Úvod, obecné termíny, rozmnožování, gametogeneze, HELENA NEJEZCHLEBOVÁ BI6140 EMBRYOLOGIE Embryologie § zabývá se individuálním vývojem jedince (ontogenezí) uvnitř vaječných obalů nebo v těle matky (tzv. prenatální vývoj) § studuje embrya, plody a jejich vývoj § pozn: ř. „embryon“ = zárodek; embryo = zárodek organismu, vyvíjející se z oplozené vaječné buňky, útvar vzniklý první mitózou zygoty; l. „foetus“ = plod; plod = nenarozený jedinec obratlovce (savce), fetální období následuje po embryonálním § embryologie deskriptivní (popisná), srovnávací, experimentální embryologie § zabývá se vývojem jedince od oplození až do porodu či do vylíhnutí Význam embryologie: a) rozšíření a prohloubení poznání b) poznání faktorů, mechanismů, zákonitostí a kritických období v ontogenezi má velký význam pro zdravý vývoj jedinců (předcházení vzniku vrozených vývojových vad, řešení neplodnosti, …) c) objasňuje, jak se vyvíjejí normální a abnormální struktury c) znalost prenatálního vývoje je nutná pro výkon řady profesí: zootechnik, veterinární lékař, vědecký pracovník, embryolog, porodník, pediatr, chirurg,… BI6140 EMBRYOLOGIE 2 [USEMAP] Síň slávy ◦Aristoteles (384-22 př. n. l.): § zakladatel biologie jako vědy §1. učebnice reprodukční biologie De generatione animalium (O rozmnožování živočichů) §1. písemné záznamy o vývoji organismů: inkuboval a preparoval kuřecí vejce v různých stádiích vývoje, tak popsal morfogenezu (postupné formování tvaru z bezstrukturní hmoty) §Aristotelova teorie o vzniku a vývoji živočichů je velmi komplexní, pojímá rostliny, živočichy, ale také spontánní rození z bahna nebo jako v případě motýlů z kapek rosy §Zajímavý článek o Aristotelově představě o rozmnožování: ◦ https://vesmir.cz/cz/on-line-clanky/2015/02/jak-se-dela-potomek-aristoteles-rozmnozovani-zivocichu. html § ◦Klaudius Galén (130-200 n. l.): §teorie mužského a ženského semene https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/ae/Aristotle_Altemps_Inv8575.jpg/220px-Arist otle_Altemps_Inv8575.jpg [USEMAP] https://cs.wikipedia.org/wiki/Aristotel%C3%A9s BI6140 EMBRYOLOGIE ◦William Harvey (1578-1657): §objevitel krevního oběhu, odmítl teorii samoplození, formulovanou Aristotelem § „Omne vivum ex ovo“ (všichni živočichové se vyvíjejí z vajíčka, jeho existenci však nebyl schopen dokázat) §kniha De Generatione Animalium (1651): začátek „embryologické revoluce“, WH věřil, že spermie po vstupu do dělohy se metamorfují tak, že vznikne embryo ◦Antony van Leeuwenhoek (1632-1723): §amatérský badatel, zakladatel mikroskopické anatomie, otec mikrobiologie, objevil spermie - stoupenec preformismu: prý pozorovat všechny části člověka v embryu i ve spermiích (homunculi), obdobně byly listy/květy preformovány v semenech (ontogeneze je rozbalováním předtvořených forem) ◦Marcello Malpighi (1628-1694): §pozoroval homunculi ve vajíčkách J, myslel si, že neoplozená slepičí vajíčka obsahují miniaturní kuřata ◦Lazarro Spallanzani (1729-1799): §1. umělá fertilizace (žába) a inseminace (pes), prokázán význam vajíčka a spermie, vyvrácena teorie preformisnu a samoplození ◦Carl Linné (1707-1778): §pokusy s opylováním rostlin (1740) § http://freethoughtblogs.com/pharyngula/files/2015/02/leeuwenhoek.jpg http://freethoughtblogs.com/pharyngula/files/2015/02/leeuwenhoek.jpg, https://cs.wikipedia.org/wiki/William_Harvey [USEMAP] Síň slávy BI6140 EMBRYOLOGIE ◦Carl Ernst von Baer (1791 – 1876): §přesný mikroskopický popis vajíčka (1827) §komparace embryonálního vývoje u savců → Baerův ontogenetický zákon: §obecné znaky společné velkým skupinám se u embryí vyskytují dříve než znaky specializované §embrya různých druhů se od sebe v průběhu vývoje odlišují více a více §časné embryo vyššího živočicha (fylotypické stádium) je podobné časnému embryu nižšího živočicha, nikoliv dospělci § ◦J. E: Purkyně (1787–1869): §popis jádra vajíčka („vescicola germinale“) ontogeny [USEMAP] Síň slávy http://www.rustreg.upol.cz/_materials/vbi/10_Vyskot_Evodevo.pdf BI6140 EMBRYOLOGIE Síň slávy ◦Rudolf Virchow (1821-1902): buněčná teorie: „Omnis cellula ex cellula“ ◦Ernst Haeckel (1834-1919): biogenetický/rekapitulační zákon: ontogeneze je zkrácená fylogeneze ◦August Weismann (1834-1914): teorie kontinuity zárodečné plazmy, tj. linie pohlavních buněk = nesmrtelné „germen“, přenášené skrze smrtelné tělo ◦Oscar a Richard Hertwigovi (19./20. stol.): studium fertilizace (modelový organismus mořská ježovka, zygota pochází ze spojení dvou odlišných pohlavních buněk), mezoblast: střední zárodečný list (u některých se nezakládá na způsob epiteliálního listu, ale jako výplň prvotní dutiny tělní - houby a láčkovci) ◦O. Hertwig 1875: oplození se realizuje jedinou spermií, 1890 popis fází meiózy ◦ cell theory http://ezlinking.blogspot.cz/2013/04/cell-theory_22.html [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE v roce 1876: oplodnění zahrnuje pronikání spermie do vaječné buňky. Síň slávy ◦Theodor Boveri (1862-1915): chromozómová teorie: definoval jaderné komplexy s odlišnými efekty na různé buňky ◦Thomas Hunt Morgan (1866 – 1945): model Drosophila, 1933: Nobelova cena jako první biolog! ◦ Hans Spemann (1869-1941): výzkum obojživelníků, embryonální indukce (1924) = schopnost jedné embryonální tkáně indukovat