EMBRIOLOGIA

Podstawowym czynnikiem ewolucji jest zmienność organizmów i ich dobór naturalny. Żeby mógł działać dobór, osobniki jednego gatunku muszą wykazać zmienność genetyczną. Dlatego najważniejszym zjawiskiem w rozwoju organizmów jest wykształcenie rozmnażania płciowego, co wiąże się z powstaniem płci: męskiej i żeńskiej. W tym typie rozmnażania produkowane są wyspecjalizowane komórki rozrodcze - gamety.

Powstawanie komórek rozrodczych.

Komórki rozrodcze wyodrębniają się w rozwoju osobniczym bardzo wcześnie - wcześniej niż komórki somatyczne. Linię tych komórek nazwano pasmem płciowym. Skrajnym tego przykładem jest powstanie komórek płciowych u glisty. Już pierwsze dwa podziały bruzdkowania wyodrębniają blastomer przeznaczony na komórki płciowe trzy blastomery dające początek komórkom ciała. Związane jest to z dyminucją chromatyny (wypadnięciem) w blastomerach symatycznych. Tylko blastomer mający dać początek komórkom linii płciowej zawiera całą informację genetyczną. U płazów natomiast już w zapłodnionym jaju wyróżniamy zróżnicowanie cytoplazmy. Na jednym biegunie powstaje bardziej zasadochłonne zagęszczenie cytoplazma - cytoplazma płciowa. Blastomery zawierające tę cytoplazmę dają początek pierwotnym komórkom płciowym. U ptaków i ssaków komórki płciowe wyodrębniają się we wczesnym okresie rozwoju w endodermie pozazarodkowej. W zarodku kury można je wyróżnić w stadium smugi pierwotnej (18 godz. inkubacji). U ssaków zauważamy je w endodermie pęcherzyka żółtkowego, tuż przy zawiązku omoczni, u czterotygodniowego zarodka (stadium 12-13 somitów). Komórki te charakteryzują się obecnością aktywnej fosfatazy zasadowej.

Pierwotne komórki płciowe następnie wędrują do somatycznego zawiązka gonad (grzebienia płciowego), gdzie się mnożą. Dalsze ich różnicowanie zależy od genetycznej determinacji płci.

Grzebień płciowy, utworzony z komórek mezenchymatycznych oraz nabłonka mezodermalnego przekształca się w jajnik lub jądro. W powstającej gonadzie wyróżniamy dwie części: korę i rdzeń. W przyszłym jądrze rozwinie się przede wszystkim rdzeń - dzięki uaktywnieniu induktora rozwoju gonad - medularyny. Natomiast w jajniku - część korowa, pod wpływem drugiego induktora - kortycyny.

Gametogeneza.

Oogeneza.

Ogólny schemat tworzenia się dojrzałych gamet żeńskich, czyli oogenezy, przedstawia się jednakowo w świecie zwierzęcym. Z pierwotnych komórek płciowych powstają oogonia, które namnażają się przez podziały mitotyczne. Część oogoni wchodzi w okres wielkiego wzrostu - zwiększa się wielokrotnie ich objętość. W cytoplazmie (ooplasma) powstają substancje niezbędne do rozwoju zarodka oraz substancje zapasowe - płytki żółtka (vitellus).

Oocyty I-rzędu (oociti primarii), wchodzą w profazę pierwszego podziału mejotycznego. Profaza mejotyczna ulega pierwszemu zahamowaniu w stadium diplotenu. Fazę też nazywa się także diktiotenem. Po zakończonej witellogenezie (tworzenie się żółtka) zostaje zakończony pierwszy podział mejotyczny, którego wynikiem jest powstanie oocytu II - rzędu (oocytus secudarius) i pierwszego ciałka kierunkowego. Podział cytoplazmy jest nierówny. Prawie cała ooplazma tworzy oocyt II - rzędu. Oocyt ten ulega drugiemu podziałowi mejotycznemu dając ootydę, czyli komórkę jajową (ovum) oraz drugie ciałko kierunkowe. Pierwsze ciałko kierunkowe może się także podzielić, dając potomną komórkę. W efekcie podziału mejotycznego powstaje haploidalna komórka jajowa, zawierająca prawie całą ooplazmę oraz trzy ciałka kierunkowe. Ciałka kierunkowe w procesie przebiegającym normalnie degenerują.

Dokładniej proces tworzenia się żeńskiej gamety prześledzimy na przykładzie oogenezy u ssaków. Jajnik ssaków jest typu alimentarnego i folikularnego, gdyż komórkami pomocniczymi są komórki folikularne pochodzenia mezodermalnego. Wyróżnia się w nim grubą część korową, która zawiera dojrzewające pęcherzyki z oocytami oraz słabo rozwiniętą część rdzeniową, która głównie składa się ze zrębu tkanki łącznej wraz z nerwami i naczyniami krwionośnymi. Jajnik wyściela nabłonek płciowy pochodzenia somatycznego, którego komórki mnożą się i przesuwają pasmami, sznurami Pflügera w głąb gonady, pociągając za sobą komórki prapłciowe. Z komórek prapłciowych powstaną oogonia, a następnie oocyty. Proces ten zachodzi w okresie życia embrionalnego - jajnik noworodka zawiera oocyty I - rzędu na etapie profazy pierwszego podziału mejotycznego w stadium diplotenu. Jest to pierwsze zahamowanie w procesie oogenezy. Dalszy rozwój przebiega, gdy organizm osiągnie dojrzałość płciową.

Najmłodsze oocyty w jajniku otoczone są warstwą komórek folikularnych, tworząc pęcherzyk pierwotny (folliculus ovaricus primarius).

W czasie wzrostu oocytu powiększa się także pęcherzyk a komórki folikularne intensywnie się namnażają. Wokół pęcherzyka gromadzą się komórki tkanki łącznej, tworząc osłonkę pęcherzykową (theca foliculli). Natomiast komórki folikularne wydzielają płyn (liquor folliculi), który gromadzi się w jamie pęcherzykowej (cavum folliculi). Są to już tzw. Pęcherzyki wzrastające lub drugorzędowe (folliculi ovarici secundarii).

Dojrzały pęcherzyk jajnikowy (folliculus ovaricus maturus), zwany także pęcherzykiem Graafa, otoczony jest dwuwarstwową osłonką pęcherzykową. Zewnętrzna osłonka (theca folliculi externa) zbudowana jest z wydłużonych fibroblastów i włókien kolagenowych. Łączy się ona ze zrębem łącznotkankowym jajnika i pełni funkcję ochronną.

Komórka osłonki wewnętrznej (theca folliculi interna) wydzielająca hormony steroidowe - czyli działa ona jako gruczoł dokrewny. Komórki te mają także receptory dla hormonów gonadotropowych - LH i FSH.

Pod osłonką wewnętrzną pęcherzyka znajduje się warstwa komórek folikularnych.- warstwa ziarnista (membrana granulosa lub stratum granulosum). Pozostałe komórki folikularne są luźno ułożone.

Druga populacja komórek ziarnistych ułożona jest dookoła oocytu, z którym tworzy wzgórek jajonośny (cumulus oophorus). Jedna warstwa tych komórek przylega ściśle do oocytu tworząc wieniec promienisty (corona radiata). Komórki te połączone są z oocytem systemem wypustek - biorą one udział w transporcie substancji do oocytu oraz wytwarzają wokół niego warstwę glikoproteinową - osłonkę przejrzystą (zona pellucida).

Wszystkie komórki warstwy ziarnistej (folikularnej) biorą udział w syntezie hormonów płciowych (estrogenów), mają receptory dla LH i FSH oraz produkują białka i glikozaminoglikany dla płynu pęcherzykowego.

W czasie wzrostu pęcherzyka jajnikowego kończy się pierwszy podział redukcyjny i powstały oocyt II rzędu wchodzi w drugi podział mejotyczny. Na etapie metafazy II dochodzi do drugiego zahamowania oogenezy - dojrzały pęcherzyk Graafa zawiera komórkę płciową na etapie oocytu II rzędu w fazie metafazy II. Wysoki poziom estrogenów hamuje poprzez sprzężenie zwrotne produkcję FSH. Wzrasta natomiast poziom LH, który powoduje pęknięcie pęcherzyka i wylanie się oocytu II rzędu na zewnątrz jajnika. Oocyt opuszcza jajnik wraz z wieńcem promienistym i otoczką przejrzystą. Dlatego te duże struktury uważane są za pierwszorzędowe osłony jajowe. Cały proces nazywamy owulacją lub jajeczkowaniem (ovulatio).

