Преобразование цитоплазмы яйца

После проникновения сперматозоида скорость метаболизма увеличивается в 70-80 раз, начинаются интенсивные перемещения слоев цитоплазмы яйцеклеток друг относительно друга. Иногда при этом происходит расслоение (отмешивание) различных частей ооплазмы ‑ ооплазматическая сегрегация. В ходе этого процесса намечаются основные, хотя далеко не все, элементы пространственной организации зародыша. Поэтому данный этап называют проморфогенезом, так как именно тогда расставляются вехи для будущих морфогенетических процессов.

У некоторых кишечнополостных сегрегация ограничивается процессом разделения ооплазмы на внешний ободок эктоплазмы (содержащий различные пигменты и бедный питательными включениями) и внутреннюю массу эндоплазмы (богата желтком и другими питательными включениями). Уже такое достаточно простое расслоение влияет на последующие процессы развития, определяя в яйцах радиальную установку веретен делений дробления. Так, в яйцеклетках амфибий положение сагиттальной плоскости и проходящей в ней дорсовентральной оси определяется именно процессами ооплазматической сегрегации, которые протекают в первые десятки минут после оплодотворения. Реорганизации цитоплазмы зиготы способствуют микротрубочки спермия (при добавлении колхицина, перемещения цитоплазматических масс не происходит). В большинстве случаев ооплазматическая сегрегация влияет не на конечную дифференцировку клеток, а на ближайшие этапы развития – дробление и гаструляцию.

Партеногенез

Яйца многих животных могут быть активированы естественно или искусственно без участия сперматозоида.

Партеногенез – развитие, происходящее без оплодотворения (участия сперматозоида). Естественный партеногенез обнаружен у ос, пчел, ряда чешуекрылых, у некоторых видов ящериц и змей, типичен для летних поколений ряда ракообразных и коловраток. Успешные опыты по искусственному партеногенезу были выполнены А. А. Тихомировым в 1886 г. Ему удалось стимулировать развитие неоплодотворенных яиц тутового шелкопряда кратковременным нагреванием или потиранием их щеткой. Естественный партеногенез чаще всего случается при незавершенном оплодотворении, т.е. в тех случаях, когда имела место активация яйцеклетки, но ядро сперматозоида не участвовало в оплодотворении. В активированных яйцах используется генетическая информация, содержащаяся только в женском пронуклеусе (гиногенез). При искусственном партеногенезе, когда существует возможность экспериментально удалить женский пронуклеус, развитие зародыша может осуществится только за счет мужского пронуклеуса (андрогенез). В указанных случаях потомки целиком наследуют либо признаки матери (при гиногенезе), либо отца (при андрогенезе). Это лишний раз свидетельствует о том, что наследственные свойства особи определяются в основном ядром, а не цитоплазмой. В большинстве случаев после партеногенетической активации яйцеклетки в ней восстанавливается диплоидный набор хромосом.

У млекопитающих также отмечались случаи вступления яйцеклеток на путь партеногенетического развития – самопроизвольно, либо под влиянием активирующего агента (электростимуляция, тепловой шок, этанол). Однако развитие таких зародышей всегда останавливалось на ранних стадиях – рождения партеногенетически развившихся особей никогда не наблюдалось. Полноценное развитие партеногенетиков у млекоптающих невозможно, по видимому, вследствие того, что в женских хромосомах заблокированы (в результате метилирования) определенные участки ДНК, присутствующие в активной форме в мужских хромосомах. Именно поэтому самец не может быть заменен партеногенетическим агентом. Эксперимантально показано, что если у мыши при мейозе подавить отделение полярного тельца, то возникнут и начнут развиваться диплоидные яйцеклетки, в которых весь наследственный материал берет начало от материнского организма. Такие клетки делятся и образуют зародышей с хордой, мышцами, скелетом и разными органами, включая бьющееся сердце. Но развитие продолжается недолго ‑ уже на 10-11 сутки между нормальными и партеногенетическими зародышами обнаруживаются глубокие различия.

Таким образом, хотя у многих животных оба пронуклеуса эквивалентны, у млекопитающих между ними имеются важные функциональные различия. Для завершения развития млекопитающих необходимы оба пронуклеуса: материнский и отцовский.

Дробление. Борозды дробления. Пространственная организация,биологические функции.

Зигота с ее новым генетическим потенциалом и новым распределением цитоплазмы приступает к созданию многоклеточного организма. У всех известных животных это начинается с процесса дробления – серии митотических делений, в результате которых огромный объем цитоплазмы яйца разделяется на многочисленные содержащие ядро клетки меньшего размера. Такие клетки называются бластомерами.

После объединения хромосомных наборов, являющегося следствием оплодотворения, без всякого перерыва начинается митотическое деление зиготы. За этим первым делением следует серия следующих делений ядер и цитоплазмы, общие свойства которых таковы:

· разделившиеся клетки зародыша не растут, т.е. в промежутке между делениями масса их цитоплазмы не увеличивается ‑ в результате суммарный объем и масса всех возникших клеток не превышает объема и массы яйцеклетки во время оплодотворения;

· количество ДНК в ядре удваивается после каждого деления, как и при обычном митозе, так что все клетки сохраняют диплоидность

Дробление ‑ это многократные митотические деления зиготы, в результате которых зародыш становится многоклеточным, не меняя при этом существенно своего объема.

