Н.В.Быковская, Г.П.Соколов

ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛОВОГО РАЗМНОЖЕНИЯ

Методические рекомендации

Уссурийск

2002

Мейоз

Все клетки возникают в результате деления. В процессе митотического деления, когда хромосомы удваиваются и разделяются при помощи митотического аппарата, каждая клетка получает полный двойной комплект наследственных «инструкций». При делении клеток путем митоза сохраняется постоянное число хромосом, причем наборы хромосом в исходной и в двух дочерних клетках идентичны между собой по морфологическим и генетическим параметрам. Если бы образование половых клеток шло таким же путем, то после оплодотворения (слияния женской и мужской гаметы) число хромосом всякий раз удваивалось бы количественно, оставаясь совершенно неизменным по качественному составу. На самом деле этого не происходит. Каждому виду свойственно определенное число и определенный набор хромосом (кариотип). Это возможно лишь при условии, если при образовании гамет будет происходить редукция, т.е. уменьшение, числа хромосом вдвое. И действительно, редукционное деление имеет место при образовании гамет у животных (гаметическая редукция) и при образовании спор у растений (споровая редукция).

Два деления: редукционное и эквационное (уравнительное) деление - вместе образуют мейоз. Мейоз состоит из ряда фаз (рис. 1). Предшествует мейозу интерфаза, в процессе которой происходит синтез ДНК— редупликация хромосом. У многих растений и животных в мейозе первое деление бывает редукционным и фазы его обозначаются цифрой I, а второе—эквационным и фазы обозначаются цифрой II.

Редукционное деление начинается с профазы I, которая принципиально отличается от профазы митоза. Профаза I состоит из ряда стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез. Самая ранняя стадия профазы I—пролептотена—не отличается от начала профазы митоза—хромосомы еще деспирализованы, поэтому на фиксированных препаратах видна сетчатая структура ядра. В стадии лептотены (тонких нитей) уже хорошо видны отдельные нити очень тонких (слабо спирализованных) и длинных (в 2—5 раз длиннее метафазных) хромосом. Хромосомы в это время состоят из двух хроматид, соединенных общим участком — центромерой. Это говорит о том, что удвоение хромосом, их редупликация, в основном произошла в интерфазе, предшествующей мейозу.

На стадии зиготены (стадия конъюгирующих нитей) хромосомы, одинаковые по размеру и морфологии, т. е. гомологичные, притягиваются друг к другу— конъюгируют. Они соединяются друг с другом наподобие застежки «молния». Такое объединение хромосом-гомологов осуществляется благодаря присущей только мейозу уникальной структуре – синаптонемальному комплексу. Синаптонемальный комплекс обеспечивает тесный контакт между гомологичными сегментами хроматид. Это важное генетическое событие, поскольку оно делает возможным обмен участками между хроматидами гомологичных хромосом, приводя к качественному изменению внутренней генетической структуры хромосом. Этот обмен участками между хроматидами гомологичных хромосом получил название «кроссинговер». Каждая пара конъюгирующих гомологичных хромосом образует бивалент. Бивалент, таким образом, состоит из четырех хроматид, поэтому бивалент называют тетрадой.

В следующей стадии—пахитене (стадия толстых нитей)—происходит утолщение и укорочение хромосом, главным образом за счет спирализации и конденсации. Хроматиды одной хромосомы—сестринские - хорошо видны. В этой стадии хорошо различима продольная дифференциация хромосом, так что можно идентифицировать каждую хромосому. В пахитене хорошо видны ядрышки. Установленный на этой стадии небольшой дополнительный репарационный синтез ДНК считается доказательством того, что происходит кроссинговер.

В следующей стадии—диплотене (стадия двойных нитей)—происходит процесс, обратный тому, который имел место в зиготене, т. е. вместо притяжения гомологичные хромосомы начинают отталкиваться. Процесс отталкивания начинается в области центромеры и распространяется к концам. В это время хорошо видно, что бивалент состоит из двух хромосом (откуда и название стадии «двойные нити»), более того, хорошо видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид— диад. Всего в биваленте структурно обособлены четыре хроматиды, поэтому бивалент называют тетрадой. В это же время становится видно, что тела двух гомологичных хромосом переплетаются. Фигуры перекрещенных хромосом напоминают греческую букву «хи» (χ), поэтому места перекреста назвали хиазмами. Наличие хиазм связано с произошедшим кроссинговером. По мере прохождения этой стадии хромосомы как бы раскручиваются, происходит перемещение хиазм от центра к концам хромосом (терминализация хиазм). Это обеспечивает возможность движения хромосом к полюсам в анафазе.