Dokończenie oogenezy nastąpi dopiero po wniknięciu plemnika do oocytu II rzędu.

Po owulacji forma pęcherzyka przekształca się w ciałko żółte (corpus luteum), a komórki ziarniste przekształcają się w komórki luteinowe wydzielające progesteron. Jeżeli nie dojdzie do zapłodnienia to ciałko żółte degeneruje w bliznowaty twór, tzw. Ciałko białawe (corpus albicans).

Owulacja może zachodzić wyłącznie pod wpływem hormonów przysadki i jajnikowych - owulacja spontaniczna, albo dopiero po kopulacji - owulacja sprowokowana.

Mechanizm dojrzewania oocytu

W procesie dojrzewania oocytu biorą udział dwa czynniki: białkowy czynnik promujący mitozę (MPF) i czynnik cytostatyczny (CSF). Czynnik MPF uczestniczy w przejściu ze stadium G₂ do fazy M (mitozy lub mejozy). Ma on charakter kinazy białkowej niezależnej od jonów Ca²⁺. Kodujący go RNA jest syntetyzowany podczas oogenezy. Aktywność MPF obniża się między metafazą, a anafazą. Po powstaniu pierwszego ciałka kierunkowego odzyskuje on aktywność i indukuje drugi podział mejotyczny.

Czynnik cytostatyczny CSF jest silnie fosforylowanym białkiem powstającym pod wpływem progesteronu na początku dojrzewania. Kodujący go RNA jest także syntetyzowany podczas oogenezy.

Gen CSF został opisany jako protoonkogen c-mos. CSF ma aktywność kinazy białkowej. Zatrzymuje on oocyt w metafazie podziału drugiego. Po zapłodnieniu jest rozkładany przez kalpainę, aktywowaną uwolnionym wewnątrzkomórkowym Ca²⁺ i podział mejotyczny może zostać ukończony.

Witellogeneza

Podczas wielkiego wzrostu oocytu ma miejsce ważny proces - witellogeneza czyli tworzenie się materiału zapasowego dla przyszłego zarodka - żółtka (vitellus).

Najpierw gromadzona jest informacja rozwojowa. W cytoplazmie oocytów gromadzi się duża ilość wszystkich typów RNA, co związane jest z większą aktywnością transkrypcyjną DNA oraz ze zwiększeniem ilości danych odcinków transkrypcyjnych. Oocyt I rzędu ma już terapoidalną zawartość DNA (4c) a ponadto zwiększa się także ilość genów dzięki amplifikacji.

W tym samym czasie w cytoplazmie wyodrębnia się tzw. Jądro żółtkowe. Jest to nagromadzenie mitochondriów, ciałek Golgiego, błon ER-ziarnistych oraz ziaren zawierających RNA. Takie nagromadzenie tych organelli świadczy o nasileniu procesów metabolicznych.

Powstające żółtko zawiera wszystkie substancje zapasowe. Głównymi jego składnikami są białka, lipidy i węglowodany. W zależności od składu można wyróżnić żółtko białkowe czy tłuszczowe. Najpierw powstaje żółtko tłuszczowe w postaci kulek lipidowych. Następnie żółtko białkowe w formie płytek lub kulek. W ostatniej fazie syntetyzowany jest glikogen. Płytki żółtka zbudowane są z dwóch podstawowych białek: foswityny i lippowiteliny. Ilościowa zawartość materiału zapasowego, np. w jaju żaby, przedstawia się następująca: żółtko białkowe - 45%, żółtko tłuszczowe - 25%, glikogen - 8,1%.

Pod koniec witellogenezy pod błoną komórkową oocytu tworzą się ziarna korowe (kortykalne), zawierające kwaśne mukopolisacharydy. Odegrają one ważną rolę w procesie zapłodnienia.

Plazma płciowa

W rozwoju zarodkowym większości zwierząt współdziałają procesy właściwe dla rozwoju regulacyjnego, w którym dominuje indukcja oraz mozaikowego z różnorodnie zlokalizowanymi determinantami. W początkowej fazie embriogenezy proces specyfikacji komórek linii płciowej uzależniony jest od funkcjonowania determinantów cytoplazmatycznych, zawartych w plazmie płciowej. Jest to specyficzny morfologicznie obszar cytoplazmy tych komórek wykrywany także w komórkach prapłciowych, oocytach i dojrzałych komórkach jajowych. Jeśli plazma zostanie doświadczalnie usunięta z komórki jajowej to powstanie organizm sterylny, pozbawiony funkcjonalnych komórek płciowych.

W mikroskopie elektronowym plazma płciowa występuje w postaci „gęstych wysepek”, pozbawiona jest materiałów zapasowych i zawiera organelle komórkowe, takie jak: mitochondria, cysterny siateczki śródplazmatycznej, diktiosomy oraz pozbawione błony struktury zwane ziarnami płciowymi (biegunowymi). Te ostatnie pozostają w ścisłym kontakcie z mitochondriami. Składniki plazmy płciowej powstają w czasie oogenezy. Strukturalne i molekularne przemiany jakim podlega plazma płciowa w rozwoju zarodkowym najlepiej poznano u nicienia Caenorhabditis elegans, muszki owocowej Drosophila melanogaster i żaby szponiastej Xenopus laevis.

W oocytach i zygotach C. elegans nie występuje typowa plazma płciowa. Cytoplazma ich komórek zawiera równomiernie rozmieszczone ziarna płciowe, które przed pierwszym podziałem mitotycznym migrują do bieguna tylnego. Pierwsza bruzda podziałowa wyznacza segregację ziaren do jednej z dwóch powstałych komórek potomnych, z której to

po kolejnych podziałach powstanie linia komórek płciowych. Druga komórka potomna, która nie dziedziczy ziaren, wyznaczać będzie linię komórek somatycznych. Po czwartym podziale mitotycznym, ziarna płciowe blastomeru lini płciowej przechodzą do obu komórek potomnych, będących teraz komórkami prapłciowymi. Lokalizacja ziaren płciowych w młodych komórkach płciowych odbywa się w okolicy osłonki jądrowej. Zawierają one specyficzne białka i tak zwany zlokalizowany mRNA.

U Drosophila melanogaster plazma płciowa zlokalizowana jest w okolicy bieguna tylnego oocytu i zawiera izolowane ziarna płciowe. Pod koniec oogenezy ziarna tworzą kompleksy i kontaktują się z mitochondriami. Z chwilą powstawania w zarodku blastodermy syncytialnej, 3-4 jądra blastomerów wwędrowują do plazmy płciowej i otaczają się błoną cytoplazmatyczną. Tworzą się w ten sposób komórki biegunowe, które po kilku podziałach mitotycznych przekształcają się w komórki prapłciowe. Podczas migracji tych komórek do zawiązków gonad, ziarna płciowe stopniowo ulegają degradacji. Ponownie są odtwarzane w czasie witellogenezy.

W oocytach Xenopus laevis, w części przyszłego bieguna wegetatywnego, w pobliżu jądra,

zlokalizowana jest tzw. chmura mitochondrialna, zwana także ciałem Balbianiego, z wszystkimi elementami plazmy płciowej. W czasie witellogenezy ciało Balbianiego rozpada się na liczne fragmenty, które wędrują ku powierzchni oocytu w części wegetatywnej. Dojrzałe oocyty zawierają ziarna płciowe zakotwiczone w warstwie korowej bieguna wegetatywnego.

Po zapłodnieniu, wysepki plazmy płciowej zlewają się w większe agregaty, które podczas bruzdkowania ulegają segregacji tylko do makromerów oraz komórek prapłciowych.

W ziarnach płciowych C. elegans opisano szereg białek konstytutywnych i okresowo występujących w określonej fazie rozwoju. Mutacje genów kodujące poszczególne białka są odpowiedzialne między innymi za brak tworzenia gonad i powstanie sterylnych osobników (gen PGL), zablokowanie translacji (białka z rodziny KH) oraz za stabilność transkryptów (mRNA) zlokalizowanych w ziarnach płciowych.

U Drosophila melanogaster wyodrębnia się 2 grupy genów aktywne w funkcjonowaniu plazmy płciowej, odpowiedzialne za powstanie plazmy i komórki biegunowe.