Образование многоклеточности первая и основная биологическая роль дробления. Вторая роль состоит в восстановлении ядерно-плазматического отношения, которое падает в ходе стадии большого роста ооцита. Видовые особенности процесса дробления определяются двумя основными параметрами:

· количеством и распределением желточных белков в цитоплазме (желток подавляет дробление);

· присутствием в цитоплазме факторов, которые влияют на ориентацию митотического веретена и время его образования

Дробление начинается вскоре после оплодотворения и заканчивается, когда у зародыша достигается новое равновесие между ядром и цитоплазмой. Дробление ‑ строго координированный процесс, находящийся под генетическим контролем.

Механизм дробления

Клеточный цикл соматических клеток делится на четыре стадии (фазы). За митозом (М) следует пресинтетический период (G₁), после которого происходит синтез ДНК (S). Затем наступает премитотическая фаза (G₂), за которой опять следует митоз.

Высокая пролиферативная активность во время дробления обусловленна прежде всего укороченными клеточными циклами. В период синхронных делений дробления они отличаются отсутствием G₁ периода, составляющей у обычных делящихся клеток значительную часть клеточного цикла. Фаза синтеза ДНК занимает непродолжительный отрезок времени, а удельная доля митоза составляет, как правило, около 50 % (в отдельных случаях до 70-75 %) генерационного времени. Таким образом, главные синтетические процессы, протекающие в синхронно делящихся бластомерах – синтез ДНК и гистонов.

Укорочение клеточных циклов при дроблении происходит потому, что в G₁ фазе дробящихся эмбрионов отсутствует экспрессия генов, т.е. геном зародыша полностью неактивен. Все синтетические процессы, в том числе и синтез гистоновых белков, идут за счет материнских матричных РНК, накопленных еще в оогенезе. Исключение их этого правила составляют животные с асинхронным дроблением. Так, у млекопитающих некоторые гены эмбриона начинают экспрессироваться уже на стадии двух бластомеров.

Клеточный цикл бластомеров на ранних стадиях дробления, в отличие от нормального клеточного цикла, может быть гораздо более простым – двухфазным.

Факторы, регулирующие этот двухфазный цикл, локализованы в цитоплазме. Это те же самые факторы, которые регулировали деления созревания при оогенезе: фактор, стимулирующий созревание (maturation promoting factor, MPF), цитостатический фактор (сytostatic factor, CSF) и ионы кальция.

Показано, что в делящихся клетках уровень активности MPF претерпевает циклические изменения. Активность MPF в бластомерах лягушки на ранних стадиях дробления наивысшая в М-фазе и не выявляется в S-фазе.

Действие MPF осуществляется путем изменения структуры ядерной оболочки. Цитостатический фактор стабилизирует фактор созревания, задерживая клетки в состоянии митоза, а кальций инактивирует цитостатический фактор, стимулируя переход к S – фазе за счет инактивации MPF. При добавлении CSF прекращаются также циклические сокращения кортикального слоя цитоплазмы, а последующая инъекция ионов кальция их стимулирует (рис. 21).

На ранних стадиях развития цитоплазма определяет скорость клеточных делений и продолжительность S- и M-фаз. В период асинхронных делений дробления появляется фаза G₁, удлиняется продолжительность всех остальных фаз цикла. Начинается синтез различных видов РНК на матрицах ДНК, т.е. пробуждается транскрипционная активность генома зародыша.

Считается, что потеря синхронности дробления связана именно с активацией генома зародыша. В развитии всех животных наступает момент, начиная с которого темпы клеточной репродукции замедляются и происходит десинхронизация делений дробления. Изменение структуры клеточного цикла сопровождается увеличением подвижности бластомеров во время удлинившейся интерфазы и началом транскрипции собственных генов зародыша. Этот процесс контролируется ядерно-цитоплазматическим отношением, которое постепенно увеличивается при дроблениии.

Гены, внесенные в геном зародыша со сперматозоидом, проявляют свое действие именно в этот период и, во всяком случае, не раньше окончания периода синхронного дробления. Именно в это время зародыш берет свою судьбу в собственные руки и перестает быть генетической копией матери. Поскольку период асинхронности начинается после разного числа делений дробления, то и пробуждение транскрипционной активности начинается при соответственно разном количестве бластомеров: у млекопитающих и круглых червей практически с самого начала развития, у иглокожих со стадии 32 бластомеров, у амфибий со стадии бластулы.

Перетяжки, разделяющие дробящуюся яйцеклетку на все более мелкие клетки (бластомеры), называются бороздами дробления.

Закономерности, связанные с наличием и распределением желтка в яйцеклетке и направлением хода борозд дробления определяются 2-мя правилами Гертвига-Сакса:

· клеточное ядро стремится расположиться в центре чистой, свободной от желтка цитоплазмы;

· веретено клеточного деления стремится расположиться по направлению наибольшего протяжения свободной от желтка цитоплазмы

Наиболее общей закономерностью голобластического (см. ниже) дробления мезо- и олиголецитальных яиц является взаимная перпендикулярность (ортогональность) первых трех борозд, причем две первые из них проходят по меридианам яйца, а третья – по экватору.

Борозды дробления (рис. 22):

· меридианная (меридиональная) ‑ проходит от анимального полюса зиготы к вегетативному;

· экваториальная (ее аналогом является широтная борозда, смещенная по отношению к экваториальной в направлении к анимальному полюсу из-за перегруженности желтком вегетативного полюса) – проходит по экватору зиготы;

· тангенциальная ‑ проходит параллельно поверхности зиготы, в результате чего образуется многослойный зародыш