На стадии диакинеза (стадия движения вдаль или стадия расхождения нитей) биваленты, которые заполняли весь объем ядра, начинают перемещаться ближе к ядерной оболочке. К концу диакинеза контакт между хроматидами сохраняется на одном или обоих концах. Исчезновение оболочки ядра и ядрышек, а также окончательное формирование веретена завершают профазу I.

В метафазе I биваленты прикреплены в области центромер к нитям веретена, причем центромеры гомологичных хромосом располагаются на противоположных сторонах экваториальной плоскости. Гомологичные хромосомы связаны друг с другом переместившимися к концам хромосом хиазмами.Число бивалентов вдвое меньше, чем число хромосом в соматической клетке организма, т. е. равно гаплоидному числу.

В анафазе I к полюсам отходят гомологичные хромосомы из каждого бивалента, т. е. число хромосом у каждого полюса уменьшается вдвое. Центромеры не делятся. В этот редуцированный гаплоидный набор попадает обязательно по одной гомологичной хромосоме из каждого бивалента. В этом принципиальное отличие мейоза от митоза.

Телофаза I очень короткая, в процессе ее идет формирование новых ядер. Хромосомы деконденсируются и деспирализуются. Так заканчивается редукционное деление.

Цитокинез у многих организмов происходит не сразу после деления ядер, так что в одной клетке лежат два ядра более мелких, чем исходное.

Затем наступает стадия интеркинеза, которая отличается от интерфазы тем, что в ней не происходит синтеза ДНК и дупликации хромосом, хотя синтез РНК, белка и других веществ может происходить.

Вслед за интеркинезом наступает второе деление мейоза—эквационное. Оно проходит по типу митоза. Возможность такого деления предопределена тем, что в интерфазе, предшествующей началу мейоза, хромосомы уже были дуплицированы, т. е. они уже состояли из двух сестринских хроматид, но в первом, редукционном делении к полюсам разошлись целые гомологичные хромосомы (каждая из двух хроматид). Эквационное деление состоит из тех же фаз, что и митоз. Профаза II очень короткая. Она характеризуется спирализацией хромосом, исчезновением ядерной оболочки, ядрышка, формированием веретена деления. В метафазе II центромеры всех хромосом выстраиваются в экваториальной плоскости. При рассмотрении пластинки с полюса хорошо видно, что число хромосом в клетке гаплоидное, а каждая хромосома состоит из двух хроматид. Нити веретена прикреплены к центромере таким образом, что в анафазе II после продольного деления (расщепления) центромеры (в первый и единственный раз в течение мейоза) одна хроматида идет к одному полюсу, а другая—к другому. Таким образом, в телофазе II в каждом ядре—гаплоидное число хромосом, а число ядер в клетке равно четырем. В клетке происходит цитокинез, в результате которого образуются четыре клетки.

Механизм распределения цитоплазматических структур между клетками в мейозе, так же как и в митозе, неизвестен. Эмпирически установлено, что они распределяются более или менее равномерно. Многочисленность и однозначность этих структур не требуют наличия такого точного механизма распределения, какой имеет место для распределения хромосом. Этот факт наряду с другими доказательствами, очевидно, и послужил основанием того, что в генетике сложилось представление о примате ядра в наследственности, а внимание биологов было привлечено к детальному изучению поведения хромосом в мейозе. Результатом этого было установление следующих фактов. Если гомологичные хромосомы в клетке отличаются друг от друга размером и формой—гетероморфная пара (это возможно за счет так называемых хромосомных перестроек),—то после их конъюгации в профазе мейоза можно наблюдать, что они изменили форму. Изменение формы и размера таково, что это говорит об обмене участками между хроматидами гомологичных хромосом (происходит кроссинговер). А это значит, что после мейоза в гаметах будут не только хромосомы, идентичные родительским (не обменявшиеся участками), но и хромосомы с новой комбинацией материала двух гомологичных хромосом (рис. 1).

