Том 3 (1129748), страница 74
Текст из файла (страница 74)
После этого сперматозоид сможет связаться с zona pellucida, или блестящей оболочкой (см. рис. 21.22). Этот слой обычно не позволяетсперматозоидам других видов оплодотворять яйцеклетку, а его удаление снимаетэтот барьер. Например, человеческий сперматозоид может оплодотворить яйцеклеткухомяка, у которой zona pellucida была удалена специальными ферментами; неудивительно, что получившаяся в результате зигота не развивается.
Яйцеклетки хомякабез zona pellucida часто используются при диагностике бесплодия в тестах in vitroна способность сперматозоидов пациента к оплодотворению (рис. 21.32).Zona pellucida большинства яйцеклеток млекопитающих состоит из трех основныхгликопротеинов. Все они в большом количестве вырабатываются растущим ооцитом.Два из них, ZP2 и ZP3, образуют длинные филаменты, а третий, ZP1, сшивает филаменты в трехмерную сеть. Присутствие белка ZP3 необходимо: самки мышей с мутациейв гене Zp3 производят стерильные яйцеклетки, лишенные zona pellucida. Похоже, что1984Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиРис. 21.32.
Сперматозоид человека, связавшийсяс поверхностью яйцеклетки хомяка: электроннаямикрофотография, полученная методом сканирующей электронной микроскопии. Zona pellucidaяйцеклетки удалена, и видна плазматическая мембрана со множеством микроворсинок. Тест на способность сперматозоидов проникать в яйцеклеткихомяка используют для определения мужскогобесплодия; нормальным уровнем считают проникновение в 10–25 % яйцеклеток.
(С любезногоразрешения David M. Phillips.)O-связанные олигосахариды ZP3 по крайней мере отчасти ответственны за видоспецифическое связывание спермия с zonapellucida. Процесс связывания, однако,сложен и включает как механизмы с участием ZP3, так и механизмы, в которыхон не фигурирует; кроме того, в связывании принимает участие множество белковна поверхности сперматозоида.Связь с zona pellucida заставляет сперматозоид запустить акросомальнуюреакцию, при которой содержимое акросомы высвобождается наружу посредствомэкзоцитоза (рис.
21.33). Акросомальная реакция необходима для нормальногооплодотворения, поскольку при этом на поверхности сперматозоида появляютсяразличные гидролитические ферменты, которые, как предполагают, помогаютсперматозоиду продвигаться сквозь zona pellucida, а свойства самой поверхностименяются таким образом, что сперматозоид теперь может связаться и слитьсяс плазматической мембраной яйцеклетки (см.
ниже). В экспериментах in vitroочищенный ZP3 способен стимулировать акросомальную реакцию, возможно, активируя лектин-подобный рецептор на поверхности сперматозоида. Считают, чтоэтот рецептор представляет собой трансмембранную форму галактозилтрансферазы.Активация рецептора ведет к повышению концентрации Ca2+ в цитоплазме сперматозоида, что инициирует экзоцитоз.21.6.3. Механизм слияния сперматозоида с яйцеклеткойеще неизвестенПроизведя акросомальную реакцию и преодолев zona pellucida, сперматозоидсвязывается с плазматической мембраной, покрывающей кончики микроворсинокна поверхности яйцеклетки (см.
рис. 21.32). Сперматозоид сначала связываетсяс кончиком микроворсинки, а затем с ее боковой поверхностью (см. рис. 21.33).Тогда соседние микроворсинки быстро удлиняются и удерживают сперматозоид,что облегчает ему слияние с яйцеклеткой. После слияния все содержимое сперматозоида оказывается внутри яйцеклетки, а микроворсинки исчезают.Молекулярные механизмы, ответственные за связывание яйцеклетки и спермияи за их слияние, почти не изучены. Однако после серии предположений, оказавшихся ошибочными, все-таки удалось идентифицировать два мембранных белка,требующихся для слияния.
Один из них представляет собой свойственный лишь21.6. Оплодотворение 1985Рис. 21.33. Акросомальная реакция, происходящая при оплодотворении. У мышей zona pellucida имеетоколо 6 мкм в толщину; сперматозоид проходит сквозь нее со скоростью примерно 1 мкм/мин.сперматозоиду трансмембранный белок из суперсемейства иммуноглобулинов подназванием Идзумо (Izumo; так называется японское святилище, в котором частосовершаются брачные церемонии).
Он появляется на поверхности мышиного и человеческого сперматозоида в ходе акросомальной реакции. Антитела к Идзумоблокируют слияние, а сперматозоиды самца мыши, не вырабатывающего Идзумо,не могут слиться с нормальной яйцеклеткой. Тем не менее роль Идзумо в слияниисперматозоида с яйцеклеткой не ясна. На поверхности яйцеклетки обнаруженлишь один белок, необходимый для слияния со сперматозоидом: это белок CD9,принадлежащий к семейству тетраспанинов, названных так потому, что у нихесть четыре трансмембранных домена.
