Том 3 (1129748), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Однако такие сперматозоиды все еще не готовы к оплодотворениюяйцеклетки. Как мы расскажем чуть позже, их созревание завершается в женскихполовых путях; этот процесс называется капацитацией.21.5.3. Сперматозоиды образуют синцитийОдна из загадочных и уникальных особенностей сперматозоидов состоит в том,что в процессе их созревания митотические и мейотические деления не сопровождаются полным, доведенным до конца делением цитоплазмы (цитокинезом); поэтомувсе дифференцирующиеся дочерние клетки, происходящие из одного сперматогония,соединены цитоплазматическими мостиками (рис.
21.31). Такие мостики остаютсядо самого конца дифференцировки сперматозоидов, то есть до того момента, когдаотдельные сперматозоиды переходят в просвет канальцев. Группа клеток, связанных подобным образом, называется синцитием. Наличие этой структуры объясняетсинхронность появления зрелых сперматозоидов в любом данном участке семенногоканальца. Какова же роль такого синцитиального образования?Мы уже знаем, что растущие и развивающиеся ооциты содержат диплоидныйнабор удвоенных хромосом.
У сперматозоидов же дифференцировка в основномосуществляется после того, как их ядра претерпевают мейоз и становятся гаплоидными. Однако благодаря цитоплазматическим мостикам соседние клетки имеютобщую цитоплазму, поэтому каждый развивающийся гаплоидный сперматозоидможет получать весь набор продуктов полного диплоидного генома. Например,развивающийся сперматозоид, несущий Y-хромосому, может получать от смежныхклеток необходимые для выживания белки, кодируемые генами X-хромосомы. Такимобразом, в дифференцировке сперматозоида, так же как в созревании яйцеклетки,участвует диплоидный набор хромосом.Некоторые гены, регулирующие сперматогенез, свойственны всем животнымот плодовых мушек до человека.
Например, к таким генам относятся гены Daz,кодирующие РНК-связывающие белки и собранные в кластер на Y-хромосоме. Этоткластер часто отсутствует у мужчин, страдающих бесплодием; многие из них вообщене вырабатывают сперматозоидов. Ген дрозофилы, гомологичный человеческим генам Daz, имеет столь же большое значение для сперматогенеза у плодовых мушек:самцы мушек, у которых нет гомолога гена Daz, бесплодны, так как не производятсперматозоидов.
Что примечательно, такое бесплодие можно вылечить введениемв геном дрозофилы гена Daz человека. Особая роль РНК-связывающих белковв сперматогенезе объясняется тем, что экспрессия многих генов, ответственныхза созревание сперматозоидов, регулируется на уровне трансляции.ЗаключениеСперматозоид обычно представляет собой маленькую и компактную клетку, которая в высокой степени специализирована для оплодотворения яйце-1980Часть 5. Клетки в контексте их совокупности21.5. Сперматозоид 1981Рис. 21.30. (слева) Различные стадии сперматогенеза. Сперматогонии развиваются из первичныхполовых клеток, мигрирующих в семенники на ранней стадии эмбрионального развития. Когда животное достигает половой зрелости, сперматогонии начинают быстро размножаться, причем некотораячасть их потомков сохраняет способность к непрерывным неограниченным делениям (сперматогониитипа стволовых клеток), а другая часть (созревающие сперматогонии) после ограниченного числа последовательных митозов приступает к мейозу, превращаясь в сперматоциты первого порядка.
Послезавершения второго деления мейоза сперматоциты первого порядка превращаются в гаплоидныесперматиды, дифференцирующиеся в зрелые сперматозоиды. Сперматогенез отличается от оогенеза(см. рис. 21.23) в нескольких отношениях: 1) после полового созревания в мейоз непрерывно вступаютновые клетки; 2) из каждой приступившей к мейозу клетки образуется не одна, а четыре зрелые гаметы;3) зрелые сперматозоиды формируются после завершения мейоза в ходе сложного процесса клеточной дифференцировки, и 4) при созревании сперматозоидов происходит примерно в два раза большеклеточных делений, чем при формировании яйцеклетки. Так, например, у мышей зиготу от зрелогосперматозоида отделяют в среднем 56 делений, а от зрелой яйцеклетки — примерно 27.Рис. 21.31. Цитоплазматические мостики между развивающимися мужскими половыми клеткамии их предшественниками.
Потомки одного сперматогония связаны друг с другом цитоплазматическимимостиками вплоть до полного созревания. На рисунке для простоты мостиками соединены лишь двеклетки, вступающие в мейоз и дающие в итоге восемь связанных гаплоидных сперматид. На самом делемостики могут соединять намного больше клеток. Обратите внимание, что в процессе дифференцировки большая часть цитоплазмы (так называемые остаточные тельца) оказывается невостребованнойи фагоцитируется клетками Сертоли.1982Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностиклетки. В то время как у женщин довольно много ооцитов образуется ещедо ее рождения, у мужчин сперматогенез начинается лишь после наступленияполовой зрелости, зато с этого момента в мейоз непрерывно вступают все новыеи новые половые клетки. Каждый сперматоцит первого порядка дает началочетырем зрелым сперматозоидам.
