Активация яйца, роль сперматозоидов в этом процессе

Для активации яйца иногда бывает достаточно контакта гамет без проникновения мужского пронуклеуса. Яйцо может быть активировано другими факторами – механическими или химическими. Развитие организма из неоплодотворенного яйца называется партеногенезом (от греч. «parthenos» – девственница, «genesis» – возникновение).

У некоторых животных это явление происходит строго закономерно и называется естественным партеногенезом. Например, у коловраток самки весной откладывают яйца, из которых в течение лета развиваются самки, тоже откладывающие яйца, развивающиеся без оплодотворения. К осени из партеногенетических яиц появляются и самцы, и самки, которые теперь откладывают оплодотворенные, т.е. зимние яйца.

У пчел, ос, муравьев известен факультативный партеногенез. В семяприемнике самки после осеменения оказывается множество спермиев. Но анатомия пчелы такова, что пчела может откладывать и неоплодотворенные, и оплодотворенные яйца, из которых развиваются соответственно рабочие пчелы или матки и трутни.

Естественный партеногенез известен и у некоторых позвоночных, в частности, у домашней индейки. У нее развиваются до 40 % отложенных партеногенетических яиц и из некоторых вылупляются птенцы (все самцы). Развивающиеся яйца не всегда гаплоидны. Часто происходит удвоение хромосом, и взрослая особь оказывается диплоидной.

Разновидностью партеногенеза является педогенез, – способ размножения некоторых беспозвоночных, при котором у личинок развиваются неоплодотворенные яйца, дающие начало новому поколению. Это явление открыл в 1862г Н.Вагнер, термин предложил в 1865г К.Бэр. После нескольких поколений педогенеза личинка может закончить метаморфоз и дать взрослых самцов и самок, производящих оплодотворенные яйца. Полагают, что педогенез лежит в основе педоморфоза – способа эволюционных изменений организма, при котором происходит полная утрата взрослой стадии.

Партеногенез существует в двух формах – гиногенез и андрогенез.

Гиногенез – иначе псевдогамия, или ложное оплодотворение, развитие стимулированной, но не оплодотворенной яйцеклетки. Сперматозоид проникает в яйцеклетку, но пронуклеусы не сливаются. Иногда сперматозоид может быть другого вида.

Андрогенез – форма размножения организмов, при котором в развитии зародыша участвует мужское ядро внедрившегося спермия, а женское не участвует.

Неоплодотворенное яйцо можно индуцировать к развитию искусственно. Это искусственный партеногенез. В качестве агентов могут выступать как биологические объекты – сами сперматозоиды (иногда другого вида животных), так и искусственные факторы – серная кислота, нагревание, потирание яиц щеткой. Искусственный партеногенез может так же осуществляться в форме андро- и гиногенеза. Его используют для изучения роли ядра в процессе развития, для получения строго гомозиготных организмов или животных одного пола.

Реакция активации сперматозоида подробно исследована при оплодотворении у полихет и морских ежей. Она начинается тогда, когда апикальная часть головки сперматозоида вступает в контакт со студенистой оболочкой яйца. При этом происходит слипание и растворение плазмалеммы головки сперматозоида и передней части мембраны акросомы с последующим слиянием концов этих мембран. Вследствие этого процесса акросома раскрывается, ее протеазы попадают на студенистую оболочку и растворяют ее. В этом месте обнажается плазмалемма яйца. Далее задняя часть мембраны акросомы образует множество палочкообразных выростов — акросомных микроворсинок (полихеты) или один длинный вырост — акросомную нить (иглокожие). Акросомный вырост образуется взрывообразно в результате полимеризации мономеров актина (G-актина), локализованного перед задней частью вне мембраны акросомы. Триггерами этой реакции являются полисахарид фукосульфат и гликопротеин, содержащий сиало-вую кислоту, находящуюся в студенистой оболочке яйца.

Акросомная реакция возникает при поступлении ионов кальция внутрь сперматозоида. Так, она может быть инициирована и в отсутствие студенистой оболочки ионофором кальция — антибиотиком А 23187, который специфически связывает кальций и переносит его из морской воды через мембрану в плазму сперматозоида. Таким образом, слияние мембраны акросомы и мембраны головки сперматозоида — это кальцийзависимый процесс, по существу, представляющий собой адаптированный к оплодотворению процесс экзоцитоза.

