Лекція 7. Розвиток статевих клітин. Загальна характеристика ем­бріогенезу

Гаметогенез. Сперматогенез і овогенез. Запліднення. Зигота. Дроблення і його види. Бластула та її види. Гаструляція. Гаструла.

Онтогенез статевих клітин (гаметогенез). У ссавців первинні мсдиференційовані статеві клітини - гоноцити утворюються в стінці жовткового мішка зародка на ранніх етапах його розвитку. З течією кроні або по ходу кровоносних судин вони мігрують у закладки стате- иих залоз (гонади), які називають статевими валиками. В останніх го­ноцити стають нерухомими, округлюються, розмножуються і диференціюються в статеві клітини самця чи самиці. Диференціація иідбувається залежно від типу статевих хромосом, які були в клітинах іародка. З диференціацією статевих клітин починається і диференціація закладок статевих залоз.

Сперматогенез - розвиток статевих клітин самця. Розвиток сперматозоїдів відбувається в статевих залозах самця - яєчках (сім'яниках) статевозрілих тварин. Він має чотири періоди: розмно­ження, росту, дозрівання і формування (рис. 15).

Період розмноження. У цей період статеві клітини називають сперматогоніями. Вони входять до складу стінки звивистих сім'яних канальців яєчок, мають невеликі розміри, плоску або округлу форму і округлі ядра з диплоїдним числом хромосом. Сперматогонії активно діляться шляхом мітозу. Частина сперматогоній припиняє поділ, вони збільшуються в об'ємі і переходять у другий період розвитку. Клітини, які не припиняють ділитися, залишаються стовбуровими клітинами і поповнюють запас сперматогоній.

Період росту. Статеві клітини цього періоду називають первин­ними сперматоцитами. Вони втрачають зв'язок з базальною мембра­ною стінки звивистих сім'яних канальців і вступають у контакт з підтримувальними клітинами (клітини Сертолі). Ці клітини мають великі розміри і багато відростків. Вони виконують опорну, трофічну, захисну, секреторну та інші функції, створюючи потрібне середовище для статевих клітин, що розвиваються. В цей період у первинних сперматоцитах активно відбуваються процеси асиміляції, утворюють­ся нові органели, що спричинює збільшення об'єму клітин. В ядрі синтезується ДНК і відбувається рекомбінація спадкового матеріалу (початок профази І мейозу). В ній виділяють п'ять стадій: лептотену, зиготену, пахітену, диплотену і діакінез. У лептотені відбувається конденсація хромосом. Вони стають помітними у ядрі і мають вигляд ниток. Хромосоми утворені двома хроматидами, які щільно приляга­ють одна до одної. Зиготена характеризується подальшою конденсацією хромосом, зближенням і з'єднанням (кон'югація) гомологічних хромосом. Кон'юговані хромосоми починають обмінюватись генами - кросинговер. У пахітені кон'юговані хромо­соми потовщуються, стають короткими і тісно контактують по всій довжині. Для диплотени властиве формування тетрад. При цьому, у кожній кон'югованій хромосомі виникає щілина, яка розділяє хрома- тиди. Кон'юговані хромосоми починають відходити одна від одної, зберігаючи зв'язок у місцях перехресть. У діакінезі хромосоми по­товщуються і відходять одна від одної.

Період дозрівання. В цей період відбуваються два мітотичні поділи клітин, які проходять один за одним з дуже короткою інтерфазою, у якій не відбувається подвоєння ДНК (мейоз). У результаті першого (редукційного) поділу з первинного сперматоцита утворюються два вторинних сперматоцити. Вони мають гаплоїдне число хромосом порівняно з первинними сперматоцитами, але кожна хромосома перед поділом складалась з двох хроматид, у зв'язку з чим їх набір залишається диплоїдним. Внаслідок другого (екваційного) поділу із вторинного сперматоцита утворюються дві сперматиди - істинно гаплоїдні клітини, які різняться за статевими хромосомами. Половина з них мають Х-, половина - У-хромосому. Сперматиди округлі клітини, перебувають у тісному контакті з підтримувальними клітинами.