У человека процесс созревания сперматозоида(с момента мейоза) длится пять недель. Однако, поскольку при митотическомделении созревающих сперматогониев и сперматоцитов цитокинез не доводится до конца, потомки одного сперматогония развиваются в виде синцития.В связи с этим дифференцировка сперматозоида может контролироватьсяпродуктами хромосом от обоих родителей, несмотря на то что ядро каждогосперматозоида гаплоидно.21.6. ОплодотворениеПосле выхода из гонады как яйцеклетка, так и сперматозоид обречены на гибель в считанные часы, если они не отыщут друг друга и не сольются в процессеоплодотворения. Оплодотворение спасает эти клетки от гибели: яйцеклетка активируется и приступает к осуществлению программы развития, ядра двух гаметсливаются, формируя таким образом геном нового организма.
В прошлом оплодотворение интенсивно изучалось на морских ежах и морских звездах, у которыхоплодотворение осуществляется в морской воде, куда выводятся огромные количества сперматозоидов и яиц. Такой процесс наружного оплодотворения гораздоболее доступен для изучения, чем внутреннее оплодотворение у млекопитающих,осуществляющееся в половых путях самки. Однако в конце 50‑х гг. появилисьметоды оплодотворения яйцеклеток млекопитающих in vitro; это помогло пролитьсвет на события, происходящие при оплодотворении у млекопитающих, и изучитьэтот процесс на клеточном и молекулярном уровнях.В этом разделе речь пойдет об оплодотворении у млекопитающих. Сначаламы рассмотрим процесс дозревания сперматозоида, когда он проходит по женскимполовым путям. Затем мы опишем события, происходящие при прикреплениисперматозоида к яйцевой оболочке (zona pellucida), индуцирующие акросомальную реакцию, в результате которой сперматозоид может пройти сквозь оболочкуи слиться с яйцеклеткой.
Затем мы рассмотрим связывание сперматозоида с плазматической мембраной яйцеклетки и последующее слияние с ней. Обсудив, какслияние со сперматозоидом активирует яйцеклетку и как гаплоидные ядра двухгамет сливаются друг с другом, завершая процесс оплодотворения, мы вкратце расскажем о быстро развивающихся репродуктивных технологиях, которые произвелиреволюцию в преодолении бесплодия и открыли новые возможности управлениярепродуктивными процессами.21.6.1. Созревание сперматозоида завершается в женских половыхпутяхУ человека из 300 000 000 сперматозоидов, выделяемых при соитии, лишьоколо двухсот достигают яйцеклетки, находящейся в фаллопиевой трубе (яйцеводе). Когда сперматозоид находит яйцеклетку, он должен пройти через слойгранулезных клеток, окружающих яйцеклетку, а затем связаться с zona pellucidaи пересечь ее.
Наконец, ему предстоит связаться и слиться с плазматической мембраной яйцеклетки.21.6. Оплодотворение 1983Сразу после эякуляции сперматозоиды млекопитающих не готовы к выполнению ни одной из этих задач. Проникнув в женские половые пути, они попадаютв новые условия, в результате чего приобретают несколько иные свойства.
Сперматозоиду необходимо приобрести способность к проникновению через оболочкуяйцеклетки — капацитацию. У человека капацитация занимает обычно 5–6 часови завершается лишь тогда, когда сперматозоид достигает яйцевода. За это времясперматозоид претерпевает значительные биохимические и функциональные изменения. В частности, меняется гликопротеиновый и липидный состав плазматическоймембраны, свойства ее ионных каналов, а также значительно изменяется ее потенциал покоя (мембранный потенциал сдвигается в сторону более отрицательныхзначений). Кроме того, при капацитации повышается pH цитоплазмы, увеличиваетсястепень фосфорилированности по тирозину у некоторых белков сперматозоидаи демаскируются некоторые скрытые рецепторы, способствующие связываниюс zona pellucida.
Меняется и поведение сперматозоида: подвижность его жгутикасильно возрастает, а сперматозоид готовится к акросомной реакции.В подходящей культуральной среде капацитация может происходить и in vitro;обычно она является обязательным условием оплодотворения in vitro. Для этогов среде должны присутствовать три компонента, обычно содержащихся в высокойконцентрации в женских половых путях: альбумин, Ca2+ и HCO3–. Белок альбуминпомогает экстрагировать из плазматической мембраны холестерин, что позволяетреагировать ей с мембраной акросомы при акросомальной реакции. Ca2+ и HCO3–входят внутрь сперматозоида и напрямую активируют в цитоплазме растворимуюаденилатциклазу, начинающую вырабатывать циклический AMP (см.
главу 15),который участвует в инициации многих изменений, связанных с капацитацией.21.6.2. Капацитированный сперматозоид связываетсяс zona pellucida и запускает акросомную реакциюВ процессе овуляции яйцеклетка млекопитающего выходит из яичника в брюшную полость недалеко от входа в фаллопиеву трубу, куда она вскоре и попадает.Она покрыта несколькими слоями гранулезных клеток, погруженных во внеклеточный матрикс, содержащий много гиалуроновой кислоты (см. главу 19). Возможно,гранулезные клетки способствуют захвату яйцеклетки яйцеводом и, может быть,вырабатывают аттрактанты для сперматозоида.Столкнувшись с яйцеклеткой, капацитированный сперматозоид сначала долженпреодолеть слой гранулезных клеток, используя фермент гиалуронидазу, находящийся на его поверхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
