Спермий

Роль, выполняемая спермием в процессе оплодотворения, была выяснена только в прошлом столетии. Антони ван Левенгук. голландский микроскопист, который был одним из двух ученых, открывших в 1678 г. существование спермиев, первоначально считал их паразитическими животными, живущими, в сперме (отсюда название сперматозоиды, т.е. «животные спермы»). Поначалу он решил, что спермии не имеют никакого отношения к размножению животных, у которых они были обнаружены, но позднее пришел к мысли, что каждый спермий содержит преформированное животное. Левенгук писал (1685), что спермии — это семена (как sperma, так

¹ Уолт Уитмен «Листья травы». Гос. изд-во худож. литературы. 1955. с. 49.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

36________________ ГЛАВА 2________________________________________________________________________

•

Рис. 2.1. Ребенок, преформированный в спермии, по рисунку Николаса Хартсекера (1694).

и semen означают «семя, зерно») и что самка только предоставляет питательную почву для посева семян. В этом отношении он возвращается к идее порождения, провозглашенной Аристотелем за две тысячи лет до этого. Несмотря на все старания, Левенгуку, к его разочарованию, никак не удавалось обнаружить в сперматозоидах преформированное семя. Николас Хартсекер, открывший спермии одновременно с Левенгуком. нарисовал то, что надеялся найти в спермии: преформированного человечка «гомункулуса» (рис. 2.1). Представление, согласно которому в спермии содержится целый зародыш, никогда не имело много приверженцев, так как оно подразумевает огромное и бессмысленное растрачивание потенциальной жизни.

В серии опытов, осуществленных в конце 1700-х годов, Ладзаро Спалланцани показал, что профильтрованная сперма жабы, из которой удалены спермии, не оплодотворяет яиц. Однако он сделал заключение, что действующим началом в оплодотворении является вязкая жидкость, задерживаемая фильтровальной бумагой, а не спермии. Спалланцани тоже полагал, что спермии, содержащиеся в сперме, не что иное, как паразитические животные. И все же проделанный им опыт был первым свидетельством важной роли спермиев при оплодотворении.

Улучшение качества линз для микроскопирования и развитие клеточной теории привели к новому пониманию функции спермиев. В 1824 г. Ж. Л. Прево и Ж. Б. Дюма заявили, что спермии — не паразиты, а активные участники оплодотворения. Этими исследователями было установлено неизменное присутствие спермиев у половозрелых самцов и их отсутствие у не достигших зрелости и старых особей. Эти наблюдения в сочетании с известным фактом отсутствия спермиев у стерильных мулов привели к заключению, что «существует тесная зависимость между их присутствием в половых органах и плодовитостью животного». Прево и Дюма утверждали, что на самом деле спермий проникает в яйцо и вносит материальный вклад в формирование следующего поколения.

Эти утверждения, как правило, не находили признания, пока в 1840-х годах А. фон Кёлликер не описал образование спермиев из клеток семенника. Он пришел к выводу, что спермии являются сильно измененными клетками, которые образуются в семенниках взрослых самцов. Кёлликер высмеял идею, что наличие спермы может быть нормальным явлением, если она нужна только для того, чтобы поддерживать существование огромного числа паразитов. Несмотря на все это, он считал, что между спермием и яйцом отсутствует какой-либо физический контакт. Он полагал, что спермий побуждает яйцо к развитию подобно тому, как магнит воздействует на железо. И только в 1876 г. Оскар Гертвиг наглядно продемонстрировал проникновение спермия в яйцо и соединение их ядер. Гертвиг разыскивал организм, пригодный для тщательных микроскопических наблюдений, и нашел, что средиземноморский морской еж Toxopneustes lividus прекрасно отвечает его требованиям. Т. lividus был не только обычен в данном районе, и особи этого вида со зрелыми половыми продуктами встречались на протяжении большей части года, но его яйца были доступны в большом числе и были достаточно прозрачны для наблюдений даже при больших увеличениях. После смешивания суспензий спермиев и яиц Гертвиг многократно наблюдал проникновение спермия в яйцо и слияние двух ядер. Он заметил также, что в каждое яйцо проникает только один спермий и что все ядра зародыша являются потомками ядра, возникшего в результате слияния ядер спермия и яйца при оплодотворении. Наблюдения Гертвига были вскоре дополнены Германом Фолем. который проследил в деталях механизм проникновения спермия. Наконец, было признано, что оплодотворение представляет собой слияние спермия и яйца, и соединение гамет

