Литература БФХ / molekuljarnaja biologija kletki v3

21

Рис. 15-16. Схема образования синаптонемального комплекса между нормальной хромосомой и ее гомологом, имеющим инвертированный участок. Подобные структуры указывают на то, что гомологичные хромосомы конъюгируют благодаря локальному сходству определенных участков.

Сравните данный рисунок с рис. 15-17.

3.Некоторые мутации у дрозофилы приводят к аномальному распределению перекрестов по длине хромосом и резко пониженной частоте рекомбинаций; при этом у мух оказывается меньше рекомбинационных узелков и их размещение вдоль хромосомы изменено так же, как и распределение перекрестов. Такая корреляция служит веским доводом в пользу того, что каждый кроссинговер определяется локализацией одного узелка.

4.Как полагают, при генетической рекомбинации в области каждого кроссинговера происходит синтез некоторого количества ДНК (см. разд. 5.4.5). Метод радиоавтографии в сочетании с электронной микроскопией позволяет показать, что радиоактивные предшественники включаются в пахитенную ДНК главным образом в области рекомбинационных узелков или поблизости от них.

Поскольку рекомбинационных узелков бывает примерно столько же, сколько происходит перекрестов, можно думать, что эти узелки очень эффективно вызывают рекомбинацию между хроматидами двух гомологичных хромосом. К сожалению, о структуре рекомбинационных узелков и механизме их действия пока ничего не известно.

15.2.5. Хиазмы играют важную роль в расхождении хромосом во время мейоза

Кроссинговер не только способствует перетасовке генов, но играет также важнейшую роль при расхождении двух гомологов в дочерние ядра. Дело в том, что именно хиазмы удерживают вместе материнские и отцовские гомологи до анафазы I, выполняя здесь ту же функцию, что

Рис. 15-17. Тесная конъюгация двух гомологичных хромосом мыши, одна из которых содержит инверсию, на стадии пахитены. В петле виден рекомбинационный узелок (см. разд. 15.2.4). Слева - электронная микрофотография; справа поясняющая схема. (P. A. Poorman et al., Chromosoma,

83, 419. 1981.)

22

ЛЕПТОТЕНА. Профаза I начинается со стадии лептотены, когда видно, что каждая хромосома, изменив свою интерфазную конформацию, переходит в конденсированную форму, образуя длинное, тонкое волокно с белковой осевой нитью. Каждая хромосома обоими концами прикреплена к ядерной мембране с помощью специализированной структуры, называемой прикрепительным диском. Хотя каждая хромосома уже реплицировалась и состоит из двух сестринских хроматид, эти хроматиды очень тесно сближены, и поэтому каждая хромосома кажется одиночной (отдельные хроматиды не различимы вплоть до поздней профазы - до стадии диплотены или диакинеза)

ЗИГОТЕНА. Моментом перехода лептотены в зиготену считают начало синапсиса - тесной конъюгации двух гомологов. Конъюгация часто начинается с того, что гомологичные концы двух хромосом сближаются на ядерной мембране, а затем процесс соединения гомологов распространяется вдоль хромосом от обоих концов. В других случаях синапсис может начинаться во внутренних участках хромосом и продолжаться по направлению к их концам с тем же конечным результатом. Как полагают, каждый ген приходит в соприкосновение с гомологичным ему геном другой хромосомы. Когда гомологи конъюгируют, их белковые нити сближаются, образуя два боковых элемента длинного образования, напоминающего лестницу и называемого синаптонемальным комплексом. Каждую пару хромосом, образовавшуюся в I профазе мейоза, обычно называют бивалентом; но, поскольку каждая гомологичная хромосома пары состоит из двух тесно сближенных сестринских хроматид, для каждой пары больше подходит другое название тетрада

ПАХИТЕНА. Как только завершается синапсис по всей длине хромосом, клетки вступают в стадию пахитены, на которой они могут оставаться несколько суток. На этой стадии в продольной щели синаптонемального комплекса появляются крупные рекомбинационные узелки, которым приписывают важную роль в обмене участками между хромосомами. Такие обмены приводят к перекрестам между двумя несестринскими хроматидами: в обменах участвует по одной хроматиде из двух спаренных хромосом. В пахитене перекресты еще не видны, но позднее все они проявляются в виде хиазм ДИПЛОТЕНА. Стадия диплотены в 1 профазе мейоза начинается с

разделения конъюгировавших хромосом. Синаптонемальный комплекс распадается, что позволяет двум гомологичным

Рис. 15-18. Схемы, показывающие видимые изменения двух гомологичных хромосом на протяжении мейоза. Представлен ход событий в клетках млекопитающих, хотя весьма сходную картину можно наблюдать и в клетках многих других организмов. А - пять стадий первой профазы мейоза (А); Б - последующие стадии мейоза.