Період формування. Упродовж цього періоду сперматиди набу­вають морфологічних ознак, властивих сперматозоїдам. При цьому ядро витягується, ущільнюється і переміщується до плазмолеми. Спе­реду від ядра із елементів комплексу Гольджі формується акросома. Клітинний центр переміщується до протилежного від ядра полюса клітини. В ньому розрізняють проксимальну та дистальну центріолі. Дистальна центріоль ділиться на краніальну й каудальну частини. Від краніальної частини формується аксонема, яка виходить за межі клітини. Каудальна частина набуває кільцеподібної форми. Вона «сповзає» по аксонемі разом з цитоплазмою сперматиди, яка містить мітохондрії та глікоген, розміщуючись на межі проміжної та головної частин хвоста. Сперматиди видовжуються і перетворюються на сперматозоїди. Частини цитоплазми сперматид, які не ввійшли до складу цитоплазми сперматозоїдів, фагоцитуються підтримувальними клітинами. Сперматозоїди втрачають зв'язок з підтримувальними клітинами і заповнюють просвіти звивистих сім'яних канальців.

Таким чином, при сперматогенезі з однієї сперматогонії утво­рюються чотири сперматозоїди.

Повний цикл розвитку сперматозоїдів кнура триває впродовж 40 діб, барана - 48, бугая - 63 діб.

Овогенез — розвиток статевих клітин самиць. Розвиток стате- них клітин самиць починається в ембріональний період і закінчується з настанням статевої зрілості. Він складається з трьох періодів - розм­ноження, росту та дозрівання (рис. 15). Перші два періоди відбува­ються в статевих залозах самиць - яєчниках. Третій період починаєть­ся в яєчниках і закінчується в яйцепроводах.

Період розмноження триває під час внутрішньоутробного роз­витку і закінчується в перші місяці життя після народження. Статеві клітини цього періоду називають овогоніями. Овогонії - невеликі клітини округлої форми з оксифільною цитоплазмою і великим ядром, у якому міститься диплоїдне число хромосом. Вони активно розмно­жуються шляхом мітозу. Наприкінці періоду розмноження їхня мітотична активність припиняється і вони переходять у другий період розвитку. В період розмноження багато овогоній гине шляхом апопто- зу.

Період росту — найтриваліший період розвитку, який закінчується з настанням статевої зрілості. Статеві клітини цього періоду називають первинними овоцитами, які знаходяться у фолікулах яєчника.

На початку періоду росту в ядрах первинних овоцитів відбувається рекомбінація спадкового матеріалу (профаза І мейозу) і формується вторинна оболонка яйцеклітини. Рекомбінація спадкового матеріалу відбувається так як і у періоді росту сперматогенезу, але ос­тання фаза називається діктіотена. У цю фазу відбувається деспіралізація хромосом і вони стають невидимі до закінчення періоду росту. Вторинна оболонка утворена лише одним шаром фолікулярних клітин яєчників, у результаті чого утворюються примордіальні фолікули.

Після цього починається процес синтезу й накопичення у пер­винних овоцитах жовтка. Цей процес має дві фази - превітелогенезу та вітелогенезу і триває довго (роками, місяцями).

У фазі превітелогенезу (малого росту) в цитоплазмі первинних овоцитів збільшується кількість білоксинтезуючих органел і мітохондрій, які локалізуються переважно в периферійній частині ци­топлазми. При цьому в ядрі овоцитів відбувається деспіралізація хро­мосом.

Вітелогенез (великий ріст) — фаза інтенсивного накопичення жовтка в цитоплазмі первинних овоцитів. Матеріал для синтезу жовт­ка надходить в овоцит зі всього організму через фолікулярні клітини, які збільшуються в об'ємі і активно діляться шляхом мітозу. Внаслідок цього вторинна оболонка стає багатошаровою (зернистий шар) і такі фолікули називають первинними. В міру накопичення жовтка ядро зміщується до одного з полюсів овоцита і утворюється кортикальний шар цитоплазми. З формуванням останнього процес синтезу й накопичення жовтка припиняється, в ядрі відбувається конденсація хромосом, ріст овоцитів закінчується. При цьому ріст первинних фолікулів триває. Між їхніми фолікулярними клітинами утворюються окремі порожнини, заповнені фолікулярною рідиною. Такі фолікули називають вторинними. Згодом окремі порожнини цих фолікулів з'єднуються, а первинний овоцит зміщується до стінки фолікула. Його місцезнаходження називають яйценосним горбком. Такі фолікули стають третинними (граафові міхурці).