diferenciaci jiné tkáně, 1935: Nobelova cena ◦Sydney Brenner (1927): modelový organismus Caenorhabditis elegans, 2002: Nobelova cena; zajímavá videa o úloze organismus Caenorhabditis elegans v biologii: http://www.jove.com/science-education/5110/c-elegans-development-and-reproduction ◦http://www.jove.com/video/2852/time-lapse-microscopy-of-early-embryogenesis-in-caenorhabditis-eleg ans Robert Edwards a Patrick Steptoe §1978 - Louise Brownová (Velká Británie) jako první „dítě ze zkumavky“ na světě §R. Edwards obdržel v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství, která ovšem není udělována posmrtně (Steptoe umírá v roce 1988) §narození Luisy vyvolalo velké množství otázek → 1984 Warnock Report (modelový příklad pro právní úpravu asistované reprodukce nejen ve Velké Británii) [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE http://www.jove.com/science-education/5110/c-elegans-development-and-reproduction http://www.jove.com/video/2852/time-lapse-microscopy-of-early-embryogenesis-in-caenorhabditis-elega ns Modelové organismy v embryologii § Modelový organismus: jeho zkoumání neslouží jen k poznání jeho samého, ale též ke zkoumání obecnějších jevů a odvozování zákonitostí platných pro jiné organismy. Studium těchto organismů umožnilo významné objevy v mnoha vědních oborech včetně embryologie a vývojové biologie s dalekosáhlými důsledky pro praxi (viz též „Síň slávy“ v této prezentaci). Mezi důležité modelové organismy patří: § octomilka obecná (Drosophila melanogaster) § ježovka (rod Echinus) § dánio pruhované (Danio rerio, ryba) § drápatka vodní (Xenopus laevis, žába) § kur domácí (Gallus gallus) § myš domácí (Mus musculus) § potkan obecný (Rattus norvegicus) – nesprávně „laboratorní krysa“ § pes domácí (Canis lupus familiaris) §……………………….. BI6140 EMBRYOLOGIE 8 BI6140 EMBRYOLOGIE alternativní popis obrázku chybí https://cs.wikipedia.org/wiki/Dr%C3%A1patka_vodn%C3%AD, https://cs.wikipedia.org/wiki/D%C3%A1nio_pruhovan%C3%A9, https://en.wikipedia.org/wiki/Laboratory_rat alternativní popis obrázku chybí https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1d/Albino_Rat.jpg Modelové organismy § Proč obecně nestudujeme prenatální vývoj u lidí?: pozorování embryí/plodů je v těle obtížné; morálně a eticky problematické; experimentální postupy u lidí velmi omezené § → modelové organismy: podobnosti ve vývoji velmi odlišných organismů; vajíčka různých modelových organismů se liší velikostí, ale celková stqavba a tělesný plán jsou u embryí velmi podobné; § modelové organismy umožňují pochopit široké spektrum biologických dějů nebo odpovědět na konkrétní otázky, na které by odpovědět bylo jinak obtížné § výhody: snadný a levný chov v laboratorních podmínkách, snadná manipulace s gametami, embryi, dospělci; embrya se vyvíjejí mimo tělo matky, krátký životní cyklus, jednoduchý genom, … BI6140 EMBRYOLOGIE 9 alternativní popis obrázku chybí https://cs.wikipedia.org/wiki/Octomilka, https://cs.wikipedia.org/wiki/H%C3%A1%C4%8F%C3%A1tko_obecn%C3%A9 alternativní popis obrázku chybí BI6140 EMBRYOLOGIE 10 Základní pojmy § vývoj = kvalitativní změna § ontogeneze = vývoj jedince § fylogeneze = vývoj druhů § gameta = zralá pohlavní buňka § zygota = buňka vzniklá oplozením § proliferace = dělení buněk § růst buněk = změna kvantitativní, anabolismus/katabolismus > 1 § diferenciace = rozrůzňování buněk § migrace = přesun buněk § morfogeneze = tvarový a strukturální vývoj § asociace = přesun buněk do větších celků § apoptóza = programovaná buněčná smrt BI6140 EMBRYOLOGIE 11 Orientace na těle živočicha BI6140 EMBRYOLOGIE 12 http://rocek.gli.cas.cz/Courses/Microsoft%20Word%20-%20Morfologie2.pdf Anterior In front of or front Posterior In behind of or behind Ventral Towards the front of the body Dorsal Towards the back of the body Distal Away or farthest away from the trunk or the point of origin of the body part Proximal Closer or towards the trunk or the point of origin of the body part Median Midline of the body Medial Towards the median Lateral Away from median Superior Towards the top of the head Inferior Towards the feet Cranial Towards the head Caudal Towards the tail External Towards the surface, superficial Internal Away from the surface, deep Superficial Nearer to the surface Deep Farther from the surface Palmar Anterior hand or palm of hand (palmar) Dorsal (of hand) Posterior surface of hand (dorsum) Plantar Inferior surface of foot (sole) Dorsal (of foot) Superior surface of foot (dorsum Rozmnožování § základní vlastnost živých organismů, schopnost vytvořit základ pro systém, stejný jako zakládající § umožňuje zachovat druh a časovou kontinuitu života, vyvíjet se, zvyšovat počet jedinců, zajišťuje přežití genetických linií § pohlavní (sexuální) a nepohlavní (asex.), případně jejich střídání (rodozměna-metageneze) § úroveň reprodukce je ukazatelem pohody organismu v daném prostředí, je ukazatelem vyrovnanosti podmínek vnějšího a vnitřního prostředí organismu [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE Rozmnožovací soustava § soustava orgánů zajišťujících rozmnožování (tzv. generativní orgány) § žlázy + vývody (urogenitální soustava) + přídatné žlázy (žloutkové, endokrinní, semenné schránky u ♀, semenné váčky u ♂)+ kopulační orgány § orgány sloužící k sexuální selekci (peří, signály zvukové, pachové, …) § primitivní rozmnožovací orgány lze nalézt už u žahavců § Plodnost (fertilitas): § základní biologická vlastnost, je předpokladem pro zachování druhu § komplexní vlastnost založená na schopnosti mít zdravé potomky v optimálním počtu (v daném časové období) § je dána více geny (polygenní dědičnosti), dědivost (heritabilita, h2) ukazatelů plodnosti je nízká, o plodnosti zvířat rozhodují zejména podmínky prostředí (např. podmínky chovu) § § https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/af/PeackockSide.jpg/258px-PeackockSide.jpg https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/af/PeackockSide.jpg/258px-PeackockSide.jpg [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE Nepohlavní rozmnožování § z x mil. druhů živočichů se jich nepohlavně rozmnožuje jen cca 1000, u 15 000 druhů: střídání pohl. a nepohlavního rozmn. = rodozměna (metageneze) § potomci = „genetické kopie“ jednoho jedince § podstata: regenerace, mitóza (a její modifikace) § vedle mitózy se setkáváme s promitózou, multipolární mitózou a mnohonásobným dělením vícejaderných buněk § u jednobuněčných a primitivních mnohobuněčných, vede ke vzniku klonů § somat. buňky mateřského jedince → dceřinný jedinec § nevýhody: nevede k dědičné různorodosti mezi potomky, ale genetické uniformitě a omezené schopnosti adaptace § výhody: stačí jeden jedinec, rychlé namnožení [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE Mitóza a její modifikace § endomitóza: zkrácená karyokineze, buňka vstupuje do pozměněné profáze: v jádru se tvoří a podélně dělí chromozómy, ALE nenavazuje jejich rozestup, jádro se nedělí, zmnožené chromozomy se opět despiralizují a mizí, jádro přechází do klidové fáze - zvyšuje funkci buněk, vede k polyploidii, zpět: somatická redukce § polytenie: chromatin syntetizovaný v S fázích se ukládá v tzv. polytenních (mnohovláknových) chromozomech, v každé S fázi se se zdvojnásobí počet chromozómů, ale nedochází k rozdělení do chromatid - zvyšuje funkci buněk - nevede však k polyploidizaci, zpět: somatickou redukcí § somatická redukce: buňka vstupuje do typické mitózy bez předchozí S fáze § restituční dělení jádra: po metafázi navazuje ihned telofázní rekonstrukce jediného jádra, výsledek: buňka s dvojnásobným počtem chromozómů, u partenogenetického vývoje vajíček upravuje haploidní stav vajíčka na diploidní § promitóza (pseudomitóza): všechny karyokinetické fáze se odehrávají uvnitř jádra, které se obvykle dělí piškotovitým zaškrcením - fylogenetický předstupeň mitózy, zejména u prvoků § vznik plazmodií (mnohojaderných buněk): plazmodia vznikají opakovanou karyokinezí uvnitř jediné buňky (př. výtrusovci), může následovat rozpad mnohojaderné buňky na jednojaderné § multipolární mitóza: u vajíček při polyspermii: zde však nejsou chromozomy rozděleny do dceřiných buněk rovnoměrně a vývoj nepokračuje [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE Pohlavní rozmnožování § kombinace genetického materiálu 2 organismů ─> geneticky variabilní potomstvo, relativně pomalý způsob reprodukce § chromozomy dvou rodičů jsou rekombinovány segregovány → žádní dva potomci nejsou identičtí navzájem, ani s jedním z rodičů § vnější a vnitřní oplodnění § hologamie (u 1buněčných: splývání celých těl, tj. buněk) § oogamie (u mnohobuněčných, vznikají pohlavní buňky odlišené od somatických buněk) § gametická redukce (gamety 1n, jinak 2n fáze) § zygotická redukce (2n jen krátce u zygoty do konce redukčního dělení) § gonochorismus: jedinci odlišného pohlaví § hermafrodismus: jedinec má samčí i samičí orgány § partenogeneze: vývoj jedince z neplozené vaječné buňky bez účasti samčí gamety (některé strašilky, pakobylky, kobylky), partenogeneze na bázi spermie není známa § heterogonie: střídání pohlavního a partenogenetického rozmnožování (dle vnějších podmínek; mšice, perloočky) § BI6140 EMBRYOLOGIE hermafrodismus: simultánní, geografický, sukcesní – proterogynie, proterandrie Oocyt má oocyt má zásobu všech typů RNA a může v průběhu dlouhé profáze syntetizovat proteiny z prekurzorů v cytolazmě Meióza (zrací dělení pohlavních buněk) § zajišťuje vznik gamet v pohlavně se rozmnožujících organismech a přesný přenos genetických informací do nich redukční dělení jádra 2n → 1n § klíčová událost u eukaryot; § rekombinace částí párových homologických (mateřských a otcovských) chromozomů → genetická variabilita a proměnlivost § zajišťuje u potomstva stejný počet chromozomů jako v mateřském organismu § první meiotické dělení: odděluje páry homologních chromozomů na polovinu počtu chromozomů (2n → 1n) § bezprostředně poté: druhé meiotické dělení - odděluje sesterské chromatidy § Poruchy → vážné následky (viz dále) BI6140 EMBRYOLOGIE meiosis complex video meióza, nejčastější příčiny abortů: Turnerův s., trisomie 16, triploidie I. ZRACÍ DĚLENÍ - HETEROTYPICKÉ (REDUKČNÍ) I. PROFÁZE 1) leptoten: chromozómy spiralizují, svými konci se orient. k povrchu jádra v místě centriolu - buketové stádium 2) zygoten: homologické chromozómy se spojí za pomoci synaptonemálního komplexu. Vzniklé páry = bivalenty - mezi nimi tzv. redukční štěrbina - u oocytů se konjugují oba chromozomy X po celé