Проэмбриональный период. 
Пренатальная цитогенетика

Учитывая важность процессов проэмбрионального периода и начальных этапов эмбриогенеза в этиологии и патогенезе хромосомной патологии, рассмотри: гаметогенез (сперматогенез и оогенез) и оплодотворение.

Гаметогенез

Все половые клетки млекопитающих и человека берут начало от первичных половых клеток (ППК) — гоноцитов. Происхождение ППК до настоящего времени окончательно не выяснено. Не вызывает, однако, сомнения, что эти клетки возникают значительно раньше, чем появляются зачатки гонад, то есть они имеют экстрагонадное происхождение. Согласно существующим представлениям ППК могут быть обнаружены в первичной полоске уже на 16−18-й день развития, затем они перемещаются в желточную (внезародышевую) энтодерму у основания аллантоиса, мигрируют в энтодерму средней кишки, откуда и попадают в половые валики — зачатки гонад. В последнее время получены данные о том, что ППК выделяются в самостоятельный эмбриональный зачаток значительно раньше, еще во время дробления и формирования бластоцисты.

Рис 2. Принципиальная схема сперматогенеза и оогенеза.

Попав в зачатки гонад, гоноциты впервые обнаруживают признаки полового диморфизма. При формировании мужских гонад (семенников) они окружаются клетками целомического эпителия, образуя так называемые «половые тяжи», в составе которых пребывают в латентном, недифференцированном состоянии (сперматогоний) вплоть до начала полового созревания.

При формировании женских гонад (яичников) гоноциты задерживаются в наружном, корковом слое мезенхимной ткани половых валиков, активно пролиферируют, вступают в мейоз, после чего каждый из них окружается фолликулярными клетками и, в виде ооцитов 1-го порядка, сохраняется до полового созревания. Принципиальная схема гаметогенеза у млекопитающих и человека приведена на рисунке 2.

Сперматогенез

Общая продолжительность сперматогенеза у человека составляет 72 дня. За это время стволовые клетки сперматогенного ряда (сперматогоний), находящиеся в глубине извитых семенных канальцев, проходят длительный путь дифференцировки до зрелых, практически лишенных цитоплазмы, сперматозоидов, содержащих гаплоидный набор хромосом.

В процессе сперматогенеза различают две фазы — тестикулярную и эпидидемальную. Во время первой происходят основные этапы дифференцировки сперматогоний в сперматозоиды; во время второй завершается созревание спермиев. В результате накопления мукополисахаридов, холестерина, других защитных белков, меняются свойства наружных мембран, спермин приобретают подвижность.

Сперматогенез (тестикулярная фаза) включает два последовательных этапа: собственно сперматогенез и спермиогенез. Тестикулярная фаза контролируется гормонами гипофиза (фолликулостимулирующим и лютеотропным) и собственными гормонами семенников — тестикулярными андрогенами (тестостероном, андростендионом и другими), которые продуцируются клетками Лейдига, находящимися в строме извитых семенных канальцев.

На 1-м этапе вступающие в мейоз клетки (сперматоциты 1-го порядка) претерпевают два последовательных мейотических деления. При этом из одного сперматоцита 1 -го порядка возникают 4 клетки (сперматиды) с гаплоидным числом хромосом. Все процессы дифференцировки проходят в стенке извитых семенных канальцев. При этом клетки сперматогенного ряда находятся непосредственно в цитоплазме клеток Сертоли, которые обеспечивают питание сперматоцитов и сперматид.

Во время спермиогенеза гаплоидные клетки — сперматиды — проходят ряд последовательных стадий дифференцировки (фаза Гольджи, фаза колпачка, акросомная фаза, фаза созревания). Они утрачивают цитоплазму, формируют специальные органоиды (хвост, шейку, акросому). Акросома возникает непосредственно из мембран аппарата Гольджи, покрывает в виде колпачка переднюю часть головки спермия (примерно до ее середины) и содержит набор литических лизосомных ферментов, важных для оплодотворения.

Особенно существенные изменения происходят непосредственно в ядре клеток. ДНК в составе хромосом утрачивает типичную для соматических клеток нуклеосомную организацию. Гистоновые белки, характерные для функционально активной ДНК, заменяются на кислые белки, богатые аргинином и протаминами. Спирализация ДНК достигает максимальной величины. Ежедневно у человека активного репродуктивного возраста продуцируется свыше 10 млн зрелых сперматозоидов.