Період дозрівання починається в яєчниках і закінчується після овуляції в яйцепроводах. У період дозрівання первинні овоцити діляться шляхом мейозу. В результаті першого поділу утворюються вторинний овоцит і перше полярне тільце, яке майже не має цито­плазми і містить половину хромосом. При наявності сперматозоїдів у яйцепроводі, один із них (ссавці) проникає у вторинний овоцит і стимулює другий поділ. У результаті його з вторинного овоцита утво­рюються яйцеклітина і друге полярне тільце. Перше полярне тільце гикож може ділитись, унаслідок чого формуються два інших полярних і ільця. При дозріванні яйцеклітина втрачає центріолі.

Таким чином, у результаті овогенезу з однієї овогонії утворю­ються одна яйцеклітина і три полярних тільця.

Полярні тільця та незапліднена яйцеклітина гинуть.

Запліднення та його біологічне значення. Запліднення - це процес злиття статевих клітин самця й самиці, в результаті якого утворюється одноклітинний зародок - зигота.

Запліднення поділяють на зовнішнє і внутрішнє. Зовнішнє за­пліднення відбувається за межами організму (ракоподібні, риби, ам­фібії), внутрішнє - в статевих органах самиці (птахи, ссавці).

Внутрішнє запліднення здійснюється в ампульній частині яй­цепроводу. Воно відбувається в два етапи: дистантний і контактний. Дчстантний етап передує власне заплідненню і починається ще в сім'явиносних шляхах самця перед еякуляцією (сім'явипорскуванням). У цей етап спочатку відбувається перебудова глікокаліксу плазмолеми сперматозоїдів, що захищає їх від руйнуван­ня в статевих шляхах самиці. Після потрапляння сперматозоїдів у статеві шляхи самиці вони вступають у контакт із секретом залоз та епітелію статевих шляхів, унаслідок чого здійснюється їх активація - капацитація. При цьому плазмолема акросомної ділянки сперматозоїдів звільняється від глікокаліксу і білків сперми, вона стає більш проникною для іонів кальцію, в результаті чого їх рухливість різко зростає. Завдяки своїм фізіологічним особливостям (реотаксис, хемотаксис) сперматозоїди досягають ампульної частини яйцепрово­ду, де знаходиться вторинний овоцит, і взаємодіють з ним (контакт­ний етап запліднення). Цей етап починається з акросомної реакції. При цьому мембрана акросоми і плазмолема головки сперматозоїда зливаються, з акросоми виділяються гіалуронідаза й трипсиноподібні ферменти, які порушують контакти фолікулярних клітин вторинної оболонки і локально руйнують її прозору зону, внаслідок чого у цьому місці вторинний овоцит оголюється (денудація). Це дає можливість сперматозоїду проникнути в нього (пенетрація). Цитоплазма овоцита в місці контакту утворює горбок запліднення. На початку пенетрації плазмолема головки сперматозоїда і первинна оболонка овоцита зли­ваються і в цитоплазму овоцита проникає вміст сперматозоїда, тоді як його плазмолема залишається на поверхні овоцита. Після проникнен­ня сперматозоїда у вторинний овоцит починається кортикальна реакція. При цьому з кортикального шару цитоплазми овоцита вихо­дять біополімери, які взаємодіють з глікокаліксом первинної оболонки овоцита і утворюють непроникну для інших сперматозоїдів оболонку запліднення. Отже, кортикальна реакція забезпечує моноспермність запліднення - проникнення в овоцит лише одного сперматозоїда. Моноспермія властива ссавцям.

