Основи загальної ембріології

Реакція активації сперматозоїда

Реакція активації сперматозоїда досліджена при заплідненні у поліхет і морських їжаків. Вона починається тоді, коли апікальна частина голівки сперматозоїда вступає в контакт з драглистою оболонкою яйця. При цьому відбувається злипання і розчинення плазмалеми голівки сперматозоїда і передньої частини мембрани акросоми з наступним злиттям кінців цих мембран. Внаслідок цього процесу акросома розкривається, її протеази потрапляють на драглисту оболонку і розчиняють її. В цьому місці оголюється плазмалема яйця. Потім задня частина акросоми утворює акросомні мікроворсинки у поліхет, або один довгий відросток - акросомну нитку у голкошкірих. Акросомний виріст утворюється в результаті полімеризації актину, локалізованого поза мембраною акросоми. Акросомна реакція виникає при надходженні іонів кальцію всередину сперматозоїда. Таким чином, злиття мембрани акросоми і мембрани голівки сперматозоїда - це кальційзалежний процес. Надходження іонів кальцію і натрію в голівку сперматозоїда супроводжується виходом з неї іонів калію і протонів. Останнє приводить до підвищення рН в клітині, що і слугує необхідною умовою відділення мономерів актину від білка і вибухоподібного переходу в полімеризований стан. Підвищення рН одночасно активує протеїнову АТФ-азу в шийці сперматозоїда. В результаті його мітохондріальне дихання підвищується на 50%. Утворена при цьому енергія використовується для підвищення рухливої активності джгутика. Акросомний виріст на своїй апікальній мембрані несе видоспецифічний білок біндин. На поверхні яйця розміщуються рецептори біндіну. ”Пізнавання” яйцеклітиною свого виду полягає в з'єднанні рецепторів яйця з біндинами сперматозоїдів. У морського їжака нараховується до 6000 сайтів таких сполучень.

У ссавців активація сперматозоїда не супроводжується ні утворенням мікроворсинок, ні утворенням акросомного виросту. Акросомна реакція у них полягає в дисоціації зовнішньої мембрани голівки сперматозоїда і мембрани акросоми не на апікальній поверхні, а вздовж голівки сперматозоїда. Це пов'язано з тим, що сперматозоїд контактує з яйцем не верхівкою акросоми клітини, а бічною стороною. Ферменти акросоми розчиняють променистий вінець, після чого сперматозоїд вступає в контакт з блискучою оболонкою. Блискуча оболонка утворена трьома типами білків: ZP2 і ZP3 локалізовані паралельно поверхні яйця, а білок ZP1 зшиває ці білки і розміщений перпендикулярно поверхні яйця. Контакт з ZP3 здійснюється трьома типами рецепторів сперматозоїда і складає першу частину акросомної реакції. Будь-яке порушення рецепції порушує і процес активації. Далі відбувається вихід ферменту акросоми проакрозину, який, взаємодіючи з ZP2 і діючи як протеаза, лізує блискучу оболонку. Таким чином досягається контакт задньої мембрани акросоми сперматозоїда і мембрани яйця. Закінчується реакція активації сперматозоїда злипанням задньої мембрани акросоми сперматозоїда і яйця, їх розривом і сполученням вільних кінців. В результаті у яйця і сперматозоїда формується єдина зовнішня мембрана, що оточує канал, через який ядро сперматозоїда і проксимальна центріоль проникають у цитоплазму яйця.

Активація яйцеклітини

В процесі активації яйцеклітини у всіх тварин безпосередньо беруть участь мембрана яйця і кортикальний шар цитоплазми. В кортексі зосереджені глобулярний білок і велика кількість кортикальних пухирців - структур гомологічних акросомі сперматозоїда. Прояви реакції активації різні: утворення горбика запліднення; швидкий блок поліспермії; кортикальна реакція; повільний блок поліспермії; утворення оболонки запліднення.

У голкошкірих і ряду інших тварин одним із проявів реакції активації є утворення горбика запліднення. Він формується як виріст яйцеклітини назустріч акросомальному виросту сперматозоїда після процесу “пізнання”, тобто рецепції біндінів сперматозоїда відповідними рецепторами жовточної оболонки яйця. Утворення горбика запліднення, як і акросомної нитки, пов'язано з полімеризацією кортикального актину.

В місці контакту мембран статевих клітин відбувається злиття мембран з утворенням каналу, по якому ядро і центріоль сперматозоїда проникають у цитоплазму яйця. Мембрана сперматозоїда вбудовується в мембрану яйця і деякий час продовжує зберігати особливі властивості, зокрема, має підвищену проникність для іонів Na⁺. В результаті мембранний потенціал яйцеклітини із негативного (-70 мВ) на декілька секунд стає слабо позитивним (+10 мВ). Якраз у цей час яйце стає непроникним для зайвих сперматозоїдів. Це явище отримало назву швидкого блока поліспермії і має значення для тварин з моноспермним заплідненням. Механізм швидкого блоку пояснюється наявністю в мембранах яйця і сперматозоїда рецепторів, чутливих до знаку заряда. Мембранний потенціал при швидкому блоці поліспермії залишається позитивним лише менше хвилини. Цього часу недостатньо для надійного запобігання поліспермії. Далі розвивається повільний блок поліспермії, який забезпечується кортикальною реакцією. Кортикальна реакція - це зміна поверхневого шару яйця в результаті контакту зі сперматозоїдом. Від місця входження сперматозоїда і вбудовування його мембрани в мембрану яйця після надходження Na⁺ розповсюджується хвиля вивільнення Са⁺⁺ із ендоплазматичного ретиткулуму - внутріклітинного депо кальцію. Як відомо, кальцій -універсальний ініціатор екзоцитозу, а кортикальна реакція належить саме до реакції екзоцитоза. Кальцій, вивільнений із внутріклітинних депо, ініціює вбудовування мембран кортикальних гранул у мембрану яйця, внаслідок цього поверхня мембрани яйця збільшується більше, ніж у 2 рази. В результаті екзоцитозу вивільнюється вміст кортикальних гранул. До його складу входять:

1. Протеолітичний фермент вітеллінова деламіназа, яка відділяє жовточну оболонку від цитоплазматичної мембрани шляхом лізування так званих динеїнових ручок, які з'єднують вітелінову оболонку з цитомембраною.

2. Протеолітичний фермент спермрецепторна гідролаза, яка вивільнює поверхню яйця від осівших на жовточній оболонці сперматозоїдів, лізуючи сайти їх сполучення.

3. Осмотично активний глікопротеїд, завдяки якому в щілину між жовточною оболонкою і плазмалемою яйця поступає вода. В результаті чого об'єм яйцеклітини дещо зменшується, а над нею утворюється перивітеліновий простір, в якому зародок розвивається до моменту вилуплення.

4.Фактор, перетворюючий жовточну оболонку в непроникну для надлишкових сперматозоїдів - оболонку запліднення.

5.Структурний білок гіалін, який утворює шар над плазматичною мембраною. В подальшому він сприяє підтриманню правильного взаємного розміщення бластомерів в процесі дроблення.

У ссавців механізм екзоцитоза такий же, як і у інших тварин. Однак блок поліспермії у різних видів ссавців створюється по-різному. У хомячка zona pellucida стає непроникною для численних сперматозоїдів. У кроликів непроникною стає сама плазматична мембрана яйця.

Всі події активації яйця зв'язані з роботою інозитолфосфатної системи, яка у створюваній зиготі включається рецепцією сперматозоїдів. У ссавців після лізису zona pellucida ферментами акросоми ліганди мембрани сперматозоїда взаємодіють з рецепторами в мембрані яйцеклітини. Рецептор активує білок (Г-білок) ,що зв'язує ГТФ, що в свою чергу активує фосфоліпазу С. Це перша ланка в ланцюгу реакцій інозитолфосфатної системи, яка в неактивному вигляді існує в мембрані яйцеклітини. Активація яйцеклітини по суті є її включенням.

Рецепція біндіна акросоми сперматозоїда рецептором мембрани яйцеклітини змінює конфігурацію Г-білка. Це приводить в активний стан фермент - фосфоліпазу С мембрани, яка розщеплює фофатидил-4,5-дифосфат мембрани на діагліцерол, що залишається в мембрані, і на інозитолфосфат, який виходить в цитоплазму. Крім того, дія сперматозоїда на яйцеклітину опосередковує гідроліз поліфосфоінозитидів з утворенням інозитолфосфату. Будучи внутріклітинним мессенджером, інозитолфосфат діє на ендоплазматичний ретикулум, депонуючий кальцій, і викликає вихід кальцію в цитоплазму. Збільшення кальція само по собі, а також в сполученні з діацилгліцеролом, який посередництвом ферменту мембрани протеїнкінази С активує Na⁺ /H⁺- обмін, приводить до підвищення рН цитоплазми. Збільшення рівня кальцію шляхом зміни активності глюкозо-6-фосфатдегідрогенази активує НАД-кіназу і веде до утворення НАДФ, яка має велике значення в стабілізації оболонки запліднення. Підвищення рівня кальція запускає екзоцитоз кортикальних гранул, утворення горбика запліднення. В подальшому підвищення рН і кальцію ініціюють і стимулюють синтез ДНК і білка, в тому числі гістонів і циклінів. Все це необхідно для дозрівання яйцеклітини, тобто зняття блока мейоза, його завершення і утворення жіночого пронуклеуса.

У хребетних ооцити до овуляції знаходяться в яєчнику на стадії диплотени мейоза. Мейоз відновлюєтьтся під впливом прогестерона, який секретується фолікулярними клітинами у відповідь на дію гонадотропіну гіпофіза. Через декілька годин завершується перше ділення дозрівання, і ядро яйця блокується на метафазі 11. На цій стадії яйцеклітина овулює. Подальше ділення дозрівання можливе лише тільки в процесі запліднення.

Встановлено, що дозрівання регулюється білковим комплексом МPF (Maturation Promoting Factor). МPF це фактор, який ініцює дозрівання. Перехід в стадію мітоза любого клітинного цикла любих соматичних клітин еукаріот також регулюється цим фактором. В цьому випадку його абревіатура (МPF) означає Mitosis Promoting Factor. МPF включає дві субодиниці :еволюційно консервативну - малу і велику. Оскільки всі компоненти МPF є в цитоплазмі ооцита, вважають, що прогестерон переводить комплекс МPF в активний стан і тим самим реініціює мейоз. Одночасно прогестерон побуджує яйцеклітину траслювати білковий цитостатичний фактор -фосфопротеїн рр39mоs, який траслюється с- mоs іРНК, яка запасена в цитоплазмі. Цей білок можна знайти тільки в період дозрівання ооцита і він швидко руйнується після запліднення. рр39mоs, активуючи каскад реакцій фосфорилювання, діє як інгібітор деградації цикліна В. Циклін В підтримує активність малої субодиниці МPF (р34 сdc2), яка після завершення першого ділення дозрівання переводить ядро в метафазу 11 і утримує його в цьому стані.

