Репродуктивная биология обеспечивает зачатие и регенерацию с помощью вспомогательных средств Понимание процесса оплодотворения человека, структуры гамет и имплантации лежит в основе вспомогательных репродуктивных технологий и регенеративной медицины. Программы по воссозданию эмбриональных клеток in vitro позволяют получать желаемые ткани или линии стволовых клеток. Поскольку клиническая практика опережает учебные программы, эти основы приобретают все большее значение.
Случайная рентгеновская инактивация объясняет мозаику в ситцевом пальто Пестрая окраска возникает из-за того, что эмбрионы женского пола случайным образом инактивируют одну из двух своих Х-хромосом в каждой клетке. Случайный выбор создает на протяжении всей жизни участки с различной экспрессией генов, поэтому паттерны редко повторяются в точности. Человеческие самки также представляют собой мозаику, хотя цвет кожи у нашего вида не связан с Х‑хромосомой.
Сперматозоиды оптимизированы для движения вперед Обтекаемая ячейка имеет заостренную головку, шейку и жгутиковый хвост, которые вместе минимизируют лобовое сопротивление и максимизируют тягу. Акросома покрывает головку с ферментами — гиалуронидазой, нейраминидазой, кислой фосфатазой и трипсиноподобными протеазами, ‑ которые помогают разрушить внешнюю оболочку яйцеклетки. В головке содержится компактный гаплоидный геном, подготовленный для доставки.
Протамины сжимают отцовский геном в тороиды Сперматозоиды заменяют гистоны на протамины, упаковывая ДНК в тороидальные кольца вместо нуклеосомных соленоидов. В результате такой экстремальной конденсации образуется самое маленькое ядро среди клеток человека и оно становится транскрипционно инертным. Как гаплоидная полезная нагрузка, она остается закрытой до тех пор, пока не окажется внутри яйцеклетки.
Аксонема, плотные волокна и оболочка митохондрий стимулируют биение жгутиков Множество микротрубочек аксонемы из 9+2 обернуто наружными плотными волокнами, которые придают хвосту жесткость. Спиралевидная оболочка митохондрий в средней части обеспечивает поступление АТФ, в то время как волокнистая оболочка вдоль основной части обеспечивает плоское биение, напоминающее хлыст. Наконечник сужается только к аксонеме под мембраной.
Средняя, основная и концевые части имеют четкую ультраструктуру Средняя часть состоит из аксонемы, наружных плотных волокон и спирали митохондрий под плазматической мембраной. Основная часть сохраняет аксонему и плотные волокна и добавляет волокнистую оболочку, но лишена митохондрий. Концевая часть - это самый тонкий сегмент, состоящий только из аксонемы под мембраной.
Морфология и подвижность определяют способность к внесению удобрений Аномальные головки, дублированные головки или хвостики, а также неправильная архитектура хвостика ухудшают подвижность и снижают вероятность попадания в яйцеклетку. Анализ спермы позволяет определить концентрацию, подвижность и морфологию сперматозоидов и использует такие термины, как азооспермия (отсутствие сперматозоидов), олигоспермия (низкое количество), астеноспермия (плохая подвижность) и тератоспермия (многие аномальные формы). До половины клеток могут быть морфологически ненормальными, но фертильность может сохраняться, поскольку отбор устраняет дефекты на ранней стадии.
ЭКО и ИКСИ обходят естественные барьеры, когда сперматозоидов мало или они неподвижны Когда естественное поступление сперматозоидов не удается, оплодотворение может произойти вне организма. При традиционном ЭКО созревшие сперматозоиды совместно инкубируются с яйцеклетками, в то время как интрацитоплазматическая инъекция сперматозоидов помещает выбранный сперматозоид непосредственно в цитоплазму яйцеклетки. Яйцеклетка переваривает части введенного сперматозоида, сохраняя ядро, центриоль и активирующий фактор, необходимый для расщепления.
Многослойная защита яйцеклетки и молекулярные замки Яйцеклетка размером ~170 мкм окружена кумулюсными клетками, гликопротеиновой прозрачной зоной и оолеммой. Белки Zona ZP1–ZP4, особенно ZP3, опосредуют видоспецифическое связывание и обеспечивают акросомную реакцию. Во время овуляции клетка задерживается в метафазе II, снабжается кортикальными гранулами и ограниченным количеством питательных веществ и является олиголецитальной и изолецитальной.
Хемотаксис и реотаксис крови направляют сперматозоиды в правый яйцевод После отложения сперматозоиды направляются к сигналам, полученным от яйцеклеток, благодаря положительному хемотаксису. Они также плывут против течения жидкости в желудочно—кишечном тракте — реотаксису, который активизирует их и улучшает направленность. Свежий эякулят не может оплодотворить; для приобретения способности к оплодотворению требуется инкубация в яйцеводе.
Конденсация устраняет приманки и настраивает сигналы о гиперактивности Капацитация смывает конъюгаты с гликопротеинами и выводит холестерин из головной мембраны, повышая текучесть акросомной реакции. Усиливается фосфорилирование тирозина и передача сигналов цАМФ, а катионные каналы в проксимальном хвосте повышают уровень внутриклеточного кальция. В результате повышается подвижность, и эти биохимические маркеры определяют решения о проведении вспомогательной репродукции.
Жестокая гонка оставляет лишь несколько соперников Из сотен миллионов только несколько сотен достигают яйцеклетки, преодолев примерно 10 см — пятикилометровую дистанцию. По пути они борются с токами и лейкоцитами, которые поглощают их как чужеродные клетки. Даже при внесении одного удобрения требуется много удобрений, потому что объединенные ферменты должны разрежать зону.
ZP3‑опосредованное распознавание запускает акросомную реакцию Сперматозоиды проникают через кумулюс и связывают лиганды zona pellucida через специфические рецепторы, обеспечивая видовую специфичность. Взаимодействие с Zona вызывает акросомальный экзоцитоз, высвобождая ферменты для расщепления гликопротеинового матрикса. Множество клеток взаимодействуют ферментативно, так что в конечном итоге один победитель может слиться.
Электрические и биохимические блоки предотвращают полиспермию Слияние одного сперматозоида мгновенно деполяризует оолемму, препятствуя дальнейшему слиянию. Кальциевая волна запускает экзоцитоз кортикальных гранул; их содержимое реконструирует перивителлиновое пространство и укрепляет прозрачную оболочку. Полученная в результате оплодотворения оболочка устраняет связывание ZP3 и препятствует дальнейшему перевариванию, а также препятствует преждевременной внематочной имплантации и защищает от внешних токсинов.
Сперматозоиды запускают активацию яйцеклеток и образование пронуклеаров Активатор, переносимый сперматозоидами, в частности фосфолипаза С дзета, инициирует завершение мейоза II и экструзию полярного тельца. Отцовский геном распадается, протамины заменяются гистонами, и рядом с женским пронуклеусом образуется мужское пронуклеусное ядро. Отцовская центриоль сохраняется, в то время как отцовские митохондрии и остатки хвоста разрушаются.
Дублирование хроматид, сборка веретена и первое расщепление ДНК в обоих пронуклеусах реплицируется, затем пронуклеарные оболочки распадаются, поскольку веретено организуется между материнской и отцовской центриолями. Первый митоз точно разделяет хроматиды на два дочерних бластомера. Тем временем, действие ресничек в яйцеводе пассивно перемещает плод к матке в течение примерно пяти дней.
Расщепление у человека: голобластическое, равномерное и асинхронное При делении происходит разделение всей зиготы, поскольку желток в ней редкий, и каждое деление происходит по экватору, приводя к появлению дочерних клеток одинакового размера. Прозрачная оболочка препятствует росту, поэтому бластомеры постепенно уменьшаются в размерах. Деления происходят асинхронно, количество клеток не удваивается точно.
Уплотнение связывает наружные клетки с трофэктодермой, а внутренние - с эмбрионом Плотные соединения укрепляются, а поверхность разглаживается, поскольку клетки максимально соприкасаются во время уплотнения. Внешние клетки приобретают сходство с трофэктодермой, в то время как внутренние клетки становятся внутренней клеточной массой, предназначенной для собственно эмбриона. Это раннее разделение определяет разные судьбы.
Морула превращается в бластоцисту с полостью‑ заполненной жидкостью Морула напоминает шелковицу; характерным признаком перехода является появление бластоцеля, который образует бластоцисту. Трофэктодерма выравнивается, образуя полость, а внутренняя клеточная масса собирается на одном полюсе. Прозрачная зона все еще окружает conceptus в это время.
Спектр действия: тотипотентный, плюрипотентный, мультипотентный — и риск развития опухоли Бластомеры морулы тотипотентны и могут образовывать эмбрион и мембраны, в то время как клетки внутренней клеточной массы плюрипотентны и образуют все ткани организма, но не мембраны. Взрослые стволовые клетки мультипотентны и имеют более узкую судьбу. Эмбриональные стволовые клетки из внутренней массы обладают высокой пластичностью, но при этом склонны к образованию тератомы, что ограничивает практическое применение.
Предимплантационное генетическое тестирование помогает избежать наследственных заболеваний Пары могут прибегнуть к ЭКО не только из‑за бесплодия, но и для того, чтобы избежать передачи известных мутаций или возрастных хромосомных ошибок. При биопсии можно взять бластомер на стадии восьми клеток или образец трофэктодермы из бластоцисты; последний вариант позволяет получить больше клеток и наносит меньше вреда. Любая биопсия снижает вероятность имплантации, но позволяет отобрать эмбрионы без целевых дефектов.
От FISH до микрочипов и секвенирования экзомов Флуоресцентная гибридизация in situ выявляет анеуплоидии и структурные перестройки в образцах клеток. Микрочипы позволяют одновременно выявлять множество заранее определенных точечных мутаций путем гибридизации с иммобилизованными зондами. Более широкое профилирование, такое как секвенирование экзома, возможно, но используется реже; спрос растет с увеличением возраста родителей и давления окружающей среды.
Вылупление, адгезия эндометрия и опасность внематочной имплантации При вылуплении бластоциста теряет прозрачную оболочку, поэтому она может прикрепиться к эндометрию и проникнуть в него, чтобы получить доступ к питательным веществам матери. Гормональная контрацепция может сделать цервикальную слизь непроницаемой для сперматозоидов и изменить секрецию эндометрия, снижая его восприимчивость. Имплантация вне матки, в том числе в трубу или органы брюшной полости, представляет собой внематочную беременность и требует хирургического вмешательства.
Почему два материнских или два отцовских генома не работают Несмотря на понимание процессов оплодотворения и раннего развития, развитие прекращается при объединении двух материнских или двух отцовских геномов. Исследователи экспериментально обошли это на мышах, подчеркнув, что барьер является скорее биологическим, чем техническим. Первопричина сводится к одному фундаментальному явлению, оставленному в качестве подсказки для дальнейшего обсуждения.