Генетический контроль мейоза

В рамках проекта «Геном человека» было установлено наличие свыше 15 генов, мутации которых предрасполагают к нерасхождению хромосом в мейозе. Мутации в этих генах препятствуют созреванию гамет, блокируя клетки на тех или иных стадиях профазы I мейоза. Большинство генов относятся к семейству циклинов, осуществляющих контроль клеточного цикла в митозе и мейозе. Продукты этих генов входят в состав митотического веретена, контролируют синтез нуклеиновых кислот, ферменты системы репарации ДНК, белки рекомбинации мейотических хромосом, а также системы детоксикации ксенобиотиков. Кроме того стало известно о наличии генов, контролирующих стабильность хромосом. Мутации которых, вызывают болезни, связанные с хромосомной нестабильностью. Это синдром Робертса (преждевременное расхождение центромер), анемия Фанкони (повышенная частота сестринских хроматидных обменов), синдром Луи-Бар (повышенный уровень спонтанных хромосомных аберраций и транслокацией с вовлечением хромосом 7 и 14).

К нерасхождению хромосом в мейозе может привести мутация и в митохондриальной ДНК. Такой тип мутаций передается по материнской линии. Считается, что мутации митохондриальной ДНК накапливаются с возрастом матери, что собственно и объясняет увеличение частоты анеуплоидии в потомстве женщин старшего репродуктивного возраста.

ГАМЕТОГЕНЕЗ.

Процесс образования половых клеток называется гаметогенез. Формирование яйцеклеток – овогенез происходит в женских половых железах – яичниках, сперматозоидов – в семенниках. В гаметогенезе различаются четыре стадии: размножения, роста, созревания и формирования (отсутствует при овогенезе). Все половые клетки млекопитающих и человека берут начало от первичных половых клеток (ППК)-гоноцитов. Происхождение ППК до настоящего времени окончательно не выяснено. Не вызывают,однако, сомнения, что эти клетки возникают значительно раньше, чем появляются зачатки гонад, то есть они имеют экстрагонадное происхождение. Попав в зачатки гонад, гоноциты впервые обнаруживают признаки полового диморфизма. При формировании мужских гонад (семенников) они окружаются клетками целомического эпителия, образуя так называемые «половые тяжи», в составе которых пребывают в латентном, недифференцированном состоянии (сперматогонии) вплоть до начала полового созревания. При формировании женских гонад(яичников) гоноциты задерживаются в наружном, корковом слое мезенхимной ткани половых валиков, активно пролиферируют,вступают в мейоз, после чего каждый из них окружается фолликулярными клетками и,в виде ооцитов 1-го порядка, сохраняется до полового созревания.

СПЕРМАТОГЕНЕЗ.

Образование мужских половых клеток – сперматозоидов, происходит в половых железах – гонадах, представленных парным органом – яичками, выполняющими две важные функции:

- генеративную (образование мужских половых клеток);

-эндокринную (синтез мужских половых гормонов). Эти функции взаимосвязаны, хотя и обеспечиваются различными структурными компонентами органа.

Яичко (семенник) покрыто снаружи слоем соединительной ткани. Внутри семенника располагаются дольки, которые содержат семенные канальцы. Каждое яичко содержит примерно 900 извитых семенных канальцев. Внутренняя сторона канальцев покрыта клетками Сертоли, которые размещены вперемешку с первичными половыми клетками. По существу клетки Сертоли обеспечивают питание сперматогенных клеток. Семенные (сперматогенные) клетки расположены несколькими рядами. Дальше всего от просвета канальца расположены сперматогонии, затем идут сперматоциты 1 порядка, затем сперматоциты 2 порядка, сперматиды и сперматозоиды. Такое расположение соответствует фазам сперматогенеза: размножения, роста, созревания, формирования.

До полового созревания в наружном слое семенных канальцев содержатся только клетки -сперматогонии. Развитие и дифференциация клеток от сперматогонии до сперматозоида составляет непрерывный процесс, начинающийся после наступления половой зрелости и продолжающийся в течение всего полового периода мужчины. Общая продолжительность сперматогенеза у человека составляет 72 дня. За это время стволовые клетки сперматогенного ряда (сперматогонии), находящиеся в глубине извитых семенных канальцев, проходят длительный путь дифференцировки до зрелых, практически лишенных цитоплазмы, сперматозоидов, содержащих гаплоидный набор хромосом. В процессе сперматогенеза различают две фазы - тестикулярную и эпидидемальную. Во время первой происходят основные этапы дифференцировки сперматогоний в сперматозоиды; во время второй- завершается созревание спермиев. В результате накопления мукополисахаридов, холестерина, и других защитных белков, меняются свойства наружных мембран, спермии приобретают подвижность.

Сперматогенез (тестикулярная фаза) включает два последовательных этапа: собственно сперматогенез и спермиогенез. Тестикулярная фаза контролируется гормонами гипофиза (фолликулостимулирующим и лютеотропным) и собственными гормонами семенников – тестикулярными андрогенами (тестостероном, андростендионом и другими), которые продуцируются клетками Лейдинга, находящимися в строме извитых семенных канальцев.

На первом этапе сперматогенеза происходит деление сперматогенных клеток- сперматогоний. Это мелкие, округлые, диплоидные клетки, располагающиеся на мембране семенных извитых канальцев. Выделяют два типа сперматогоний А и В. Сперматогонии А представлены двумя популяциями клеток, неделящихся (стволовых) и делящихся митозом. При чем из одних клеток А будут образовываться новые популяции клеток типа А, из других формируются сперматогонии типа В. Последние способны превращаться в сперматоциты 1 порядка. Это происходит с наступлением половой зрелости. Под контролем гормонов гипофиза происходят изменения в семенниках. Он увеличивается в размерах, начинает усиленно вырабатывать андрогены, под действием которых и происходит перемещение сперматогониев типа В ближе к просвету семенного канальца в зону роста.

На 3-м этапе вступающие в мейоз клетки (сперматоциты 1-го порядка) претерпевают два последовательных мейотических деления. При этом из одного сперматоцита 1-го порядка возникают 4 клетки (сперматиды) с гаплоидным числом хромосом.

Во время спермиогенеза гаплоидные клетки - сперматиды – проходят ряд последовательных стадий дифференцировки (фаза Гольджи, фаза колпачка, акросомная фаза, фаза созревания). Они утрачивают цитоплазму, формируют специальные органоиды (хвост, шейку, акросому). Акросома возникает непосредственно из мембран аппарата Гольджи, покрывает в виде колпачка переднюю часть головки спермия (примерно до её середины) и содержит набор литических лизосомных ферментов, важных для оплодотворения.

Особенно существенные изменения происходят непосредственно в ядре клеток. ДНК в составе хромосом утрачивает типичную для соматических клеток нуклеосомную организацию. Гистоновые белки, характерные для функционально активной ДНК, заменяются на кислые белки, богатые аргинином и протаминами. Спирализация ДНК достигает максимальной величины. Ежедневно у человека активного репродуктивного возраста продуцируется свыше 250 млн сперматозоидов.