На стадії метафази відбувається овуляція. Як уже відмічалось, в процесі запліднення із ендоплазматичного ретикулуму виходять іони кальція. Іони кальція активують кальційзалежну протеазу - кальпін 11. Кальпін 11 специфічно впливає на рр39mоs і інактивує дію цього цитостатика. Після його руйнування циклін В деградує, протеаза рр 39 інактивується і яйцеклітина входить в новий цикл, під час якого завершується її дозрівання. Зрілий жіночий пронуклеус готовий до злиття з чоловічим з утворенням ядра зиготи. Тепер зигота, втративши короткоживучий цитостатик і маючи в цитоплазмі ресурси для трансляції МPF, готова приступити до ділення дроблення.

Поведінка чоловічого і жіночого ядер в цитоплазмі яйцеклітини

Сперматозоїд, який проник в яйце, як правило, залишає джгутик і мітоходріальний комплекс зовні. Якщо ці структури і проникають в цитоплазму яйця, то в подальшому резорбуються і активної ролі в розвитку не грають. Таким чином, кількість цитоплазми, яка попадає в яйце із сперматозоїдом, незначна. Вона об'єднується з цитоплазмою яйця (плазмогамія). Важлива роль в наступних подіях належить проксимальній центріолі сперматозоїда. Центріоль скоро займає положення попереду компактного ядра сперматозоїда, утворюючи характерне “полярне сяйво”, забезпечуючи рух чоловічого ядра. Тим часом протаміни в чоловічому ядрі замінюються гістонами, воно набухає, розрихлюється, стає чоловічим пронуклеусом. Також після дозрівання ядро яйцеклітини стає жіночим пронуклеусом. Далі пронуклеси наближаються, роблячи складні рухи, які називають “танком пронуклеусів”. При цьому чоловічий пронуклеус спочатку рухається всередину яйця перпендикулярно поверхні в точці проникнення. Шлях його руху так і називається “шляхом проникнення”.В процесі руху і наближення пронуклеусів в кожному з них реплікується ДНК так, що до моменту утворення ядра зиготи кожний з пронуклеусів має n2c.Хромосомні набори чоловічого і жіночого пронуклеусів об'єднуються і створюється хромосомний набір зиготи.

Ооплазматична сегрегація

Активація яйця супроводжується переміщенням складових частин ооплазми. При цьому часто видиме її розшарування називається ооплазматичною сегрегацією. Протікає сегрегація у різних видів неоднаково.

У асцидій і амфібій рухи сегрегації намічають білатеральну симетрію. У асцидій після запліднення жовті гранули, які розсіяні під поверхнею, збираються у вигляді жовтого серпа зі сторони проникнення сперматозоїда. З протилежної сторони екватора формується світло-сірий серп. Богата жовтком і мітохондріями цитоплазма займає вегетативну півкулю яйця, а анімальна півкуля складається із прозорої безжовткової цитоплазми. Потім матеріал жовтого серпа буде в мезодермі, сірого - в хорді, а вегетативна цитоплазма - в ектодермі. Через середину сірого і жовтого серпів проходить сагітальна площина симетрії. У амфібій сперматозоїд, який проник в цитоплазму в анімальній частині яйцеклітини, занурює в глибину яйця гранули пігмента, що спряжене з їх відтоком з протилежної сторони на межі анімальної і вегетативної півкулі, де із цитоплазми, частково втратившої гранули меланіна, утворюється сірий серп. Сагітальна площина проходить через середину сірого серпа.

Сегрегація цитоплазми виражає проморфологію раннього зародка, багато в чому визначаючи наступні стадії розвитку.

Партеногенез

Розвиток яйцеклітини можливий і без участі сперматозоїда і в такому випадку він називається партеногенезом .

Партеногенез настільки широко представлений в царстві тварин, що тепер , після того як він був відкритий , описаний і вивчений, можна перерахувати тих тварин, у кого його немає. До них перш за все можуть бути віднесені плацентарні ссавці. Пояснюють відсутність партеногенезу деякі особливості їх раннього розвитку, такі як привнесення центріолі в яйцеклітину сперматозоїдом і необхідність геномів обох батьків вже для раннього ембріонегезу (геномний імпритинг).

Феномен партеногенетичного розвитку на перший погляд не погоджується з тонкою і складною підгонкою “свого” сперматозоїда до “своєї” яйцеклітини, з колосальною складністю самого сперматозоїда. Але якщо згадати, що реакція активації сперматозоїда, яку можна викликати як специфічними, так і неспецифічними факторами, схожа на викликану ним кортикальну реакцію яйцеклітини, яка за структурою і механізмом гомологічна акросомній , то явище партеногенеза вже не буде викликати подиву. В ньому готова до запліднення яйцеклітина є незвичайно складною структурою, подальша форма існування якої передбачена нею самою. Вона створюється в оогенезі і упорядковується в процесі активації. На її основі як самодостатній іде ранній розвиток. Яйцеклітина і на контакт зі сперматозоїдом, і на неспецифічні впливи відповідає реакцією активації.

Звичайно із партеногенетичних яєць розвиваються диплоїдні або навіть поліплоїдні організми. Виділяють два основні механізма диплоїдизації партеногенетичних яєць - амейотичний і мейотичний. Регуляція хромосом в партеногенезі може відбуватись наступним чином:

1. Шляхом випадання редукції, в результаті обидва поділи є екваційними (дафнії, молюски).

2. Шляхом подвоєння числа хромосом або в останному оогоніальному поділі, або перед початком 1 профази мейозу. В цьому випадку і після двох мейотичних поділів ядро стає диплоїдним (планарії, турбелярії, земляні черви, деякі комахи, риби, амфібії, ящірки). Організм, який розвивається партеногенетично, стає диплоїдним, а із заплідненого яйця розвивається поліплоїд.

3.1 мейотичний поділ може повністю випадати, тобто хромосоми, які розійшлись, знову об'єднуються в одному ядрі, яке переходить до другого ділення дозрівання.

4.11 мейотичний поділ може повністю випадати (деякі ракоподібні , птахи).

5. Плоїдність відновлюється в результаті так званого самозапліднення. Жіночий пронуклеус зливається з одним із направляючих тілець (деякі комахи).

6. Після 11 ділення дроблення попарно зливаються гаплоїдні ядра і диплоїдність відновлюється (деякі комахи).

Коли говорять про партеногенез, то мають на увазі розвиток на основі жіночого пронуклеуса. Однак, в деяких випадках можливий розвиток на основі чоловічого пронуклеуса, і тоді говорять про андрогенез, протиставляючи йому гіногенез. Гіногенез - це форма одностатевого розвитку, при якому сперматозоїд активує яйцеклітину, але його ядро (чоловічий пронуклеус) не зливається з жіночим і в розвитку не приймає участі. Природній гіногенез відомий у одного виду карася, ікра якого запліднюється спермою іншого виду, активує ікру, але ядро сперматозоїда не приймає участі в утворенні зиготи. Андрогенез - явище значно рідше зустрічається , і коли воно відбувається, розвиток іде без жіночого пронуклеуса на основі чоловічого ядра і чоловічого пронуклеуса.

Дроблення

Загальна характеристика процесу дроблення. Після запліднення і активації( при партеногенезі) наступає період розвитку який називається дробленням. Під час дроблення організм стає багатоклітинним. Клітини, що утворились в результаті дроблення, отримали назву бластомери. За своєю суттю дроблення - це ряд послідовних мітотичних поділів зиготи, в результаті яких одна клітина- запліднена яйцеклітина перетворюється в багатоклітинний комплекс. Ріст відсутній. Загальна зовнішня форма зародку в процесі дроблення не змінюється, але утворюється внутрішня ( первинна) порожнина тіла - бластоціль. Взаємне розміщення частин цитоплазми яйця в процесі дроблення майже не змінюється, але вони попадають в різні бластомери. Дроблення продовжується до тих пір , поки ядерно-цитоплазматичне відношення не досягне рівня, характерного для звичайних соматичних клітин (приблизно 1:6, тоді як вихідне відношення 1:500).

В процесі дроблення мітотичні цикли мають певні особливості. Синтез ДНК починається одночасно ще в пронуклеусах. Це пояснюється тим, що всі фактори ініціації синтезу і реплікації ДНК (ДНК-полімерази, нуклеозидтрифосфати, гістони для нуклесом і інш.) цілком належать яйцю. Всі вони запасені в оогенезі, а запасів їх стільки і вони розподілені по об'єму цитоплазми так, що практично в любому місці здатні ініціювати ядерні синтези. Самі клітинні цикли вкорочені за рахунок редукції G₁ і G₂ періодів. Це наслідок того, що синтетичні процеси , які готують чергові ділення, зведені до мінімума, тому що велика частина продуктів, що утворюються при синтезах, вже запасена в зрілому яйці. S період вкорочений завдяки синхронізації реплікації у всіх репліконах генома. Клітини еукаріот полірепліконні. Кожний реплікон може реплікуватись автономно. Синхронізація реплікації скорочує її час кратно числу репліконів і полірепліконний геном при дробленні яйцеклітини реплікується як монорепліконний геном клітин прокаріот.

Як вже згадувалось раніше, перехід від запліднення до дроблення здійснюється шляхом активації МРF (протеаза кальпін 11, яка активується вивільненим при заплідненні Са²⁺, інактивує цитостатин, що блокує деградацію цикліну В, в результаті чого яйцеклітина входить в цикл ділення дроблення). Виконавши свою роль активатора дозрівання яйцеклітини, МРF продовжує виконувати роль водія циклів каріокінеза в процесі дроблення. На ранніх, синхронних, стадіях дроблення клітинний цикл двохфазний. Він складається із стадій М і S. На стадії М МРF має максимальну активність, на стадії S - мінімальну. При цьому велика субодиниця МРF, а в синхронному дробленні це циклін В , регулює малу субодиницю - кіназу сdc2 (cdc 2 -циклінзалежна кіназа). Мала субодиниця утримує ядро на стадії М до тих пір, поки не деградує велика.. Деградація великої переводить клітину на стадію S інтерфази, і далі синтезується циклін, який активує велику велику субодиницю. І так продовжується весь синхронний період.

Цитотомія здійснюється за допомогою двох механізмів, які доповнюють один одний: шляхом утворення кільця скорочувальних мікрофіламентів, які гантелеподібно перетягують маси, що розділяються, і шляхом вбудовування мембран, які продовжують цитомембрани бластомерів, які формуються.

Порядок дроблення визначається так званими правилами Сакса : 1) клітини мають тенденцію ділитись на рівні дочірні; 2) кожна нова борозна має тенденцію врізатись під прямим кутом до попередньої, а також законами О.Гертвіга: 1) ядро прагне зайняти центр активної цитоплазми; 2) активна вісь веретена звичайно співпадає з напрямком найбільшої протяжності цитоплазми, а ділення має тенденцію розділяти плазму по центру перпендикулярно довгій осі. Характер дроблення залежить від типу яйцеклітини.

Класифікація яєць

Яйця класифікують наступним чином:

1.За кількістю жовтка - полі- (риби, плазуни, птахи); мезо- ( осетрові, амфібії); оліго- ( більшість червів, молюсків, голкошкірі) і алецитальні(тобто багато-середньо-, мало- і безжовткові яйця).

2.За розміщення жовтка по об'єму яйця:

- телолецитальні - кількість жовтка наростає від анімального полюса до вегетативного -(риби, плазуни, птахи, осетрові, амфібії);

- гомолецитальні (ізолецитальні) - жовточні гранули рівномірно розподілені в яйці( більшість червів, молюски, голкошкірі);

- центролецитальні - вільна від жовточних гранул цитоплазма розміщена зразу ж під оболонкою яйця, навколо ядра, яке займає центральне положення, і у вигляді тонких тяжів сполучає названі області. Проміжний простір заповнений жовтком (членистоногі).

Класифікація типів дроблення

1. Голобластичний тип - повне розділення яйця і бластомерів борознами дроблення ( а-; оліго-; мезо-; оліго-; телолецитальні).

2. Меробластичний тип - часткове розділення яйця. Борозни дроблення проникають всередину яйця, але не розділяють його повністю. Жовток залишається нерозділеним:

- поверхневе дроблення (полілецитальні, центролецитальні яйцелітини) - розділення поверхневого шару цитоплазми з одиничними ядрами ( які попередньо численно поділились) за допомогою перегородок, що направлені до поверхні яйця. Центральна частина яйця залишається не розділеною (членистоногі).

- дискоїдальне дроблення (полілецитальні, телолецитальні яйцеклітини) - борозни формуються вслід за діленнями ядер, але не розділяють все яйце, а тільки один із полюсів (риби,птахи).

3. За ознакою об'ємів, утворених в результаті дроблення:

- рівномірне - об'єми бластомерів однакові;

- нерівномірне - об'єми бластомерів неоднакові.

4. За ознакою тривалості каріо- і цитотомії в різних бластомерах яйця, яке дробиться:

- синхронне - дроблення починається і завершується у всіх бластомерах одночасно;

- асинхронне - початок і час ділення в різних бластомерах неоднаковий.

5. За ознакою взаємного розміщення бластомерів в яйці, що дробиться:

- радіальне дроблення - взаємне розміщення бластомерів таке, що вихідна полярна вісь яйця слугує віссю радіальної симетрії зародку, що дробиться ( ланцетник, круглороті, осетрові, амфібії);

- спіральне дроблення - прогресивне порушення симетрії яйця, яке дробиться, в результаті спірального зміщення бластомерів,що закінчують ділення, відносно один одного (молюски, війчасті та кільчасті черви);

- білатеральне дроблення - бластомери розміщені так, що через зародок можна провести тільки одну площину симетрії (аскарида);

- анархічне дроблення - відсутність закономірності в розміщенні бластомерів у організмів одного виду (кишковопоржнинні, паразитичні та плоскі черви).

Дроблення завершується утворенням бластули - багатоклітинної структури з більш або менш вираженою порожниною всередині. Остання називається порожниною дроблення, або бластоцелем.

Класифікація бластул

Целобластула - складається з більш або менш однакових бластомерів і великим бластоцелем всередині, утвореним в результаті повного рівномірного дроблення.

Амфібластула складається з неоднакових мікромерів і макромерів. Бластоціль невеликий і зсунутий до анімального полюсу.

Перибластула - не має бластоціля і утворюється в результаті поверхневого дроблення.

Дискобластула являє собою диск бластомерів, які лежать на жовтку, що не роздробився. Бластула у вигляді двохшарової пластинки , що має щілинну порожнину називається плакулою.

Морулою іноді називають саму ранню бластулу, коли зародок містить вже досить значну кількість клітин (32-64), але порожнина дроблення ще не сформована.

Між бластомерами бластули немає відміностей, які зв'язані з диференціаціальною активністю їх генів. Бластомери розрізняються величиною, кількістю жовтка, якістю цитоплазматичних включень і своїм місцерозташуванням в зародку. Всі ці відмінності зв'язані з роботою материнського геному в період оогенеза, типом яйцеклітини, процесами сегрегації цитоплазми при заплідненні, характером дроблення, розміщенням бластомерів і в підсумку типом бластули. Перші відмінності між клітинами , які базуються на диференціальній активності генів зиготи, виникають в ході гаструляції. В процесі гаструляції зародок диференціюється на зародкові листки. Закінчується цитотиповий ( дроблення) і починається органотиповий ( зі стадії гаструли) період розвитку. Однак люба бластула, як і яйцеклітина, може бути схематично поділена на території, формотворення яких при ноормальному ході онтогенеза може бути передбачене. Такі ділянки бластул називаються презумптивними зачатками. Вперше карти презумптивних зачатків в 20-х роках ХХ ст. склав німецький вчений В.Фогт (1925 р.) для амфібій. За допомогою кусочків агара, просочених вітальними барвниками, він зафарбовував ділянки бластули в різні кольори і прослідковував подальшу долю зафарбованих клітин. В подальшому в залежності від технологічного рівня експериментів використовувались різні маркери.

Розрізняють два типи яйцеклітин:

- мозаїчні, які визначають мозаїчний тип розвитку. В мозаїчних яйцях РНК, синтезована в оогенезі, жорстко визначає диференціацію бластомерів, в які вона потрапляє при дробленні. Мозаїчний розвиток характерний в основному зі спіральним типом дроблення;

- регуляційні, які обумовлюють регуляційний тип розвитку. В регуляційних яйцях материнських РНК недостатньо для однозначного визначення долі бластомерів. Їх диференціація в ембріогенезі визначається складними взаємовідносинами частин зародку.

Гаструляція

Вслід за утворенням бластули починається період гаструляції, суть якої є утворення зародкових листків: ектодерми, ентодерми і мезодерми. Отже, з процесу гаструляції починаються ембріональна диференціація і морфогенез. Період гаструляції характеризується переміщенням окремих клітин, груп клітин і клітинних пластів, погодженими змінами клітинної форми, діленням клітин, контактними взаємодіями між клітинами, виселенням і вселенням клітин, що призводить до розчленування зародка на зародкові листки: ектодерму, мезодерму, ентодерму. Зародкові листки у різних тварин є гомологічними утворами, тобто в ході розвитку вони дають ідентичні структури. Так, наприклад, ектодерма завжди розвивається в зовнішній покрив тіла, а із ентодерми завжди утворюється вистилка середньої кишки.

Клітини, яка утворюються при діленні в період гаструляції починають рости і збільшуються до розмірів материнської, при цьому відбувається активний ріст і збільшення розмірів самого зародку. В ході гаструляції підсилюються процеси детермінації клітин і інтеграції частин зародку.

Способи гаструляції, тобто механізми утворення зародкових листків, відрізняються у різних тварин і визначаються будовою бластули. Існує чотири основні способи гаструляції:

- інвагінація (вп'ячування)- в середину бластоцеля входять не окремі клітини, а ціла ділянка клітинного пласту, яка не втрачає епітеліальної структури (сцифоїдні медузи, коралові поліпи);

- делямінація (розшарування) - Зустрічається у кишковопорожнинних, де дроблення завершується морулою без внутрішньої порожнини. Переміщення клітин практично відсутні;

- іміграція ( виселення) - відкритий І.І.Мечніковим у 1886р.- це вселення у порожнину бластоцелю окремих клітин з стінки бластули ( у деяких гідромедуз). Найбільш еволюційно древній;

- епіболія (обростання)- інвагінація іноді неможлива через малі розміри бластоцелю та інертність великих бластомерів ( у малощетинкових червів тільки епіболія).

В процесі гаструляції відбувається утворення і третього зародкового листа - мезодерми. У деяких вищих тварин цей процес протікає одночасно з розвитком екто- і ентодерми. У більшості ж тварин мезодерма закладається пізніше і відособлюється від ентодерми. Є два основних способи закладки мезодерми :ентероцельний і телобластичний.

Ентероцельний спосіб характеризується тим, що мезодерма закладається у вигляді кишенькоподібних виростів з обох боків первинної кишки. Це порожнинні випячування, які вростають у порожнину дроблення, між екто- і ентодермою. Порожнина мезодермальних виростів є зачатком вторинної порожнини тіла, або целома.

Телобластичний спосіб характеризується тим, що мезодерма є похідною двох клітин - телобластів, які відособлюються вже на на стадії дроблення. В процесі гаструляції вони розміщуються симетрично з боків первинної кишки на межі між екто- і ентодермою. Телобласти починають активно ділитись і нові мезлодермальні клітини вростають тяжами між екто- і ентодермою. Самі телобласти залишаються на задньому кінці тіла.

В результаті гаструляції виникає зародок - гаструла. Гаструла має порожнину - гастроціль (порожнина первинної кишки), в яку веде отвір - бластопор (первинний рот).

В залежності від подальшої долі бластопора в розвитку всі тварини підрозділяються на первиннороті і вториннороті. У первинноротих, до яких відноситься більшість безхребетних, на місці бластопора утворюється ротовий отвір, а протилежний кінець стає заднім кінцем тіла. У вторинноротих, які включають хордових і деяких безхребетних, бластопор перетворюється в анальний отвір, або в особливий нервовокишечний канал, розміщений на задньому кінці тіла зародка, а ротовий отвір проривається на черевному боці на протилежному кінці тіла. У бластопора розрізняють краї, або губи: дорзальну, латеральні і вентральну. Важливим підсумком гаструляції у хордових є формування в складі зародкових листків так званого осьового комплексу зачатків. Осьовий комплекс зачатків - це розміщені по вісі тіла зародку зачатки нервової системи (нервова пластинка) і хорди (хордальна пластинка), а також зачатки мезодерми, які лежать латерально відносно хордальної пластинки. Тісно прилягаючі один до одного зачатки хорди і мезодерми часто називають хордомезодермою.

Існує декілька факторів гаструляції : фізичні, хімічні а також особливі організуючі центри. До фізичних факторів відноситься більш швидке ділення дрібних клітин в порівнянні з більш великими, що приводить до обростання великих клітин дрібними, як , наприклад, в бластулі амфібій і риб, які мають телолецитальні яйцеклітини. В бластулі цих тварин існує градієнт розподілення бластомерів за величиною - їх розміри зменшуються в напрямку від вегетативного полюсу до анімального. Такий же напрямок має метаболічний градієнт - зі зменшенням розмірів клітин підвищується їх метаболічна активність і темпи ділення. Якраз в областях активного поділу клітин починаються процеси їх переміщення. Однією з причин переміщення клітин вважають зміни поверхневого натягу при збільшенні числа клітин Клітини при цьому здатні здійснювати активні амебоїдні рухи.

Направлення рухів клітин, а потім і їх диференціція визначається індукцією - впливом одних областей або зачатків зародка на інші. Такі області і зачатки отримали назву організуючих центрів, або індукторів. Теорія організуючих центрів, висунута Г.Шпеманом, встановлює наявність у зародка на різних стадіях особливих областей, які мають індукуючий вплив на сусідні ділянки. До організуючих центрів, наприклад, відноситься передня ( дорзальна) губа бластопора, яка індукує формування хордомезодерми, яка в свою чергу, викликає диференціацію частини клітин ектодерми в нервову пластинку. Інший приклад - очний бокал, який викликає інвагінацію ектодерми і утворення зачатка кришталика. По мірі розвитку зародка в різних його ділянках виникають все нові індуктори, які визначають диференційовку оточуючих його областей. Механізм індукуючого впливу пов'язаний з виділенням особливих факторів, різних за хімічною природою речовин, які відносяться до білків, нуклеопротеїдів, стероїдів і інш. Вважають, що важливу роль в регуляції міжклітинних взаємодій під час розвитку виконують також спеціалізовані міжклітинні сполучення - щілинні контакти, які з'являються вже під час дроблення між бластомерами, і можливо, являють собою першу систему передачі сигналів між клітинами

Нейруляція

Відособлення основних зачатків органів і тканин

Після періоду гаструляції у всіх метамерно побудованих тварин починається процес виділення і сегментації осьової мезодерми. У хордових на цьому етапі розвитку закладається і утворюється центральна нервова система (ЦНС). В силу наочності її перетворень і важливості самої ЦНС весь період отримав назву “нейруляція”.В цей період розвитку і у хордових , і у сегментованих безхребетних відмічається багато спільних найважливіших подій: формується комплекс осьових структур, відбувається початкове відособлення і остаточне розміщення в організмі закладок всіх останніх органів - похідних ентодерми, ектодеми і мезодерми. Таким чином, на цьому етапі розвитку реалізується план будови організму. Який має загальні риси.

Вказані загальні гомологічні події в розвитку членистих безхребетних і всіх хордових дозволяють використовувати термін “нейруляція” як синонім поняття “ закладка осьових структур і реалізація плана будови” і називати так цей період розвитку, пам'ятаючи, що у безхребетних немає центральної нервової системи, структурно гомологічної хордовим тваринам.

В цей період в ектодермі буде відбуватись відособлення матеріалу нервової пластинки, в мезодермі - відособлення матеріала хорди і матеріала мезодерми. В ентодермі буде відособлюватись кишкова ентодерма.

Осьовий комплекс зачатків, який виник в ході гаструляції, являє собою систему, що, розміщуючись по осі тіла зародка, виконує функцію організуючого центра в подальшому розвитку. В результаті індукуючого впливу хордомезодермального зачатку починаються зміни в зовнішньому зародкову листку. Клітини нейроектодерми стають більш високими, в той час, як клітини шкіряної ектодерми сплощуються. По краям нервової пластинки виникають повздовжні потовщення - нервові валики, які з'являються на передньому кінці зародка і поступово розповсюджуються до його заднього кінця. Центральна частина нервової пластинки прогинається у вигляді жолобка. Зародок на стадії утворення нервових валиків називається нейрула. Нервові валики (края нервового жолобка) по мірі росту припіднімаються, наближуються і зовсім змикаються, внаслідок чого за рахунок центральної частини нервової пластинки утворюється замкнута нервова трубка, а за рахунок нервових валиків - нервовий гребінь, або гангліозна пластинка. Нервова трубка і нервовий гребінь разом складають нервовий зачаток,із якого буде розвиватись вся нервова система. Виділення нервового зачатка із складу зовнішнього зародкового листка називається нейруляцією. Передній кінець нервової трубки розширений і згодом розвивається в головний мозок, остання частина нервової трубки перетворюється в спинний мозок. Нервовий гребінь являє собою матеріал поліпотентного ембріонального зачатка, із якого клітини мігрують крізь тканини зародку цілком визначеними шляхами, орієнтучуючись н а молекули адгезії. З них утворюються: периферійні нейрони, шванівські клітини, рецепторні клітини каротидних синусів, меланоцити, клітини, що виробляють кальцитонін, клітини деяких видів сполучної тканини голови. Шкіряна ектодерма змикається над нервовим зачатком і в подальшому дасть епітелій, який вкриває поверхню тіла.

В мезодермі хордальна пластинка згортається з утворенням тяжа, круглого в розтині - хорди. Відособлення мезодерми супроводжується її диференціюванням на відділи : соміти, нефротом і спланхнотом. Соміти являють собою дорзальні зачатки, що складаються із щільно зімкнутих клітин мезодерми, розміщені латерально по відношенню до хорди. В області сомітів відбувається сегментація мезодерми. Вентральна частина мезодерми - спланхнотом не сегментована, складається із двох лиистків - внутрішнього (вісцерального) і зовнішнього (парієтального), розділених простором, що являє собою вторинну порожнину тіла - целом. На межі між сомітами і спланхнотомом знаходиться нефротом. В головній і тулубовій областях мезодерма нефротома розділяється на сегменти, в хвостовій частині вона залишається несегментованою.

Органогенез і гістогенез

Гістогенез - розвиток, утворення тканин. В основі гістогенезу лежить процес диференціювання клітин, що приводить до їх спеціалізації, яка виражається в появі у клітин специфічних ознак і виконанню клітинами певних функцій. Одночасно з гістогенезом відбувається і органогенез - розвиток органів. При цьому темпи гісто- і органогенезу можуть не співпадати. У багатьох органах тканинне диференціювання закінчується тільки після народження. Орган може набувати певної форми вже після того, як закінчилась диференціація тканин.

Провізорні органи зародка

Провізорні (тимчасові) органи утворюються і функціонують лише в ембріональному періоді. Вони з'явились як важливі еволюційні пристосування, що створюють оптимальні умови для розвитку зародка. Провізорні органи забезпечують живлення, газообмін, захист зародку , а також видалення продуктів його метаболізму . Крім того, завдяки цим органам, зародок постійно знаходиться у водному середовищі, подібному тому, в якому розвивались його предки.

У зародків хребетних є чотири типа позазародкових структур: амніон, жовточний мішок, алантоїс і хоріон.

Амніон - оболонка, яка створює замкнену порожнину навколо зародка. Амніотична оболонка секретує рідину, яка омиває зародок, і оберігає його від висихання. Вона складається із позазародкової ектодерми і парієтального листка позазародкової мезодерми. Це еволюційне пристосування є настільки важливим, що рептилій, птахів і ссавців об'єднують в групу під загальною назвою Amniota. Відповідно, риби і амфібії, які не мають амніону, називаються Anamnia.

У представників тварин з телолецитальними яйцеклітинами (риби, рептилії, птахи) виникає жовточний мішок. Він забезпечує живлення зародка і складається із позазародкової ентодерми і вісцерального листка позазародкової мезодерми. Стінка жовточного мішка є джерелом первинних статевих клітин. А також органом кровотворення. У ссавців, не дивлячись на відсутність в їх яйцеклітинах запасів жовтка, жовточний мішок зберігається, підтверджуючи біогенетичний закон - онтогенез коротко повторює філогенез.

Алантоїс - утворюється як виріст вентральної стінки ранньої задньої кишки і складається із позазародкової ентодерми і вісцерального листка позазародкової мезодерми. Основні його функції - накопичення і виділення продуктів метаболізму, газообмін, утворення позазародкових судин і підведення їх до хоріону.

Найбільш зовнішня позазародкова оболонка - це хоріон. У рептилій і птахів вона щільно прилягає до підшкаралупових оболонокі шкаралупи і забезпечує газообмін між яйцем і зовнішнім середовищем. У представників цих класів тварин оболонку частіше називають сероза. До складу серози входить позазародкова ектодерма і парієтальний листок позазродкової мезодерми. У ссавців позазародкова ектодерма замінюється особливим видом епітелальних клітин ектодерми - трофобластом ( зовнішні клітини бластоцисти). Хоріон і сероза сильно васкуляризовані, тому що їх мезодерма і мезодерма алантоїса зростаються, а алантоїс, як уже згадувалось, підводить судини до мезодерми хоріона. Ці судини зв'язуються з судинами зародка, забезпечуючи його всім необхідним (поживними речовинами, киснем і т.д.). Хоріон приймає участь не тільки в диханні зародка, але і в живленні, виділенні продуктів обміну, синтезі гормонів. Крім того, хоріон являє собою частину ще одного спеціального органу, який з'являється у ссавців - плаценти. Хоріон, утворений розгалуженими ворсинками з судинами (третинні ворсинки), формує плідну частину плаценти, а видозмінена ділянка слизистої оболонки матки, з якою контактує хоріон, є материнською частиною плаценти. Плацента формує гематоплацентарний бар'єр, який поряд з важливими функціями також слугує для захисту організму матері від антигенів плоду, перешкоджаючи розвитку імуного конфлікту.

За ступенем складності плаценти поділяють на епітеліохоріальні, десмохоріальнгі, ендотеліохоріальні і гемохоріальні.

Епітеліохоріальна , або напівплацента, має найростішу будову. Така плацента є у свиней, коней, верблюдів і деяких інших ссавців. При утворенні цієї плаценти на поверхні хоріона з'являються ворсинки у формі невеликих горбиків. Вони ніби занурюються у відповідні заглибини слизистої матки, при цьому ніякого пошкодження тканин не відбувається.

Десмохоріальна плацента властива жуйним. Вона характеризується встановленням більш тісного зв'язку хоріона зі стінкою матки. В місці контакту з ворсинками хоріону епітелій слизистої оболонки матки руйнується. Розгалужені ворсинки занурюються в сполучну тканину , наближаючись до кровоносних судин матері.

Ендотеліохоріальна плацента характеризується руйнуванням не тільки епітелію слизистої матки, але і сполучної тканини. Ворсинки хоріона торкаються судин і відділені від материнської крові тільки їх ендотеліальною стінкою. Властива хижим.

Гемохоріальна плацента властива комахоїдним, гризунам, приматам і людині. При встановленні контакту плода з материнським організмом відбуваються глибокі зміни в матці: зникають залози, чатково руйнується сполучна тканина і навіть стінки судин. На місці зруйнованих тканин утворюється утворюються великі порожнини, заповнені кров'ю. Ворсинки хоріона омиваються кров'ю і всмоктують поживні речовини.

Размещено на Allbest