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

_____________ ОПЛОДОТВОРЕНИЕ: ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОГО ОРГАНИЗМА 37

Рис. 2.2. Процесс формирования спермия из первичной половой клетки. Центриоль дает начало длинному жгутику в той области, которая станет задним концом спермия. а аппарат Гольджи образует акросомный пузырек на будущем его переднем конце. Митохондрии (мелкие кружочки) собираются около жгутика у основания гаплоидного ядра и входят в состав средней части спермия. Остальная цитоплазма сбрасывается, и ядро конденсируется. Размер зрелого спермия увеличен по отношению к остальным рисункам. (По Clermont, Leblond. 1955.)

у морского ежа до сих пор остается наиболее изученным примером оплодотворения.

Известно, что каждый спермий содержит гаплоидное ядро, двигательную систему, обеспечивающую перемещение ядра, и мешок, заполненный ферментами, необходимыми для проникновения ядра в яйцо. Большая часть цитоплазмы спермия элиминируется при его созревании, и сохраняются только некоторые органеллы, видоизмененные для выполнения спермием своей функции (рис. 2.2). В период созревания спермия его гаплоидное ядро приобретает обтекаемую форму, а ДНК сильно уплотняется. Впереди от такого конденсированного гаплоидного ядра лежит акросомный пузырек, произошедший от аппарата Гольджи и содержащий ферменты, которые переваривают белки и полисахариды. Таким образом, его можно рассматривать как измененную лизосому. Запас ферментов в акросомном пузырьке служит для проникновения спермия через наружные покровы яйца. V многих видов, например у морских ежей, между ядром и акросомным пузырьком имеется область, содержащая глобулярный актин. На ранних стадиях оплодотворения этот актин используется для образования пальцеобразного выроста. У таких видов молекулы на поверхности акросомного выроста участвуют в узнавании спермием и яйцом друг друга. Акросома и ядро вместе образуют головку спермия.

Способ передвижения спермиев различается в зависимости от того, каким образом вид адаптирован

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

38________________ ГЛАВА 2___________________________

Рис. 2.3. Двигательный аппарат спермия. А. Поперечный срез жгутика спермия млекопитающего: видны центрально расположенная аксонема и наружные волокна. Б.Пояснительная схема строения аксонемы: изображен комплекс микротрубочек типа «9 + 2» и другие компоненты жгутика. В. Схематически изображено взаимное расположение микрофиламентов тубулина в дублете микротрубочек. Одна часть дублета (а) является нормальной микротрубочкой, содержащей 13 микрофиламентов. Другая часть (б) содержит только 11 (иногда 10) микрофиламентов. Г. Трехмерная модель микротрубочки а: альфа- и ß -субъединицы тубулина сходны, но не идентичны. Размеры микротрубочки могут изменяться в результате полимеризации или деполимеризации субъединиц тубулина на любом ее конце. (А - с любезною разрешения D.M. Phillips; К — по De Robertis et al., 1975; В - по Tilney et. al., 1973; Г — по Amos, Klug, 1974; фотографии с любезного разрешения авторов.)

к условиям окружающей среды. У некоторых видов (как, например, у паразитического круглого червя аскариды) спермий перемещается при помощи амебоидного движения ламеллиподий – локальных выростов клеточной мембраны. У большинства видов, однако, спермии способны передвигаться на большие расстояния благодаря биению своих жгутиков Жгутики имеют сложное строение. Главная двигательная структура жгутика называется аксонемой Аксонему образуют микротрубочки, отходящие от центриоли, которая находится в основании ядра спермия (рис. 2.2; 2.3, Б). Стержень аксонемы состоит из двух центральных одиночных микротрубочек, окруженных кольцом из девяти двойных микротрубочек (дублетов). В действительности только одна микротрубочка каждого дублета имеет законченное строение и содержит 13 протофиламентов. тогда как вторая имеет С-образное строение и содержит только 11 протофиламентов (рис. 2.3, А— В). Трехмерная модель микротрубочки законченного строения представлена на рис. 2.3, Г. На этом рисунке можно видеть 13 связанных между собой протофиламентов, образованных только димерным белком тубулином.

С микротрубочками связан другой белок динеин (рис. 2.3. Б). Этот белок может гидролизовать молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) и преобразовывать выделяющуюся при этом химическую энергию в механическую, за счет которой осуществляется движение спермия (Ogawa et. al., 1977). Важная роль белка динеина очевидна на примере мужчин с генетическим синдромом, называемым триадой

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОГО ОРГАНИЗМА_____________________________ 39

Картедженера. У таких мужчин динеин отсутствует во всех клетках, обладающих ресничками и жгутиками: соответственно, эти органеллы неподвижны. Мужчины, страдающие таким заболеванием, стерильны (так как спермии неподвижны), подвержены респираторным инфекциям (из-за неподвижности ресничек дыхательных путей), и у них в 50% случаев сердце располагается справа (Afzelius, 1976).

Набор микротрубочек типа «9 + 2» с динеиновыми выступами сохранился во всем царстве эукариот. что свидетельствует об исключительной эффективности такой организации для передачи энергии, обеспечивающей движение. Энергия для биения жгутика, благодаря которому осуществляется продвижение спермия, исходит от кольца митохондрий, расположенных в области шейки спермия (рис 2.2).

У многих видов (преимущественно у млекопитающих) между митохондриями и аксонемой располагается слой плотных волокон. Этот слой придает хвостовому отделу спермия большую жесткость. Поскольку толщина этого слоя уменьшается по направлению к кончику хвоста, можно думать, что волокна служат для предотвращения слишком резких изгибов головки. Таким образом, для того чтобы перенести материал своего ядра в яйцеклетку, спермий претерпел далеко идущие преобразования.

Яйцо

Все материалы, необходимые для начальных стадий роста и развития зародыша, должны быть запасены в зрелом яйце. Поэтому, если спермий избавляется от большей части своей цитоплазмы, то развивающееся яйцо не только сохраняет содержащиеся в нем запасные материалы, но и активно увеличивает их количество. Оно либо само синтезирует, либо поглощает белки желтка, который служит источником питания развивающегося зародыша. Так. яйцо птиц представляет собой огромную одиночную клетку, достигшую таких размеров благодаря накоплению желтка. Даже яйца с относительно небольшим содержанием желтка имеют значительные размеры. Объем яйца морского ежа составляет около 2· 10⁵ мкм³ и превосходит объем спермия более чем в 10000 раз. На схематическом рисунке 2.4 показано соотношение их размеров. На этом рисунке изображены также различные структурные элементы зрелого яйца. Если в яйце и спермии содержатся количественно равные гаплоидные ядерные компоненты, то по содержанию цитоплазматических компонентов различия между ними очень велики. Так, цитоплазма яйца представляет собой огромную кладовую запасов, накопленных в период вителлогенеза. Эти запасы включают белки, рибосомы и транспортную

Рис. 2.4. Строение яйца морского ежа в момент оплодотворения. (По Epcl. 1977.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

40________________ ГЛАВА 2______________________________________________________________________________

РНК (тРНК), матричную РНК и морфогенетические факторы.

1. Белки. Пройдет еще много времени, прежде чем зародыш окажется способным самостоятельно питаться или получать пишу от матери. Клетки зародыша на ранних стадиях нуждаются в запасенных заранее источниках энергии и аминокислот. У многих видов такими источниками являются накопленные яйцом белки желтка. Многие из желточных белков синтезируются в других органах (печени, жировом теле) и транспортируются к яйцу.

2. Рибосомы и тРНК. Как мы увидим ниже, вскоре после оплодотворения в яйце резко увеличивается синтез белка. Этот синтез осуществляется при участии рибосом и тРНК, которые уже имеются в яйце. Развивающееся яйцо (ооцит) обладает специальным механизмом синтеза рибосом, и в ооцитах некоторых амфибий в течение профазы мейоза образуется до 10¹² рибосом.

3. Матричная РНК. У большинства организмов информация для осуществления белкового синтеза, происходящего в раннем развитии, заключена уже в ооците. Полагают, что яйца морского ежа содержат 25—50 тыс. различных типов мРНК. Однако эти мРНК до оплодотворения остаются в неактивном состоянии.

4. Морфогенетические факторы. Эти молекулы, направляющие дифференцировку клеток для образования различных тканей и органов, по-видимому, рассеяны по всему яйцу и распределяются между разными клетками при дроблении (гл. 7 и 8).

Внутри этого огромного объема цитоплазмы яйца располагается большое ядро. У некоторых видов животных (например, у морского ежа) ядро к моменту оплодотворения уже гаплоидное. У других видов (в том числе у многих червей и некоторых млекопитающих) ядро яйца в это время еще диплоидное, и спермий проникает в цитоплазму до завершения мейотических делений. Стадии, на которых находится ядро яйца ко времени проникновения спермия, представлены на рис. 2.5.

Цитоплазма яйца окружена плазматической мембраной. Во время оплодотворения она регулирует поступление в яйцо некоторых ионов (главным образом Na⁺) и способна сливаться с плазматической мембраной спермия. К плазматической мембране снаружи примыкает желточная оболочка (рис. 2.6). Образованная гликопротеинами, эта оболочка играет важную роль в обеспечении видовой специфичности прикрепления спермия. У млекопитающих желточная оболочка очень толстая и носит название прозрачной оболочки (zona pellucida). Яйцо млекопитающих окружено также слоем клеток лучистого венца (corona radiata; рис. 2.7). Это фолликулярные клетки, которые доставляли пищу яйцу вплоть до его овуляции. Чтобы оплодотворить яйцо, спермий должен преодолеть также и этот слой ¹.

Слой цитоплазмы, располагающийся непосредственно под плазматической мембраной яйца морского ежа, называется кортикальным слоем или кортексом. Цитоплазма этого слоя имеет более упорядоченное строение, чем цитоплазма более глубоких слоев, и в ней содержатся высокие концентрации глобулярных молекул актина. При оплодотворении молекулы актина полимеризуются. образуя длинные тяжи, известные под названием микрофиламентов Микрофиламенты необходимы для осуществления клеточного деления: кроме того, они участвуют в образовании выростов, увеличивающих клеточную поверхность.— микроворсинок, которые способствуют проникновению спермия в клетку (рис. 2.6 и 2.18). Кортикальная цитоплазма гораздо более вязкая, чем расположенная глубже основная масса цитоплазмы, и она не смещается при центрифугировании. В кортексе заключены кортикальные гранулы (рис. 2.4; 2.6). Эти мембранные структуры гомологичны акросомному пузырьку спермия, поскольку они содержат протеолитические ферменты и формируются аппаратом Гольджи. Однако если каждый спермий имеет один акросомный пузырек, то каждое яйцо содержит приблизительно 15 000 кортикальных гранул. Кроме того, в кортикальных гранулах помимо пищеварительных ферментов содержатся мукополисахариды и белок гиалинового слоя. Ферменты и мукополисахариды участвуют в защите яйца от проникновения сверхчисленных спермиев после того, как первый спермий придет в контакт с ним; белок гиалинового слоя окружает зародыш на ранних стадиях развития и объединяет бластомеры в период дробления.

