлиновая деламиназа: отделяет желточную оболочку от цитоплазматической мембраны яйцеклетки; сперморецепторная гидролаза: освобождает поверхность яйца от осевших на желточной оболочке сперматозоидов, лизируя сайты их соединения; мукополисахариды: создают осмотический градиент, обусловливающий поступление воды из цитоплазмы яйца в пространство между желточной оболочкой и плазматической мембраной (перивителлиновое пространство); пероксидаза: вызывает затвердевание оболочки оплодотворения (образова-ние поперечных связей между остатками тирозина соседствующих белков); гиалин: поддерживает бластомеры в период дробления. Формирование оболочки оплодотворения (по Гилберту, 1993): 1 – оболочка оплодотворения; 2 – гиалиновый слой

Механизм кортикальной реакции: прикрепление спермия к рецептору плазматической мембране яйца активация G-белка стимуляция активности фосфолипазы С – расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат (PIP2) на диацилглицерол – DAG (связан с мембраной) и инозитолтрифосфат – IP3 (диффундирует в цитоплазму). активация Na+/H+-антипортера (DAG, посредством протеинкиназы С) – усиление белкового синтеза, репликации ДНК, перемещения морфогенетических детерминант в цитоплазме. высвобождение Ca2+ (из внутриклеточных депо) – посредством IP3 , что приводит к экзоцитозу кортикальных гранул (медленный блок полиспермии), а также активация НАД-киназы (синтез липидных компонентов мембраны de novo). Mov 7

Слияние генетического материала (1): Митохондрии спермия и жгутик разрушаются и в цитоплазме развивающихся взрослых организмов не обнаруживаются (митохондрии передаются от материнского организма, а центриоли от отцовского, хотя в яйцеклетках млекопитающих они изначально присутствуют в яйцеклетке). Ядро яйца преобразуется в женский пронуклеус, а сперматическое ядро в мужской пронуклеус. После проникновения в цитоплазму мужской пронуклеус поворачивается на 180о (центриоль спермия оказывается располагается между мужским и женским пронуклеусом). Ее микротрубочки удлиняются, вступая в контакт с женским пронуклеусом, после чего пронуклеусы перемещаются навстречу друг другу. Mov 8

Слияние генетического материала (2): У млекопитающих процесс сближения пронуклеусов продолжается около 12 часов (у морского ежа – всего 1 час). Контакт пронуклеусов приходит к разрушению их ядерных оболочек, конденсации хроматина и образованию видимых хромосом (располагаются на общем митотическом веретене первого деления дробления ). У млекопитающих истинно диплоидное ядро появляется у 2-х клеточного эмбриона. Схема процесса оплодотворения у хомячка (по Гилберту, 1993): А – спермий прикрепляется к яйцу; Б – прикрепление спермия к яйцу и взмахи его хвоста вызывают вращение яйца; В – плазматические мембраны спермия и яйца сливаются; Г – формируются пронуклеусы; Д – начинается первое деление дробления; Е – двух клеточный зародыш

Ооплазматическая сегрегация: После оплодотворения скорость метаболизма увеличивается в 70–80 раз. Слои цитоплазмы яйцеклеток интенсивно перемещаются друг относительно друга. Ооплазматическая сегрегация – расслоение (отмешивание) различных частей цитоплазмы яйцеклетки (зиготы). Ооплазматическая сегрегация влияет не на конечную дифференцировку клеток, а на ближайшие этапы развития – дробление и гаструляцию (проморфогенез). Партеногенез: Развитие, происходящее без оплодотворения (участия сперматозоида). Естественный партеногенез: осы, пчелы, ряда чешуекрылых, виды ящериц и змей, типичен для летних поколений ряда ракообразных и коловраток. Различают гиногенез и андрогенез; Искусственный партеногенезу: стимуляция развитие неоплодотворенных яиц тутового шелкопряда (Тихомиров, 1886). У млекопитающих партеногенетическое развитие останавливается на ранних стадиях. В женских хромосомах заблокированы участки ДНК, присутствующие в активной форме в мужских хромосомах (у млекопитающих между пронуклеусами имеются функциональные различия).