Половые клетки, слияние которых дает новый организм, объединяют термином гаметы. Женская гамета называется яйцеклеткой, мужская - сперматозоидом. Все остальные клетки, не принимающие непосредственного участия в образовании гамет, получили название соматических клеток.
Гаметогенез - широкий термин, который обозначает поэтапное «сотворение» высокоспециализированных клеток, способных дать начало новому организму. Обычно гаметогенез делят на четыре стадии (Б. Карлсон, 1983):
1) образование первичных половых клеток (ППК) и миграция их в гонады;
2) размножение половых клеток в гонадах путем митоза;
3) уменьшение числа хромосом в каждой клетке в два раза в результате мейоза;
4) окончательное созревание и дифференцировка гамет, превращение их в сперматозоиды и яйцеклетки, которые способны оплодотворять или быть оплодотворенными.
Согласно современным представлениям, первичные половые клетки впервые можно обнаружить среди эндодермальных клеток желточного мешка с третьей недели беременности. Они отличаются от других крупным размером, прозрачной цитоплазмой и рядом гистохимических и иммунологических особенностей. На пятой неделе путем амебоидного движения они мигрируют в область зачатка гонад, не содержавших до этого момента собственно половых клеток. Существует мнение (Б. Карлсон, 1983), что первичные половые клетки, не достигшие гонад, но оставшиеся живыми в нетипичном месте, могут перерождаться в тератомы - необычные опухоли, которые содержат участки высокодифференцированных тканей, иногда даже зубы и волосы.
Гонады зародыша вначале содержат относительно небольшое число заселивших их первичных половых клеток. Но попав в гонады, половые клетки начинают энергично делиться, и их численность резко увеличивается. Клетки делятся митотически. Митоз обеспечивает передачу двум дочерним клеткам совершенно одинаковых наборов хромосом, содержащих наследственную информацию. Митотически делящиеся женские половые клетки называют оогониями, а соответствующие мужские - сперматогониями.
Характер митотической активности половых клеток в мужских и женских гонадах сильно различается. Активное митотическое деление половых клеток у плодов женского пола наблюдается со второго по пятый месяц внутриутробного развития. Их число увеличивается с нескольких тысяч до 7 млн. К началу седьмого месяца часть оогоний перестает делиться митотически и входит в профазу первого деления мейоза, остальные подвергаются дегенерации - атрезии. На этом заканчивается пролиферативная стадия развития половых клеток у девочек. У плодов мужского пола сперматогонии развиваются из первичных половых клеток, мигрирующих в семенники. На ранних стадиях эмбрионального развития после достижения половой зрелости сперматогонии начинают быстро размножаться митотически, при этом часть их потомков становятся стволовыми, т. е. сохраняют способность к непрерывным неограниченным делениям, другие сперматогонии проходят ограниченное число последовательных митозов, после чего приступают к мейозу. Этот процесс продолжается в течение всего времени, пока у мужчины происходит сперматогенез, что может длиться до глубокой старости. Сперматогонии составляют стволовой пул половых клеток, которые периодически переходят в митоз и образуют клон синхронно развивающихся мужских гамет (половых клеток). Конечной стадией этого процесса являются зрелые сперматозоиды.
Одно из основных условий, необходимых для сохранения вида при наличии полового процесса, — это сохранение постоянного числа хромосом из поколения в поколение. Это обеспечивает мейоз - тип клеточного деления, при котором происходит уменьшение (редукция) числа хромосом вдвое: из диплоидного (2п) в гаплоидный (1п). Вместе с тем именно благодаря мейозу создаются новые комбинации генетического материала путем различных сочетаний материнских и отцовских генов. Необходимо помнить, что геном каждой клетки состоит наполовину из отцовских, наполовину из материнских хромосом: 46 хромосом каждого человека объединяются в 23 пары гомологичных хромосом, в каждой из которых одна хромосома отцовская, другая - материнская. Гомологичные хромосомы в паре одинаковы по размеру, по форме, в одинаковых участках содержат гены, определяющие одинаковые признаки организма, но конкретные формы этих генов (аллели) могут быть различными. Взаимодействие аллельных генов (полное и неполное доминирование, полимерия, эпистаз и др.) определяет проявление признаков.
Сперматогонии, лежащие непосредственно на базальной мембране извитых семенных канальцев, проходят несколько последовательных стадий митотического деления. Общее количество сперматогоний в яичке человека составляет около 1 млрд. Различают две основные категории сперматогоний: А и В.
Некоторые сперматогонии А, которые делятся митотически, остаются стволовыми, т. е. сохраняют способность к делению и поддерживают свою популяцию. Остальные дифференцируются в сперматогонии В, которые делятся митотически, дифференцируются в сперматоциты первого порядка и вступают в мейоз. Сперматогонии В не всегда располагаются на базальной мембране. Они отличаются от сперматогоний А своими округлыми ядрами, содержащими конденсированный хроматин, располагающийся либо вблизи нуклеолеммы, либо вблизи ядрышка. В их цитоплазме содержатся свободные рибосомы, митохондрии, достаточно хорошо выраженный комплекс Гольджи, гранулярный эндоплазматический ретикулум.
Сперматоциты первого порядка, или первичные сперматоциты, соединены между собой межулеточными мостиками, которые остаются при митозе сперматогоний А благодаря неполному разделению клеток. Последующие поколения клеток также остаются соединенными между собой, в результате чего образуется синцитий, клетки которого составляют клон. Клетки синцития делятся синхронно, лишь единичные клетки не делятся.
В результате мейоза I образуются две дочерние клетки сперматоциты второго порядка, каждая из которых содержит гаплоидный набор (23) d-хромосом (d-хромосома - хромосома после репликации ДНК, которая состоит из двух дочерних молекул ДНК). Вторичные сперматоциты расположены ближе к просвету канальца. В мейозе II образуются две сперматиды. Таким образом, в результате деления одной сперматогонии образуются четыре сперматиды, каждая из которых обладает гаплоидным набором хромосом (рис. 201).
Рис. 201. Схема сперматогенеза:
1 - мейоз; II - первое деление мейоза; III - второе деление мейоза; 1 - базальная мемрана; 2 - сперматогоний; 3 – сперматоцит 1- го порядка; 4 – сперматоцит 2- го порядка: 5 - сперматида; 6 – дифференцирующаяся сперматида; 7 - спермий в просвете канальца; 8 - клетка Сертоли (по Б. Албертсу и соавт.)
Сперматида - мелкая клетка округлой формы с крупным ядром, которое впоследствии приобретает овоидную форму и располагается эксцентрично (ближе к стенке канальца). В ядре хроматин находится в виде рыхлой сети. В цитоплазме много мелких округлых митохондрий с электронно-прозрачным ядром, расположенных вдоль цитолеммы, большое количество свободных рибосом, элементов гладкого эндоплазматического ретикулума, выраженный комплекс Гольджи, расположенный над ядром, две центриоли.
Следует еще раз подчеркнуть, что в процессе синхронного развития одного клона сперматогенных клеток от сперматогоний до сперматид клетки соединены между собой межклеточными мостиками толщиной 1-2 мкм.
В ходе сложного процесса спермиогенеза сперма- тиды дифференцируются в зрелые сперматозоиды. Дифференцирующие сперматиды лежат в углублениях плазматической мембраны клеток Сертоли. При спермиогенезе область ядра, обращенная к стенке семенного канальца, постепенно вытягивается и заостряется. Комплекс Гольджи формирует гранулы, которые сливаются между собой, образуя акросомальную гранулу (акробласт), контактирующую с апикальной частью ядра. Одновременно гиперплазирующиеся мешочки комплекса Гольджи окружают акросомальную гранулу, в результате чего образуется акросома, содержащая протеолитические ферменты (в основном гиалуронидазу и трипсиноподобный акрозин), которые при контакте с яйцеклеткой разрушают ее прозрачную зону. При отсутствии или недоразвитии акро- сомы сперматозоид теряет способность оплодотворять яйцеклетку. В процессе сперматогенеза существенно уменьшается количество цитоплазмы формирующегося сперматозоида. Большая часть ее образует остаточное тельце, которое отделяется от клетки и фагоцитируется сустентоцитом. Меньшая часть цитоплазмы покрывает тонким слоем ядро, связующую, промежуточную и не полностью главную части сперматозоида. Разделение клеток одного клона происходит на последних этапах формирования сперматозоидов, которые отделяются от клеток Сертоли и попадают в просвет канальца, где находится жидкость, вырабатываемая клетками Сертоли.
Сложный процесс сперматогенеза регулируется гормонами. После полового созревания гипоталамус (см. раздел «Эндокринный аппарат») начинает выделять гонадотропный рилизинг гормон, под влиянием которого гипофиз секретирует фолликулостимулирующий (ФСГ) и лютеинизирующий (ЛГ) гормоны, воздействующие на клетки Лейдига. Последние выделяют большое количество тестостерона. Под влиянием клеток фолликулостимулирующего гормона гипофиза клетки Сертоли синтезируют андрогенсвязывающий белок (АСБ), который переносит мужские половые гормоны к сперматогенным клеткам.
Первичные женские половые клетки - оогонии (греч. ооп - яйцо, gone - рождение) - йопадают в яичник из энтодермы желточного мешка. В отличие от мужских половых клеток, период размножения женских протекает во внутриутробном периоде, в результате чего образуются примордиальные фолликулы., расположенные в корковом веществе яичника, вблизи его поверхности. Каждый из них содержит примордиальную женскую половую клетку - оогонию, покрытую одним слоем плоских клеток фолликулярного эпителия, клетки которого на ранних стадиях не отличаются от стромальных. В конце 3-го месяца внутриутробного развития оогонии после многократного митотического деления превращаются в ооциты первого порядка (первичные ооциты), которые остаются в этом состоянии вплоть до периода полового созревания.
Первичный фолликул представляет собой первичный ооцит диаметром 25 - 30 мкм, покрытый двумя (и более) слоями фолликулярных эпителиоцитов. Лежащие вокруг клетки стромы располагаются концентрически. Впоследствии они формируют теку фолликула. В пубертатный период и у половозрелой женщины обычно циклически созревает один фолликул, однако несколько первичных фолликулов превращаются во вторичные. Вторичный фолликул представляет собой растущий первичный ооцит, покрытый несколькими слоями фолликулярных эпителиоцитов, образовавшихся благодаря их митотическому делению. Вокруг цитолеммы ооцита формируется прозрачная оболочка (зона) за счет секреции гликозаминогликанов и мукопротеинов фолликулярными эпителиоцитами и самим ооцитом. Прозрачная оболочка зрелого фолликула имеет толщину 5-10 мкм и представляет собой мелкозернистый слой, отделяющий ооцит от клеток фолликулярного эпителия. Одновременно соединительная ткань, окружающая фолликул, образует его теку (греч. theca - ячейка).
В период активного роста вторичный фолликул превращается в третичный, или пузырчатый (везикулярный), фолликул, который представляет собой ооцит, покрытый прозрачной оболочкой и множеством фолликулярных эпителиоцитов, между которыми имеется полость (фолликулярная пещера), заполненная фолликулярной жидкостью (рис. 202, см. рис. 196). Вокруг прозрачной зоны расположен один слой фолликулярных клеток, образующих лучистый венец. Фолликулярные клетки, отделенные от последнего фолликулярной жидкостью пещеры, образуют зернистый слой, в клетках которого обнаруживают различные стадии митоза. Фолликул окружен сформированной текой. Накапливающаяся фолликулярная жидкость оттесняет окруженный фолликулярными клетками ооцит в сторону. В период большого роста происходят интенсивный рост цитоплазмы и ядра ооцита и накопление в цитоплазме РНК и желтка. Зрелый пузырчатый фолликул (граа- фов пузырек), достигающий в диаметре 1 см, покрыт соединительнотканной оболочкой (текой) фолликула, в которой выделяют наружную теку, образованную плотной соединительной тканью, и внутреннюю, богатую кровеносными и лимфатическими капиллярами. К внутренней оболочке прилежит зернистый слой. В одном участке этот слой утолщен, здесь находится яйценосный холмик, в котором залегает яйцеклетка - ооцит, окруженный прозрачной зоной и лучистым венцом. Внутри зрелого фолликула яичника имеется полость, содержащая фолликулярную жидкость. В период созревания первичный ооцит проходит стадию мейоза 1, в результате чего образуются крупный вторичный ооцит, обладающий гаплоидным набором d-хромосом и большей частью желтка, и маленькое полярное тельце, обладающее аналогичным набором хромосом. Цитолемма ооцита образует множество микроворсинок, прободающих прозрачную зону и контактирующих с фолликулярными клетками лучистого венца. Фолликулярные эпителиоциты во время созревания фолликула обладают высокой митотической активностью. Клетки лучистого венца имеют множество микроворсинок, часть из них прободает прозрачную зону и контактирует с цитолеммой ооцита. Фолликулярные эпителиоциты продуцируют эстрогены. Базальная мембрана у человека более толстая (1-2 мкм), она отделяет фолликул от внутренней теки, клетки которой (текальные эндокриноциты), согласно современным воззрениям, продуцируют эстрогены. Впоследствии они трансформируются в текалютеоциты желтого тела. Следует подчеркнуть, что женская половая клетка во время оогенеза, подобно мужским, защищена от вредных воздействий гематофолликулярным барьером, образованным толстой базальной мембраной, фолликулярными клетками и прозрачной оболочкой. Фолликулярные клетки соединены между собой и с ооцитом многочисленными нексусами.
Рис. 202. Стадии развития ооцита человека.
Здесь схематически показаны стадии развития ооцита у человека:
А. До рождения небольшая доля примордиальных фолликулов последовательно начинает расти, и эти фолликулы называют теперь развивающимися. Б. После какого-то периода непрерывного роста некоторые из развивающихся фолликулов накапливают жидкость, превращаясь в антральные фолликулы. В. С наступлением половой зрелости раз в месяц волна выделяемого гипофизом лютеинизирующего гормона (ЛГ) побуждает один антральный фолликул к созреванию: ооцит первого порядка, находящийся в этом фолликуле, завершает первое деление мейоза, образуя полярное тельце и превращаясь в ооцит второго порядка. Г. Ооцит второго порядка вместе с полярным тельцем и частью окружающих фолликулярных клеток освобождается в тот момент, когда фолликул разрывается на поверхности яичника. Ооцит второго порядка претерпевает второе деление мейоза только в том случае, если он будет оплодотворен.
I - примордиальный фолликул; II - развивающийся фолликул; III - антральный фолликул; IV - большой антральный фолликул (Граафов пузырек); V - прорвавшийся фолликул; 1 - ооцит первого порядка, остановившийся в профазе I; 2 - фолликулярные клетки; 3 - полость; 4 - ооцит первого порядка; 5 - подъем уровня ЛГ; 6 - ооцит первого порядка завершает первое деление мейоза, превращаясь в ооцит второго порядка; 7 - поверхность яичника; 8 - ооцит второго порядка; 9-1-е полярное тельце (по Б. Албертсу и соавт.)
После созревания пузырек, находящийся непосредственно под покровным эпителием яичника и даже приподнимающий его, разрывается. Яйцеклетка (вторичный ооцит), окруженная блестящей оболочкой и фолликулярными клетками, входит в свободную брюшную полость (овуляция), откуда попадает в маточную трубу. В обоих яичниках новорожденной девочки около 2 млн ооцитов первого порядка. К началу полового созревания в яичниках остается около 300 тыс. первичных ооцитов, большинство из которых также гиб нет в течение периода половой зрелости. У женщины созревает лишь 300 - 400 яйцеклеток.
Созревание ооцитов приостанавливается на стадии метафазы-Н мейотического деления. Уже в просвете трубы после оплодотворения завершается мейоз, в результате чего образуется яйцеклетка, обладающая гаплоидным набором s-хромосом.
Несмотря на принципиальное сходство генетических процессов при сперматогенезе и оогенезе, между ними существуют значительные различия. На рис. 203 показан ряд параллелей между двумя этими процессами.
Во-первых, это касается продолжительности периода митотического размножения сперматогоний, что отмечено выше.
Во-вторых, у индивидуумов женского пола первое деление мейоза начинается в период внутриутробного развития, впервые завершается к моменту полового созревания, а в последний - накануне менопаузы. У мальчиков мейоз начинается только ç достижением половой зрелости и сохраняется в течение всей половой зрелости мужчины.
Рис. 203. Различные стадии спермато- и оогенеза:
А - сперматогенез: 1 - первичная половая клетка; 2 - перемещение первичной половой клетки в гонаду; 3 - сперматогония; 4 - митоз «диплоидной» сперматогонии; 5 - сперматоцит первого порядка; 6 - первое деление мейоза (мейоз I); 7 - сперматоцит второго порядка; 8 - второе деление мейоза (мейоз II); 9 - сперматида; 10- дифференцировка сперматид; 11 - зрелый сперматозоид;
Б - оогенез: 1 - первичная половая клетка; 2 - перемещение первичной поповой клетки в гонаду; 3 - оогония; 4 - митоз «диплоидной» оогонии; 5 - ооцит первого порядка; 6 - первое деление мейоза (мейоз I) с остановкой в профазе; 7,8- созревание ооцита первого порядка; 9 - кортикальные гранулы; 10- завершение мейоза; 11 - ооцит второго порядка; 12- первое полярное тельце; 13 - второе деление мейоза (мейоз II); 14 - второе полярное тельце; 15 - зрелая яйцеклетка
В-третьих, образование зрелых половых клеток у женщин происходит циклически с периодом примерно 28 дней, в то время как у мужчин это происходит непрерывно.
В-четвертых, в отличие от сперматогоний, каждая из которых в результате мейоза дает четыре функционально полноценных сперматозоида, из оогонии получается только одна яйцеклетка. После первого деления мейоза в одну дочернюю клетку отходит большая часть цитоплазмы, а во вторую, называемую направительным тельцем, малая. Аналогично происходит во время второго деления мейоза. Направительные тельца дегенерируют.
В-пятых, мужская и женская половые клетки сильно отличаются по строению и функции: сперматозоид - маленькая подвижная клетка, очень богатая митохондриями, которые снабжают его энергией для движения, в то время как яйцеклетка - самая большая клетка человеческого организма (диаметр 150 - 200 мкм), содержащая не только значительные запасы питательных веществ, но и матричные РНК, которые будут использоваться на ранних стадиях развития зародыша. Яйцеклетка окружена питающими ее фолликулярными клетками и образует специализированную структуру - фолликул (граафов пузырек).
Вопросы для самоконтроля и повторения
1. Опишите основные этапы сперматогенеза.
2. Каковы основные этапы оогенеза?
3. Проведите сравнительный анализ спермато- и оогенеза.