Слияние генетического материала

У морских ежей головка спермия проникает в яйцо перпендикулярно его поверхности. После слияния плазматических мембран спермия и яйца сперматическое ядро и центриоль отделяются от митохондрий и жгутика. Митохондрии и жгутик спермия разрушаются в цитоплазме яйца, и поэтому в дальнейшем их не удается обнаружить у развивающихся и взрослых организмов (Dawid, Blackler. 1972: Giles et al., 1980). Таким образом, митохондрии передаются зародышу только матерью.

Ядро яйца после завершения второго деления созревания и приобретения им пузыревидной формы называют женским пронуклеусом. Сперматическое ядро в цитоплазме яйца деконденсируется и преобразуется в мужской пронуклеус. Ядерная оболочка сперматического ядра распадается на мелкие пузырьки, что делает возможным воздействие цитоплазмы яйца на компактный хроматин спермия. Белки, благодаря которым хроматин спермия сохраняет конденсированное неактивное состояние, заменяются на белки сходного типа яйцевого происхождения. Эта замена приводит к деконденсации хроматина спермия (Green. Poccia. 1985). Хроматиновая масса удерживает остатки исходной оболочки сперматического ядра на своей поверхности. Вскоре по периферии этой массы выстраиваются новые мембранные пузырьки, которые соединяются с участками прежней оболочки и образуют новую оболочку мужского пронуклеуса.

После проникновения спермия в цитоплазму яйца мужской пронуклеус совершает поворот на 180, так что центриоль спермия оказывается расположенной между мужским и женским пронуклеусами. Микротрубочки, отходящие от центриоли спермия, удлиняются и приходят в контакт с женским пронуклеусом, после чего оба пронуклеуса перемещаются навстречу друг другу (Hamaguchi, Hiramoto. 1980: Bestor, Schatten. 1981). У морского ежа в результате слияния пронуклеусов возникает диплоидное ядро зиготы (рис. 2.28). Синтез ДНК инициируется либо на стадии пронуклеусов (в период их миграции), либо после образования ядра зиготы.

У млекопитающих процесс сближения пронуклеусов (рис. 2.29; 2.30) продолжается около 12 ч в отличие от морского ежа, у которого он длится 1 ч. Головка спермия у млекопитающих проникает не перпендикулярно поверхности яйца, а почти по касательной к ней, сливаясь при этом с многочисленными микроворсинками. При деконденсации хроматина сперматического ядра его оболочка также разрушается и затем воссоз-

Рис. 2.28. Преобразования в ядре при оплодотворении у морского ежа. А. Миграция женского и мужского пронуклеусов в яйце Clypeaster japonicus. Мужской пронуклеус окружен микротрубочками спермальной звезды. Стрелки в нижней части рисунка указывают, в какое время производилось фотографирование. Б. Слияние пронуклеусов в яйце морского ежа. (А - из Hamaguchi. Hiramoto. 1980; фотография с любезного разрешения авторов, В - фотография с любезного разрешения F. J. Longo.)

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

60 ГЛАВА 2

Рис. 2.29. Схема процесса оплодотворения у хомячка. А. Спермий прикрепляется к прозрачной оболочке. Б. Лизируя материал прозрачной оболочки, спермий прокладывает себе дорогу в перивителлиновое пространство между оболочкой и яйцом. После прикрепления спермия к яйцу (В) его головка ложится вдоль плазматической мембраны (Г). Прочное прикрепление спермия к яйцу и взмахи его хвоста вызывают вращение яйца (Д), причем спермий целиком проникает в перивителлиновое пространство (Е). Плазматические мембраны спермия и яйца сливаются (Ж), и головка спермия деконденсируется (7). После того как оба пронуклеуса набухнут и встретятся в центре яйца (И. К). их мембраны дезинтегрируются и начинается первое деление дробления (Л, М) (По Yanagimachi. I98I.)

дастся заново путем слияния мембранных пузырьков. Деконденсацию хроматина можно вызвать искусственно путем обработки ядер спермиев кролика веществами, разрушающими дисулъфидные мостики, поэтому не исключено, что ооцит содержит некое вещество, которое также разрушает эти связи (Calvin, Bedford, 1971; Kvist et al., 1980).

Пока ядро ооцита млекопитающих завершает второе мейотическое деление, мужской пронуклеус увеличивается в размерах. Затем оба пронуклеуса перемещаются навстречу друг другу, реплицируя ДНК в процессе миграции. Когда пронуклеусы приходят в контакт, их ядерные оболочки разрушаются. Происходит конденсация хроматина с образованием видимых хромосом, которые, как у большинства животных, располагаются на общем митотическом веретене первого деления дробления. Таким образом, у млекопитающих истинно диплоидное ядро впервые появляется не у зиготы, а у двухклеточного зародыша.

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

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ: ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОГО ОРГАНИЗМА 61

Рис. 2.30. Оплодотворение у хомячка. А. Спермий в яйценосном бугорке (видны выросты фолликулярных клеток). Б.Прикрепление головки спермия к прозрачной оболочке. В. Проникновение спермия в яйцо и набухание мужского пронуклеуса. В яйце можно видеть хвост спермия. Г. Установление контакта между мужским и женским пронуклеусами. Д. Двухклеточная стадия: видны две клетки одинакового размера с четко очерченными ядрами. В перивителлиновом пространстве находятся разрушающиеся полярные тельца. (A - из Yudin el al.. 1988; Б из Cherr et al.. 1986; В — Д — из Bavister, 1980; фотографии с любезного разрешения D. Katz, G. Cherr и B.D. Bavister.)

Дополнительные сведения и гипотезы:
Неравнозначность пронуклеусов у млекопитающих

Мужской и женский пронуклеусы у млекопитающих можно считать генетически эквивалентными, однако результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что между этими пронуклеусами имеются функциональные различия. У женщин иногда развивается опухоль матки, называемая хорионаденомой. В этом образовании плод отсутствует, но имеется гипертрофированная ткань плаценты. Показано, что большинство таких опухолей возникает при оплодотворении гаплоидным спермием безъядерной яйцеклетки. После проникновения спермия в цитоплазму число его хромосом удваивается, благодаря чему восстанавливается диплоидность. Таким образом, в этом случае весь геном оплодотворенного яйца берет начало от спермия (Jacobs et al., 1980; Ohama et al., 1981). Здесь мы встречаемся с ситуацией, при которой клетки выживают, делятся и имеют нормальное число хромосом, но развитие идет аномально.

О неравнозначности пронуклеусов у млекопитающих свидетельствуют также попытки инициировать

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

62________________ ГЛАВА 2_______________________________________________________________________________

развитие яиц без оплодотворения спермием. Способность яйца развиваться без оплодотворения называется партеногенезом (от греч. parthé nos— девственница и genesis возникновение). Яйца многих беспозвоночных и некоторых позвоночных животных способны к нормальному развитию, если их активировать искусственно. В этих случаях участие спермия в развитии представляется необязательным. Однако у млекопитающих партеногенеза не наблюдается. Если при мейозе у мыши подавить отделение полярного тельца, то возникнут диплоидные яйца, в которых весь наследственный материал берет начало от матери. Такие клетки делятся и образуют зародышей с хордой, мышцами, скелетом и разными органами, включая бьющееся сердце. Но развитие продолжается недолго, и на 10—11 сут (середина беременности у мыши) между нормальными и партеногенетическими зародышами обнаруживаются глубокие различия (рис. 2.31). Партеногенетические зародыши утрачивают правильную организацию и дегенерируют (Surani et al., 1986). Следовательно, развитие мыши не может осуществляться под контролем только хромосом яйца.

Рис. 2.31. Зародыши мыши на 11-й день беременности: А - контрольный. Б партеногенетический (с двумя женскими пронуклеусами). Зародыши развивались в одной и той же самке. Помимо того, что партеногенетические зародыши имеют меньшие размеры и у них выявляются признаки дегенерации, размеры их плацент также значительно меньше. (Из Surani. Barton. 1983; фотографии с любезного разрешения авторов.)

Гипотеза о разных свойствах мужского и женского пронуклеусов находит поддержку также в опытах пересадки пронуклеусов (Surani, Barton, 1983; McGrath, SoIter, 1984). Мужской или женский пронуклеусы могут быть извлечены из яйца мыши вскоре после оплодотворения и пересажены в другие только что оплодотворенные яйца. (Эти пронуклеусы можно отличить один от другого, поскольку женский пронуклеус всегда расположен под полярными тельцами.) Таким образом можно получить зиготы с двумя мужскими или двумя женскими пронуклеусами. Эти зиготы дробятся, но развитие зародышей и первого, и второго типа не идет до конца, тогда как некоторые контрольные яйца после операции пересадки пронуклеуса (содержащие один мужской и один женский пронуклеусы из разных зигот) развиваются нормально (табл. 2.1). Более того, развитие мышиных зародышей с двумя женскими или двумя мужскими пронуклеусами прекращается в то же время, что и развитие партеногенетических мышиных зародышей Таким образом, хотя у многих животных оба пронуклеуса эквивалентны, у млекопитающих между ними имеются важные функциональные различия. Эти различия могут быть обусловлены разными модификациями, претерпеваемыми ДНК в ядрах спермия и яйца (гл. 12). Для завершения развития зародыша млекопитающего необходимы оба пронуклеуса, материнский и отцовский.

Таблица 2.1. Опыты по пересадке пронуклеусов1

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

________________ ОПЛОДОТВОРЕНИЕ: ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОГО ОРГАНИЗМА_____________________________ 63