Нормальному сперматозоиду не удаетсясвязаться с мышиными яйцеклетками, на поверхности которых нет CD9; вероятно,CD9 принимает какое-то участие в слиянии гамет, но какое именно, пока не известно. Кроме того, показано, что нормальные сперматозоиды также не связываются с яйцеклетками, обработанными специальным ферментом, который удаляетбелки, связанные с мембраной посредством гликозилфосфатидилинозитольного(GPI) якоря (см. главу 10). Это означает, что один или несколько белков, прикрепленных к мембране с помощью GPI, тоже необходимы для слияния, однакосоответствующий белок (или белки) еще не идентифицирован.21.6.4. Слияние со сперматозоидом активирует яйцеклетку,повышая концентрацию Ca2+ в цитоплазмеСлияние со сперматозоидом активирует яйцеклетку, при этом кортикальныегранулы выплескивают свое содержимое наружу посредством экзоцитоза: этот1986Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностипроцесс называется кортикальной реакцией. Мейоз, остановленный на стадииметафазы II, возобновляется, в результате чего образуется второе полярное тельцеи зигота, которая начинает свое развитие.Все эти события инициируются повышением концентрации Ca2+ в цитоплазме.Если концентрацию Ca2+ в цитоплазме неоплодотворенной клетки повысить искусственно, напрямую вводя Ca2+ либо используя кальциевый ионофор (см. главу 11),то яйцеклетка активируется. Это работает у всех исследованных на данный моментживотных, в том числе млекопитающих.
И обратно: если не позволять концентрацииCa2+ расти, например, вводя хелатор Ca2++EGTA, то это ингибирует активациюяйцеклетки в ответ на оплодотворение.Когда сперматозоид, как обычно, сливается с плазматической мембранойклетки, он стимулирует локальное увеличение концентрации цитоплазматическогоCa2+, которое волной распространяется по клетке (см. рис. 15.40). Распространение волны обеспечивается механизмом положительной обратной связи: повышениеконцентрации цитоплазматического Ca2+ открывает кальциевые каналы, благодарячему еще больше кальция поступает в цитоплазму. Вслед за начальной кальциевой волной обычно начинаются колебания концентрации кальция (см.
главу 15),которые могут длиться несколько часов.Вероятно, при слиянии со сперматозоидом в яйцеклетку поступает некий внешний фактор, запускающий кальциевую волну и последующие осцилляции. Введениеинтактного сперматозоида, его головки или его внутреннего содержимого производитодин и тот же эффект. Все эти воздействия повышают концентрацию инозитол1,4,5-трифосфата (IP3), который способствует выходу Ca2+ из эндоплазматическогоретикулума и инициирует кальциевую волну и осцилляции (см. главу 15). Наиболеевероятным претендентом на роль фактора, вносящего в яйцеклетку сперматозоидмлекопитающего, является особая форма фософолипазы С (PLCζ), встречающаяся в сперматозоидах. Этот фермент расщепляет фосфоинозитол‑4,5‑бисфосфат(PI(4,5)P2) с образованием IP3 и диацилглицерола (см.
рис. 15.39).21.6.5. Кортикальная реакция помогает избежать полиспермииХотя с яйцеклеткой могут связаться несколько сперматозоидов, в нормелишь один сливается с плазматической мембраной яйцеклетки и впрыскиваетсвою цитоплазму, ядро и другие компоненты внутрь яйцеклетки.
Если же происходит слияние более чем с одним сперматозоидом (такое состояние называетсяполиспермией), то формируется веретено деления с множественными полюсами,что приводит к некорректному расхождению хромосом в течение первых митотических делений. При этом формируются анеуплоидные клетки и развитие, какправило, прекращается.Слияние лишь с одним сперматозоидом обеспечивается двумя механизмами.Во-первых, изменения плазматической мембраны яйцеклетки, вызванные слияниемс первым сперматозоидом, не позволяют другим сперматозоидам слиться с нею.Второй механизм заключается в запуске кортикальной реакции яйцеклетки, прикоторой высвобождаются различные ферменты, изменяющие структуру zona pellucida таким образом, что другие сперматозоиды не могут ни связаться с ней, ни темболее пройти сквозь нее.
В ходе этой реакции у млекопитающих инактивируетсяZP3, который отныне не может связаться со сперматозоидом и активировать егоакросомную реакцию. Кроме того, расщепляется ZP2, что каким-то образом делаетzona pellucida непроницаемой (рис. 21.34).21.6. Оплодотворение 1987Рис. 21.34.
Cхема поясняет, как, по современным представлениям, кортикальная реакция яйцеклеткимыши предотвращает проникновение в нее дополнительных спермиев. Вышедшее наружу содержимое кортикальных гранул переводит ZP3 в инактивированную форму, с которой сперматозоид не можетсвязаться. При этом также разрезается ZP2, что приводит к полной непроницаемости zona pellucida дляспермиев. Эти изменения делают полиспермию невозможной.21.6.6. Вместе со своей генетической информацией сперматозоидвносит в яйцеклетку центриолиОплодотворенная яйцеклетка носит название зиготы.
Однако оплодотворениене завершено, пока два гаплоидных ядра (называемых пронуклеусами) — одноот яйцеклетки, другое от сперматозоида — не сольются в единое диплоидное ядро.У млекопитающих в оплодотворенной яйцеклетке два ядра не могут сразу слиться,как это случается у многих других животных. Они приближаются друг к другу, ноостаются разделенными до тех пор, пока мембрана каждого пронуклеуса не будет разрушена при подготовке зиготы к первому митотическому делению (рис. 21.35).1988Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиРис. 21.35.
Слияние пронуклеусов сперматозоида и яйцеклетки млекопитающих после оплодотворения.Пронуклеусы сходятся к центру яйцеклетки, и их ядерные оболочки взаимно деформируются. Центросомаудваивается, ядерные оболочки разрушаются, хромосомы встраиваются в митотическое веретено, и зиготаначинает свое первое деление. (По рисункам и электронным микрофотографиям Daniel Szöllösi.)У большинства видов животных, в том числе у человека, сперматозоид вноситв яйцеклетку не только свою генетическую информацию. Он также является донором центриоли — структуры, отсутствующей у неоплодотворенной яйцеклетки.Центриоли сперматозоида входят в яйцеклетку вместе с его ядром и хвостовойчастью, и вокруг них образуется центросома.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