У заплідненому вторинному овоциті завершується другий поділ мейозу (у поділі бере участь тільки ядро), в результаті чого утворю­ються зріла яйцеклітина і одне полярне тільце. Ядро сперматозоїда перетворюється на пронуклеус самця, а яйцеклітини - на пронуклеус самиці. Вони зближуються, зливаються (синкаріон) і утворюють ядро зиготи, в якому міститься диплоїдне число хромосом. Хромосоми при злитті пронуклеусів формують метафазну екваторіальну пластинку. Центріоль, що вноситься в яйцеклітину сперматозоїдом, подвоюється. Центріолі розходяться до полюсів зиготи і починає формуватись мітотичний апарат поділу. Таким чином, зигота вступає в наступний етап ембріонального розвитку - дроблення (дробіння).

Запліднення має велике біологічне значення. Завдяки цьому процесу здійснюється передавання спадкового матеріалу від батьків новому організму. В результаті виникає багато нових комбінацій спадкового матеріалу, утворюється різноманітний генофонд, який є матеріалом для добору в господарській діяльності людини.

Дроблення - це черговий етап ембріогенезу, який закінчується утворенням багатоклітинного зародка - бластули.

Після утворення зигота ділиться шляхом мітозу на дві клітини - бластомери, які не розходяться і продовжують ділитися разом. Поділи новостворених клітин відбуваються швидко, один за одним, внаслідок чого вони не досягають розмірів материнських. Такий про­цес поділу називають дробленням. Ядра дочірніх клітин не відрізняються від материнських, оскільки кожному поділу передує подвоєння ДНК. Співвідношення між ядрами й цитоплазмою бластомерів змінюється після кожного поділу, і коли воно набуває ха­рактерного для соматичних клітин певного виду тварин значення, дроблення закінчується.

У процесі дроблення спочатку утворюється група клітин, які щільно прилягають одна до одної. Далі вони зміщуються на периферію і формують пухирець з порожниною - бластулу.

Бластула має кулясту форму і складається зі стінки (бластодер­ми) й порожнини (бластоцелі). Стінка утворена бластомерами. Вони щільно прилягають один до одного і розміщуються в один або кілька шарів. Бластодерма обмежує бластоцель - первинну порожнину тіла, заповнену рідиною. На бластулі розрізняють дах, дно і крайову зону (рис. 16).

Залежно від кількості жовтка, який міститься в зиготі, швидкість і характер дроблення неоднакові. У зв'язку з цим розрізняють два ви­ди дроблення: повне (голобластичне) і часткове (меробластичне). Почне дроблення поділяють на рівномірне і нерівномірне. Повне рівномірне дроблення характерне для зигот з малим вмістом жовтка, який рівномірно розміщений у цитоплазмі (ланцетник). Під час цього дроблення в поділі бере участь уся зигота і бластомери мають майже однакові розміри. Для зигот із середнім вмістом жовтка, який сконцентрований у ділянці вегетативного полюса (окремі види риб, амфібії), характерне повне нерівномірне дроблення. У процесі цього дроблення в поділі бере участь уся зигота. Однак швидкість поділу ве­гетативного полюса, який переобтяжений жовтком, менша від швидкості поділу анімального полюса, внаслідок чого бластомери мають неоднакові розміри. У ділянці дна бластули вони великі (мак- ромери), а в ділянці даху - малі (мікромери).

Часткове, або дискоїдальне дроблення характерне для зигот з великим вмістом жовтка (риби, плазуни, птахи). Дроблення в таких яйцеклітинах відбувається лише в ділянці анімального полюса. Части­на зиготи, заповнена жовтком, у дробленні участі не бере.

Зиготи свійських ссавців містять малу кількість жовтка. Дроб­лення їх починається як повне рівномірне, далі воно відбувається як повне нерівномірне і асинхронне. Такий вид дроблення окремі автори иизначають як неправильне або архаїчне (Токін Б.П., 1966).