23

хромосомам бивалента несколько отодвинуться друг от друга. Однако они все еще связаны одной или несколькими хиазмами, т. е. местами, где произошел кроссинговер. В ооцитах (развивающихся яйцеклетках) диплотена может растянуться на месяцы или годы, так как именно на этой стадии хромосомы конденсируются и синтезируют РНК, обеспечивая яйцеклетку резервными веществами. В особых случаях диплотенные хромосомы становятся исключительно активными в отношении синтеза РНК; такие хромосомы типа ламповых щеток находят у амфибий и некоторых других организмов ДИАКИНЕЗ. Диплотена незаметно переходит в диакинез - стадию, предшествующую метафазе, когда прекращается синтез РНК и хромосомы конденсируются, утолщаются и отделяются от ядерной мембраны. Теперь ясно видно, что каждый бивалент содержит четыре отдельные хроматиды, причем каждая пара сестринских хроматид соединена центромерой, тогда как несестринские хроматиды, претерпевшие кроссинговер, связаны хиазмами. После окончания длительной профазы I два ядерных деления без разделяющего их периода синтеза ДНК доводят процесс мейоза до конца. Эти стадии обычно занимают не более 10% всего времени, необходимого для мейоза, и они носят те же названия, что и соответствующие стадии митоза. В оставшейся части первого деления мейоза различают метафазу I, анафазу I и телофазу I. К концу первого деления хромосомный набор редуцируется, превращаясь из тетраплоидного в диплоидный, совсем как при митозе, и из одной клетки образуются две. Решающее различие состоит в том, что при первом делении мейоза в каждую клетку попадают две сестринские хроматиды, соединенные в области центромеры, а при митозе - две разделившиеся хроматиды. Далее, после кратковременной интерфазы II, в которой хромосомы не удваиваются, быстро происходит второе деление - профаза II, анафаза II и телофаза II. В результате из каждой диплоидной клетки, вступившей в мейоз, образуются четыре гаплоидных ядра.

24

и центромеры в обычном митозе. У мутантных организмов с пониженной частотой кроссинговера в мейозе у отдельных пар хромосом отсутствуют хиазмы, и такие хромосомы не способны нормально расходиться. В результате значительная доля образующихся гамет содержит слишком много или слишком мало хромосом - последний случай служит примером нерасхождения хромосом.

Существуют по меньшей мере два важных различия между механизмами расхождения хромосом в обычном митозе и при первом делении мейоза:

1)если при митозе нити веретена, прикрепленные к кинетохорам двух сестринских хроматид, отходят в противоположных направлениях, то в первой метафазе мейоза эти нити у обеих сестринских хроматид отходят в одном и том же направлении (рис. 15-19);

2)при митозе расхождение хроматид к полюсам инициируется отделением друг от друга сестринских кинетохоров (так начинается анафаза, разд. 13.5.7), тогда как в первой анафазе мейоза это движение, по-видимому, начинается в результате исчезновения мало изученных сил, которые удерживают плечи сестринских хроматид в тесно сближенном состоянии, что в свою очередь ведет к распаду хиазм, связывающих материнские и отцовские хромосомы (см. рис. 15-9). Это не только позволяет объяснить тот факт, что у многих организмов хиазмы необходимы для нормального расположения хромосом в метафазе I, но и дает ответ на вопрос, почему у хромосом, образующихся в анафазе I, плечи сестринских хроматид обыкновенно не слипаются, что придает им необычный «развернутый» вид и делает их похожими на митотические хромосомы (рис. 15-19).

15.2.6. Расхождение половых хромосом тоже обеспечивается их конъюгацией

Мы объяснили, каким образом конъюгация гомологичных хромосом обусловливает их расхождение в две дочерние клетки. Но как обстоит дело с половыми хромосомами, которые у самцов млекопитающих не гомологичны? У самок имеются две Х-хромосомы, которые конъюгируют

ирасходятся так же, как другие гомологи. Однако самцы обладают одной Х - и одной Y-хромосомой,

иэти хромосомы должны конъюгировать во время первой метафазы, чтобы сперматозоиды содержали либо Х -, либо Y-хромосому, но исключалось наличие или отсутствие в них сразу обеих половых хромосом. Требуемая конъюгация становится возможной благодаря наличию небольшого участка на конце каждой из этих хромосом, где между ними имеется гомология; эта гомология позволяет половым хромосомам X и Y спариваться во время первой профазы мейоза (рис. 15-15, Б). Таким образом, гарантируется конъюгация Х- и Y-хромосом и образование спермиев только двух типов: одни содержат Y-хромосому и дают начало эмбриону мужского пола, а другие - Х-хромосому

идают начало эмбриону женского пола.

15.2.7. Второе деление мейоза напоминает обычный митоз

Мейоз состоит из двух последовательных клеточных делений, первое из которых длится почти столько же, сколько весь мейоз, и гораздо сложнее второго (рис. 15-20). Первое деление отличается рядом уникальных особенностей. Например, репликация ДНК во время подготовительной фазы S, как правило, занимает значительно больше времени, чем при митозе. Кроме того, клетки могут пребывать в стадии мейотической профазы I несколько дней, месяцев и даже лет, в зависимости от вида организма и типа образующихся гамет. (Эта

Рис. 15-19. Сравнение механизмов упорядоченного расположения хромосом в метафазе и их расхождения в анафазе при первом и втором делениях мейоза. Во втором делении используются те же механизмы, что и в обычном митозе (см. гл. 13).

25

растянутая фаза первого деления мейоза традиционно называется профазой, хотя она обладает большим сходством с фазой G2 обычного митоза в том отношении, что ядерная оболочка остается все время интактной и исчезает лишь тогда, когда начинается формирование нитей веретена, т.е. когда профаза I переходит в метафазу I.)

После окончания первого деления мейоза у двух дочерних ядер вновь образуются оболочки и начинается короткая интерфаза. В это время хромосомы несколько деспирализуются, однако, вскоре они опять конденсируются и начинается профаза II. Поскольку в этот период синтеза ДНК не происходит, создается впечатление, что у некоторых организмов хромосомы переходят непосредственно от одного деления к другому. Профаза II у всех организмов короткая: ядерная оболочка разрушается, когда формируется новое веретено, после чего, быстро сменяя друг друга, следуют метафаза II, анафаза II и телофаза II. Так же как и при митозе, у сестринских хроматид образуются кинетохорные нити, отходящие от центромеры в противоположных направлениях. В метафазной пластинке две сестринские хроматиды удерживаются вместе до анафазы, когда они разделяются благодаря внезапному расхождению их кинетохоров (рис. 15-19). Таким образом, второе деление мейоза сходно с обычным митозом (этого нельзя сказать о первом делении мейоза). Единственное существенное различие состоит в том, что здесь имеется по одной копии каждой хромосомы, а не по две, как в митозе.

Мейоз заканчивается формированием ядерных оболочек вокруг четырех гаплоидных ядер, образовавшихся в телофазе II (см. рис. 15-18, Б). Как мы увидим, у позвоночных к концу мейоза яйцеклетка уже полностью сформирована (а в некоторых случаях и оплодотворена), тогда как спермий еще только начинает свое развитие.

Заключение

При мейозе в результате двух последовательных клеточных делений, следующих за одним циклом репликации ДНК, из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные. У животных начальные фазы формирования яйцеклетки и сперматозоида сходны. В обоих случаях в мейозе доминирует профаза I, которая может занимать 90% всего времени мейоза. В этот период каждая хромосома состоит из двух тесно сближенных сестринских хроматид. Кроссинговер (перекрест) между хромосомами осуществляется на стадии пахитены в профазе I, когда конъюгация каждой пары гомологичных хромосом закрепляется синаптонемальным комплексом. Как полагают, каждый перекрест происходит при участии крупного рекомбинационного узелка и приводит к образованию хиазмы, сохраняющейся вплоть до анафазы I. В результате первого деления мейоза в каждую дочернюю клетку попадает по одной хромосоме из каждой пары гомологов, состоящих в это время из соединенных сестринских хроматид. Затем без репликации ДНК быстро протекает второе деление, при котором каждая сестринская хроматида попадает в отдельную гаплоидную клетку.

15.3. Гаметы [9]

У эмбрионов всех позвоночных на ранней стадии развития определенные клетки обособляются как предшественники будущих гамет. Такие первичные половые клетки мигрируют в развивающиеся гонады (яичники у самок, семенники у самцов), где после периода митотического размножения претерпевают мейоз и дифференцируются в зрелые гаметы. Затем слияние яйцеклетки и спермия после спаривания иниции-

Рис. 15-20. Сравнение длительностей различных стадий мейоза, представленных на рис. 15-18. Показаны примерные временные интервалы для самца млекопитающего (мыши) и растения (лилии). Эти интервалы различны для женских и мужских гамет (яиц и спермиев) одного и того же вида и для одинаковых гамет разных видов. Например, мейоз у мужчины длится 24 дня, а у самца мыши 12 дней. Однако во всех случаях профаза первого деления мейоза намного продолжительнее, чем все остальные стадии, вместе взятые.

26

рует процесс развития эмбриона, у которого, в свою очередь, формируются первичные половые клетки, т. е. открывается новый цикл.

Пока не ясно, по какой именно причине определенные клетки у зародыша млекопитающего превращаются в половые клетки, но известно, что, по крайней мере, у одного организма определяющим фактором служит какой-то компонент (или компоненты) цитоплазмы яйца: у дрозофилы специфическая область цитоплазмы - полярная плазма, расположенная на заднем полюсе яйца, - содержит мелкие гранулы, богатые РНК (полярные гранулы); клетки, образующиеся в этой части яйца и содержащие полярные гранулы, становятся первичными половыми клетками и, в конечном счете, мигрируют в гонады, где из них развиваются гаметы. Если полярную плазму ввести в передний полюс яйца, то клетки, которые должны были стать соматическими, превратятся в половые.

15.3.1. У высших животных яйцеклетка это единственная клетка, из которой может развиться новая особь

По крайней мере, в одном отношении яйцеклетки - самые удивительные из всех животных клеток: будучи активированы, они могут дать начало целому новому организму, причем иногда для этого достаточно нескольких дней или недель. У высших животных это исключительная привилегия яйцеклеток. Активация обычно является следствием слияния яйцеклетки со спермием при оплодотворении, хотя, как мы позже увидим, во многих случаях яйцеклетку можно активировать иными, зачастую поразительно простыми способами (см. разд. 15.4.3). Активация яйцеклетки запускает программу развития, постепенное развертывание которой приводит к образованию новой особи.

У большинства животных, не относящихся к млекопитающим, ранний этап развития яйцеклетки сводится главным образом к ряду быстрых клеточных делений, или дроблению, при котором общая масса эмбриона остается, как правило, неизменной. В процессе дробления яйца образующиеся клетки постепенно становятся все меньше, пока не достигнут обычной величины зрелой соматической клетки. Хотя на ранних стадиях дробления синтезируются огромные количества ДНК и белков, в это время нет необходимости в синтезе РНК (в транскрипции генов). Это объясняется тем, что еще до оплодотворения в клетках накапливаются огромные резервы информационных РНК, рибосом, транспортных РНК и всех предшественников, необходимых для синтеза макромолекул, а также особых информационных РНК, кодирующих белки, которые необходимы для протекания ранних стадий развития.

Особенно большие запасы питательных веществ требуются тем яйцеклеткам, которые проходят длительный период эмбрионального развития вне родительского организма; в связи с этим яйца земноводных и птиц значительно крупнее, чем, например, яйцеклетки млекопитающих. Пресноводные и морские беспозвоночные, развивающиеся из небольших яйцеклеток вне родительского организма (такие, как морские ежи), обычно быстро превращаются в способных к самостоятельному питанию личинок.

Во взрослом организме из яйцеклетки может образоваться клетка любого типа. Тем не менее, ее отнюдь нельзя считать недифференцированной клеткой. Она в высшей степени специализирована для выполнения одной-единственной функции - построения новой особи. Прежде чем обсуждать вопрос о том, как протекает развитие яйцеклетки до того момента, когда она становится готова к оплодотворению, рассмотрим вкратце некоторые из ее уникальных особенностей.

27

15.3.2.Яйцеклетки представляют собой высокоспециализированные клетки, способные к независимому развитию

иобладающие большими запасами питательных веществ и совершенной оболочкой [10]

Наиболее очевидная отличительная черта яйцеклетки - это ее большие размеры. Типичная яйцеклетка имеет сферическую или овальную форму, а диаметр ее составляет у человека и морского ежа около 100 мкм, у лягушек и рыб от 1 до 2 мм, а у птиц и рептилий измеряется сантиметрами (напомним, что величина типичной соматической клетки всего лишь около 20 мкм) (рис. 15-21 и 15-22). Столь же внушительными могут быть размеры ядра; например, в яйце лягушки величиной 1500 мкм диаметр ядра составляет около 400 мкм; в преддверии быстрых делений, следующих сразу за оплодотворением, в таком ядре откладываются запасы белков.

Потребность клетки в питательных веществах удовлетворяет в основном желток - материал протоплазмы яйца, богатый липидами и белками. Он обычно содержится в дискретных образованиях, называемых желточными гранулами. В яйцеклетках, развитие которых протекает вне материнского организма и приводит к формированию крупных животных, желток может занимать более 95% всего объема, тогда как у млекопитающих, чьи эмбрионы получают большую часть питательных веществ от матери, объем желтка составляет менее 5% объема яйцеклетки.

Другой важной специфической структурой яйцеклетки является наружная яйцевая оболочка покров из особого неклеточного вещества, состоящего в основном из гликопротеиновых молекул, часть которых секретирует сама яйцеклетка, а другую часть - окружающие клетки. У многих видов оболочка имеет внутренний слой, непосредственно прилегающий к плазматической мембране яйцеклетки и называемый у млекопитающих zona pellucida (рис. 15-23), а у других позвоночных и беспозвоночных (например, у морского ежа) - вителлиновым слоем. Этот слой защищает яйцеклетку от механических повреждений; в некоторых яйцеклетках он действует также как видоспецифический барьер для спермиев, позволяющий проникать внутрь только спермиям того же вида или очень близких видов (см. разд. 15.4.2). У животных, не относящихся к млекопитающим, соседние клетки часто выделяют добавочные оболочки, покрывающие вителлиновый слой. Например, когда яйца лягушки проходят из яичника по яйцеводу (трубка, по которой яйца выводятся наружу), их оболочка приобретает несколько дополнительных слоев из студнеобразного вещества, выделяемого эпителиальными клетками яйцевода. Аналогичным образом у куриного яйца при прохождении его по яйцеводу (после оплодотворения) появляются «белок» и твердая скорлупа, тогда как яйца насекомых покрываются тонкой прочной оболочкой, получившей название хориона и выделяемой фолликулярными клетками, окружающими каждое яйцо.

Многие яйцеклетки (в том числе и яйцеклетки млекопитающих) содержат специализированные секреторные пузырьки, находящиеся под плазматической мембраной в наружном, или кортикальном, слое цитоплазмы (рис. 15-24). При активации яйцеклетки спермием эти кортикальные гранулы высвобождают содержимое путем экзоцитоза, в результате свойства яйцевой оболочки изменяются таким образом, что через нее уже не могут проникнуть внутрь яйцеклетки другие спермин (см. разд. 15.4.5).

В то время как кортикальные гранулы обычно равномерно распределены во всем кортексе яйцеклетки, другие компоненты цитоплазмы могут располагаться крайне асимметрично. Например, в яйце лягушки

Рис. 15-22. Относительные размеры различных яйцеклеток по сравнению с величиной типичной соматической клетки.

Рис. 15-21. Три различных яйца в натуральную величину. Диаметр яйцеклетки человека составляет 0,1 мм.

Рис. 15-23. А. Микрофотографии яйцеклетки хомячка, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Хорошо видна zona pellucida; на фото Б эта оболочка (к которой прикрепилось много спермиев) частично отогнута и можно видеть лежащую под ней плазматическую мембрану яйцеклетки с многочисленными микроворсинками. (М. Pillips, J. Ultrastruct. Res., 72, 1-12, 1980.)

Рис. 15-24. Схематический разрез яйца морского ежа; видно расположение гранул. Обратите внимание на то, что вителлиновый слой покрыт студенистой оболочкой, толщина которой доходит до 30 мкм.