Поступление ионов кальция и натрия в головку сперматозоида сопровождается выходом из нее ионов калия и протонов. Последнее приводит в повышению рН в клетке, что и служит необходимым условием отделения мономеров актина (G-актина) от белка и взрывообразного перехода в полимеризованное состояние (F-актин).

Повышение рН одновременно активирует динеиновую АТФ-азу в шейке сперматозоида. В результате его митохондриальное дыхание повышается на 50 %. Генерируемая при этом энергия используется для повышения двигательной активности жгутика.

Акросомный вырост на своей апикальной мембране несет видоспецифичный белок биндин. На поверхности яйца располагаются рецепторы биндина. «Узнавание» яйцеклеткой своего вида заключается в соединении рецепторов яйца с биндинами сперматозоидов. У морского ежа насчитывается до 6 000 сайтов таких соединений. Таким образом, благодаря биндинам осуществляется цитологический блок межвидового скрещивания.

У млекопитающих активация сперматозоида не сопровождается ни образованием микроворсинок, ни образованием акросомного выроста. Акросомная реакция у них заключается в диссоциации наружной мембраны головки сперматозоида и мембраны акросомы не на апикальной поверхности, а вдоль головки сперматозоида. Это связано с тем, что сперматозоид контактирует с яйцом не вершиной акросомы клетки, а боком. Ферменты акросомы растворяют лучистый венец, после чего сперматозоид вступает в контакт с блестящей оболочкой. Блестящая оболочка образована тремя типами белков: ZP3 и ZP2 находятся параллельно поверхности яйца, а белок ZP1 сшивает эти белки и расположен

осуществляется тремя типами рецепторов сперматозоида (на терминальную галактозу, на N-ацетилглюкозамин и на гликопротеин) и составляет первую часть акросомной реакции. Любое нарушение рецепции искажает и процесс активации. Далее происходит излияние фермента акросомы проакрозина, который, взаимодействуя с ZP2 и действуя как протеаза, лизирует блестящую оболочку. Таким образом, достигается контакт задней мембраны акросомы сперматозоида и мебраны яйца. Заканчивается реакция активации сперматозоида слипанием задней мембраны акросомы сперматозоида и яйца, их разрывом и соединением свободных концов. В результате у яйца и сперматозоида формируется единая наружная мембрана, ограничивающая канал, через который ядро сперматозоида и проксимальная центриоль проникают в цитоплазму яйца. На рисунке изображена модель слияния плазматических мембран в месте контакта сперматозоида с яйцеклеткой. При оплодотворении слияние мембран происходит трижды: во время акросомальной реакции, при контакте сперматозоида с яйцом и во время кортикальной реакции. Во всех случаях события на молекулярном уровне, вероятно, одинаковы. Контактирующие плазматические мембраны образованы двумя слоями фосфолипидов, заряженные группы которых обращены наружу и внутрь клетки (А). Внутрь каждой мембраны обращены гидрофобные углеводородные цепи. Слияние начинается (Б), когда двойной слой липидов нарушается и образуются мицеллы (сферические агрегаты, у которых заряженные группы обращены наружу, а незаряженные гидрофобные цепи — внутрь). При перераспределении мицелл (В) плазматические мембраны восстанавливаются (Г), соединяя две ранее обособленные клетки (С. Ф. Гилберт, 1993)

В процессе активации яйцеклетки у всех животных непосредственно участвуют мембрана яйца и кортекс. В кортексе сосредоточены глобулярный белок (G-актин) и большое количество мембранных пузырьков — кортикальных гранул — структур, во многом гомологичных акросоме сперматозоида. Проявления реакции активации многообразны: образование бугорка оплодотворения; быстрый блок полиспермии; кортикальная реакция; медленный блок полиспермии; образование оболочки оплодотворения; перивителлинового пространства.

У иглокожих и ряда других животных одно из выражений реакции активации — образование бугорка оплодотворения. Он формируется как вырост яйцеклетки навстречу акросомальному выросту сперматозоида после процесса «узнавания», т.е. рецепции биндинов сперматозоида соответствующими рецепторами желточной оболочки яйца. Образование бугорка оплодотворения, как и акросомной нити, связано с полимеризацией кортикального актина. Участие микрофиламентов в формировании бугорка оплодотворения легко доказывается его блокированием при действии цитохалазина В.

