ΔΙΑΛΕΞΗ 2. BIO 101 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΖΩΟΛΟΓΙΑ ΓΟΝΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΑΥΛΑΚΩΣΗ ΔΙΔΑΣΚΩΝ Μιχάλης Παυλίδης (pavlidis@biology.uoc.gr) Hράκλειο, Νοέμβριος 2013 ΓΟΝΙΜΟΠΟΙΗΣΗ* 1. Επαφή, αναγνώριση & πρόσδεση σπερματοζωαρίου σε ωάριο (0 sec) 2. Παρεμπόδιση πολυσπερμίας (2 sec) 3. Σύντηξη σπερματοζωαρίου με τη μεμβράνη του ωαρίου (10 sec) 4. Φλοιική αντίδραση (30 sec) 5. Σχηματισμός μεμβράνης γονιμοποίησης (1 min) 6. Μετανάστευση σπερματοζωαρίου στο κέντρο του ωαρίου (1,5 min) 7. Έναρξη αποσυμπύκνωσης πυρήνα σπερματοζωαρίου (2 min) 8. Σύντηξη προπυρήνων ωαρίου & σπερματοζωαρίου (12 min) 9. Έναρξη σύνθεσης DNA (20 min) 10. Πρώτη κυτταρική διαίρεση αυλάκωση (90 min) (Άνθρωπος: ~ 24 h) (*Χρονοδιάγραμμα φάσεων από την γονιμοποίηση μέχρι την έναρξη της αυλάκωσης στον αχινό) 1 2 Επαφή, Αναγνώριση & Πρόσδεσητου σπερματοζωαρίου στο ωάριο Tα σπερματοζωάρια διαπερνούν το ζελατινώδες περίβλημα που περιβάλλει το ωάριο Έρχονται σε επαφή με το λεπτό λεκιθικό κάλυμμα ακριβώς πάνω από την κυτταροπλασματική μεμβράνη του ωαρίου Οι πρωτεΐνες αναγνώρισης που βρίσκονται στο ακρόσωμα του σπερματοζωαρίου, προσδένονται σε συγκεκριμένους υποδοχείς σπέρματος που βρίσκονται στη λεκιθική μεμβράνη Το ακρόσωμα απελευθερώνει τα λυτικά του ένζυμα και ανοίγει ο δρόμος γιατηδιάνοιξητηςλεκιθικήςμεμβράνης(ή της διαφανούς ζώνης) Η κυτταρική μεμβράνη του σπερματοζωαρίου ενώνεται με την κυτταρική μεμβράνη του ωοκυττάρου Ολόκληρο το περιεχόμενο του σπερματοζωαρίου εισέρχεται στο ωοκύτταρο 3
Αποφυγή Πολυσπερμίας Σχηματισμός Κώνου Γονιμοποίησης (Fertilization cone) Οξύς Φραγμός (αλλαγή στο ηλεκτρικό δυναμικό της μεμβράνης του ωαρίου) Φλοιϊκή αντίδραση Χιλιάδες φλοιϊκά κοκκία απελευθερώνουν ένζυμα τα οποία Σύντηξη μεμβρανών σπερματοζωαρίου και ωαρίου Τα φλοιϊκά κοκκία απελευθερώνουν το υλικό τους μεταξύ της κυτταρικής & της λεκιθικής μεμβράνης Δημιουργία ωσμωτικής διαβάθμισης & είσοδος νερού Ανύψωση λεκιθικού καλύμματος Απομάκρυνση σπερματοζωαρίων που δεν έχουν ενωθεί με την κυτταρική μεμβράνη Έξοδος περιεχομένου φλοιϊκού κοκκίου 5 6 Ολοκλήρωση της 2 ης μειωτικής διαίρεσης Σκλήρυνση της λεκιθικής μεμβράνης Σχηματισμός ωαρίου και αποχωρισμός του δεύτερου πολικού σωματίου Δημιουργία μεμβράνης γονιμοποίησης (fertilization membrane) 7