Оогенез

В отличие от мужских половых клеток родоначальники женских половых клеток — оогонии — претерпевают важнейшие стадии дифференцировки, включая все этапы профазы мейоза, еще во внутриутробном периоде развития. Достигнув зачатков будущих яичников (половых валиков) примерно к концу 1-го — середине 2-го месяца беременности, гоноциты теряют амебоидную подвижность, вступают в контакт с клетками фолликулярного эпителия и преобразуются в оогонии. В течение последующих 3−4 месяцев оогонии активно делятся митозом. В результате их число возрастает от исходных 1500−2000 клеток до нескольких миллионов. Максимальное число оогоний (до 7 млн) находится в яичниках плодов женского пола на 7-м месяце беременности. Сразу же за периодом размножения следует апоптоз — запрограммированная гибель большей части оогониев. Причины апоптоза остаются невыясненными. Неясна и селективная роль такой массовой клеточной гибели. Возможно, погибают те оогонии, которые по тем или иным причинам не могут трансформироваться в ооциты и вступить в мейоз, либо, что кажется более правдоподобным, гибнущие клетки — это ооциты, находящиеся в профазе мейоза.

Количество женских половых клеток к концу беременности и у новорожденных уменьшается в среднем до 2 млн, к 7 годам —до 300 000, а к началу полового созревания — до 40 000. Реально в течение всей жизни овулирует не более 400−500 ооцитов. Значительная часть естественной убыли женских половых клеток происходит в результате апоптоза оогониев, другие погибают уже внутри атретических фолликулов, которые не доходят до овуляции. Уместно также отметить, что в отличие от млекопитающих, процессы оогенеза у человека протекают асинхронно, а потому значительно растянуты во времени.

Уже с 3-го месяца беременности часть оогониев завершает циклы митотических делений, трансформируется в ооциты и вступает в период роста. Они увеличиваются в размерах, окружаются фолликулярными клетками, вступают в профазу мейоза. Однако в отличие от мужского мейоза, в оогенезе вслед за профазой не наступает метафаза, а мейоз блокируется, и ооциты надолго, вплоть до начала полового созревания, переходят в состояние покоя —диктиотену. Предполагается, что блокада мейоза связана с действием особых факторов, секретируемых соматическими (фолликулярными) клетками гонады. Окруженные одним слоем фолликулярных клеток ооциты образуют так называемые первичные (примордиальные) фолликулы. До полового созревания длится период медленного роста, во время которого прогрессивно увеличивается число слоев фолликулярных клеток, окружающих ооцит на стадии покоя (диктиотены). Ядро ооцита на этой стадии очень крупное, светлое, называется иногда «зародышевым пузырьком». Характерной структурой такого ядра у человека являются «ламповые щетки» — петли ДНК, на которых происходит активный синтез РНК-комплексов, откладывающихся в ооплазме до момента оплодотворения. Размеры ооцита по мере увеличения числа фолликулярных клеток также увеличиваются. Рост самого ооцита прекращается только с началом периода быстрого роста его фолликула, что совпадает с периодом полового созревания. В это время внутри фолликула образуется полость (антрум), которая заполняется жидкостью. Ее размеры быстро увеличиваются. Фолликул превращается в Граафов пузырек.

Созревание ооцитов начинается с возобновления мейоза и заканчивается только после оплодотворения, когда завершается 2-е мейотическое деление. С наступлением активного репродуктивного возраста ооциты группами (5−10 шт.) вступают в мейоз, однако в большинстве случаев в каждом цикле овулирует только один, наиболее продвинутый в развитии доминантный фолликул, тогда как ооциты в остальных фолликулах, вступившие в период созревания, прекращают развитие и подвергаются атрезии.

Рост и созревание фолликулов с находящимися в них ооцитами находится под гормональным контролем как со стороны гипофиза (фолликулостимулирующий гормон — ФСГ, лютетропный гормон — ЛГ) и гипоталамуса (пролактин — гонадотропин-релизинг гормон), так и самого яичника (эстрогены, гормоны фолликулярных клеток, прогестерон — гормон желтого тела). При этом период роста ооцитов, особенно период быстрого роста, контролируется преимущественно ФСГ, а период созревания — ЛГ. Примерно за сутки до овуляции, то есть до разрыва Граафова пузырька и выхода ооцита, отмечается пик подъема ЛГ.

Оплодотворение

Кульминационным моментом зарождения новой жизни является встреча мужских и женских гамет.

