Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 417
Текст из файла (страница 417)
Сначала мы рассмотрим процесс дозревания сперматозоида, когда он проходит по женским половым путям. Затем мы опишем события, происходящие при прикреплении сперматозоида к яйцевой оболочке (гопа рейнета), индуцирующие акросомальную реакцию, в результате которой спермато:юид может пройти сквозь оболочку и слиться с яйцеклеткой. Затем мы рассмотрим связывание сперматозоида с плазматической мембраной яйцеклетки и последующее слияние с ней.
Обсудив, как слияние со спермато:юидом активирует яйцеклетку и как гаплоидные ядра двух гамет сливаются друг с другом, завершая процесс оплодотворения, мы вкратце рас скажем о быстро развивающихся репродуктивных технологиях, которые произвели революцию в преодолении бесплодия и открыли новые возможности управления репродуктивными процессами. 21.б.1. Созревание сперматозоида завершается в женских половых путях У человека из 300000000 сперматозоидов, выделяемых при соитии, лишь около двухсот достигают яйцеклетки, находящейся в фаллопиевой трубе (яйцеводе). Когда сперматозоид находит яйцеклетку, он должен пройти через слой гранулезных клеток, окружающих яйцеклетку, а затем связаться с гопа рейисЫа и пересечь ее.
Наконец, ему предстоит связаться и слиться с плвзматической мембраной яйцеклетки. 21.б. Оплодотворение 1983 Сразу после эякуляции сперматозоиды млекопитающих не готовы к выполнению ни одной из этих задач. Проникнув в женские половые пути, они попадают в новые условия, в результате чего приобретают несколько иные свойства. Сперматозоиду необходимо приобрести способность к проникновению через оболочку яйцеклетки — капацитацию. У человека капацитация занимает обычно 5 — б часов и завершается лишь тогда, когда сперматозоид достигает яйцевода. За это время сперматозоид претерпевает значительные биохимические и функциональные изменения.
В частности, меняется гликопротеиновый и липидный состав плазматической мембраны, свойства ее ионных каналов, а также значительно изменяется ее потенциал покоя (мембранный потенциал сдвигается в сторону более отрицательных значений). Кроме того, при капацитации повышается рН цитоплазмы, увеличивается степень фосфорилированности по тирозину у некоторых белков сперматозоида и демаскируются некоторые скрытые рецепторы, способствующие связыванию с гопа реПисЫа. Меняется и поведение сперматозоида: подвижность его жгутика сильно возрастает, а сперматозоид готовится к акросомной реакции.
В подходящей культуральной среде капацитация может происходить и гп о1(го; обычно она является обязательным условием оплодотворения гп гпгго. Для этого в среде должны присутствовать три компонента, обычно содержащихся в высокой концентрации в женских половых путях; альбумин, Саг' и НСОз . Белок альбумин помогает экстрагировать из плазматической мембраны холестерин, что позволяет реагировать ей с мембраной акросомы при акросомальной реакции. Саг' и НСОз входят внутрь сперматозоида и напрямую активируют в цитоплазме растворимую аденилатциклазу, начинающую вырабатывать циклический АМР (см. главу 15), который участвует в инициации многих изменений, связанных с капацитацией. 21.6.2.
Капацитированный сперматозоид связывается с хопа реНиоЫа и запускает акросомную реакцию В процессе овуляции яйцеклетка млекопитаюшего 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 должен преодолеть слой гранулезных клеток, используя фермент гиалуронидазу, находящийся на его поверхности. После этого сперматозоид сможет связаться с гона ре1- !исЫа, или блестящей оболочкой (см. рис.
21.22). Этот слой обычно не позволяет сперматозоидам других видов оплодотворять яйцеклетку, а его удаление снимает этот барьер. Например, человеческий сперматозоид может оплодотворить яйцеклетку хомяка, у которой гона реПисЫа была удалена специальными ферментами; неудивительно, что получившаяся в результате зигота не развивается. Яйцеклетки хомяка без гопа реПисЫа часто используются при диагностике бесплодия в тестах (п о1г о на способность сперматозоидов пациента к оплодотворению (рис.
21.32). Уопа реПисЫа большинства яйцеклеток млекопитающих состоит из трех основных гликопротеинов. Все они в большом количестве вырабатываются растушим ооцитом. Два из них, ХР2 и ХРЗ, образуют длинные филаменты, а третий, ХР1, сшивает фила- менты в трехмерную сеть. Присутствие белка ХРЗ необходимо: самки мышей с мутацией в гене УрЗ производят стерильные яйцеклетки, лишенные гопа реПисИа. Похоже, что Я СВЯЗЬШАМИ сперммя С ЕОМА РЕО.ОСЮА гренулезне клят ХОЖДЕМИЕ ОЗЬ ЛОМА .
ОДОА плвзмвтическвя мембрана яйцеклетки гопв рееис/бе ( Ех СОДЕ СПЕР с цит яйцею1еткм Рис. 21.33. Дкросомальная реакция, происходящая при оплодотворении. У мышей гола ревиоаа имеет около 6 мкм в толщину; сперматозоид проходит сквозь нее со скоростью примерно 1 мкм/мин. 21.6.4. Слияние со сперматозоидом активирует яйцеклетку„ повышая концентрацию Саа+ в цитоплазме Слияние со сперматозоидом активирует яйцеклетку, при этом кортикальные гранулы выплескивают свое содержимое наружу посредством экзоцитоза: этот сперматозоиду трансмембранный белок из суперсемейства иммуноглобулинов под названием Идзумо (1гито; так называется японское святилище, в котором часто совершаются брачные церемонии).