W przypadku żaby, zidentyfikowano 9 genów, których produkty zlokalizowane są na terenie plazmy płciowej.

Jak się okazało u ssaków, w tym u człowieka, w rozwoju regulacyjnym komórki jajowe są spolaryzowane i zawierają ciało Balbianiego, które zawiera te same struktury co plazma płciowa innych zwierząt, natomiast funkcja chmury mitochondrialnej ssaków pozostaje dalej niejasna.

Typy jaj.

W zależności od ilości materiałów zapasowych nagromadzonych w jaju możemy wyróżnić następujące typy jaj:

- jaja alecytalne - bezżółtkowe - np. robaki płaskie;

- jaja oligolecytalne - skąpożółtkowe - np. jeżowiec, ssaki;

- jaja mezolecytalne - średniożółtkowe - np. płazy, owady;

- jaja polilecytalne - bogatożółtkowe - np. gady, ptaki;

Ze względu na rozmieszczenie żółtka (deutoplazmy) możemy natomiast wyróżnić :

- jaja izolecytalne - równomierne rozmieszczenie - np. jeżowiec;

- jaja anizolecytalne - nierównomiernie rozmieszczone

W obrębie tych ostatnich wyróżniamy:

- jaja telolecytalne - skupienie żółtka na biegunie - np. ptaki;

- jaja centrolecytalne - żółtko w środku - np. owady.

W jajach anizolecytalnych zaznacza się biegunowość - część jaja bez żółtka to biegun animalny, natomiast z żółtkiem - to biegun wegetatywny.

Spermatogeneza

Spermatogeneza, czyli powstawanie męskiej komórki rozrodczej, plemnika, przebiega w kanalikach krętych (nasiennych) jądra. Ściana takiego kanalika zbudowana jest z nabłonka płciowego, zbudowanego z komórek mezodermalnych. Pomiędzy nimi występują duże komórki podporowe (komórki Sertolego ) i komórki prapłciowe. Wnętrze kanalików nasiennych wypełniają komórki płciowe na różnych etapach rozwoju.

Komórki Sertolego spełniają podwójną rolę. Pod wpływem FSH wytwarzają specyficzne białko, które wiążąc się z androgenami zwiększa ich koncentrację w kanaliku nasiennym, co warunkuje spermatogenezę. Ponadto komórki te, jako podporowe i odżywcze, biorą udział w późniejszym etapie spermatogenezy - spermiogenezie.

Między kanalikami krętymi w tkance łącznej, znajdują się komórki śródmiąższowe (interstycjalne), zwane także komórkami Leydiga. Pod wpływem hormonu przysadkowego LH, i także prawdopodobnie FSH, produkują hormony męskie androgeny.

Komórki prapłciowe przekształcają się w spermatogonia, które pozostają w spoczynku do osiągnięcia dojrzałości płciowej przez organizm. Wtedy zaczynają się one intensywnie dzielić. Część z nich przechodzi fazę wzrostu i przekształca się w spermatocyty I - rzędu. Spermatocyty te wchodzą w podział redukcyjny. Po pierwszym podziale powstają dwa spermatocyty II rzędu a po drugim podziale - cztery jednakowej wielkości spermatydy.

Przekształcanie się spermatydy w plemnik zachodzi w procesie zwanym spermiogenezą. Spermatydy powstałe z jednego spermatocytu I - rzędu połączone są ze sobą mostkami cytoplazmatycznymi a ich ciała komórkowe łączą się także z komórką Sertolego.

Najpierw zmienia się kształt ciała spermatydy z kulistego na owalny. Organelle komórkowe ustawiają się w specyficzny sposób: przednią część komórki zajmuje aparat Golgiego, następnie jądro, pod nim centrosom wokół którego skupiają się mitochondria.

Następuje zagęszczenie jądra - odwodnienie karioplazmy i skupienie się chromatyny. Jądro ulega silnemu spłaszczeniu co w przyszłości pomoże w poruszaniu się plemnika. Zmniejsza się sukcesywnie ilość cytoplazmy podstawowej.

Aparat Golgiego natomiast przekształca się w akrosom w kilku etapach:

faza Golgiego, faza czapeczki i faza akrosomalna.

Centrosom składa się z pary centrioli, jedna z nich, zwana proksymalną, przyjmuje położenia poprzeczne w długiej osi komórki. Druga, dystalna, układa się za pierwszą w długiej osi komórki. Centriola ta utworzy zawiązek witki. Wokół niej skupiają się także mitochondria. Dojrzały plemnik składa się z główki, zawierającej akrosom i jądro, wstawki, obejmującej centriolę i mitochondria oraz witki.

Spermatogeneza u człowieka zachodzi w sposób ciągły. Powstałe plemniki mają zdolność poruszania się i charakteryzuje je reotaksja dodatnia (przeciw prądowi cieczy). Plemniki ludzkie żyją w drogach rodnych kobiety ok. 90 godzin. Jednak ich zdolność do zapłodnienia trwa ok. 40 godzin. Bezpośrednio po ejakulacji nie są zdolne do zapłodnienia; muszą jakiś czas przebywać w drogach rodnych kobiety, gdzie ostatecznie dojrzewają. Jest to tzw. kapacytacja spermy.

Regulacja genetyczna spermatogenezy i niektóre przyczyny bezpłodności

u mężczyzn

Problem zaburzenia płodności u mężczyzn jest coraz częstszym problemem dla młodych par. Istnieje kilka przyczyn mogących prowadzić do niepłodności u mężczyzn. Należą do nich:

• zaburzenie sekrecji gonadoliberyny (GnRH)

• niewydolność przysadki

• czynniki genetyczne

• chemioterapie

• radioterapie

• choroby ogólnoustrojowe i infekcje wirusowe

Do czynników genetycznych zalicza się nieprawidłowości chromosomowe oraz mutacje genów kodujących ważne czynniki warunkujące wykształcenie prawidłowej morfologii plemników i ich ruch (czyli wpływające na spermatogenezę). W ostatnich latach doprowadzono do zidentyfikowania mRNA wielu genów obecnych w plemnikach. Jednymi z pierwszych transkryptów zidentyfikowanych w plemnikach były: protamina 1 (PRM1) oraz protamina 2 (PRM2). Zarówno struktura tych genów jak i funkcja kodowanych przez nie białek wskazuje na wyraźny związek pomiędzy ich ekspresją a męską niepłodnością.

Protaminy są białkami zasadowymi w jądrach plemników, które ulegają przemianom podczas przejścia przez najądrze. Podczas spermatogenezy PRM1 i PRM2 wraz z białkami przejściowymi TP1 i TP2 odgrywają istotną rolę w procesie kondensacji DNA. Pierwszy etap tego procesu przebiega w haploidalnych spermatydach i polega na zastąpieniu histonów białkami TP1 i TP2. W następnym etapie wydłużania spermatyd dochodzi do zamiany białek TP1 i TP2 na PRM1 i PRM2. Konsekwencją tych przemian jest silne upakowanie DNA w jądrze plemników. W haploidalnym genomie człowieka geny TP2, PRM1 i PRM2 znajdują się na chromosomie 16p13.3. Promotory genów TP2, PRM1 oraz PRM2 wykazują różną sekwencję, co może sugerować niezależną regulację ich ekspresji. Zawierają one sekwencję TATA, która umożliwia wiązanie się do niej swoistych czynników transkrypcyjnych. Geny kodujące protaminy ulegają ekspresji w postmejotycznych, haploidalnych spermatydach. Transkrypty dla PRM1 i PRM2 zostały zidentyfikowane w spermatydach człowieka, podczas gdy białka PRM1 i PRM2 są nieobecne w tym stadium. Biosynteza tych białek przebiega na etapie róznicowania się spermatyd, w stadium ich wydłużania. Struktura pierwszorzędowa białek PRM1 i PRM2 wykazuje dużą konserwatywność w plemnikach wszystkich gatunków ssaków.