Как уже говорилось, в месте контакта мембран половых клеток происходит слияние мембран с образованием канала, по которому ядро и центриоль сперматозоида проникают в цитоплазму яйца. Мембрана сперматозоида встраивается в мембрану яйца и некоторое время продолжает сохранять особые свойства, в частности имеет повышенную проницаемость для ионов Na⁺. В результате мембранный потенциал яйцеклетки из отрицательного (-70 мВ) на несколько секунд становится слабо положительным (+10 мВ). Именно в это время яйцо оказывается непроницаемым для излишних сперматозоидов. Это явление получило название быстрого блока полиспермии и имеет смысл для животных с моноспермным оплодотворением. Механизм быстрого блока объясняется наличием в мембранах яйца и сперматозоида рецепторов, чувствительных к знаку заряда. Опытами с приложением электродов к мембране яйцеклетки показано, что изменение заряда мембраны всего на 5 мВ меняет ее проницаемость для сперматозоидов. Положительно заряженная мембрана яйцеклетки для сперматозоидов непроницаема. Искусственную полиспермию можно вызвать, удерживая ее заряд на уровне 60 — 70 мВ, а также путем уменьшения концентрации натрия в морской воде.

Мембранный потенциал при быстром блоке полиспермии остается положительным всего около минуты. Этого времени недостаточно для надежного предотвращения полиспермии. Далее развивается медленный блок полиспермии, который обеспечивается кортикальной реакцией. Кортикальная реакция — это изменение поверхностного слоя яйца в результате контакта со сперматозоидом. От места вхождения сперматозоида и встраивания его мембраны в мембрану яйца вслед за поступлением Na⁺ распространяется волна высвобождения Са⁺⁺ из эндоплазматического ретикулума — внутриклеточного депо ионов кальция. В клетках всех животных показана роль кальция как универсального инициатора экзоцитоза, а кортикальная реакция относится именно к реакции экзоцитоза. Кальций, высвобожденный из внутриклеточных депо, инициирует встраивание мембран кортикальных гранул в мембрану яйца. Вследствие этого поверхность мембраны яйцеклетки увеличивается более чем в 2 раза. Ионофор кальция А23187 был успешно использован для активации кортикальной реакции у самых разных типов яйцеклеток. При этом на яйцеклетках морских ежей было показано, что активация не зависела от присутствия ионов кальция вне яйцеклетки. Яйцеклетки, помещенные в воду, лишенную ионов кальция, активировались сперматозоидами в присутствии ионофора, который открывал внутриклеточное депо кальция. Освобождение внутриклеточного кальция наблюдали визуально, используя белок экворин. Экворин, соединяясь с ионами кальция, начинает светиться. Свечение может быть настолько сильным, что его можно видеть невооруженным глазом в темноте. Высвобождение кальция сопровождается волной свечения, начинающейся в точке инициации по всей поверхности яйцеклетки. Вследствие экзоцитоза высвобождается содержимое кортикальных гранул. В его состав входят:

1. Протеолитический фермент вителлиновая деламиназа, отделяющая желточную оболочку от цитоплазматической мембраны путем лизирования так называемых денеиновых ручек, соединяющих прикрепленную вителлиновую оболочку с цитомембраной.

2. Протеолитический фермент спермрецепторная гидролаза, освобождающая поверхность яйца от осевших на желточной оболочке сперматозоидов, лизируя сайты их соединения.

3. Осмотически активный гликопротеид, благодаря которому в образующуюся щель между желточной оболочкой и цитомембраной яйцеклетки из цитоплазмы яйца поступает вода. В результате этого объем яйцеклетки несколько уменьшается, а над ней образуется перивителлиновое пространство, в котором зародыш развивается до момента вылупления.

4. Фактор, превращающий желточную оболочку в непроницаемую для избыточных сперматозоидов — оболочку оплодотворения.

5. Структурный белок гиалин, образующий слой над плазматической цитомембраной. В дальнейшем развитии он способствует поддержанию правильного взаимного расположения бластомеров в процессе дробления.

У млекопитающих механизм экзоцитоза такой же, как у других животных. Однако блок полиспермии у разных видов млекопитающих создается по-разному. У хомячка zona pellucida становится непроницаемой для сверхчисленных сперматозоидов. У кроликов непроницаемой становится сама цитоплазматическая мембрана яйца.