Он появляется на поверхности мышиного и че ловеческого сперматозоида в ходе акросомальной реакции. Антитела к Идзумо блокируют слияние, а сперматозоиды самца мыши, не вырабатывающего Идзумо, не могут слиться с нормальной яйцеклеткой. Тем не менее роль Идзумо в слиянии сперматозоида с яйцеклеткой не ясна. На поверхности яйцеклетки обнаружен лишь один белок, необходимый для слияния со сперматозоидом: это белок СР9, принадлежащий к семейству тетраспанинов, названных так потому, что у них есть четыре трансмембранных домена. Нормальному сперматозоиду не удается связаться с мышиными яйцеклетками, на поверхности которых нет СР9; вероятно, СР9 принимает какое то участие в слиянии гамет, но какое именно, пока не из вестно.
Кроме того, показано, что нормальные сперматозоиды также не связыва ются с яйцеклетками, обработанными специальным ферментом, который удаляет белки, связанные с мембраной посредством гликозилфосфатидилинозитольного (СР1) якоря (см. главу 10). Это означает, что один или несколько белков, при крепленных к мембране с помощью СР1, тоже необходимы для слияния, однако соответствующий белок (или белки) еше не идентифицирован. 1986 Часть 5.
Клетки в контексте их совокупности процесс называется коргпикальной реакцией. Мейоз, остановленный на стадии метафазы П, возобновляется, в результате чего образуется второе полярное тельце и зигота, которая начинает свое развитие. Все эти события инициируются повышением концентрации Саг' в цитоплазме. Если концентрацию Саг в цитоплазме неоплодотворенной клетки повысить искус ственно, напрямую вводя Саг' либо используя кальциевый ионофор (см. главу 11), то яйцеклетка активируется.
Это работает у всех исследованных на данный момент животных, в том числе млекопитающих. И обратно: если не позволять концентрации Саг' расти, например, вводя хелатор Саг"+ЕСТА, то это ингибирует активацию яйцеклетки в ответ на оплодотворение. Когда сперматозоид, как обычно, сливается с плазматической мембраной клетки, он стимулирует локальное увеличение концентрации цитоплазматического Саг', которое волной распространяется по клетке (см.
рис. 15 40). Распространение волны обеспечивается механизмом положительной обратной связи: повышение концентрации цитоплазматического Саг открывает кальциевые каналы, благодаря чему 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. Введение интактного сперматозоида, его головки или его внутреннего содержимого производит один и тот же эффект.
Все эти воздействия повышают концентрацию инозитол- 1,4,5-трифосфата (1Р. ), который способствует выходу Саг' из эндоплазматического ретикулума и инициирует кальциевую волну и осцилляции (см. главу 15). Наиболее вероятным претендентом на роль фактора, вносящего в яйцеклетку сперматозоид млекопитающего, является особая форма фософолипазы С (РЕС~), встречающаяся в сперматозоидах. Этот фермент расщепляет фосфоинозитол-4,5-бисфосфат (РК4,5)Р ) с образованием 1Рз и диацилглицерола (см. Рис, 15.39). 21.6.5. Кортикальиая реакция помогает избежать полиспермии Хотя с яйцеклеткой могут связаться несколько сперматозоидов, в норме лишь один сливается с плазматической мембраной яйцеклетки и впрыскивает свою цитоплазму, ядро и другие компоненты внутрь яйцеклетки. Если же происходит слияние более чем с одним сперматозоидом (такое состояние называется полиспермией), 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, как правило, прекращается. Слияние лишь с одним сперматозоидом обеспечивается двумя механизмами. Во-первых, изменения плазматической мембраны яйцеклетки, вызванные слиянием с первым сперматозоидом, не позволяют другим сперматозоидам слиться с нею. Второй механизм заключается в запуске кортикальной реакции яйцеклетки, при которой высвобождая>тся различные ферменты, изменяющие структуру гопа ре!!исЫа таким образом, что другие сперматозоиды не могут ни связаться с ней, ни тем более пройти сквозь нее. В ходе этой реакции у млекопитающих инактивируется ХРЗ, который отныне не может связаться со сперматозоидом и активировать его акросомную реакцию.
Кроме того, расщепляется ХР2, что каким-то образом делает гола ре11исн1а непроницаемой (рис. 21.34). плазматическая мембрана связавшепюя спермия 1 хопа 2Р2 ~ рег!ис!г!а 2РЗ плазматическая мембрана яйцеклетки кортикальная гранула с гидрслитическими ферментами (ЭКЗОЦИТОЗ) высвобождение содержимого картикальных гранул второй сперматозоид у не может связаться БЛОКАДА ПОЛИСПЕРМИИ частично г$5;' протеолизироввнный 2Р2 модифицированный ] 2РЗ измененная зола рег!ос!с!а т г г г Рис. 21.34. Схема поясняет, иак, по современным представлениям, кортикальная реакция яйцеилетки мыши предотвращает проникновение в нее дополнительных спермиев. Вышедшее наружу содержимое кортикальных гранул переводит 2РЗ в инактивирова иную форму, с которой сперматозоид не может связаться.
При этом также разрезается 2Р2, что приводнт к полной непроницаемости гола ре/Iисва для спермиев. Зти изменения делают полнспермию невозможной. 21.6.6. Вместе со своей генетической информацией сперматозоид вносит в лйцеклетку центриоли Оплодотворегптая яйцеклетка носит название зиготы. Однако оплодотворение не завершено, пока два гаплоидных ядра (называемых пронуклеусазги) — одно от яйцеклетки, другое от сперматозоида — не сольются в единое диплоидное ядро. У млекопитаюших в оплодотворенной яйцеклетке два ядра не могут сразу слиться, как зто случается у многих других животных. Они приближаются друг к другу, но остаются разделенными до тех пор, пока мембрана каждого пронуклеуса не будет разрушена при подготовке зиготы к первому митотическому делению (рпс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