Ponieważ protaminy odgrywają ważną rolę w różnicowaniu się spermatyd, pojawienie się zaburzeń w ekspresji ich genów, jak i zmiana struktury białek PRM1 i PRM2 jest uważana za jedną z przyczyn męskiej niepłodności. Przedwczesna biosynteza białka PRM1 jest przyczyną przedwczesnej kondensacji chromatyny co skutkuje wieloma nieprawidłowościami w różnicowaniu się spermatyd człowieka. Zaburzony stosunek ilościowy pomiędzy białkami PRM1 a PRM2 również ma swój wpływ na niepłodność mężczyzn. Wykazano także, że obniżone stężenie białka PRM2 jest ściśle związane mniejszą liczbą plemników, ich słabszą ruchliwością i nieprawidłową morfologią, natomiast podwyższony stosunek PRM1 i PRM2 powoduje oligospermię i astenozoospermię. Niewłaściwa budowa tych białek obniża zdolność dojrzałych plemników do penetracji osłonki przejrzystej komórki jajowej.

Oprócz wymienionych protamin ważną rolę w rozwoju i różnicowaniu spermatyd odgrywają także kalmegin (CLGN) i siarczan glikoproteiny-2. Syntezę kalmeginy obserwuje się w profazie mejotycznej oocytów. Powstające białko jako chaperon bierze udział w kontroli posttanskrypcyjnej i powstaniu struktury trzeciorzędowej białek. Stężenie transkryptów kalmeginy jest dwukrotnie wyższy w plemnikach płodnych mężczyzn, a najwyższa ekspresja czynników transkrypcyjnych obserwowana jest w pierwotnych spermatocytach i okrągłych spermatydach. Natomiast wysokie stężenie tego białka pojawia się w spermatocytach w fazie diplotenu.

Siarczan glikoproteiny-2 jest produkowany w komórkach Sertoliego. Jego obecność wpływa na ruchliwość plemników.

Ekspresja obu białek koordynowana jest przez funkcje błonowych organelli komórkowych taki jak: aparat Golgiego i reticulum endoplazmatyczne (RE). Aparat Golgiegio w głównej mierze jest odpowiedzialny za morfologię spermatyd i ich różnicowanie się zaś RE za rozdział cytoplazmy w spermatocytach i spermatydach.

Zaplemnienie i zapłodnienie

Aby doszło do zapłodnienia konieczne jest zbliżenie się do siebie gamety męskiej i żeńskiej, czyli zaplemnienie.

Zaplemnienie może być zewnętrzne, albo jak u ssaków, wewnętrzne - w drogach rodnych samicy.

Pierwszym etapem jest odszukanie jaja przez plemnik. Nie ma dowodów na chemotaktyczne przyciąganie plemników przez komórki jajowe. Np. u człowieka oocyty dojrzewają raz w jednym jajniku raz w drugim, plemniki jednak rozprzestrzeniają się równomiernie w obydwu jajowodach. Czyli napotkanie komórki jajowej przez plemnik jest przypadkowe. Jeżeli jednak nastąpi odnalezienie się gamet, to zaczyna się współdziałanie plemników z jajem. Ma ono podłoże chemiczne. Substancję produkowaną przez jajo nazwano fertylizyną. Posiada ona zdolność wiązania się z tzw. antyfertylizyną, która występuje na powierzchni plemników. Fertylizyna jest glikoproteidem lub mukolisacharydem o gatunkowo swoistej budowie. Antyfertylizyna jest natomiast kwaśnym białkiem, także o gatunkowo swoistej budowie.

Przenikanie plemników przez osłonę komórki jajowej.

Proces ten ma podłoże chemiczne i jest oparty na lizynach plemnikowych, zawartych w akrosomie plemnika. Należą do nich: peptydazy, akrozyna, kolagenaza, hialuronidaza, fosfolipaza A i inne.

U ssaków oocyt II rzędu otoczony jest otoczką przejrzystą i wieńcem promienistym. Plemniki pokonują tę przeszkodę przede wszystkim dzięki hialuronidazie, rozpuszczającej kwas hialuronowy łączący komórki folikularne wieńca promienistego i akrozynie, która działa na otoczkę przejrzystą.

W czasie reakcji akrosomalnej u ssaków nie powstaje nić akrosomalna, tylko następuje fuzja błony komórkowej plemnika i błony akrosomalnej, następnie obie te błony rozpadają się na pęcherzyki. Zawartość akrosomu może wydostać się na zewnątrz.

Następnym etapem jest zlanie się błony komórkowej plemnika z błoną komórkową oocytu II rzędu. W miejscu zetknięcia się obu gamet cytoplazma gamety żeńskiej wybrzusza się, tworząc wzgórek przyjęcia. U ssaków główka plemnika ustawia się równolegle do powierzchni jaja i zostaje wchłonięta na drodze fagocytozy. W czasie tego procesu zostaje ona wyłuskana z błony komórkowej. Wniknięcie plemnika aktywuje oocyt II rzędu do zakończenia drugiego podziału mejotycznego. Po jego zakończeniu jądro jaja i jądro plemnika zaczynają wchłaniać płyny z cytoplazmy - zwiększają swoją objętość. Powstaje przedjądrze żeńskie i męskie. Połączenie się ze sobą tych przedjądrzy (kariogamia) jest podstawą zapłodnienia.

Bloki polispermii

Pomimo, że w trawieniu otoczek jajowych plemniki współdziałają ze sobą to do oocytu II rzędu normalnie wnika tylko jeden plemnik (z wyjątkiem polispermii fizjologicznej).

Istnieją dwie bariery przeciwko polispermii. Pierwszy blok występuje natychmiast i ma charakter elektro-chemiczny. W chwili połączenia plazmolemmy plemnika i jaja błona jajowa ulega nagłej depolaryzacji, którą wywołuje zmiana jej przepuszczalności dla jonów sodu. Jony te powodują krótkotrwałą zmianę jej potencjału membranowego, co uniemożliwia wniknięcie dalszych plemników.

Drugim zabezpieczeniem jest reakcja korowa. Pod plazmolemmą znajdują się mukopolisacharydowe ziarna korowe. Następuje stopniowe łączenie się błon tych ziaren z błoną plazmatyczną jaja, a ich zawartość wylewa się pomiędzy błonę żółtkową (u ssaków odpowiednikiem tej błony jest otoczka przejrzysta) i plazmolemmę. Natomiast mukopolisacharydy wchłaniają wodę i pęcznieją co powoduje odsunięcie się błony żółtkowej od plazmolemmy - tworzy się tzw. przestrzeń okołożółtkowa. Część mukopolisacharydów na powierzchni błony komórkowej tworzy warstwę hialinową, która ma także duże znaczenie w zespoleniu blastomerów w czasie bruzdkowania. Białka strukturalne osadzają się na wewnętrznej stronie błony żółtkowej, która grubieje i jest nieprzepuszczalna dla plemników. Powstałą błonę określamy jako błonę zapłodnieniową.

Nieprawidłowe formy zapłodnienia

1. Polispermia patologiczna.

U niektórych zwierząt jak płazy ogoniaste, gady czy ptaki, istnieje polispermia fizjologiczna, ale dodatkowe wniknięte plemniki ulegają degradacji. Jeżeli jednak do jaja zapłodnionego normalnie przez jeden plemnik wniknie większa ich ilość mamy do czynienia z polispermią patologiczną. Jeżeli dodatkowe przedjądrza męskie zlewają się z przedjądrzem żeńskim nazywamy to zjawisko poliandrią.

2. Poligynia.

Jeżeli zaszedł błąd w wydzielaniu pierwszego lub drugiego ciałka kierunkowego, wtedy dochodzi do połączenia się dwóch haploidalnych lub jednego diploidalnego przedjądrza żeńskiego z przedjądrzem męskim.

3. Pseudogamia.

Z tym zjawiskiem mamy do czynienia, gdy przedjądrze żeńskie nie połączy się z przedjądrzem męskim. Gdy zarodek ma materiał genetyczny przedjądrza żeńskiego, a przedjądrze męskie degeneruje mówimy o gynogyni. W sytuacji, gdy zostaje przedjądrze męskie spotykamy się z androgynią.

4. Zapłodnienie częściowe.

Przedjądrze męskie podąża zbyt powoli za centriolą - pierwszy podział bruzdkowania rozdziela tylko chromosomy przedjądrza żeńskiego, natomiast przedjądrze męskie przeniesione zostaje biernie do jednego z blastomerów i łączy się dopiero z jego jądrem. Jest to jedna z przyczyn powstania osobników mozaikowych.

Bruzdkowanie.

Po zapłodnieniu powstała zygota wchodzi w pierwszy etap rozwoju zarodkowego w bruzdkowanie. W tym czasie zarodek podlega wielokrotnym podziałom mitotycznym aby powstało podłoże komórkowe dla przyszłego organizmu. Natomiast nie rośnie do momentu zakończenia bruzdkowania. Wyjątkiem od tej reguły są ssaki.