Яйца многих типов выделяют также студенистое вещество, располагающееся поверх желточной оболочки. Этот студенистый гликопротеиновый слой выполняет различные функции, но одна из главных его функций — это привлечение или активация спер-

¹ У некоторых видов млекопитающих во внеклеточных покровах яйца различают три разных образования: I) прозрачная оболочка (zona pcllucida); 2) яйценосный бугорок (cumulus oophorus) и 3) лучистый венец (corona radiata). В этих случаях лучистым венцом называют те фолликулярные клетки, которые примыкают непосредственно к прозрачной оболочке, а термин яйценосный бугорок применяют к более диффузно распределенным клеткам, расположенным на большем расстоянии от яйца. У многих млекопитающих (например, у хомячка, рис. 2.7. Б ) провести границу между яйценосным бугорком и лучистым венцом нелегко; у других (таких, как овца и корова) они, по-видимому, сбрасываются до оплодотворения (см. Talbot, 1985). Клетки лучистого венца и яйценосного бугорка погружены в матрикс, состоящий преимущественно из гиалуроновой кислоты.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

________________ ОПЛОДОТВОРЕНИЕ: ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОГО ОРГАНИЗМА_____________________________ 41

Рис. 2.5. Стадии созревания, на которых находятся яйца, когда в них проникает спермий, у разных животных. (По Austin. 1965.)

Рис. 2.6. Поверхность яйца морского ежа. А. Микрофотография яйца перед оплодотворением (получена с помощью сканирующего электронного микроскопа). В месте разрыва желточной оболочки обнажена плазматическая мембрана. Е. Микрофотография неоплодотворенного яйца (получена с помощью просвечивающего электронного микроскопа). Видны микроворсинки и плазматическая мембрана, вплотную к которой прилежит желточная оболочка. Непосредственно под плазматической мембраной яйца видна кортикальная гранула. (Из Schroeder, 1979; фотографии с любезного разрешения Т.Е. Schroeder.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

42________________ ГЛАВА 2_______________

Рис. 2.7. Яйцо млекопитающего непосредственно перед оплодотворением. Яйцо одето прозрачной оболочкой (zona pellucida). Последняя в свою очередь окружена клетками яйценосного бугорка (cumulus oophorus). В яйце человека (А) спермий (указан стрелкой) преодолел слой клеток яйценосного бугорка, но должен еще проникнуть через прозрачную оболочку, чтобы достигнуть поверхности цитоплазмы и осуществить оплодотворение. Б. Микрофотография яйца хомячка (получена с помощью просвечивающего электронного микроскопа). Яйцо фиксировано таким образом, чтобы сохранилась структура прозрачной оболочки и образованного гиалуроновой кислотой матрикса, окружающего яйцо. В этом матриксе виден вырост клетки яйценосного бугорка. (А — с любезного разрешения R. Yanagimachi; Б - из Yudin et al., 1988; с любезного разрешения G. Cherr.)

миев. Таким образом, яйцо представляет собой клетку, специализированную для восприятия спермия и инициации развития.

Узнавание спермия и яйца: воздействие на расстоянии

Многие морские организмы выметывают гаметы непосредственно в окружающую среду. Этой средой может быть маленькая лужа, образовавшаяся при отливе, а может быть и океан. В эту среду одновременно могут выметывать свои половые продукты представители других видов. Размножающиеся таким образом организмы сталкиваются с двумя проблемами: 1) осуществление встречи спермиев и яиц при столь низкой их концентрации и 2) создание механизмов, препятствующих оплодотворению яиц спермиями другого вида, например яиц морского ежа спермиями морской звезды. Для разрешения этих проблем в процессе эволюции выработалось два механизма: видоспецифическое привлечение спермиев и видоспецифическая их активация.