Примерно через сутки после подъема в крови женщины уровня ЛГ отмечается набухание и разрыв «зародышевого пузырька» (ядра ооцита), возобновляется мейоз, отделяется 1-е полярное тельце. Во время овуляции происходит разрыв Граафова пузырька, и ооцит на стадии метафазы II, окруженный «лучистым венцом» (corona radiata) из гранулезных клеток яйценосного бугорка (cumulus), попадает в ампулярную часть яйцевода, где обычно и происходит оплодотворение. Собственные оболочки овулировавшей яйцеклетки представлены блестящей оболочкой (zona pellucida) и плазматической (вителлиновой) мембраной, непосредственно прилежащей кооплазме. Блестящая оболочка имеет преимущественно мукополисахаридную природу и является продуктом как самого ооцита, так и питающих его фолликулярных клеток. Ее важной особенностью является наличие особых белков — гликопротеи-нов ZP1, ZP2 и ZP3, ответственных за видовую специфичность оплодотворения Овулировавший ооцит, безусловно, является самой крупной клеткой организма. Его диаметр без блестящей оболочки составляет 110−120 микрон, с блестящей оболочкой — 140—150 микрон.

Сперматозоиды приобретают способность к оплодотворению только после нескольких часов пребывания в половых путях женщины. Во время их продвижения по яйцеводам, происходит удаление с наружной плазматической мембраны защитных белков, мукополисахаридов (в том числе фактора декапацитации) и холестерина. В результате этих процессов, получивших название реакции капацитации, изменяется электрический заряд наружной мембраны, усиливается потребление кислорода, возрастает подвижность сперматозоидов. Капацитация in vitro может быть получена путем инкубации в течение нескольких часов отмытых от слизи сперматозоидов в солевом растворе при +37^?С.

Считается, что in vivo места оплодотворения в яйцеводе достигают только несколько сперматозоидов из общего числа 30—40 млн клеток в одном эякуляте. Сперматозоиды могут сохранять способность к оплодотворению в течение нескольких дней, а по некоторым наблюдениям — до 1 недели.

Основные биологические барьеры на пути проникновения спермия в овулировавшую яйцеклетку представлены клетками лучистого венца, блестящей (zona pellucida) и плазматической (вителлиновой) оболочками яйцеклетки.

Преодоление лучистого венца (corona radiata) достигается активным движением самого сперматозоида, а также за счет растворения и разжижения межклеточного мукополисахаридного матрикса гиалуронидазой, выделяемой акросомами погибших спермиев.

Пройдя через corona radiata, сперматозоид вначале неспецифически, а затем специфически связывается с поверхностью блестящей оболочки. Происходит так называемая «акросомная реакция»: в результате разрушения наружной акросомной мембраны спермия высвобождается набор литических ферментов (гиалуронидаза, акрозин, нейраминидаза), которые и обеспечивают пенетрацию блестящей оболочки. Общая продолжительность акросомной реакции составляет 10−15 минут. Естественно, что преодоление блестящей оболочки, являющейся наиболее серьезным естественным барьером, требует изначально наличия интактной нормальной акросомы. Сперматозоиды с неправильной формой головки или с нарушенной акросомой не способны к естественному оплодотворению.

Пройдя через блестящую оболочку, сперматозоид связывается своей постакросомальной областью (экваториальным сегментом) с микрофиламентами вителлиновой оболочки и погружается внутрь ооплазмы путем пиноцитоза, то есть без разрушения целостности наружной мембраны яйцеклетки.

Присоединение сперматозоида к плазматической мембране сопровождается сложной ответной реакцией яйцеклетки, получившей название «кортикальной реакции», или «реакции активации». Подобно волне, она распространяется по поверхностному слою яйцеклетки от места проникновения первого сперматозоида. Ее начало знаменуется локальным повышением концентрации ионов Са²⁺, которое стимулирует распад находящихся в кортикальном слое ооплазмы лизосомоподобных структур — кортикальных гранул, содержимое которых (протеиназы, пероксидазы, нейраминидаза) быстро достигает сначала плазматической, а затем и блестящей оболочек. При этом происходит сокращение кортикального слоя ооплазмы, в результате между блестящей и плазматической оболочками появляется перивителлиновое пространство. В самой блестящей оболочке наблюдается быстрое разрушение рецепторных гликопротеинов ZP3, что делает невозможным прикрепление и проникновение в яйцеклетку других сперматозоидов (блок полиспермии). Реакция активации приводит к снятию мейотического блока, быстрому завершению яйцеклеткой 2-го деления созревания и отделению в перивителлиновое пространство 2-го полярного тельца. Головка спермия, попавшая в ооплазму в результате оплодотворения, и оставшийся после 2-го мейотического деления гаплоидный набор хромосом яйцеклетки трансформируются соответственно в мужской и женский пронуклеусы. Оплодотворение, продолжительность которого не превышает 24 часа, завершено. Начинается индивидуальное развитие нового организма.