délce - u spermatocytů párování chromozomů X a Y není úplné, heterologní úsek chromozomu Y nese lokus pro SRY (sex-determining region), transkripční faktor exprimovaný SRY-genem podmiňuje diferenciaci testis - místy jsou chromatinová vlákna více nahromaděna a stočena – chromomery (intenzivní transkripce genů) —› štětečkovité chromozomy http://facstaff.cbu.edu/~aross/embryo/meiosis/04leptotene.GIF http://facstaff.cbu.edu/~aross/embryo/meiosis/05zygotene.GIF Meióza anonymus (2) BI6140 EMBRYOLOGIE 3) pachyten: homol. chromozómy se proplétají, každý se podél štěpí na 2 chromatidy, spojené centromérou (+ tzv. ekvační štěrbina), čtveřice chromatid = tetrády. - překřížení nesesterských chromatid (tzv. crossing-over): kombinace mateřského a otcovského genetického materiálu ─› originální genotypická podoba chromatid 4) diploten: rozestup tetrád, v určitých místech zůstávají překřížené - tzv. chiasmata 5) diakineze: rozpad jaderné membrány, vymizení jadérka a vznik dělícího vřeténka http://facstaff.cbu.edu/~aross/embryo/meiosis/06pachytene.GIF http://facstaff.cbu.edu/~aross/embryo/meiosis/07diplotene.GIF http://facstaff.cbu.edu/~aross/embryo/meiosis/08diakinesis.GIF Meióza anonymus (3) BI6140 EMBRYOLOGIE I. METAFÁZE: homologické chromozómy ─> ekvatoriální rovina, mikrotubuly dělícího vřeténka se náhodně napojí na kinetochory centromer tak, že z každého pólu dosahují vždy k jednomu z homologických chromozomů I. ANAFÁZE: rozchod celých homologických chromozómů k opačným pólům jádra (redukci počtu chromozomů), u každého pólu se shromáždí sada chromozomů (kombinace chromozomů mateřských a otcovských, s rekombinovanými chromatidami v důsledku crossing-overu) I. TELOFÁZE: zakončena dělením buňky, jehož výsledkem je vznik dvou haploidních buněk II. ZRACÍ DĚLENÍ - HOMEOTYPICKÉ (EKVAČNÍ): až na haploidní počet chromozomů se neliší od mitózy Poznámka k meióze: - nastane crossing-over: 4 různé rekombinované gamety - nenastane crossing-over: 4 gamety, díky náhodné segregaci po dvou stejné Meióza BI6140 EMBRYOLOGIE BI6140 EMBRYOLOGIE 22 https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/33-meiosis/meiotic-division.html Meióza Crossing over https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/33-meiosis/crossing-over.html Crossing-over NE (vlevo): 4 gamety, díky náhodné segregaci jsou 2 gamety vždy navzájem identické Crossing over ANO (vpravo): 4 různé rekombinantní gamety → rozdělení sesterských chromatid → 4 různé rekombinantní gamety Gametogeneze § tvorba gamet (pohlavních buněk, tj. vysoce specializované buňky → nový jedinec v procesu pohlavního rozmnožování) §u vývojově nižších živočichů: gamety vznikají z nediferencovaných buňkách v tkáních a přeměna na gamety je dána vnějšími vlivy (např. nepříznivými podmínkami). Nediferencují se speciální rozmnožovací orgány, např. houbovci (Porifera) § většina živočichů však obsahuje již na začátku vývoje prvopohlavní zárodečné buňky, ze kterých vznikají buňky pohlavní. Ve většině případů se vyvíjejí rozmnožovací orgány, které produkují pohlavní buňky (gamety, spermie a vajíčka) a umožňují jejich splynutí v zygotu. Rozmnožovací orgány většinou vznikají ze speciálního zárodečného epitelu stěny coelomu. § primitivní speciální reprodukční orgány lze nalézt již u žahavců (Cnidaria; Diblatica, tj. tzv. „dvojlistí“ živočichové). BI6140 EMBRYOLOGIE Savčí typ (typ Drosophila) savci včetně člověka, někteří obojživelníci, plazi, většina řádů hmyzu a většina dvoudomých rostlin pohlaví: XX (homogametní) tvoří vajíčka pouze s chromozomem X (samice) pohlaví: XY (heterogametní) tvoří spermie buď s chromozomem X nebo s Y v poměru 1 : 1 (samci) Ptačí typ (typ Abraxas) ptáci, některé ryby, někteří obojživelníci a motýli pohlaví: ZW (samice) pohlaví: ZZ (samci) Gametogeneze § fáze rozmnožovací: mitotické dělení primordiálních oogonií a spermatogonií § fáze růstová: zvětšování objemu cytoplasmy, vznik primárních spermatocytů a oocytů § fáze zrání: vznik haploidních sekundárních spermatocytů a oocytů (1. meiotickým dělením) § druhým meiotickým dělením se vytvářejí haploidní spermatidy a ovulovaný sekundární oocyt § zatímco spermatidy musí projít dalším procesem diferenciace, tzv. spermateliozou (průběh závisí na tom, jaký typ spermií vzniká, nejrozšířenější typ jsou bičíkaté) oocyt je po druhém meiotickém dělení zralou vaječnou buňkou § v procesu spermatogeneze → 4 zralé spermie, v procesu oogeneze 1 zralý oocyt a 3 pólová tělíska (nebo 2, pokud se první pólové tělísko již dále nedělí (jako u člověka)) BI6140 EMBRYOLOGIE Savčí typ (typ Drosophila) savci včetně člověka, někteří obojživelníci, plazi, většina řádů hmyzu a většina dvoudomých rostlin pohlaví: XX (homogametní) tvoří vajíčka pouze s chromozomem X (samice) pohlaví: XY (heterogametní) tvoří spermie buď s chromozomem X nebo s Y v poměru 1 : 1 (samci) Ptačí typ (typ Abraxas) ptáci, některé ryby, někteří obojživelníci a motýli pohlaví: ZW (samice) pohlaví: ZZ (samci) Gametogeneze - vývoj zárodečných buněk (extraembryonálního původu) a jejich migrace do gonád - a dále vývoj podle odlišných schémat u ♂ a ♀: § mitotické množení zárodečných buněk v zárodečném epitelu gonád § oogonie se u množí u ♀ do konce 5. měsíce těhotenství, vzniká až 7 mil. zárodečných buněk, dále až do menopauzy jejich úbytek (atresií ), XX = homogametní pohlaví § spermatogonie si zachovávají schopnost množení po celý život, jejich zrání nastává až od puberty, haploidizace § strukturální a funkční maturace gamet [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE Savčí typ (typ Drosophila) savci včetně člověka, někteří obojživelníci, plazi, většina řádů hmyzu a většina dvoudomých rostlin pohlaví: XX (homogametní) tvoří vajíčka pouze s chromozomem X (samice) pohlaví: XY (heterogametní) tvoří spermie buď s chromozomem X nebo s Y v poměru 1 : 1 (samci) Ptačí typ (typ Abraxas) ptáci, některé ryby, někteří obojživelníci a motýli pohlaví: ZW (samice) pohlaví: ZZ (samci) Primordiální (prvopohlavní) zárodečné buňky § dávají vzniknout pohlavním buňkám, jejich izolací a kultivací vznikají embryonální zárodečné buňky („embryonic germ cells“, EGCs, léčebný potenciál) § = gonocyty, mitoticky se dělí→ spermiogonie (spermatogonie) a oogonie § v lidském embryu detekovatelné 24 dní po fertilizaci v oblasti žloutkového váčku, ve 4.-6. týdnu migrují (aktivní pohyb?, růstové síly a směrovaná proliferace?) do genitálních lišt, stávají se součástí zárodečného epitelu ovárií/semenotvorného epitelu stočených kanálků, → oogonie/spermatogonie § tyto buňky v mimogonadálních oblastech → teratomy § základy gonád u člověka získávají M/F charakter ve 12. týdnu: vývoj determinován gonozomy, TDF („testis-determining factor“) na krátkém raménku Y chromozomu) a MIF (Müllerian inhibiting factor; produkován Sertoliho b.) [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE Spermatogeneze § spermie: se vyvíjejí v semenotvorných kanálcích varlete (typ tubulózních žlaz), zrání začíná vlivem pohlavních hormonů v pubertě § spermatogonie (kmenové buňky) a z nich vzniklé buňky bývají spojené cytoplazmatickými můstky – synchronní vývoj skupiny buněk, zpočátku závislý na Sertoliho buňkách, které vytvářejí prostředí pro vývoj, bariéru regulující výměnu molekul a chrání před imunologickou destrukcí (hematotestikulární bariéra, podobně jako krevně-mozková bariéra) § produkce spermií u muže: cca 2 triliony/život, jejich vývoj trvá 64 dní, pozor: např. na antibiotika, antimitotická léčba!!! § spermie patří k nejmenším buňkám těla, nejrozšířenější typ u živočichů jsou bičíkaté BI6140 EMBRYOLOGIE Spermatogeneze § spermatogonie: u bazální membrány kanálků → vývojová stádia typu A (liší se od kmenových buněk strukturou jádra, tvoří klony) , IM a B. Typ B vystupuje z bazálního kompartmentu do adluminálního mezi Sertoliho buňkami a mitózou se dělí na 2 spermatocyty I. řádu. Spermatogonie se tedy opakovaně se dělí (rozmnožovací zóna), obohacují se živinami a mitoticky se dělí na spermatocyty I. řádu. Toto stadium označujeme jako stadium růstu. § vstoupí-li buňka do stadia zrání, nastává první meiotické dělení. Vznikají spermatocyty II. řádu (prespermatidy, relativně nejkratší doba existence v rámci spermiogenetického cyklu). Druhým meiotickým dělením se vytváří sférické spermatidy s haploidními sadami chromozómů. § vznikem spermatid končí spermatocytogeneze a nastupuje spermiohistogeneze (metamorfóza) [USEMAP] Junqueira a kol., 1997 BI6140 EMBRYOLOGIE Spermiohistogeneze § redukce jádra: kondenzace chromatinu § redukce cytoplazmy: oddělování reziduálních tělísek (fagoytóza Sertoliho buňkami) § kondenzace Golgiho aparátu ─› akrozom: hyaluronidáza, akrosin, proakrosin, kolagenáza § vývoj bičíku: mitochondrie spirálně uspořádány v proximální části § až do stádia spermatid jsou buňky spojeny cytoplazmatickými můstky http://www.embryology.ch/images/cimggametogen/03spermato/c3h_spermiogenese.gif anonymus (2) BI6140 EMBRYOLOGIE 1 Axonemal structure,first flagellar primordium 2 Golgi complex 3 Acrosomal vesicle 4 Pair of centrioles (distal and proximal) 5 Mitochondrion 6 Nucleus 7 Flagellar primordium 8 Microtubules 9 Sperm cells tail 10 Acrosomal cap Spermie § spermie v semenotvorných kanálcích: pouze morfologická zralost, nepohyblivé, neschopné oplodnění, do nadvarlat se dostávají proudem tekutiny produkované kanálky, biologická maturace během transportu ♂ reprodukčním traktem § v ♀ reproduktivním traktu: kapacitace: změny v CM, nabytí oplodňovací schopnosti § spermie člověka: pohyb 1 až 4 mm/min., málo zásobních látek, výživa difůzí omezená životnost, CaII zásadně ovlivňuje funkčnost C:\Users\Nejezchleb\Desktop\Bailey005.jpg Spermie různých skupin živočichů: A, B ryby; C, D ptáci; E, F hadi; G škrkavky; H netopýři; K krysy; L čolek; M, N, O, P korýši; u: undulující membrána [USEMAP] Knoz J., 1979 BI6140 EMBRYOLOGIE Řízení spermatogeneze Sertoliho buňky (7 na barevném obrázku) jsou spojené těsnými spojeními (zonulae occludentes, tight junctions, 8): tvoří bariéru mezi vyvíjejícími se pohl. buňkami a extratubulárním prostorem (bariéra mezi krví a vyvíjejícími se pohlavními buňkami, látky jimi produkované tak nemohou pronikat do krve a indukovat tvorbu protilátek, v případě porušení této hematotestikulární bariéry může vzniknout autoimunitní neplodnost) [USEMAP] Jungueira et al., 1997, https://www.wikiskripta.eu/w/Hematotestikul%C3%A1rn%C3%AD_bari%C3%A9ra BI6140 EMBRYOLOGIE FSH ovlivňuje přeměnu spermatid ve spermie, hypotalamus tvoří LHRH, ten ovlivní tvorbu LH, Sertoliho buňky tvoří androgeny vázající protein ABP, ten se naváže natestosteron a je vylučován do lumina semenotvorných kanálků, skrze hypotalamus působí na varle i limbický systém Vaječné buňky §jednobuněčné útvary, které obsahují genetickou informaci a materiál pro výživu embrya v časných fázích vývoje §sférické, s asymetrickou vnitřní strukturou §místo odštěpení polárního tělíska od vaječné buňky: animální pól §na opačné straně vegetativní pól §osa mezi póly: animálně-vegetativní osa §stabilizační obaly vajíček: z hmyzu chorion (zde tuhý chitinoidní obal vajíček);rosolovovité obaly u obojživelníků; kožovité obaly u plazů; u ptáků membrána vitellina (obaluje žloutek), bílek, vnitřní a vnější papírová membrána, vápenatá skořápka; zona pellucida u savců §fertilizace → holoblastické (totální) rýhování (ježovka, žába, …) → meroblastické (částečné) rýhování (superficiální u hmyzu, diskovité u ryb, plazů a ptáků) §pokud se vyvíjí vajíčko za účasti folikulárních buněk, je oocyt obklopen jednou nebo více vrstvami epiteliálně uspořádaných buněk, které nejsou jeho sesterskými buňkami. Jde o somatické buňky, které vytvářejí kolem oocytu váček (folikul). S tímto vývojem se setkáváme např. u hmyzu, plazů, ptáků a savců vč. člověka [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE Vajíčka dle rozložení žloutku v cytoplazmě Holoblastická (oligolecitální) vajíčka •alecitální: bez žloutku •izolecitální: rovnoměrné rozložení žloutku, rýhování totální → stejně velké blastomery, ekvální rýhování (oligolecitální vajíčka savců, bezobratlí) •heterolecitální: žloutek u veget. pólu (obojživelníci) • Meroblastická (polylecitální) •telolecitální: plazi a ptáci, žloutek nahromaděn na vegetat. pólu (těžší), animální pól obsahuje jádro oocytu - rýhování inekvální: animální pól→mikromery, vegetativní pól→makromery; zvláštní typ: diskoidální rýhování •centroleciální: členovci, rýhování superficiální (povrchové) • •člověk: oligolecitální, izolecitální oocyty, rýhování totální a ekvální [USEMAP] podle Knoz J., 1979 BI6140 EMBRYOLOGIE §množení oogonií mitózou začíná prenatálně (u člověka koncem 2. měsíce a končí v 5. měsíci intrauterinního vývoje). K oogoniím se přikládají v jedné vrstvě buňky epitelu, vznikají tzv. primordiální folikuly (např. u savců). Z oogonií vzniknou mitózou oocyty I. řádu §oocyty I. řádu vstupují do meiosy. Profáze 1. zracího dělení probíhá do diplotenního stadia, ve kterém oocyty setrvávají až do hormonální iniciace dalšího zrání. Tzv. diktyotenní stadium trvá i desítky let! → nondisjunkce a aneuploidie plodu - způsobeno inhibičním faktorem OMI („oocyte maturation inhibitor“), produkovaným folikulárními buňkami §na obrázku si všimněte vývoje oocytů/folikulů v čase! Poznámka – savci vč. člověka: §primordiální folikul = oocyt ohraničený plochými folikulárními buňkami (klidové stádium, největší frakce folikulů) §1 vrstva folikulárních buněk kubických nebo cylindrických: primární folikul § více než 1 vrstva granulózních buněk: sekundární folikul §dále terciální (antrální folikul) před ovulací Oogeneze [USEMAP] anonymus BI6140 EMBRYOLOGIE Oogeneze §zrání jednotlivých folikulů tedy pokračuje až v a po pubertě vlivem hormonů. První meiotickým dělením z vyvíjejícího se oocytu vzniknou dvě haploidní buňky: jeden oocyt II. řádu a pólové tělísko. §druhé meiotické dělení je iniciováno v čase ovulace (u většiny savců)a dokončeno až po proniknutí spermie do vajíčka, kdy z oocytu II. řádu, vznikne jedno vajíčko a druhé pólové tělísko. Zároveň 1. pólocyt prochází ještě mitózou, dělí se ve dvě a všechna 3 pólová tělíska záhy zaniknou a jsou resorbována (platí obecně, u člověka se první pólové tělísko nedělí a zaniká) Poznámka: § na obrázku je nejvýraznější (největší) terciální (antrální) folikul - před ovulací § u uniparních živočichů ovuluje jediné vajíčko (člověk, lidoopi, sloni, …) § u multiparních živočichů ovuluje více vajíček (hlodavci, šelmy, …) § § graafian follicle http://medcell.med.yale.edu/histology/ovary_follicle.php BI6140 EMBRYOLOGIE Oogeneze § ovulace je vyvolána peakem LH: ovulovaný oocyt (člověk): omezená životnost (!), nemá zásobní látky, výživa difuzní, zdroj energie: pyruvát, neprobíhá syntéza nukleových kyselin, ale obsahuje je § u člověka: na začátku cyklu započne svůj vývoj kohorta cca 20 časných antrálních folikulů, ale jen cca 3 dosáhnou Ø 8 mm: jeden z rostoucích folikulů (nejvíce citlivý na gonadotropiny) dospěje k ovulaci jako tzv. dominantní folikul, ostatní podléhají procesu atresie (apoptóza) § AMH („anti-Müllerian hormon“): významná role ve vývoji oocytů - produkován buňkami granulózy preantrálních a časných antrálních folikulů, jeho koncentrace koreluje s ovariální rezervou (diagnostický význam) § po ovulaci: luteinizace granulózních buněk → corpus luteum → progesteron (ovlivňuje diferenciaci tkání reprodukčního systému) § absence fertilizace: luteolýza (apoptóza) a kolagenózní degenerace corpus luteum na corpus albicans § fertilizace: hCG (lidský choriový gonadotropin, produkovaný syncytiotrofoblastem blastocysty), hCG podporuje činnost corpus luteum graviditatis (produkuje progesteron zejména v prvních 2 měsících gravidity) [USEMAP] BI6140 EMBRYOLOGIE Poruchy gametogeneze (meiózy) §teratomy: nádory z části nejasného původu, některé zřejmě mohou vzniknout z prvopohlavních zárodečných buněk, které se odchýlili od své migrační dráhy § Poruchy gametogeneze (meiózy) ─→ chromozomální abnormality (strukturní a numerické): §vznik aneuploidií (abnormality v počtu chromozomů, obvykle trisomie nebo monosomie = v chromozomovém páru je chromozom navíc, nebo chybí): • non-disjunkce (=chybná segregace) chromozomu (chromatidy) během 1. (2.) meiotického dělení • chybná (předčasná) separace sesterské chromatidy v průběhu 1 meiotického dělení (dominantní způsob?) • další příčiny: propustnost kontrolního bodu buněčného dělení (Spindle Assembly Checkpoint, SAC), nestabilita dělícího vřeténka • Downův syndrom (trisomie 21), Edwardsův s. (trisomie 18), Patauův s. (trisomie 13), Klinefelterův s.