Σύντηξη των Προπυρήνων & Ενεργοποίηση του Ωαρίου Απώλεια μαστιγίου του σπέρματος Ο πυρήνας του σπερματοζωαρίου αυξάνεται σε μέγεθος (προπυρήνας) και μεταναστεύει Σύντηξη προπυρήνων σπερματοζωαρίου & ωαρίου & σχηματισμός του ζυγώτη (12 h στα θηλαστικά) Το κεντροσωμάτιο του σπερματοζωαρίου διπλασιάζεται και έτσι δημιουργούνται δυο κεντροσωμάτια, τα οποία αμέσως μετά θα σχηματίσουν τα ινίδια της ατράκτου για την πρώτη μιτωτική διαίρεση του ζωγωτού http://www.youtube.com/watch?nr=1&v=six BCxPW2Fc http://www.youtube.com/watch?v=lxn_sdnd1 ng&feature=related 9 10 ΑΥΛΑΚΩΣΗ Ταχείς μιτωτικές διαιρέσεις Όχι αύξηση μάζας, αλλά υποδιαιρέσεις Σχηματισμός Βλαστομεριδίων Πολύχαιτοι: 100 Αμφιοξύς: 9.000 Βάτραχος: 700.000 Πολικότητα που καθορίζει την κατεύθυνση των διαιρέσεων & την ανάπτυξη του εμβρύου Παράγοντες που καθορίζουν τα μοντέλα της αυλάκωσης Ποσότητα & κατανομή της λεκίθου στο αυγό Γονίδια που ελέγχουν τη συμμετρία των διαιρέσεων 11 12
Τύποι Αυγών με Βάση την Ποσότητα της Λεκίθου Τύποι αυγών Ποσότητα λεκίθου Ζωικές ομάδες Αλεκιθικά Πλακουντοφόρα θηλαστικά Μειολεκιθικά (μικρολεκιθικά) Μεσολεκιθικά Πολυλεκιθικά μακρολεκιθικά) Μικρή Μέτρια Πολύ Μαρσιποφόρα, Εχινόδερμα, Ασκίδια, Μαλάκια, Κεφαλοχορδωτά, Νημερτίνοι Κυκλόστομοι, Χονδριχθείς, Αμφίβια Τελεόστεοι, Ερπετά, Πτηνά, Μονοτρήματα θηλαστικά 13 Τύποι αυγών Ισολεκιθικά Τελολεκιθικά Τύποι Αυγών με Βάση την Κατανομή της Λεκίθου Κατανομή λεκίθου Ίση Άνιση Ζωικός πόλος Φυτικός πόλος Ζωικές ομάδες Εχινόδερμα, Χιτινόζωα, Κεφαλοχορδωτά, Νημερτίνοι, Μαλάκια, Μαρσιποφόρα Τελεόστεοι, Αμφίβια, Κεφαλόποδα, Μαλάκια, Ερπετά, Πτηνά, Μονοτρήματα Κεντρολεκιθικά Κέντρο Έντομα, Αρθρόποδα 14 Πώς η Ποσότητα & η Κατανομή της Λεκίθου Επηρεάζουν την Αυλάκωση; Τύποι αυγών Ισολεκιθικά Πρότυπο Αυλάκωσης Ολοβλαστική ολική Χαρακτηριστικά Η σχισμή της αυλάκωσης επεκτείνεται σε όλη την έκταση του αυγού Α. Πρότυπα Αυλάκωσης στα Ισολεκιθικά Αυγά (Ολοβλαστική Ολική) Ολοβλαστική Ακτινωτή Ολοβλαστική Σπειροειδής Μεσολεκιθικά Ολοβλαστική άνιση Τελολεκιθικά Κεντρολεκιθικά Μεροβλαστική Επιφανειακή Η αυλάκωση είναι εξαιρετικά βραδεία στο φυτικό πόλο Το συνεχώς διαιρούμενο κυτταρόπλασμα είναι περιορισμένο σε μια στενή δισκοειδή μάζα πάνω από τη λέκιθο Μετανάστευση πυρήνων στην επιφάνεια 15 Ολοβλαστική Αμφίπλευρη Ολοβλαστική Περιστροφική 16