Powstające bruzdy podziałowe dzielą zarodek na komórki zwane blastomerami. Początkiem bruzdowania jest pojawienie się pierwszej bruzdy podziałowej, a końcem - stadium blastuli, w której zwykle pojawia się pierwotna jama ciała (blastocel). Czasami przed wytworzeniem blastuli powstaje stadium przejściowe - morula. Charakteryzuje się ona obniżeniem częstości podziałów.

Płaszczyzny podziałów powstają w sposób charakterystyczny dla danego gatunku. Wyróżniamy bruzdy południkowe - gdy przechodzą przez biegun animalny (twórczy) i wegetatywny (odżywczy); równikową i równoleżnikowe - ustawione prostopadle do głównej osi jaja; skośne - gdy przebiegają pod pewnym kątem do tej osi; oraz styczne - gdy biegną równolegle do powierzchni jaja.

Powstałe blastomery ze względu na wielkość dzielimy na: makromery, mezomery i mikromery.

Rodzaje bruzdkowania.

Na przebieg bruzdkowania wpływa w dużym stopniu ilość i rozmieszczenie deutoplazmy w komórce jajowej. Od tego kryterium zależy tempo podziałów, przebieg bruzd oraz kształt i wielkość blastomerów. Im więcej znajduje się w jaju materiału zapasowego, tym bruzdkowanie jest wolniejsze, a powstające blastomery większe.

Bruzdkowaniu całkowitemu ulegają jaja oligolecytalne i mezolecytalne. Pierwsza bruzda podziałowa przebiega południkowo, druga także południkowo, pod kątem 90º do pierwszej. Jeżeli trzecia bruzda przebiega równikowo mówimy o bruzdkowaniu równomiernym. Jeżeli natomiast przebiega ona równoleżnikowo (mniej lub więcej odległe od równika) mamy do czynienia z bruzdkowaniem prawie równomiernym lub nierównomiernym.

Podziałom w jajach polilecytalnych ulega tylko ta część ooplamy, która zawiera mało materiałów zapasowych. Jest to bruzdkowanie częściowe. Jaja telolecytalne bruzdkują częściowo, tarczowo, natomiast jaja centrolecytalne bruzdkują częściowo powierzchniowo.

W zależności od tego, czy dalsze podziały zachodzą w blastomerach potomnych równocześnie lub nierównocześnie wyróżniamy odpowiednio bruzdkowanie synchroniczne i asynchroniczne.

Jeżeli losy blastomerów ustalają się wcześnie jest to bruzdkowanie zdeterminowane (mozaikowe). Jeżeli natomiast ustalają się późno jest to bruzdkowanie niezdeterminowane (regulacyjne).

Następne kryterium brane pod uwagę przy określaniu typu bruzdkowania to czas ustalania się płaszczyzny symetrii przyszłego organizmu. Jeżeli płaszczyznę symetrii wyznacza już pierwsza bruzda podziałowa mówimy o bruzdkowaniu dwusymetrycznym lub dwubocznie symetrycznym. Ustalenie płaszczyzn symetrii w późniejszym okresie - bruzdkowanie spiralne lub pod koniec okresu bruzdkowania - bruzdkowanie promieniste.

Jeżowiec.

U jeżowca występuje jajo oligolecytalne. W związku z tym bruzdkuje ono całkowicie prawie równomiernie. Pierwsza bruzda przebiega południkowo, druga także ale pod kątem 90º w stosunku do pierwszej. Trzeci system bruzd przebiega równoleżnikowo, nieco powyżej równika jaja. Na tym etapie widzimy zarodek złożony z czterech mniejszych i czterech większych blastomerów. Ułożenie następnych bruzd podziałowych przebiega odmiennie na różnych biegunach. W czasie czwartej serii podziałów blastomery bieguna twórczego dzielą bruzdy południkowe - powstaje osiem jednakowych komórek potomnych (mezomery). Jednocześnie w blastomerach bieguna odżywczego bruzda przebiega równoleżnikowo - powstają cztery duże komórki (makromery) i cztery małe (mikromery). Dlatego u jeżowca możemy wyróżnić trzy blastomerów. Takie ułożenie bruzd podziałowych obserwujemy do końca procesu bruzdkowania.

Typ blastuli charakterystyczny dla jeżowców to celoblastula, czyli blastula właściwa. Między blastomerami zaczyna tworzyć się zawiązek blastocelu w postaci wąskiej szczeliny. Następnie szczelina powiększa się, blastomery natomiast układają się na obwodzie. W tworzącym się blastocelu zaczyna gromadzić się płyn produkowany przez zarodek. W konsekwencji dojrzała blastula jest kulistym pęcherzykiem, którego ściany zbudowane są z jednej warstwy komórek tworzących blastodermę.

Płazy.

Jaja płazów są mezolecytalne i telolecytalne. Bruzdkują całkowicie nierównomiernie. Pierwsze dwie bruzdy przebiegają południkowo prostopadle do siebie dzieląc zarodek na cztery równej wielkości blastomery. Trzecia bruzda przebiega równoleżnikowo. Powstają mikro- i makromery. Od tego momentu bruzdkowanie przebiega nieregularnie, co ma związek z ilością żółtka. Następnie bruzdy pojawiają się najpierw na półkuli twórczej, a dopiero później na odżywczej. Nie dochodzą do punktu przecięcia pierwszej i drugiej bruzdy. Powoduje to, że kształt blastomerów staje się nieregularny.

Charakter bruzdkowania znajduje odzwierciedlenie w budowie blastuli. Blastocel zostaje bardziej przesunięty w kierunku bieguna twórczego, a ściana blastuli jest wielowarstwowa.

Ptaki

Duża zawartość deutoplazmy i biegunowe jej ułożenie w jaju ptaków powoduje, że bruzdkują one częściowo tarczowo. Podziały obejmują protoplazmę zebraną na biegunie twórczym w postaci tarczki zarodkowej. Trzy pierwsze systemy bruzd przebiegają południkowo, czwarta okrężnie odcinając części środkowe blastomerów od ich części obwodowych. Następnie bruzdy przebiegają równolegle do powierzchni jaja co powoduje rozdzielenie blastomerów części środkowej tarczki na dwie warstwy. Po następnych podziałach w środkowej części tarczki zarodkowej powstaje kilka warstw komórek oddzielonych od żółtka.

Blastulę występującą u ptaków nazywamy dyskoblastulą. Blastocel tworzy niewielką szczelinę, która powstała pomiędzy komórkami tarczki zarodkowej. Tarczka zarodkowa w części środkowej rozdziela się na dwie części: powierzchniową zbudowaną z kilku warstw komórek, tzw. epiblast, który zawiera materiał na wszystkie listki zarodkowe i na leżącą niżej, jednowarstwową tzw. hipoblast przeznaczony na część endodermy, między nimi tworzy się blastocel. Części te łączą się na obwodzie tarczki zarodkowej. Z czasem epiblast i hipoblast unoszą się nad żółtkiem, wtedy między hipoblastem a żółtkiem tworzy się jama podzarodkowa. Różnicowanie się tarczki zarodkowej na epiblast i hipoblast zachodzi na drodze delaminacji (rozwarstwienia) i migracji komórek.

Patrząc z góry na tarczkę zarodkową zauważamy w obrębie blastocelu pole jasne (area pellucida). Pozostała część to tzw. pole ciemne (area opaca). W przyszłości ciało zarodka budować będą komórki pola jasnego. Z komórek pola ciemnego powstaną struktury pozazarodkowe.

Ssaki

Jajo ssaków ze względu na małą zawartość deutoplazmy (oligolecytalne) bruzdkuje całkowicie, prawie równomiernie i asynchronicznie.

Pierwsza bruzda przebiega południkowo dzieląc zarodek na dwie różnej wielkości komórki. Następnie dzieli się blastomer większy - stadium 3-komórkowe, a po nim blastomer mniejszy. Powstała asynchronia utrzymuje się do końca bruzdkowania. U ssaków stadium moruli trwa krótko. Buduje ją warstwa większych komórek powierzchniowych (okrywających) i komórki mniejsze zlokalizowane w środku.

Komórki okrywające rozpłaszczają się wokół mniejszych komórek wewnętrznych. Te ostatnie dzielą się i wydzielają płyn do wnętrza zarodka. Powiększa się powstała w środku jama dzięki reorganizacji i odsunięciu się komórek powierzchniowych od komórek wnętrza zarodka (kawitacja). Warstwa powierzchniowa zachowuje jednak z nimi kontakt na małej przestrzeni. Powstała struktura odpowiada blastuli innych zwierząt. Ze względu na specyficzną budowę nazywamy ją blastocystą. Komórki sterczące do jamy blastycysty będą budować właściwe ciało zarodka - jest to węzeł zarodkowy (embrioblast). Pozostałe komórki budują ścianę blastocysty - służą w okresie embrionalnym do pobierania pokarmu - określa się je jako trofoblast. Powstała jama to tzw. jama płodowa. Blastocel powstaje między komórkami węzła zarodkowego na drodze delaminacji, dzieląc go, podobnie jak u ptaków, na epiblast i hipoblast.

Z powodu gromadzenia się dużej ilości płynu w jamie płodowej i rozrośnięciu się trofoblastu blastocysta zwiększa widocznie swoją objętość, co jest wyjątkowe w czasie bruzdkowania. Zarodek ssaków na etapie blastocysty ulega implantacji w macicy, co przypada na około jeden tydzień od momentu zapłodnienia.

Genetyczna regulacja bruzdkowania.

Geny regulatorowe kontrolują tworzenie się osi przodo-tylnej i grzbietowo-brzusznej. Za powstanie bieguna przedniego odpowiada gen Goosecoid. W determinacji regionu ogonowego bierze udział gen Brachyury, natomiast gen Wnt kontroluje różnicowanie się strony brzusznej. Ekspresja tych genów regulatorowych jest wcześniejsza od ekspresji genów homeotycznych. Geny homeotyczne później określają wzorzec organogenezy.

Wszystkie geny homeotyczne zawierają sekwencje 180 par zasad - jest to tzw. homeoboks, który koduje peptyd, składający się z 60 aminokwasów. Peptyd ten, to homeodomena białka, która wiąże się z DNA. Homeodomeny determinują miejsca wiązania białek regulatorowych z DNA. W miejscu ich związania z DNA możliwa jest regulacja transkrypcji poprzez inhibicję lub aktywację.

Homeodomeny wszystkich białek regulatorowych charakteryzują się prawie identyczną strukturą, różniącą się jedynie kilkoma aminokwasami. Taki stopień homologii jest wynikiem wspólnego pochodzenia tych genów. Jednak wystąpienie niewielkich różnic w strukturze jest wystarczające do wybiórczego wiązania się sekwencjami regulatorowymi determinowanych genów.

Kręgowce mają cztery kompleksy genów w postaci homeoboksów - Hox A, Hox B, Hox C i Hox D zlokalizowanych w czterech chromosomach - 7,17,12 i 2 u człowieka. Ułożone są one w takiej samej kolejności jak regiony, którymi kierują podczas rozwoju zarodkowego.

Poziom ekspresji genów nie jest stały, zmniejsza się od przodu do tyłu - każdy gen jest inhibowany przez produkt genu leżącego za nim.

Blastomery oddziaływują na siebie poprzez procesy indukcyjne, doprowadzające do determinacji strefy pośredniej między strefą animalną a wegetatywną jaja - strefy mezoblastu. Rolą blastocelu jest oddzielenie części animalnej od wegetatywnej, z wyjątkiem regionu brzegowego, gdzie te części są w bezpośrednim kontakcie. Tam właśnie następują indukcje prowadzące do determinacji mezoblastu. Grzbietowe komórki wegetatywne (endoblast grzbietowy) indukują mezoblast grzbietowy, a brzuszne komórki wegetatywne indukują mezoblast brzuszny.

Mezoblast osiowy także ulega zdeterminowaniu we wczesnej blastuli. Powstałe struktury mezoblastu są determinowane w części animalnej, co dowodzi istnienie procesów indukcyjnych.

Zdolność endoblastu do indukcji mezoblastu słabnie na etapie późnej blastuli. Jednak trwa ona aż do gastrulacji, do momentu, gdy mezoderma osiowa wchodzi w kontakt z ektoblastem grzbietowym.

Indukcyjna rola endoblastu grzbietowego możliwa jest dzięki centrum Nieuwkoopa, powstałego na tym obszarze. Aktywują go grzbietowe blastomery wegetetywne. Centrum Nieuwkoopa indukuje powstanie w mezoblaście grzbietowym organizatora Spemanna.

Za właściwości indukcyjne grzbietowych blastomerów wegetatywnych odpowiadają geny: Goosecoid i Siamois. Pierwszym induktorem jest natomiast β-katenina. Białko to może spełniać wiele funkcji takich jak: wiązanie kadheryn błony komórkowej. Jest ono także jądrowym czynnikiem transkrypcyjnym. Aktywuje ponadto geny docelowe takie jak gen homeotyczny Siamois, który indukuje tworzenie struktur grzbietowych.

Innymi induktorami mezoblastu są czynniki wzrostu. Jednym z nich jest, kontrolowany przez gen Brachyury, FGF (czynnik wzrostu fibroblastów), który indukuje mezoblast typu brzusznego i bocznego. Inne czynniki regulatorowe to: TGF β (transformujący czynnik wzrostu), aktywiny, białko Vg1 i białka BMP regulujące proliferację, migrację, różnicowanie się komórek oraz apoptozę. Biorą one udział w różnicowaniu się tkanek kostnych. Białka te indukują tworzenie grzbietowych struktur mezodermalnych, np. struna grzbietowa i mięśnie. Białko BMP 4, indukuje natomiast formowanie mezodermy brzusznej, a następnie nabłonka.

Kolejność ekspresji genów można prześledzić na przykładzie działania indukcyjnego białka Vg1, które odpowiada za budowę mezodermy grzbietowej.

1. Duże stężenie Vg1 wzbudza - ekspresję genów Goosecoid i Noggin oraz markerów grzbietowej mezodermy osiowej.

2. Spadek stężenia Vg1 prowadzi do wzrostu ekspresji genów XWnt-8 i aktyny, odpowiedzialnych za formowanie mezodermy bocznej.

3. Małe stężenie Vg1 powoduje zwiększoną ekspresję genu Brachyury, wspólnego dla całej mezodermy.

Inna droga tworzenia mezodermy grzbietowej wymaga udziału białka Wnt, freezled, β-kateniny i siamois.

Wnt jest czynnikiem wzrostu. Geny kodujące białka z grupy Wnt aktywowane są przez zasadowy FGF w czasie tworzenia mezodermy. Białka Wnt po połączeniu z receptorem freezled pobudzają ekspresję genu Siamois w blastuli, co inhibuje degradację β-kateniny.

Aktywacja genu Siamois przez białko Wnt powoduje (wraz z innymi czynnikami z rodziny TGF) powstanie centrum Nieuwkoopa.

Wegetatywne blastomery brzuszne produkują w tym czasie induktory mezodermy brzusznej i bocznej. Głównym genem odpowiedzialnym za indukcję mezodermy jest gen regulatorowy Brachyury. Induktorem mezodermy brzusznej jest FGF, który aktywuje syntezę białka BMP-4, należącego do rodziny TGF-β. FGF powoduje niewrażliwość blastomerów brzusznych na indukcję struktur grzbietowych przez białko Vg1. Białko Vg1 indukuje mezodermę grzbietową przy małym stężeniu FGF, natomiast przy dużym stężeniu FGF, indukuje mezodermę brzuszną i boczną.

Gastrulacja

W czasie trwania gastrulacji obniża się tempo podziałów komórkowych. Natomiast blastomery o podobnych właściwościach rozwojowych zajmują określone miejsce i tworzą zespoły komórkowe - listki zarodkowe. Wyróżniamy trzy listki zarodkowe: ektodermę - zewnętrzny listek zarodkowy, mezodermę - środkowy listek zarodkowy i endodermę - wewnętrzny listek zarodkowy. Tylko jamochłony zatrzymały się w rozwoju filogenetycznym na etapie dwóch listków zarodkowych: ektodermy i endodermy.

Gastrulacja zaczyna się ruchami podobnych do siebie blastomerów do wnętrza blastuli. Zostają one otoczone komórkami pozostałymi na powierzchni.

Sposób przemieszczania się komórek jest ściśle związany z typem rozwijającego się jaja i ze sposobem jego bruzdkowania.