Все события активации связаны с работой инозитолфосфатной системы, которая в образующейся зиготе включается рецепцией сперматозоидов. У млекопитающих после лизиса zona pellucida ферментами акросомы лиганды мембраны сперматозоида взаимодействуют с рецепторами в мембране яйцеклетки. Рецептор активирует белок (g-белок), связывающий ГТФ, что, в свою очередь, активирует фосфолипазу C. Это первое звено в цепи реакций инозитолфосфатной системы, которая в неактивном виде существует в мембране яйцеклетки. Активация яйцеклетки по существу является ее включением.

Рецепция биндина акросомы сперматозоида рецептором мембраны яйцеклетки меняет конфигурацию g-белка. Это приводит в активное состояние фермент — фосфолипазу C мембраны, которая расщепляет фосфатидил-4,5-дифосфат (РIР₂) мембраны на диацилглицерол (DAG), остающийся в мембране, и на инозитолфосфат (IР₃), выходящий в цитоплазму. Кроме того, действие сперматозоида на яйцеклетку опосредует гидролиз полифосфоинозитидов с образованием IР₃. Будучи внутриклеточным мессенджером, IР3 действует на эндоплазматический ретикулум, депонирующий кальций, и вызывает выход кальция в цитоплазму. Возрастание кальция само по себе, а также в сочетании с DAG, который посредством фермента мембраны протеинкиназы C активирует Na⁺/Н⁺-обмен, приводит к повышению рН цитоплазмы. Увеличение уровня кальция путем изменения активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы активирует НАД-киназу и ведет к образованию НАДФ, которая играет большую роль в стабилизации оболочки оплодотворения. Повышение уровня кальция запускает экзоцитоз кортикальных гранул, образование бугорка оплодотворения. В дальнейшем повышение pH и кальция инициируют и стимулируют синтез ДНК и белка, в том числе гистонов и циклинов. Все это необходимо для созревания яйцеклетки, т.е. снятия блока мейоза, его завершения и образования женского пронуклеуса.

У позвоночных ооциты до овуляции находятся в яичнике на стадии диплотены мейоза. Мейоз возобновляется под влиянием прогестерона, секретируемого фолликулярными клетками в ответ на действие гонадотропных гормонов гипофиза. Через несколько часов (у амфибий примерно через 6 ч) завершается первое деление созревания, и ядро яйцеклетки блокируется на метафазе II. На этой стадии яйцеклетка овулирует. Дальнейшее деление созревания возможно только в процессе оплодотворения.

Установлено, что созревание регулируется белковым комплексом MPF (Maturation Promoting Factor). MPF — это фактор, инициирующий созревание. Выяснилось, что переход в стадию митоза любого клеточного цикла любых соматических клеток эукариот (от дрожжей до человека) также регулируется этим фактором. В этом случае его аббревиатура (MPF) означает mitosis promoting factor. MPF включает две субъединицы: эволюционно консервативную — малую и большую.

Поскольку все компоненты MPF есть в цитоплазме ооцита, полагают, что прогестерон переводит комплекс MPF в активное состояние и тем самым реинициирует мейоз. Одновременно прогестерон побуждает яйцеклетку транслировать белковый цитостатический фактор. Им является фосфопротеин pp39mos, который транслируется c-mos иРНК, запасенной в цитоплазме. Этот белок обнаруживается только в период созревания ооцита и быстро разрушается после оплодотворения. pp39mos, активируя каскад реакций фосфорилирования, действует как ингибитор деградации циклина B. Циклин В поддерживает активность малой субъединицы MPF (р34 cdc2), которая после завершения первого деления созревания переводит ядро в метафазу II и удерживает его в этом состоянии.

На стадии метафазы происходит овуляция. Как уже отмечалось, в процессе оплодотворения из эндоплазматического ретикулума в цитоплазму выходят ионы кальция. Ионы кальция активируют кальцийзависимую протеазу — кальпин II. Кальпин II специфически действует на рр39 и инактивирует действие этого цитостатика. После его разрушения циклин В деградирует, протеаза рр 39 инактивируется и яйцеклетка входит в новый цикл, во время которого завершается ее созревание. Зрелый женский пронуклеус оказывается готовым к слиянию с мужским с образованием ядра зиготы. Теперь зигота, утратив короткоживущий цитостатик и имея в цитоплазме ресурсы для трансляции MPF, готова приступить к делению дробления.

Поиск по сайту: