МЕЙОЗА. ГАМЕТОГЕНЕЗА


1. Полови процеси при еукариотите

         След като митозата осигурява точно възпроизвеждане на клетката, не е трудно да се уреди възпроизвеждането на целия организъм. Такова размножаване, основано изцяло на митозата, се нарича безполово (при растенията често и вегетативно). Безполовото размножаване е ефективно – протича бързо и отнема на родителя сравнително малко ресурси. То обаче има и недостатъци или по-точно ограничения, които при по-сложните организми стават твърде очевидни.

         В течение на времето всеки геном неизбежно трупа мутации, повечето от които са вредни. Ако геномът е малък, а поколенията се сменят много бързо, неприспособените мутанти ще се отсяват от естествения отбор и по всяко време повечето геноми ще бъдат "добри". Това обаче може да бъде решение само за простите организми като прокариотите. Всяко усложняване на организацията е свързано с раздуване на генома и забавяне на размножаването. Стига се до положение всяка клетка да носи вредни мутации. На този етап никакъв отбор не може да възвърне "добрия" геном, защото всички налични геноми са повече или по-малко "лоши" и няма между какво да се избира.

         С подобни проблеми се сблъскват майсторите-вехтошари, които се опитват от негодни машини да получат годни. Решението е от две еднотипни машини с различни повреди да се сглоби една работеща. Аналогично можем да предположим, че всеки геном на сложен организъм носи някои вредни мутации, но има и дълги ДНК-участъци, свободни от такива мутации. Следователно, ако отделните индивиди от популацията заедно преразпределяха своите молекули ДНК, би могъл да се сглоби доста добър геном. Така може не само да се чистят вредните мутации, а и да се събират у един индивид две или повече полезни мутации. Обмяната на гени между индивиди от един вид се нарича полов процес и се открива при всички групи еукариоти.

         Досега няколко пъти при обсъждането приравнихме половия процес към половото размножаване. Това не е съвсем вярно – например чехълчетата осъществяват полов процес, като две клетки се допират, обменят хаплоидни ядра и се разделят, оставайки си две. Измежду живия свят обаче най-близки са ни многоклетъчните еукариоти, а при тях половият процес и половото размножаване наистина са синоними. Причината е, че обмяната на генетичен материал се осъществява от отделни клетки. В нея не може да участва организирана съвкупност от клетки, каквато е многоклетъчният организъм. За да се радват на полов процес, многоклетъчните организми трябва да имат в развитието си едноклетъчна фаза. На практика въпросът се урежда, като от организма се отделят единични клетки, даващи начало на нови организми. Оттук идва връзката между полов процес и размножаване, която липсва при едноклетъчните. Тук се корени и сложното развитие на многоклетъчните организми. При половото размножаване организмовата структура се губи, слиза се на по-ниско ниво на организация – клетъчното. След като обмяната на гени приключи, пред всяка участвала клетка остава дребната задача да изгради също такъв организъм, от какъвто е произлязла.

         При половия процес на чехълчетата от клетка в клетка се прехвърлят само части от наследствения материал. Огромното мнозинство еукариотни клетки обаче инвестират в половия процес цялото си ядро. Иначе казано, половият процес се състои в сливане на участващите клетки и техните ядра – оплождане. По-долу ще разглеждаме само този типичен случай. Клетките, участващи в оплождането, се наричат полови клетки или гамети (от гр. гаметос – съпруг). "Сборната" клетка, получена при оплождането, се нарича зигота (от гр. зиготос – съединен, впрегнат заедно).

         Оплождането, разбира се, удвоява хромозомния набор. За да бъде зиготата диплоидна, гаметите трябва да са хаплоидни. Следователно жизненият цикъл на еукариотите включва редуващи се диплоидна и хаплоидна фаза. От хаплоидно в диплоидно състояние се преминава чрез оплождане, а от диплоидно в хаплоидно – чрез специално клетъчно делене. Понеже намалява наполовина хромозомния набор, това делене се нарича мейоза (от гр. мейозис – намаляване).

         Мястото на мейозата в жизнения цикъл силно варира при различните еукариоти. Някои като причинителя на маларията (едноклетъчното Plasmodium) явно се чувстват неудобно в диплоидно състояние и провеждат мейоза веднага след оплождането. Сложните многоклетъчни (както животни, така и растения) обаче предпочитат диплоидността. Гръбначните животни са довели тази насока докрай. Те провеждат мейоза една когато тя няма накъде да се отлага, а хаплоидните им клетки не са годни за друго освен за оплождане.

         Половият процес по същество, т.е. оплождането, е предмет на следващия раздел. Сега ще насочим вниманието си към мейозата, която прави оплождането възможно.

2. Мейоза

         Мейозата в много отношения прилича на митозата и до голяма степен използва нейния апарат. Тъй като мейозата е по-рядко използвана и по-сложна от митозата, можем спокойно да приемем, че мейозата е произлязла от митозата. За жалост нямаме данни как е станало това.

         Първото мейотично делене се предхожда от същите фази на подготовка като митозата – G1, S, G2. От наша гледна точка репликацията е излишна. Ако не беше тя, би могло да се мине само с едно делене, за да се получат клетки с брой хромозоми n и количество ДНК с. При реплицирана ДНК за целта е наложително деленията да са две. Но все пак не ние правим мейоза, а клетката. Двете деления се означават като мейоза І и мейоза ІІ.

         Навлизането на клетката в профазата на първото мейотично делене (профаза І) личи по това, че в ядрото започват да се очертават видими хромозоми. Те се въвличат в любопитни събития, неприсъщи на митотичната профаза. Ако със светлинен микроскоп се наблюдават клетки в профаза І, хромозомите се виждат като нишки, които се удебеляват и скъсяват. За разлика от митотичната профаза обаче те остават закрепени с двата си края за ядрената обвивка. Макар че след репликацията, разбира се, всяка хромозома се състои от две хроматиди, те дълго време не се виждат отделно.

         Малко след като хромозомите добият видими очертания, започва нов процес. Хомоложните хромозоми се доближават една до друга и се свързват първо в отделни участъци, а после по цялата си дължина. Сближаването се нарича конюгация или синапсис (от гр. синапсис – съединение). Всяка двойка събрани заедно хомоложни хромозоми се нарича бивалент, а също така и тетрада, защото съдържа общо 4 хроматиди.

         Когато хомоложните хромозоми осъществят синапсис по цялата си дължина, на места техни несестрински хроматиди си обменят участъци – процес, наречен прекръстосване или кросинговър (от англ. crossing over).

         След известно време конюгиращите хромозоми се разделят по дължината си, но остават свързани в някои точки, наречени хиазми. Хиазмите всъщност са местата, където малко преди това е протекъл кросинговър.

         Малко след като се очертаят хиазмите, хромозомите се кондензират допълнително. Едва сега се вижда, че всяка хромозома се състои от две сближени успоредни хроматиди. Профазата най-сетне заприличва на "нормална" профаза – хромозомите се откъсват от ядрената обвивка, а в цитоплазмата се образува делителното вретено.

         Като се има предвид сложността на описаните процеси, не е чудно, че профаза I изисква повече време от всички останали стадии на мейозата, взети заедно. Обичайната й продължителност е няколко денонощия (ако не говорим за овоцитите на гръбначните, които "засядат" в профаза I за месеци или години).

         С прехода към метафаза I ядрената обвивка се разпада. Хомоложните хромозоми още са свързани помежду си в хиазмите. Двете хроматиди на всяка хромозома остават плътно долепени по дължината си, което се осъществява от свързващи белтъци. Центромерите им се закачат общо за една нишка на делителното вретено. При това центромерите на двата хомолога от всеки бивалент се свързват с нишки, идващи от срещуположните полюси. Въпреки че двете нишки ги теглят в противоположни посоки, хомоложните хромозоми не се разделят. Това, което ги държи заедно, са хиазмите. Така че кросинговърът има две функции: да създава нови съчетания от гени и да образува хиазми, които са нужни за правилното протичане на метафаза І.

         Двете хроматиди на всяка хромозома стоят долепени до края на метафазата. Изведнъж връзките между тях се разкъсват. Хроматидите се разделят, оставайки свързани само в центромерната област. Хромозомите се "разкрачват", заприличвайки на митотични. Хиазмите се разпадат. Без да се разполовяват на хроматиди, хомоложните хромозоми поемат към полюсите. Това е началото на анафаза I.

         Телофаза I и цитокинезата не се различават съществено от митотичните. Клетката се разделя на две, всяка с хаплоиден брой хромозоми. Работата обаче още не е свършена, защото хромозомите са реплицирани (имат по 2 хроматиди), а клетките се чувстват неудобно с реплицирана ДНК.

         Интерфаза II след телофаза I (понякога наричана интеркинеза) е необичайно кратка. ДНК не се удвоява. Като че ли единственото достойно за отбелязване е, че хромозомите се декондензират (макар и не винаги докрай).

         Второто мейотично делене не се отличава принципно от митотично. Стадиите му се означават като профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза II. След цитокинезата се получават общо 4 хаплоидни клетки, в които всяка хромозома се състои само от 1 хроматида.

         И така, по своя резултат мейозата съществено се отличава от митозата:





3. Гаметогенеза

         Образуването на половите клетки (гаметите) се нарича гаметогенеза (от гр. генесис – произход). Протича в органи, наречени полови жлези или гонади. Най-ранните предшественици на половите клетки се наричат първични полови клетки. Те и техните потомци до зрелите гамети общо се наричат клетки на половия път, а всички други клетки на организма – соматични клетки (от гр. сома – тяло).

3.1. Овогенеза

         Двете полови клетки са неравностойни. По-голямата освен хромозоми носи и почти всичко друго, което е нужно на бъдещия организъм за успешен старт в живота. Това е женската полова клетка или яйцеклетката. Образуването й се нарича овогенеза от лат. ovum – яйце и протича в яйчника (женската полова жлеза).

         Тъй като многоклетъчните животни са склонни да бъдат диплоидни възможно най-дълго, при тях мейозата е част от гаметогенезата. Овогенезата протича на етапи, определени най-вече от хода на мейозата.

3.1.1. Митотично размножаване на овогониите и нарастване на овоцитите

         След като се настанят в яйчника, първичните полови клетки се превръщат в овогонии (от гр. гонос – семе). Това са диплоидни клетки, които се размножават чрез митоза. Когато навлязат в първото мейотично делене, те се наричат овоцити от I ред. Клетките, които извършват второто мейотично делене, са овоцити от II ред. Със завършването на мейозата те стават зрели яйцеклетки или яйца. Често обаче терминът зряла яйцеклетка (яйце) се използва с функционално значение – женска гамета, готова за оплождане, а това може да бъде доста преди края на мейозата. В българската литература е създадена допълнителна бъркотия, тъй като "яйцеклетка" е точен превод на "овоцит", но вторият термин е запазен за по-ранните стадии, а първият – за по-зрелите.

         Овогониите са склонни да стоят далеч една от друга и вместо със себеподобни се обграждат със соматични клетки, които ги обслужват. При някои животни, които отделят голям брой дребни яйца, яйчникът съдържа овогонии и във възрастно състояние и периодично някои от тях навлизат в следващите етапи на овогенезата. При повечето животни обаче, включително бозайниците, женският организъм разполага с овогонии само докато е зародиш.

         На определен етап от зародишното развитие всички овогонии едновременно навлизат в мейоза и стават овоцити от I ред. При човека това става между 3. и 8. месец на зародишното развитие. Овоцитите навлизат в профаза І и "се заковават" там доста дълго.

         Макар мейозата засега да не напредва, овоцитите от I ред не си губят времето. То се използва за усилен растеж. Овоцитът трябва да натрупа запаси за бъдещия зародиш. Към края на растежа женската гамета по големина вече рязко се отличава от соматичните клетки. 

         Цитоплазмата се зарежда с гранули жълтък. Той е смес от хранителни вещества, най-вече белтъци и липиди. Изграждат се много рибозоми. Синтезират се и тРНК и мРНК в голямо количество. Синтезираните мРНК се трупат в запас в комплекс с белтъци, които ги защитават от разграждане и им пречат да се транслират преждевременно.

         Запасите, трупани в яйцето, обикновено се разпределят неравномерно. Най-голямото им струпване е под определена точка на повърхността на овоцита, наречена вегетативен полюс. В посока към срещуположния полюс, наречен анимален, те постепенно се разреждат, образувайки градиенти. Явлението се нарича цитоплазмена сегрегация (или овоплазмена сегрегация, от овоплазма = цитоплазма на яйцето). Ядрото се разполага близо до анималния полюс.

         Трупайки запаси в цитоплазмата си, овоцитът достига ограмни, нетипични за клетка размери. Диаметърът му често надхвърля 1 mm, а при сухоземните гръбначни – и 1 cm. При плацентните бозайници обаче грижата за зародиша тежи не върху яйцето, а пряко върху майчиния организъм. Затова яйцеклетките са малки, макар и много по-големи от типичните соматични клетки. Цитоплазмата съдържа малко жълтък и мРНК и, което е още по-важно, не показва забележима сегрегация. Тази "безинтересна" овогенеза е вторична. Някога всички бозайници са имали огромни яйца с много жълтък и надеждни обвивки. Колкото по-тясна е ставала връзката майка – в хода на еволюцията, толкова повече е отслабвала ролята на запасите и е намалявало количеството им.

         Над клетъчната мембрана се изграждат допълнителни обвивки. Най-вътрешната и най-важната е гликопротеинова мрежа. При бозайниците тя се нарича прозрачна обвивка (на латински zona pellucida), а при другите животни носи не особено логичното име жълтъчна обвивка. Тя защитава механично яйцето и е проходима само за сперматозоиди от същия вид.

         Над жълтъчната (или прозрачната) обвивка се трупат още обвивки, чийто състав доста варира. Външните обвивки пазят яйцето от повреди и изсъхване, но основната им функция е да сигнализират на сперматозоидите, че яйцето е тук.

         При бозайниците всеки овоцит е заобиколен от спомагателни соматични клетки, наречени фоликулни. Комплексът от овоцита и неговите фоликулни клетки се нарича фоликул. Отвън той е ограден с базална мембрана, образувана от фоликулните клетки. Най-близките до овоцита фоликулни клетки служат като негова външна обвивка, както ще видим малко по-долу.

3.1.2. Зреене на овоцитите и фоликулите

         Развитието на овоцита след профаза І се нарича зреене. През него мейозата напредва, а най-често продължава и описаният по-горе растеж. Зреенето се задейства от хормонален сигнал, който се появява едва с настъпването на пубертета. Освен това при бозайниците отделните овоцити (или по-скоро техните фоликули) по неизяснен начин сигнализират помежду си. Тези, които са най-напред в развитието си, потискат останалите, затова нормално не узряват повече от няколко овоцита наведнъж (при човека – само един).

         Възобновяването на мейозата проличава по това, че хромозомите отново се спирализират. Появява се делително вретено, не след дълго ядрената обвивка се разрушава и започва метафаза I.

         Хромозомите и делителното вретено се разполагат в периферията на овоцита. Затова след цитокинеза I се образуват не две равностойни дъщерни клетки, а една огромна (овоцит от II ред) и една съвсем малка (първо полярно телце). Овоцитът от II ред е голям на практика колкото овоцита от I ред и наследява всичките му заложби. Полярното телце няма друга функция освен да бъде кошче за излишните хромозоми. При деленето то не получава почти никакви цитоплазмени органели и е обречено на бърза гибел.

         Не след дълго овоцитът от II ред навлиза във второто мейотично делене. До метафаза II то напредва гладко. При бозайниците и много други животни обаче метафаза II е ключов момент. Мейозата спира и не се възобновява до идването на сперматозоида. Затова, когато става дума за човек или мишка, никога не бива да се споменава или рисува зряла неоплодена яйцеклетка с ядро.

         Не е необходимо да се оглеждат подробно овоцитите, за да се разбере кои от тях зреят. Самите фоликули променят вида си. Фоликулните клетки се размножават и се разцепват на два пласта, между които чрез йонен транспорт се помпа течност под налягане. Клетките от външния пласт запазват връзката си с базалната мембрана на фоликула и затова остават в периферията. Клетките от вътрешния пласт запазват връзката си с овоцита и образуват около него струпване, наречено яйценосен хълм (от лат. cumulus oophorus). Няколкото реда кумулусни клетки, които са най-близо до овоцита, служат като негова външна обвивка и се наричат лъчист венец (corona radiata). Нараствайки, зреещите фоликули доближават повърхността на яйчника.

         По времето, когато овоцитът достигне метафаза II, самият фоликул е наедрял и издут от натрупаната в него течност. След хормонален сигнал хидростатичното налягане се покачва допълнително и рязко. Развръзката е логична: течността пука фоликула и разкъсва повърхността на яйчника срещу него. Процесът се нарича овулация. Фоликулната течност изтича извън яйчника, увличайки яйценосния хълм заедно с овоцита. Той се изтъркулва в телесната празнина, близо до началото на яйцепровода (наречен още маточна или Фалопиева тръба). Ресничките на тръбата го намират, захващат и насочват навътре. Там, в яйцепровода, овоцитът (вече обикновено наричан яйцеклетка) изчаква сперматозоида.



         При други животни (например морски таралеж) мейозата приключва изцяло, преди оплождането да е на дневен ред. Овоцитът не остава дълго в метафаза II, а преминава към анафаза II, телофаза II и цитокинеза. Отделя се второ полярно телце, малко и осъдено на дегенерация като първото. Хромозомите на яйцеклетката се деспирализират и се ограждат с ядрена обвивка. Полученото ядро обикновено се нарича не ядро, а женски пронуклеус, защото при евентуално оплождане ще даде половината от ядрото (нуклеуса) на зиготата.

3.2. Сперматогенеза

         Мъжката гамета при животните се нарича сперматозоид, а образуването й – сперматогенеза. Протича в мъжката полова жлеза, наречена семенник или тестис.

         Настанявайки се в семенника, първичните полови клетки стават сперматогонии. Доколкото мъжкият индивид отделя много повече гамети от женския, сперматогониите (за разлика от овогониите) не само осигуряват зрели гамети, а и през цялото време поддържат своята собствена численост. С други думи, група "стволови" сперматогонии се делят и някои от дъщерните клетки остават сперматогонии като майчините, а други поемат към диференциране.

         "Същинската" сперматогенеза (от сперматогонии до сперматозоиди) започва през пубертета по хормонален сигнал. Времевият й ход е стегнат и много по-лесно разбираем, отколкото на овогенезата.

         Подобно на много соматични клетки, които се делят за обновяване на своята тъкан, сперматогониите лежат върху базална мембрана. До тях има едри соматични клетки със спомагателна функция, наречени Сертолиеви. Подобно на фоликулните клетки при овогенезата те подпомагат изхранването и развитието на сперматогониите и техните потомци.

         При бозайниците вътрешността на семенника е запълнена от извити каналчета, в които протича сперматогенезата в посока отвън навътре. Най-незрелите клетки, сперматогониите, са в самата периферия на каналчето. По-навътре са тези, които извършват първото мейотично делене (сперматоцитите от I ред). Още по-навътре са клетките във второто мейотично делене – сперматоцити от II ред. Хаплоидните предшественици, наречени сперматиди, вече са близо до лумена (просвета) на каналчето. Колкото повече узряват, толкова са по-навътре. Накрая гаметата се откъсва от Сертолиевата клетка и се оказва свободна в лумена; от този момент тя се нарича сперматозоид. Напречен срез на семенно каналче може да се види на http://www.kumc.edu/instruction/medicine/anatomy/histoweb/male/male04.htm

         Сперматогониите, които продължават да се делят, остават здраво свързани с базалната мембрана. Сперматогониите, които ще се диференцират, се откъсват от мембраната и вече не навлизат в митоза. Вместо това те стават сперматоцити от I ред и навлизат в мейоза.

         Няма какво съществено да се добави за мейозата в семенника. Обикновено, когато се говори просто за мейоза, се има предвид мъжката мейоза, защото тя протича без досадни усложнения. Нужни са й между няколко дни и няколко седмици. От всеки сперматоцит от I ред се получават 4 равностойни хаплоидни клетки, наречени ранни или кръгли сперматиди.

         Както стана дума по-горе, към края на своята мейоза яйцеклетката е съвсем оформена, а много често е започнало и оплождането. В сперматогенезата обаче клетките, които могат да се поздравят с приключването на мейозата, не се отличават видимо от недиференцираните соматични клетки. Ранните сперматиди се превръщат във функционално годни зрели сперматозоиди едва след сравнително дълъг процес на диференциране, наречен формиране или спермиогенеза.

         Един от белезите на годност на сперматозоида е подвижността. Ясно е, че шансът за оплождане е нищожен, ако поне едната гамета не е активно подвижна, и че тази гамета няма да бъде огромната яйцеклетка. Сперматозоидът се движи чрез дълго камшиче, наречено опашка. Другата част на сперматозоида, която съдържа ядрото, се нарича главичка.

         Двете центриоли се свързват помежду си и се разполагат зад главичката в самото начало на опашката, наречено шийка. Едната центриола става базално телце. Върху нея се изгражда осевият апарат на опашката от 9 х 2 + 2 успоредни микротубули, който разгледахме в раздел Цитоскелет и клетъчна подвижност. В междинната част на опашката се разполагат митохондрии, които осигуряват необходимия за движението АТФ.

         Освен да достигне яйцеклетката, сперматозоидът трябва да се добере до мембраната й. При рибите в обвивката на яйцето се оставя малък отвор (микропил), но при повечето животни сперматозоидът е принуден да си пробива път със сила. За целта през спермиогенезата се трупа запас от подходящи смилателни ензими (хидролази). Те се опаковат в секреторни мехурчета, отделяни от апарата на Голджи. Мехурчетата се сливат и образуват голям мехур, наречен акрозома. Той се свързва с ядрото и се разполага на челно място в предната част на главичката. Между другото при плацентните бозайници акрозомните ензими не са толкова важни, колкото при другите животни, защото главичката на сперматозоида си пробива път през обвивките на яйцеклетката най-вече механично със заострената си предна част.

         Освен развитието на опашката и акрозомата през спермиогенезата протича още един важен процес: уплътняване на хроматина. Ранните сперматиди имат рехав хроматин, който впоследствие се кондензира все повече, докато при зрелия сперматозоид стане непроницаем. Изчислено е, че накрая ДНК е неколкократно по-плътно опакована, отколкото в метафазните хромозоми. За да се постигне това, хистоните се заменят с други ДНК-свързващи белтъци, наречени протамини. Те осигуряват различна и много по-плътна опаковка на ДНК, отколкото може да се постигне в соматичните клетки.

         Кондензацията на ДНК е нужна по две причини: първо, за да се смали ядрото, понеже сперматозоид с голямо ядро би имал лоши хидродинамични свойства, и второ, защото уплътнената ДНК е по-малко изложена на повреди.

         Малко преди да се отдели като зрял сперматозоид, късният сперматид прави още една жертва заради добрите си плавателни качества. Той изоставя почти цялата си цитоплазма. Отделена като т. нар. остатъчно телце, тя се фагоцитира от Сертолиевите клетки. Сперматозоидът задържа за себе си само акрозомата, известен брой митохондрии, центриолите и осевия апарат на опашката и тънък слой цитозол. Затова, докато яйцеклетката обикновено е най-голямата клетка в организма, сперматозоидът по правило е една от най-малките.



         Едно все още доста неясно свойство на сперматогенезата е изискването й за ниска температура. Нагряване над 33-34оС при повечето животни я разстройва. Бозайниците (с изключение на китоподобните) не са успели да приспособят сперматогенезата си да протича на топло. За да не споделя телесната температура от 37оС, семенникът се изнася в специална торбичка на повърхността на тялото, където може да пострада от удар или преохлаждане. На това отгоре дори и там се случва семенникът да прегрее. Затова се препоръчва мъжете да избягват тесните панталони и горещите бани, още повече че човекът заедно с най-близките до него примати поначало има сравнително неефективна сперматогенеза.


Основни източници

         Гилберт С. Биология развития. 1. т. Мир, Москва, 1993.
         Alberts B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 3rd Edition. Garland Publishing Inc., New York, London, 1994. [Online] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell


Copyright © Майя Маркова

Предишен раздел Начало Следващ раздел