Opisując gastrulację pewnych grup zwierząt (ptaki, ssaki) stosuje się terminy epiblast, mezoblast i hipoblast. Epiblastem nazywamy warstwę zarodkową w której materiał na system nerwowy nie oddzielił się od ektodermy właściwej budującej pokrycie ciała. Mezoblast zawiera materiał na strunę grzbietową, mięśnie i szkielet; a hipoblast zawiera nie rozgraniczoną endodermę i mezodermę.

Wędrujące komórki organizują się w twory o kształcie rur lub prętów. Są to zawiązki przyszłych zasadniczych narządów: przewodu pokarmowego, systemu nerwowego czy struny grzbietowej.

Sposoby gastrulacji

Najczęściej spotykane typy gastrulacji to:

- wpuklenie (inwaginacja),

- wywędrowanie (imigracja),

- obrastanie (epibolia),

- rozwarstwienie (delaminacja),

- uszeregowanie (segregacja),

- wymodelowanie (transformacja),

- gastrulacja kombinowana - połączenie różnych typów gastrulacji.

Bez względu na sposób gastrulacji, w czasie powstawania endodermy, blastocel zostaje zredukowany, natomiast rozwijają się nowe jamy. Endoderma, po ułożeniu się pod ektodermą, obejmuje przestrzeń zwaną jamą gastruli (gastrocelem, jamą prajelita lub archenteronem). Jest to zawiązek światła układu pokarmowego.

Mezoderma powstaje zwykle później niż endoderma (z wyjątkiem jeżowców, u których poprzedza powstanie endodermy).

W czasie jej tworzenia powstaje ostatnia jama ciała - wtórna jama ciała (coeloma). Może się ona rozwijać dwoma sposobami: na drodze schizocelii (rozszczepienia) lub enterocelii (uwypuklenia). W pierwszym przypadku komórki mezodermalne migrują do wnętrza blastocelu, tworzą zwarte skupienia po bokach prajelita, następnie rozsuwają się - między nimi powstaje wtórna jama ciała. W przypadku enterocelii coeloma jest pochodną światła prajelita. Tworzą się wpuklenia do blaztocelu, następnie się odrywają i zamykają w postaci worków.

Ptaki

Epiblast w przedniej części zawiera materiał na błony płodowe i na naskórek. W strefie środkowej znajduje się materiał na płytę nerwową, strunę grzbietową i somity, natomiast w tylnej materiał - na mezodermę boczną i mezodermę przylegającą do worka żółtkowego. W epiblaście możemy także wyróżnić komórki presumptywnej endodermy.

Hipoblast natomiast zawiera materiał na przewód pokarmowy, pozostała reszta przyłącza się do worka żółtkowego.

Gastrulacja u ptaków zachodzi na drodze delaminacji i imigracji komórek.

W początkowej fazie gastrulacji komórki wywędrowują z tyłu epiblastu do przodu środkiem pola jasnego, rozchodzą się na prawo i lewo i brzegiem pola wracając ku tyłowi.

Zauważamy pojawienie się w tylnej części pola jasnego, w jego linii środkowej, zgrupowania komórek w postaci ciemnej plamy. Jest to zawiązek smugi pierwotnej. Zawiązek ten rozrasta się i zamienia w wąski pasek, rosnący ku przodowi tarczy. Równocześnie zmienia się kształt pola jasnego na podeszwowaty. Przód smugi pierwotnej rozszerza się tworząc węzeł Hensena. Od utworzonego węzła wyrasta do przodu skupienie komórek, zwane przedłużeniem głowowym, które zawiera materiał przeznaczony na strunę grzbietową. W miarę jak przedłużenie głowowe rośnie, smuga pierwotna cofa się ku tyłowi. Kanał z węzła Hensena powstały z inwaginacji komórek wrasta do przedłużenia głowowego - jego światło jest odpowiednikiem jamy prajelita u lancetnika i płazów.

Pod koniec gastrulacji wyodrębniają się narządy osiowe, począwszy od przedniej okolicy ciała zarodka ku tyłowi. Jako pierwszy tworzy się osiowy układ nerwowy. Proces jego tworzenia nazywamy neurulacją. W ektodermie właściwej najpierw powstaje płytka nerwowa, która rozwinie się w cewkę nerwową. Cewka nerwowa otwiera się małym otworem (neuroporus), a z tyłu sięga do węzła Hensena. Pozostała ektoderma narasta od góry na zawiązek systemu nerwowego - rozwinie się z niej nabłonek skóry.

Z komórek mezodermalnych, pod ektodermą, tworzy się w tym czasie struna grzbietowa w postaci litego pręta. Jest to tzw. mezoderma osiowa. Po bokach struny grzbietowej, w postaci dwóch płyt, umiejscawia się mezoderma przyśrodkowa która zróżnicuje się na somity: dermatom, z którego rozwinie się tkanka łączna skóry właściwej, miotom - zawiązek układu mięśniowego oraz sklerotom zawierający materiał na układ chrzęstny i kostny. Jest on także źródłem mezenchymy. W dalszej części znajduje się mezoderma pośrednia (nerkotwórcza) - nefrotom, zawierająca materiał na układ rozrodczy i wydalniczy. Za nią występuje mezoderma boczna (worki otrzewnowe). W mezodermie tej poprzez schizocelię (rozsunięcie się komórek) powstaje przestrzeń - wtórna jama ciała (coeloma) otoczona dwoma mezodermalnymi blaszkami: somatopleurą (przylegającą do ektodermy) i splanchnopleurą (przylegającą do endodermy).

Natomiast do hipoblastu dołącza się część komórek epiblastu. Większa część komórek hipoblastu będzie budować część pozazarodkową (przyłącza się do worka żółtkowego), jednak pas środkowy przedstawia właściwą endodermę. Fragment ten podnosi się do góry, ponad żółtkiem - tworzy się rynienka otwarta ku dołowi. Po pewnym czasie zamyka się jej przednia, a potem tylna część, tworząc zawiązek układu pokarmowego. Natomiast część środkowa rynienki pozostaje dłużej otwarta - formuje się przewód żółtkowo-jelitowy.

Ssaki

Mechanizm gastrulacji u ssaków jest bardzo podobny do mechanizmu występującego w gastrulacji ptaków. Najpierw wyodrębnia się w węźle zarodkowym epiblast i hipoblast. W dolnej części węzła zarodkowego pojawiają się silnie spłaszczone komórki - jest to odpowiednik hipoblastu ptaków. Z jednej strony ma on kontakt z epiblastem, a z drugiej - ze światłem jamy blastocysty (jamy płodowej).

Następnie komórki brzeżne hipoblastu układają się wzdłuż wewnętrznej powierzchni trofoblastu, co z kolei przypomina rozwój worka żółtkowego u ptaków i gadów.

Wszystkie podobieństwa w rozwoju zarodkowym ssaków ptaków i gadów mają związek z filogenezą ssaków.

Rozwój epiblastu i hipoblastu oraz tworzenie się narządów osiowych przebiega podobnie jak u ptaków.

Narządy ektodermalne - załącznik 1

Narządy endodermalne - załącznik 2

Narządy mezodermalne - załącznik 3

Genetyczna regulacja gastrulacji i morfogenezy.

Między komórkami tego samego listka zarodkowego wytwarza się selektywna adhezyjność. Ważnym elementem ruchu komórek jest zmiana ich adhezyjności w stosunku do innych komórek Główną rolę w adhezji pełnią glikoproteiny błony komórkowej CAM (cząsteczki adhezji komórkowej). Największe znaczenie mają dwie główne rodziny cząsteczek adhezji:

1. N-CAM - glikoproteiny transbłonowe niezależne od Ca²⁺

2. Kadheryny - zależne od Ca²⁺

Przyleganie do siebie blastomerów powoduje kadheryna E (E=epithelium). Łączność pomiędzy komórkami trofoblastu, a komórkami śluzówki macicy zapewnia kadheryna P (P=placenta). Pod koniec gastrulacji kadheryna N (N=nervous) i N-CAM pojawiają się w ektodermie grzbietowej, gdzie równocześnie zanika kadheryna E, co prowadzi do rozdzielenia ektodermy na epidermę i część nerwową. Natomiast w migracji komórek największe znaczenie mają: fibronektyna i integryny.

Regiony już zdeterminowane takie jak np. mezoderma, indukują tworzenie innych obszarów. Taką zdolność nazywa się kompetencją. I tak np. w czasie gastrulacji obszar mezodermalny wpukla się pod ektodermę. Mezoderma grzbietowa indukuje więc w obszarze ektodermy tworzenie płyty nerwowej, zakończonej pęcherzykiem mózgowym.

Z mezodermy na poziomie pęcherzyka mózgowego powstaje mezenchyma głowowa, a w tułowiu tworzy się struna grzbietowa, która indukuje powstanie cewki nerwowej. Cewka nerwowa z prekursorami mezodermy przyosiowej indukuje natomiast rozwój somitów z obu stron struny grzbietowej.

Formowanie się osiowego układu nerwowego wymaga obecności co najmniej dwóch induktorów. Najważniejszymi induktorami mezodermy grzbietowej są aktywina i białko Noggin. Aktywina indukuje syntezę białka MyoD, które jest wczesnym wskaźnikiem różnicowania mięśniowego. Białko Noggin powstaje w mezenchymie głowowej i strunie grzbietowej. Może ono indukować syntezę białek tkanki nerwowej w ektodermie gdzie jest induktorem struktur grzbietowych, szczególnie nerwowych.

Na tworzenie się układu nerwowego, oprócz białka Noggin, wpływają także: chordyna i folistatyna. Syntezę chordyny aktywują czynniki transkrypcyjne goosecoid. Białko Noggin i chordyna neutralizują białko BMP-4, które odpowiada za struktury brzuszne.

Folistatyna wydzielana jest przez mezodermę grzbietową i lokalizuje się w strunie grzbietowej. Działa ona antagonistycznie do aktywiny.

Gen Brachyury (Bra) jest odpowiadzialny za tworzenie się mezodermy. Aktywuje go aktywina i FGF. Gen Goosecoid ustala polarność głowy i organizację mezodermy. Aktywatorem tego genu jest białko Vg1 i aktywina.

Białko XWnt-8 będące produktem genu regulatorowego odpowiedzialnego za rozwój mezodermy brzusznej jest aktywowane przez FGF. Białko BMP 4, indukujące mezodermę brzuszną, indukuje także różnicowanie ektodermy w nabłonek, hamując różnicowanie nerwowe. Hamowanie to może być zniesione przez białka Noggin i chordynę. Natomiast ekspresja genów homeotycznych w czasie gastrulacji jest aktywowana przez FGF i TGF β.

Błony płodowe.

Błony płodowe ochraniają zarodek przed szkodliwymi wpływami środowiska oraz pośredniczą w doprowadzeniu do zarodka substancji odżywczych. Usuwają z niego także szkodliwe produkty przemiany materii.

Wyróżniamy cztery błony płodowe: owodnię (amnion), kosmówkę (chorion), omocznię (allantois) i worek żółtkowy (saccus vitellinus).

Błony płodowe ssaków

1. Worek żółtkowy

Powstaje jako pierwsza błona płodowa. Komórkami macierzystymi tej błony są komórki hipoblastu które wyścielają trofoblast od wewnątrz. W dalszym etapie pomiędzy endodermę pozazarodkową a trofoblast wrasta pozazarodkowa mezoderma. Ulega ona rozszczepieniu na blaszkę trzewną i ścienną (splanchnopleurę i somatopleurę) pomiędzy którymi tworzy się pozazarodkowa jama ciała. Blaszka trzewna mezodermy zrasta się z endodermą pęcherzyka żółtkowego, natomiast blaszka ścienna zrasta się jednocześnie z trofoblastem tworząc kosmówkę. Górna część pęcherzyka żółtkowego przekształca się w cewkę jelita zarodkowego. W ścianie pęcherzyka żółtkowego rozbudowuje się sieć naczyń krwionośnych, połączonych poprzez żyłę i tętnicę żółtkowe z układem krążenia płodu. Dlatego pęcherzyk żółtkowy może pośredniczyć w pobieraniu substancji odżywczych od matki, stykając się, poprzez kosmówkę, z błoną śluzową macicy. W późniejszym rozwoju zarodkowym ulega on redukcji.

2. Owodnia

Szczelina jamy owodni powstaje przez rozstęp komórek pomiędzy trofoblastem a tarczką zarodkową. Do komórek trofoblastu dochodzą następnie tzw. komórki owodniotwórcze które dają początek właściwej ścianie wewnętrznej owodni. W dalszym etapie pomiędzy ektodermalne komórki owodniotwórcze i trofoblast wnika mezoderma pozazarodkowa. Jama owodni wypełniona jest wodnistym płynem, który chroni zarodek przed urazami mechanicznymi oraz zapewnia mu wodne środowisko. Płyn też nazywany jest wodami płodowymi.

3. Kosmówka

Jest to błona płodowa ułożona najbardziej obwodowo. Styka się ona ze śluzówką macicy i wchodzi w skład łożyska. Jest utworzona przez szybko namnażające się komórki trofoblastu i pozazarodkowej mezodermy ściennej. Na jej powierzchni wykształcają się charakterystyczne wyrostki - kosmki. Odgrywają one ważną rolę w procesie wchłaniania substancji odżywczych z krwi matki. Mogą się one tworzyć na całej jej powierzchni lub tylko w pewnych rejonach. Mamy wtedy do czynienia odpowiednio z kosmówką kosmatą czy kosmówką gładką.

4. Omocznia

Wykształca się jako ostatnia błona płodowa. Powstaje jako wypuklenie jelita tylnego. Zbudowana jest z pozazarodkowej endodermy i mezodermy trzewnej. Mezoderma ta łączy się z mezodermą kosmówki tworząc tzw. szypułę omoczni, za pomocą której zarodek zawieszony jest w pozazarodkowej jamie ciała. Naczynia krwionośne omoczni wnikają z jednej strony do kosmków kosmówki, a z drugiej - za pośrednictwem dwóch tętnic pępkowych i jednej żyły pępkowej - łączą się z krążeniem płodowym. Podstawowym zadaniem omoczni jest za pomocą sieci swoich naczyń zaopatrywanie płodu w tlen i substancje odżywcze oraz odprowadzanie do łożyska dwutlenku węgla i innych produktów metabolizmu.

Narządem łączącym płód z łożyskiem jest sznur pępowinowy, główny jego składnik to szypuła omoczni i jej naczynia krwionośne.

Łożysko ssaków

Jest to narząd złożony z tkanek matki i płodu który uczestniczy w wymianie gazowej oraz w przekazywaniu materiałów odżywczych i produktów metabolizmu pomiędzy matką a zarodkiem.

Zarodek na etapie blastocysty dostaje się do macicy w której zaczyna się zagnieżdżać. Proces ten nazywamy implantacją - jest on wynikiem oddziaływania trofoblastu na błonę śluzową macicy (endometrium). Znane są dwa typy implantacji: powierzchniowa i śródmiąższowa. U ssaków naczelnych występuje typ drugi.

Kiedy trofoblast zetknie się z nabłonkiem macicy zaczyna się intensywnie dzielić. Różnicuje się wtedy na dwie warstwy. W warstwie zewnętrznej zanikają błony komórkowe - tworzy się syncytiotrofoblast, natomiast warstwa wewnętrzna zachowuje charakter komórkowy - cytotrofoblast. Z powodu rozrastania się syncytiotrofoblastu endometrium ulega lokalnemu zniszczeniu - zarodek wnika w głąb śluzówki, która się ponad nim zrasta. Równocześnie następuje dalsze spulchnianie śluzówki macicy - reakcja doczesnowa. Błonę śluzową w której nastąpiły wymienione procesy nazywamy doczesną, ponieważ w czasie porodu zostaje ona wydalona na zewnątrz razem z płodem.

Częścią matczyną łożyska jest śluzówka macicy, a częścią płodową trofoblast lub kosmówka.

Rodzaje łożysk

- łożysko kosmówkowo-omoczniowe,

- łożysko kosmówkowo-żółtkowe,

- łożysko żółtkowe.

W przypadku implantacji powierzchniowej wytwarza się łożysko rzekome, a w wyniku implantacji śródmiąższowej - łożysko prawdziwe.

Ze względu na rozmieszczenie kosmków wyróżniamy następujące typy łożysk: łożysko rozproszone, łożysko liścieniowate, łożysko popręgowe oraz łożysko tarczowe - występujące u człowieka.

17

---