28

большая часть желтка находится на одном (вегетативном) полюсе, тогда как ядро располагается ближе к противоположному (анимальному) полюсу. Полярность яйцеклетки, которая зависит главным образом от внешних условий, часто определяет полярность развивающегося эмбриона (см. разд. 16.1.1).

15.3.3. Яйцеклетка проходит в своем развитии несколько стадий [10,

11]

Развивающаяся яйцеклетка называется ооцитом; ее дифференцировка в зрелую яйцеклетку (или яйцо), включающая в себя ряд высокоспециализированных стадий, отличается от обычных клеточных циклов. Мы уже знаем, что вместо того, чтобы продолжать делиться посредством обычного митоза, половые клетки осуществляют два последних деления путем более сложного процесса-мейоза. Более того, у ооцитов выработались специальные механизмы, позволяющие им приостанавливать ход мейоза: ооциты на длительный период задерживаются в профазе 1, увеличиваясь в это время в размерах, а позже они в преддверии оплодотворения во многих случаях временно останавливают свое развитие на стадии метафазы II.

Хотя детали развития яйцеклетки (оогенеза) различаются у разных видов, основные стадии сходны (рис. 15-25). Первичные половые клетки мигрируют в формирующуюся гонаду и превращаются в оогонии; после периода митотического размножения оогонии дифференцируются в ооциты первого порядка, которые приступают к первому делению мейоза. Происходит репликация ДНК, и каждая хромосома состоит после этого из двух хроматид; гомологичные хромосомы конъюгируют по всей своей длине, и между хроматидами спаренных хромосом осуществляется кроссинговер. На этой стадии профаза приостанавливается на то или иное время, которое может составлять от нескольких дней до многих лет в зависимости от вида организма. Во время этой затянутой профазы (или, в некоторых случаях, при наступлении половой зрелости) ооциты первого порядка приобретают наружные оболочки и кортикальные гранулы, накапливают рибосомы, желток, гликоген, липиды и информационную РНК, которая впоследствии направляет синтез белков, необходимых для ранних стадий роста эмбриона и подготовки к развертыванию программы развития. Во многих ооцитах такая активность отражается на видимой структуре все еще спаренных хромосом: они деспирализуются и образуют боковые петли, приобретая характерный вид «ламповых щеток», свойственный хромосомам, активно осуществляющим синтез РНК (см. разд. 9.2.4).

Следующая фаза развития, называемая созреванием яйцеклетки, начинается лишь с наступлением половой зрелости. Под влиянием гормонов (см. ниже) происходит первое деление мейоза: хромосомы снова конденсируются, ядерная оболочка исчезает (этот момент обыкновенно принимают за начало созревания), и в анафазе I реплицированные гомологичные хромосомы расходятся в дочерние ядра, каждое из которых содержит теперь половину исходного числа хромосом. Но цитоплазма делится очень несимметрично, так что к концу первого деления получаются две клетки, резко различающиеся по величине: одна представлена маленьким полярным тельцем, а другая - большим ооцитом второго порядка, в котором заложены все возможности для развития. На

29

Рис. 15-25. Различные стадии оогенеза. Из первичных половых клеток, мигрирующих в яичник на ранней стадии эмбриогенеза, развиваются оогонии. После ряда митотических делений оогонии приступают к первому делению мейоза, и на этой стадии их называют уже ооцитами первого порядка. У млекопитающих ооциты первого порядка формируются очень рано и остаются на стадии профазы I (у человека это происходит между 3- м и 8-м месяцами эмбрионального развития) до тех пор, пока самка не достигнет половой зрелости. После этого под влиянием гормонов периодически созревает небольшое число ооцитов, которые завершают первое деление мейоза и превращаются в ооциты второго порядка; последние претерпевают второе деление мейоза и становятся зрелыми яйцеклетками. Стадия, на которой яйцеклетка выходит из яичника и оплодотворяется, у разных животных различна. У большинства позвоночных созревание ооцитов приостанавливается на стадии метафазы II и ооцит второго порядка завершает мейоз лишь после оплодотворения. Все полярные тельца в конечном счете дегенерируют. Однако у большинства животных, в том числе и у млекопитающих, полярные тельца остаются внутри яйцевой оболочки, а у некоторых видов первое полярное тельце успевает до дегенерации претерпеть одно деление.