При анализе поведения гетероморфных пар хромосом в мейозе было показано также, что две гомологичные хромосомы одной пары ведут себя так, что одна идет к одному полюсу, а другая—к другому, т. е. они зависят друг от друга. Но хромосомы разных пар (негомологичные) ведут себя независимо друг от друга, т. е. представители разных пар могут комбинироваться по-разному (рис. 1). Клетка с двумя парами хромосом дает клетки с 2² различными комбинациями хромосом, клетка с четырьмя парами хромосом – с 2⁴ комбинациями, клетка с двадцатью тремя парами хромосом – 2²³ комбинациями. Если учесть возможный обмен участками гомологичных хромосом, то число перекомбинаций достигнет астрономических цифр.

Итак, в мейоз I вступает диплоидная клетка, содержащая удвоенные хромосомы. В результате мейоза I образуются две гаплоидные клетки с удвоенными хромосомами. В результате мейоза IIобразуются четыре гаплоидные, генетически разнородные клетки с одинарными хромосомами.

Генетическое значение мейоза можно суммировать следующим образом. Во-первых, мейоз, состоящий из двух делений (редукционного и эквационного), обеспечивает постоянство наборов хромосом в ряду поколений организмов, размножающихся половым путем. Во-вторых, независимое поведение негомологичных хромосом в мейозе, так же как и обмен участками между гомологичными хромосомами, приводит к тому, что образующиеся в результате мейоза клетки имеют неидентичные наборы хромосом –случайно перекомбинированные отцовские и материнские хромосомы. Внутренняя структура хромосом претерпевает качественную перестройку за счет обменов между гомологичными хромосомами в результате кроссинговера. Таким образом, мейоз обеспечивает перекомбинацию генетического материала как на уровне целых хромосом (новые комбинации хромосом), так и на уровне участков хромосом. Это определяет принципиальное различие характера наследования признаков при половом и бесполом размножении.

Как правило, выделяют три типа мейоза: зиготный, промежуточный, гаметный. Зиготный (основной) тип характерен для гаплоидных организмов (гаплобионтов), у которых после образования зиготы следует мейоз. Для организмов (дипло-гаплобионтов), в жизненном цикле которых наблюдается как диплоидная, так и гаплоидная фазы, характерен промежуточный тип мейоза. Этот мейоз разделяет диплоидную и гаплоидную фазы жизненного цикла (спорофит и гаметофит). Конечным продуктом промежуточного мейоза являются вегетативные клетки – споры, из которых развиваются гаплоидные организмы, продуцирующие гаметы. У низших растений преобладает гаплофаза, у высших – диплофаза. Для организмов, у которых отсутствует гаплоидная фаза в жизненном цикле, характерен гаметный тип мейоза, т.е. этот мейоз наблюдается только в процессе гаметогенеза (у животных).

Гаметогенез у животных, спорогенез и гаметогенез у цветковых растений и процесс оплодотворения

Процесс развития и образования половых клеток называется гаметогенезом. Существенным этапом в этом процессе является мейоз, однако он не исчерпывает всего процесса гаметогенеза, который обладает спецификой у особей разных полов и у представителей разных групп организмов. Для понимания закономерностей наследования признаков при половом размножении очень важно знать эти особенности.

У животных в отличие от растений в онтогенезе очень рано обособляются зачатковые клетки, которые впоследствии дают начало половым железам и половым клеткам. Зачатковые клетки делятся митозом и образуют гонии. Сначала они одинаковы у особей разных полов, затем дифференцируются у самцов в сперматогонии, у самок—в оогонии. Дальнейший процесс их формирования идет по-разному и носит название у самцов—сперматогенеза, у самок— оогенеза. На рисунке 2 изображена схема развития мужских и женских половых клеток у животных.

В процессе сперматогенеза клетки проходят четыре фазы: размножение, рост, созревание, формирование. Сперматогонии делятся митозом с сохранением диплоидного числа хромосом (фаза размножения). Затем деления прекращаются, клетка растет и готовится к мейозу. В это время она называется сперматоцит I (первого порядка). Сперматоцит I вступает в фазу созревания и претерпевает мейоз. В результате первого деления (оно называется у животных первое деление созревания и у большинства бывает редукционным) образуются две гаплоидные клетки, их называют сперматоцитами II (второго порядка). Они делятся еще раз (второе деление созревания, эквационное, уравнительное) и образуют так называемые спер-матиды. Таким образом, из одного сперматогония образуются четыре сперматиды, которые вступают в фазу формирования сперматозоида, т. е. зрелой мужской половой клетки. Сперматозоиды животных имеют иногда очень сложное строение, необходимое для обеспечения им возможности слияния с женской половой клеткой (оплодотворение) в той или иной внешней среде. Сперматозоид состоит из головки, внутри которой помещается ядро, шейки и хвостика.