Залежно від виду дроблення утворені бластули мають особливості будови та специфічні назви (рис. 16). У разі повного рівномірного дроблення утворюється одношарова, з великою порож­ниною бластула, яку називають целобластулою (ланцетник). У результаті повного нерівномірного дроблення (амфібії) формується багатошарова бластула - амфібластула (різновид целобластули). Її порожнина зміщена до даху. В разі часткового дроблення утворюється дискобластула (птахи). Її дах і крайова зона утворені бластомерами, а дно - жовтком. Порожнина дискобластули щілиноподібна.

Бластулу ссавців називають бластоцистою. Її стінка утворена одним шаром клітин (трофобласт). На внутрішній поверхні стінки розміщена група клітин (ембріобласт). Між трофобластом та ембріобластом знаходиться невелика порожнина.

На кожній бластулі за допомогою спеціальних методів виявля­ють ділянки, з яких у подальшому розвиваються зародкові листки і органи, на які вони диференціюються. Ці ділянки формують карту презумптивних органів (від лат. ргаезитрііо - припущення). Знання цієї карти допомагає зрозуміти наступний етап ембріогенезу.

Так, у ділянці даху целобластули й амфібластули міститься клі­тинний матеріал презумптивної ектодерми, у ділянці крайової зони - презумптивних хорди й мезодерми, а в ділянці дна - презумптивної ентодерми. В дискобластулі клітинний матеріал презумптивної екто­дерми розміщений у передній і центральній ділянках, далі послідовно розміщений клітинний матеріал презумптивних хорди, мезодерми та ентодерми.

Гаструляція - це процес росту й поділу клітин бластули, їх переміщення, перегрупування та диференціації. У результаті гаструляції утворюється зародок, який спочатку складається із зовнішнього (ектодерми) і внутрішнього (ентодерми) зародкових листків, а пізніше і середнього (мезодерми). В ході гаструляції виділяються також зачатки осьових органів: нервової трубки, кишкової трубки та хорди (спинної струни).

Залежно від виду бластули розрізняють чотири типи гаструляції: інвагінація, епіболія, імміграція та деламінація (рис. 17).

У хребетних тварин гаструляція, як правило, відбувається за кі­лькома типами, що можуть іти один за одним або паралельно. Один із них називають основним, інші - додатковими.

Інвагінація (впинання). Так гаструла утворюється з целобласту­ли. Бластодерма ділянки дна целобластули впинається в бластоцель і прилягає до бластодерми даху та крайової зони. При цьому порожни­на целобластули зникає і утворюється зародок, який складається із зовнішнього зародкового листка - ектодерми і внутрішнього - енто­дерми. Внутрішній зародковий листок обмежує порожнину первинної кишки - гастроцель, яка сполучається з навколишнім середовищем отвором - бластопором (первинний рот). Бластопор обмежений дор­сальною, вентральною та латеральними губами.

Епіболія (обростання). Це основний тип гаструляції пмфібластули. При цьому малі бластомери даху та крайової зони ак­тивно розмножуються і обростають великі бластомери дна бластули, внаслідок чого формуються зовнішній та внутрішній зародкові лист­ки.

Імміграція (вселення). За цього типу гаструляції окремі бласто­мери стінки бластули іммігрують у її порожнину, розміщуються по­близу бластодерми і утворюють внутрішній зародковий листок. Бла­стомери, що не іммігрували зі стінки, формують зовнішній зародко­вий листок. Такий тип гаструляції є основним у кишковопорожнин­них, додатковим - у птахів і ссавців.

Деламінація (розшарування). Цей тип гаструляції є один із ос­новних у птахів і ссавців. При цьому клітини стінки бластули активно діляться і розміщуються у два шари (зародкові листки) - ектодерму та ентодерму.

Середній зародковий листок - мезодерма - розміщений між ек­тодермою та ендодермою. Джерела її розвитку в різних видів тварин неоднакові. У вторинноротих тварин вона розвивається з ентодерми і частково з ектодерми.

Нервова трубка розвивається з ектодерми, кишкова - з ентодер­ми. Джерела розвитку хорди в окремих видів тварин різні.