(47, XXY, někdy i 48, XXXY), Turnerův s. (45, X), syndrom trojího X, …, nejčastěji maternálního původu, výskyt ↑ s věkem § vznik strukturních chromozomových abnormalit: translokace části chromozomu na jiný (běžné pro chromozomy 13, 14, 15, 21, 22, které se během meiózy shlukují); ztráta části chromozomu (syndrom cri-du-chat = syndrom kočičího křiku = částečná delece krátkého raménka chromozomu 5), inverze,… § §genové mutace § §více než 75% spontánních potratů během prvních 2 týdnů a více než 60 % v prvním trimestru těhotenství je způsobeno chromozomálními abnormalitami (nejčastější jsou 45, X (Turnerův syndrom), triploidie, trisomie 16). §chromozomové abnormality způsobují 7 % vrozených vývojových vad (VVV) a genové mutace dalších 8 % VVV BI6140 EMBRYOLOGIE Úloha hormonů v reprodukci Stres → zvýšení hladiny stresových hormonů (kortizol) → pokles GnRH a nárůst GnIH → pokles počtu spermií/narušení ovulace, … • anonymus (3) BI6140 EMBRYOLOGIE Coenorhabditis elegans § hermafroditní jedinci + samci §modelový organismus pro genetiku, buněčnou biologii, studium infertility a reprodukčního zdraví § ameboidní spermie § posteriorní pól určený místem penetrace spermie do vajíčka při fertilizaci § první mitóza zygoty je inekvální → větší A buňka (AB) a menší P buňka (P1) BI6140 EMBRYOLOGIE 39 https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1534580702002265-gr1.jpg https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1095643322000101-ga1_lrg.jpg BI6140 EMBRYOLOGIE 40 Drosophila melanogaster § centrolecitální vajíčka ve vaječnícíh z ovariol § k oplodnění dochází pouze v oblasti oocytu, který se stane přední částí embrya § spermie jsou uloženy v těle samice v semenné schránce a párových spermatékách § vaječná komora = mnohobuněčná struktura ve vaječnících; v každé se vyprodukuje jedno vajíčko § vaječná komora = vnitřní shluk zárodečných buněk složený z 15 „nurse cells“ a jednoho oocytu, § oplodnění: vnitřní; dochází k němu po ovulaci v děloze §tvorba osy A-P: geny s maternálním účinkem exprimované ve vaječnících → messenger RNA, které jsou deponovány v různých oblastech vajíčka → translace těchto mRNA po oplodnění: bicoid protein řídí tvorbu A embryonálních částí, nanos protein řídí tvorbu P částí §D-V polarita: během oogeneze se jádro oocytu pohybuje z centrální zadní do asymetrické přední polohy; pohyb jádra = významný krok narušující symetrii → A-P a D-V osa. Asymetricky umístěné jádro definuje oblast v oocytu, která akumuluje vysoké hladiny gurken mRNA a proteinu; gurken = ovariální specifický člen rodiny secernovaných ligandů TGF-α → koncentrační gradient → D-V gradient aktivace receptoru EGF (resp. jeho homologu Torpedo) ve folikulových buňkách obklopujících oocyt. BI6140 EMBRYOLOGIE 40 Cells | Free Full-Text | Murder on the Ovarian Express: A Tale of Non-Autonomous Cell Death in the Drosophila Ovary | HTML https://www.prirodovedci.cz/storage/images/800x600/5387.png HLAVA HLAVA Oocyte nucleus migration and dorsoventral axis formation. Schematic drawings of stage 7 oocytes (left) and mature eggs. Top: Wild type. The posterior-to-anterior movement of the oocyte nucleus forces the nucleus to acquire an asymmetrical position, which determines the dorsal side of the egg and establishes orthogonality between the AP and the DVaxes. Middle: If nuclear movement does not occur, AP and DVaxes are parallel to each other. Bottom: In binuclear oocytes, both nuclei move to the anterior pole to adopt random position at the anterior cortex. Both nuclei induce dorsal egg shell structures. BI6140 EMBRYOLOGIE 41 Danio rerio § průhledná embrya § telolecitální vajíčka: blastoderm + velké množství žloutku § neúplné (meroblastické) rýhování § rychlý vývoj § bičíkaté spermie § vnější olození § https://www.jove.com/v/5151/zebrafish-reproduction-and-development BI6140 EMBRYOLOGIE 41 Zebrafish take no time at all to develop--one of their many advantages as a model organism. A representative image showing sperm suspensions prepared in the present study are mainly composed of mature spermatozoa (1000 magnification). BI6140 EMBRYOLOGIE 42 Xenopus laevis § velké heterolecitální/mezolecitální oocyty (>1 mm v průměru: velké jádro/germinální váček (100 000krát větší než nukleus v somatických buňkách, 1/3 objemu oocytu) § oocyty se synchronním buněčným cyklem → lze snadno získat velké množství oplozených vajíček § oocyt připravený k oplození: 200 000krát více ribozomů než průměrná somatická buňka § zástava vývoje v MI až do aktivace progesteronem → meiotické zrání oocytů § vajíčka s vitelinní membránou + rosolový obal § spermie s bičíkem, 30 μm dlouhou § vnější oplození BI6140 EMBRYOLOGIE 42 https://onlinesciencenotes.com/wp-content/uploads/2021/05/sperm-and-egg-of-frog.jpg The Physiology of the Xenopus laevis Ovary | SpringerLink BI6140 EMBRYOLOGIE 43 Gallus gallus §jeden z modelových druhů amniotů pro experimentální embryologii a studium vývoje extraembryonálních obalů § telolecitální vajíčka § čerstvě ovulované vajíčko: blastodisk + mnoho žloutku; vitelinní membrána; velké množství bílku („vaječný bílek“) obklopuje vitelinní membránu a je obklopen papírovými membránami a skořápkou § vnitřní oplodnění BI6140 EMBRYOLOGIE 43 Chicken oviduct segments (A) and egg components (B). | Download Scientific Diagram BI6140 EMBRYOLOGIE 44 Mus musculus § oligolecitální vajčíka (obecně u placentálních savců) § bičíkaté spermie § https://www.jove.com/v/5159/development-and-reproduction-of-the-laboratory-mouse § pomník laboratotrní myši (bronzová myš plete DNA, Памятник лабораторной мыши, Rusko) BI6140 EMBRYOLOGIE 44 Pro lékařské pokusy zemřely miliony myší. V Rusku pro ně stojí pomník - ExtraStory www.wikipedie.cz Figure 1 from Why is chromosome segregation error in oocytes increased with maternal aging? | Semantic Scholar Shrnutí Spermie (← spermatogeneze): § velmi malé buňky, které postrádají většinu cytoplazmy § schopnost cestovat (vnitřním nebo vnějším) prostředím na vodní bázi k dosažení vaječné buňky § bičík → 3 základních částí: hlavička (obsahuje genetický materiál a akrozomem (s enzymy potřebnými k tomu, aby spermie pronikla do vajíčka); střední úsek (s mitochondriemi); bičík § Oocyty ( ← oogeneze): § poskytují živiny vyvíjejícímu se embryu § obsahují žloutek (lipidy, bílkoviny, glykogen pro výživu embryí) § klasifikovány podle množství a rozložení žloutku § množství žloutku a jeho distribuce ve vajíčku → různé typy rýhování embrya § množství žloutku je v oocytech savců minimální, pro další vývoj embrya je nutný vývoj placenty § velká vajíčka (ptáci, plazi) mají velké množství žloutku pro podporu embryonálního vývoje do pokročilých stádií BI6140 EMBRYOLOGIE 45 Použité a doporučené zdroje L. W. Browder, C.A. Ericson, W.R. Jeffery. Developmental Biology. 3rd edition, 1991. ISBN 0-03013514-1. B. M. Carlson: Human embryology and developmental biology. 4th edition, 2009. ISBN 978-323-05385-3. G. German, T. Child. In vitro maturation of oocytes. In K. Coward & D. Wells (Eds.), Textbook of Clinical Embryology (pp. 300-312). 2013. Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9781139192736.031 R. Hodge: Developmental Biology : from a Cell to an Organism. 1st edition, 2010. ISBN 978-0-8160-6683-4. S. Horne-Badovinac . The Drosophila egg chamber-a new spin on how tissues elongate. Integr Comp Biol. 2014;54(4):667-676. doi:10.1093/icb/icu067 J. Knoz. Obecná zoologie. I Taxonomie, látkové složení, cytologie a histologie. II Organologie, rozmnožování, vývoj živočichů a základy biologie. PřF UJEP, Brno. 1979. L. C. Junqueira, J. Carneiro J, R. Kelly R. Základy histologie. 1997. ISBN 80-85787-37-7. R. Lüllmann-Rauch . Histologie. Překlad 3. vydání. Grada, Praha. 2012, 556 s. K. L. Moore, T. V.N Persaud: The developing human. Clinically oriented embryology. 8th edition, 2008. ISBN 978-0-8089-2387-9. J. M. W Slack: Essential developmental biology. 2nd edition, 2006. ISBN 978-4051-2216-0. Z. Vacek: Embryologie. 2006. ISBN 978 -80-247-1267-3. Z. Věžník: Repetitorium spermatologie a andrologie, metodiky spermatoanalýzy. Brno : Výzkumný ústav veterinárního lékařství, 2004. 1 sv. (různé stránkování). http://www.are.cz/data/file/gametogeneze_mitoza_a_meioza.pdf https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/33-meiosis/stages-of-meiosis.html https://owlcation.com/stem/The-why-and-how-of-breeding-zebrafish-for-research https://sunlab.pnb.uconn.edu/research/ www.sci.muni.cz/ptacek https://link.springer.com/protocol/10.1007/978-1-59745-000-3_2 https://onlinesciencenotes.com/sequential-events-and-stages-in-the-development-of-frog-pre-embryon ic-embryonic-and-post-embryonic-development/ http://web.as.uky.edu/Biology/faculty/cooper/Population%20dynamics%20examples%20with%20fruit%20fli es/08Drosophila.pdf https://www.mdpi.com/2073-4409/10/6/1454/htm https://www.pacc.in/e-learning-portal/ec/admin/contents/60_BZO%2052_2020111502214594.pdf https://www.researchgate.net/figure/General-structure-of-the-zebrafish-egg-The-zebrafish-egg-is-ap proximately-07mm-in_fig3_328858072 https://www.researchgate.net/figure/A-representative-image-showing-sperm-suspensions-prepared-in-t he-present-study-are-mainly_fig1_282244810 https://www.researchgate.net/figure/Non-passerine-a-and-Passerine-b-Spermatozoa-a-Non-passerines-F iliform-head_fig5_326827104 https://www.researchgate.net/figure/Chicken-oviduct-segments-A-and-egg-components-B_fig1_41110738 https://www.researchgate.net/figure/Germinal-vesicle-GV-transfer-a-GV-stage-mouse-oocyte-with-open ed-zona-b-GV_fig1_12355102 https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/gallus-gallus https://www.shsu.edu/~bio_mlt/Chap5.html https://www.xenbase.org/anatomy/intro.do BI6140 EMBRYOLOGIE