Α1. Χαρακτηριστικά Ακτινωτής Ολοβλαστικής Αυλάκωσης Α2. Χαρακτηριστικά Σπειροειδούς Ολοβλαστικής Αυλάκωσης 1 η διαίρεση: μεσημβρινή (παράλληλα στον άξονα Ζ.Π Φ.Π) Τα βλαστομερίδια διαιρούνται πλάγια ως προς τον άξονα Ζ.Π. Φ.Π. 2 η διαίρεση: μεσημβρινή, αλλά κάθετη στην 1 η 3 η διαίρεση: ισημερινή (κάθετη στον άξονα Ζ.Π. Φ.Π.) Οι επόμενες διαιρέσεις εναλλάσσονται μεσημβρινά & ισημερινά Εχινόδερμα, αμφίβια Αστερίας: http://www.youtube.com/watch?v=r1x4ibl 02s 17 Οι τετράδες κυττάρων δεν τοποθετούνται η μια πάνω στην άλλη, αλλά στις σχισμές μεταξύ των κυττάρων Ταβλαστομερίδιαείναιστενάσυνδεδεμένασαν ένα σύνολο από φυσαλίδες σαπουνιού Το έμβρυο αποκτά την πλέον θερμοδυναμικά σταθερή διευθέτηση κυττάρων Δακτυλιοσκώληκες, ρυγχόκοιλα, νημερτίνοι, Νηματόμορφα, Μαλάκια (εκτός κεφαλοπόδων) 18 Α3. Χαρακτηριστικά Αμφίπλευρης Ολοβλαστικής Αυλάκωσης Α4. Χαρακτηριστικά Περιστροφικής Ολοβλαστικής Αυλάκωσης 1 η διαίρεση: το ασύμμετρα κατανεμημένο κυτταρόπλασμα διαιρείται εξίσου μεταξύ των δύο πρώτων βλαστομεριδίων 1 η διαίρεση: μεσημβρινή 2 η διαίρεση: στο ένα βλαστομερίδιο μεσημβρινή ενώ στο άλλο ισημερινή Με αυτό τον τρόπο καθορίζεται από την αρχή η δεξιά & αριστερή πλευρά του ενήλικα οργανισμού Άρα στο ένα βλαστομερίδιο η αυλάκωση έχει περιστραφεί κατά 90 σε σχέση με το επίπεδο αυλάκωσης του δευτέρου Επόμενες διαιρέσεις: ασύμμετρες & συχνά το έμβρυο φέρει περιττό αριθμό βλαστομεριδίων Μετά τη 3 η διαίρεση: σχηματίζεται ο τροφοβλάστης Αμφίπλευρη αυλάκωση σε έμβρυο ασκιδίου Θηλαστικά 19 20
Β. Χαρακτηριστικά Αυλάκωσης στα Μεσολοκιθικά Αυγά (Ολοβλαστική Άνιση Αυλάκωση) 1 η διαίρεση: μεσημβρινή 2 η διαίρεση: μεσημβρινή, αλλά κάθετη στην 1 η 3 η διαίρεση: ισημερινή Το έμβρυο αποτελείται από 4 μικρότερα βλαστομερή στο Ζ.Π. (Μικρομερή) 4 μεγαλύτερα βλαστομερή στο Φ.Π. (Μακρομερή) Βλαστίδιο αμφιβίου επιφανειακή κάτοψη Βλαστίδιο αμφιβίου Οβελιαία κάτοψη (www.uoguelph.ca) Βάτραχος http://www.youtube.com/watch?v=ijyemx7c_8u 21 22 Γ. Χαρακτηριστικά Αυλάκωσης στα Τελολεκιθικά Αυγά (Δισκοειδής Μεροβλαστική) Το κυτταρόπλασμα περιορίζεται σε μια λεπτή στιβάδα στο Ζ.Π. (βλαστοδίσκος) 1 η διαίρεση: κοντά στο κέντρο του βλαστοδίσκου, ως μια ρωγμή 2 η διαίρεση: κάθετη προς την 1 η (σχηματισμός 2 ης αύλακας) Εμβρυονικός δίσκος Τα 4 βλαστομερίδια δεν διαχωρίζονται από τη λέκιθο καθώς και από το περιφερειακό κυτταρόπλασμα και επομένως δεν σχηματίζουν ανεξάρτητα κύτταρα Πλήρη κύτταρα περιβαλλόμενα απ όλες τις πλευρές από πλασματικές μεμβράνες σχηματίζονται πρώτα στο κέντρο του βλαστοδίσκου Ταβλαστομερίδιααυτάδιαχωρίζονται από την υποκείμενη λέκιθο και έτσι δημιουργούνται ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ κύτταρα Η κεντρική μάζα των πλήρων βλαστομεριδίων (που αποτελείται από 3 4 στρώματα κυττάρων, διαχωρίζεται τελικά από την υποκείμενη λέκιθο με μια κοιλότητα γεμάτη με υγρό (Υποβλαστική κοιλότητα) Ao = Αδιαφανής Ζώνη, Ap = Διαφανής Ζώνη 1 = Βλαστόκοιλο 2 = Υποβλαστική κοιλότητα Αο Αp Αο 23 Κοτόπουλο http://www.youtube.com/watch?v=3i0y4k_qvhc 24
Δ. Χαρακτηριστικά Αυλάκωσης στα Κεντρολεκιθικά Αυγά (Επιφανειακή Αυλάκωση) Η κεντρικά συγκεντρωμένη λέκιθος περιορίζει την αυλάκωση στην κυτταροπλασματική παρυφή του αυγού Η κυτταροπλασματική διαίρεση (κυτταροκίνηση) παρατηρείται μόνο μετά το πέρας αρκετών πυρηνικών διαιρέσεων Κάποιοι από τους πυρήνες στο πίσω τμήμα του αυγού περιβάλλονται από κυτταρόπλασμα και σχηματίζουν τα πολικά κύτταρα, που θα δώσουν τους γαμέτες του ενήλικου οργανισμού Η κυτταρική μεμβράνη αναδιπλώνεται προς το εσωτερικό, διαχωρίζοντας τους πυρήνες σε ανεξάρτητα κύτταρα & σχηματίζοντας μια στιβάδα κυττάρων στην περιφέρεια της λεκίθου Μετά από8 μιτωτικές διαιρέσεις (256 πυρήνες) και χωρίς να έχει ολοκληρωθεί η κυτταροκίνηση οι πυρήνες μεταναστεύουν στην περιφέρεια του αυγού, όπου δεν υπάρχει λέκιθος Αρθρόποδα 25 26 Η αυλάκωση στους τελεόστεους ιχθείς, στα αμφίβια, σταερπετάκαισταπτηνά(από Kardong, 2002) Η αυλάκωση στα μονοτρήματα, στα μαρσιποφόρα και στα πλακουντοφόρα θηλαστικά (από Kardong, 2002) 27 28
Πώς η Ποσότητα της Λεκίθου Επηρεάζει τον Τρόπο Ανάπτυξης; Αυλάκωση & Διαφορετικά Αναπτυξιακά Πρότυπα Άμεση Εμβρυο (juvenils) Eνήλικη μορφή Προϋποθέσεις 1. Ικανοποιητικά λεκιθικά αποθέματα (ερπετά, πτηνά) 2. Ύπαρξη πλακούντα (θηλαστικά) Έμμεση Εμβρυο Νυμφικά στάδια Eνήλικη μορφή Μεταμόρφωση 29 Πολλά ψάρια, ερπετά, πτηνά: Δισκοειδής αυλάκωση Θηλαστικά: Περιστροφική αυλάκωση 30