Сперматогенез у животных, и в частности у млекопитающих, начинается с момента закладки половых желез в эмбриогенезе. Затем после рождения самца он прекращается и вновь возобновляется после полового созревания и протекает постоянно в течение всего периода зрелости. Процесс этот проходит в половых органах—семенниках. Зрелые сперматозоиды по выходе из семенника под влиянием многочисленных гормонов в специальных органах (придатках) приобретают устойчивость к неблагоприятным факторам среды.

В оогенезе (рис. 2) клетка проходит в основном те же фазы, что и в сперматогенезе, но существует целый ряд особенностей. Так, после прекращения делений ооцит I (диплоидная клетка) в отличие от сперматоцита I проходит более выраженную стадию роста. В это время в цитоплазме ооцитов откладывается запас питательных веществ, необходимых для развития зародыша, вследствие чего ооциты приобретают очень большие размеры (например, желток куриного яйца).

После этого ооцит I вступает в мейоз, так же как и сперматоцит I. В результате первого деления созревания образуются две гап-лоидные клетки, но резко отличающиеся друг от друга. Одна, крупная, сохраняет весь запас питательных веществ, называется ооцит II, другая, значительно меньшая, неполноценная, представляет собой выделившееся под оболочку первой клетки ядро. Ее называют редукционное тельце (или полярное, или направительное тельце, или оотида). Она дегенерирует. Иногда перед дегенерацией редукционное тельце успевает разделиться еще раз, образуя два редукционных тельца, но судьба их всегда одинакова - они дегенерируют. Ооцит II делится (второе деление созревания) и образует опять две неравноценные клетки: одна—зрелая яйцеклетка, имеющая гаплоидный набор хромосом и несущая весь запас питательных веществ, другая—второе направительное тельце. Таким образом, в отличие от сперматогенеза из одного оогония образуется только одна функционирующая яйцеклетка, остальные три гибнут. Если вспомнить, что в процессе мейоза образуются клетки, несущие различные комбинации отцовских и материнских хромосом, то это обстоятельство должно иметь существенное значение в определении характера наследования признаков при половом размножении, так как у самки из всех образующихся комбинаций жизнеспособна только одна. Расхождение хромосом в яйцеклетку и направительное тельце в мейозе, как правило, носит случайный характер, поэтому при учете большого числа яйцеклеток сохранение лишь одного из четырех продуктов мейоза не меняет общей картины расщепления.

Яйцеклетка животных обычно круглая, без структурных усложнений, поэтому стадия формирования не играет существенной роли в оогенезе.

Оогенез у млекопитающих происходит в яичниках и тоже начинается в период эмбрионального развития. Так, у женского человеческого эмбриона в возрасте пяти месяцев бывают уже половые клетки на стадии ооцита I. После рождения оогенез вначале приостанавливается (на стадии ооцита I), а затем вновь продолжается с момента полового созревания, яйцеклетки развиваются из ооцитов I, возникших в эмбриогенезе. В течение всего периода половой зрелости оогенез протекает циклически (менструальные циклы у человека, астральные—у животных).

У растений процесс формирования половых клеток подразделяется на два этапа: 1-й этап—спорогенез, который завершается образованием вегетативных гаплоидных спор, и 2-й этап—собственно гаметогенез, в течение которого образуются зрелые гаметы. Процесс образования мужских половых клеток складывается из микроспорогенеза (образования микроспор) и микрогаметогенеза—созревания спермиев внутри пыльцевого зерна; процесс образования женских половых клеток складывается из мегаспорогенеза (или макро-спорогенеза) и мегагаметогенеза—формирования зрелого зародышевого мешка, в котором образуется яйцеклетка (рис. 3).

Процесс микроспорогенеза у цветковых растений протекает в пыльниках, причем еще в то время, когда бутон не раскрылся или когда колос у злаковых еще в трубке, у многолетних растений все это происходит осенью. В основе микроспорогенеза лежит мейоз, в результате которого образуются четыре споры (гаплоидные вегетативные клетки).

Образование пыльцевого зерна (микрогаметогенез) начинается с митотического деления ядра споры. Ядро делится митозом на два, и образуются две клетки—вегетативная и генеративная. Вегетативная клетка обладает запасом питательных веществ, которые необходимы для обеспечения роста пыльцевой трубки при прорастании пыльцы на рыльце пестика и для деления генеративной клетки на две, которые и представляют собой собственно мужские половые клетки растений. Они не обладают способностью к самостоятельному движению и называются спермиями. Мегаспорогенез протекает в семяпочке цветковых растении, когда одна из клеток субэпидермального слоя (археспориальная клетка) обособляется, растет и превращается в материнскую клетку мегаспоры. Этот процесс протекает во время цветения растений. В материнской клетке происходит мейоз, в результате которого образуются четыре клетки—мегаспоры. У большинства высших растений только одна развивается дальше, остальные три гибнут (моноспорический тип развития).

После образования мегаспоры, имеющей одно гаплоидиое ядро, начинается процесс формирования зародышевого мешка, в котором и образуется собственно яйцеклетка, т. е. начинается процесс мегагаметогенеза. Мегаспора растет, и у большинства растений ядро ее претерпевает три митотических деления. Крупная клетка с восьмью одинаковыми ядрами называется зародышевым мешком. Вокруг ядер обособляется плазма, поэтому эти образования иногда называют зародышевыми клетками. Две клетки, находящиеся у микропиле—входа в зародышевый мешок, называются синергидами. Они играют вспомогательную роль при оплодотворении и скоро погибают. Одна клетка—это собственно яйцеклетка. Две клетки называются полярными, при перемещении их в центр зародышевого мешка они сливаются, образуя одно диплоидное ядро. Оно называется центральным ядром зародышевого мешка. Последние три клетки чаще всего находятся на стороне, противоположной микропиле, и называются антиподами. Они играют вспомогательную роль в начале развития зиготы и затем погибают.

Кульминационным пунктом полового размножения является процесс оплодотворения. В норме оплодотворение состоит из двух этапов: слияние мужской и женской половых клеток (сингамия) и слияние их ядер (кариогамия). Поэтому принято называть оплодотворением побуждение женской половой клетки к развитию путем объединения в ней ядер мужских и женских половых клеток. Процесс оплодотворения в основных чертах схож у растений и животных, хотя и обладает некоторой спецификой.

У животных и растений женская половая клетка может быть оплодотворена только после того, как она закончит мейоз. У большинства же животных овуляция — процесс выхода диплоидной женской половой клетки из яичника—происходит на предмейотических стадиях. Овулировавшая клетка бывает также окружена венцом фолликулярных клеток, которые питают ее в яичнике. Только после рассеяния лучистого венца сперматозоид может проникнуть в нее. Фаза, в течение которой под влиянием гормонов спермы происходит рассеивание фолликулярных клеток, называется фазой активации яйца. После проникновения сперматозоида в яйцо ядро сперматозоида претерпевает ряд изменений и увеличивается в размерах; на этом этапе оно называется мужским пронуклеусом. В это время в яйцеклетке у некоторых животных завершается мейоз и формируется женский пронуклеус. Слияние пронуклеусов и есть собственно процесс оплодотворения, приводящий к возникновению диплоидной зиготы.

У растений в зрелый зародышевый мешок через микропиле проникает по пыльцевой трубке содержимое пыльцевого зерна, в том числе два спермия. Один из них сливается с яйцеклеткой, т. е. происходит процесс собственно оплодотворения. Возникает диплоидная зигота, из которой развивается зародыш семени. Другой спермий сливается с центральным ядром зародышевого мешка. Это новое ядро имеет три гаплоидных набора хромосом, т. е. триплоидно, и дает начало эндосперму. Процесс слияния спермия с центральным ядром зародышевого мешка получил название двойного оплодотворения и представляет собой специфическую особенность высших растений. Роль эндосперма в жизни растений очень велика: он служит для питания развивающегося зародыша.

Сравнение процессов развития и созревания половых клеток у животных и растений показывает почти полный параллелизм их, несмотря на то, что расхождение (дивергенция) растений и животных в филогенезе произошло на очень раннем этапе возникновения клеточной организации. Это указывает на однотипность принципов построения ряда приспособительных механизмов в растительном и животном мире.