этой стадии каждая из хромосом все еще состоит из двух сестринских хроматид; в таком виде хромосомы остаются вплоть до второго деления мейоза, когда хроматиды отделяются друг от друга в результате процесса, сходного с анафазой митоза (см. разд. 15.2.7). После окончательного расхождения хромосом в анафазе II цитоплазма большого

30

ооцита второго порядка вновь делится асимметрично, что ведет к образованию зрелой яйцеклетки (или яйца) и еще одного маленького полярного тельца; при этом обе клетки получают гаплоидное число одиночных хромосом (см. рис. 15-25). Благодаря двум несимметричным делениям цитоплазмы ооциты сохраняют большую величину, хотя они и претерпели два деления мейоза. Все полярные тельца очень малы, и они постепенно дегенерируют.

У большинства позвоночных созревание ооцитов продолжается до метафазы II и приостанавливается на этой стадии. При овуляции ооцит второго порядка освобождается из яичника и в том случае, когда происходит оплодотворение, завершает мейоз.

15.3.4. Яйцеклетка достигает крупных размеров благодаря специальным механизмам [10, 11]

Небольшой соматической клетке диаметром 10-20 мкм обычно требуется около суток, для того чтобы удвоить массу при подготовке к делению. Той же клетке при таких же скоростях синтеза макромолекул понадобилось бы очень много времени, чтобы достичь в тысячу раз большей массы, характерной для яйцеклетки млекопитающего (диаметр 100 мкм), или в миллион раз большей массы яйца насекомого (диаметр 1000 мкм). Между тем некоторые насекомые живут всего лишь несколько дней и ухитряются производить яйца, диаметр которых даже больше 1000 мкм. Ясно, что их яйцеклетки должны обладать особыми механизмами для достижения столь крупных размеров.

Одним из факторов, способствующих такому росту, является наличие в клетке дополнительных копий генов. У яйцеклеток многих животных завершение мейоза откладывается почти до самого конца созревания, так что эти яйцеклетки содержат удвоенный диплоидный набор хромосом в течение большей части периода их роста. Таким образом, они содержат вдвое больше ДНК для синтеза РНК, чем имеет средняя соматическая клетка в фазе клеточного цикла. В некоторых яйцеклетках процесс накопления дополнительной ДНК идет еще дальше, приводя к образованию большого числа добавочных копий определенных генов. В гл. 9 мы уже видели, что для образования достаточного числа рибосом, на которых происходит синтез белков, соматическим клеткам большинства организмов требуется от 10 до 500 копий генов рибосомной РНК. Поскольку яйцеклетки нуждаются в еще большем количестве рибосом для белкового синтеза на ранних стадиях эмбриогенеза, в яйцеклетках многих животных гены рРНК амплифицируются; так, в яйцах рыб и амфибий содержится 1-2 млн. копий таких генов (рис. 15-26).

Рост многих яиц в какой-то степени зависит от биосинтетической активности других клеток. Например, один из важных компонентов крупной яйцеклетки - желток - обычно синтезируется вне яичника и затем переносится в ооцит. У птиц, амфибий и насекомых белковые вещества желтка образуются в клетках печени (или их функциональных аналогах), которые выделяют эти вещества в кровь. Ооциты, находящиеся в яичниках, извлекают эти будущие белковые компоненты желтка из внеклеточной жидкости путем эндоцитоза при участии специфических рецепторов (см. рис. 6-72). Питанию ооцитов могут также способствовать вспомогательные клетки, находящиеся в яичнике. Эту функцию в оогенезе в зависимости от вида организма выполняют вспомогательные клетки яичника двух различных типов. У некоторых беспозвоночных имеются клетки-кормилицы: они обычно окружают яйцеклетку и соединены с ней цитоплазматическими мостиками, по которым макромолекулы могут прямо переходить в ее цитоплазму. Клетки-кормилицы синтезируют для яйцеклеток насекомых такие компоненты (рибосомы,

Рис. 15-26. Микрофотография изолированного ядра из яйца лягушки. Ядро окрашено крезиловым фиолетовым, чтобы можно было видеть множество ядрышек результат многократной амплификации генов рибосомной РНК. (D. D. Brown., I. Dawid, Science, 160, 273-275, 1968.)