Gametogenes och fertilisering

Sammanfattningen utgår från föreläsningen 4/10 och från 5:e upplagan av ”The Cell”. Se boken och powerpointen för bra bilder. Med reservation för eventuella fel.

GametogenesGametogenes innebär bildandet av könsceller, alltså äggceller från äggstockarna (ovarium) hos kvinnor och spermier från testiklarna (testis) hos män.

GameterGameter är könsceller (spermier och oocyter), och alla gameter är haploida, det vill säga har bara enkla kromosomuppsättningar (23 kromosomer, 1n). Vid sammansmältning av två gameter fås diploida, somatiska celler (kroppsceller med dubbel kromosomuppsättning, 2n).

Vid gametogenesen sker dessutom utbyte av gener mellan homologa kromosomer, vilket medför att ett befruktat ägg har gener från modern, fadern och deras föräldrar. Detta genutbyte sker i meiosen, vilket är namnet på reduktionsdelningen då de haploida gameterna bildas. I meiosen sker två celldelningar som föregåtts av endast en DNA-replikation, och detta genererar de haploida gameterna.

Sexuell reproduktion ger en evolutionär fördel eftersom det möjliggör nya kombinationer av anlag som därmed underlättar artens överlevnad i en föränderlig miljö.

Meiosen är dock ofta offer för fel, och de flesta felen som inträffar vid gametogenesen leder till spontan abort, till exempel då kromosomdelar flyttas mellan icke-relaterade kromosomer eller då det blir fel i segregationen av kromatider till de olika dottercellerna. Vissa fall av felsegregeringar kan dock resultera i livsduglig avkomma (exempel är Down’s syndrom, som är en trisomi på kromosom 21, Turner’s syndrom, där endast X-kromosomen av könskromosomerna finns kvar, och Klinefelter’s syndrom, där män har en eller flera extra X-kromosomer).

Turner’s syndrom drabbar bara kvinnor och Klinefelter’s syndrom drabbar bara män. Risken för att avkomman drabbas av Down’s syndrom ökar med moderns ålder.

Skillnad i tidsskalan för bildandet av könscellerMannens spermatogenes börjar i puberteten och pågår livet ut, och de primordiala könsceller som bildas i embryot ligger vilande till dess. För kvinnor börjar oogenesen redan i embryot, men bildningen stannar av mitt i meios I, där den vilar fram till första menstruationen. Då fullbordas meios I, men i metafas II sker sedan ytterligare en avstanning som inte hävs förrän ägget fertiliseras av en spermie.

Oogenesen (bildandet av kvinnans könsceller)

1

De diploida, primordiala könscellerna som bildas i embryots gulesäck migrerar till genitalåsen (som senare kommer formas till en äggstock eller en testikel), och här prolifererar de (ökar i mängd genom mitos) innan bildandet av könsceller börjar. Om genitalåsen utvecklas till en äggstock kommer de primordiala könscellerna utvecklas till äggceller.

Vid 5:e fostermånaden finns ungefär 7 miljoner oocyter hos kvinnor, men vid puberteten har detta antal reducerats till 400 000. Ett ägg mognar under varje menstruationscykel. Bildandet av ägg i äggstockarna sker under hormonell kontroll.

Oocyterna (äggen) bildas i kvinnans äggstockar och utvecklas i flera stadier för att till slut bilda en mogen oocyt (ovum). När oocyten träder in i meios I kallas den för en primär oocyt, och i profas I stannar utvecklingen. Då ökar oocyten i storlek och bildar zona pellucida (ett glykoproteinmembran som ser till att endast spermier från rätt art kan befrukta oocyten) och även ett lager av follikelceller. Precis under cellmembranet, i kortikalregionen, bildas ett lager granuler.

Vid kvinnans sexuella mognad stimulerar hormoner den nu storväxta, primära oocyten och får den att fullfölja meios I. Då bildas en polkropp som kommer förstöras, och en sekundär oocyt. Därefter stannar meiosen igen, denna gång vid metafas II. Vid ägglossning lämnar sedan den sekundära oocyten äggstocken och inväntar fertilisering av en spermie. (De sekundära oocyter som utvecklats men som inte lämnar äggstocken förstörs.)

Då spermien tränger in i den sekundära oocyten avslutas även meios II vilket resulterar i ännu en polkropp och ett moget ägg (ovum). Den första polkroppen har även den delats, vilket i slutändan resulterar i tre polkroppar och den mogna oocyten. Det är endast ovum som kan befruktas, polkropparna förstörs.

Spermatogenesen (bildandet av mannens könsceller)Mannens spermatogenes skiljer sig på flera punkter från kvinnans oogenes. Spermatogenesen börjar som sagt inte förrän i puberteten, och då under hormonell kontroll. I spermatogenesen bildas dessutom fyra haploida gameter per primär spermatocyt, till skillnad från i oogenesen, där en primär oocyt endast ger upphov till en haploid gamet. En annan skillnad är att mannens spermatogenes pågår livet ut.

Mannens spermier är funktionsdugliga i 1-2 dygn och bildningen av de fyra gameterna från en primär spermatocyt tar ca 64 dagar. Vid bildningen av spermier i testiklarna behövs några olika hjälpande celler. Sertoliceller tar hand om ”överblivet” material som bildas då spermatiderna differentierar till spermier, och Leydigceller producerar tillväxtfaktorer och könshormoner.

När de omogna cellerna, spermatogonia, träder in i meiosen kallas de primära spermatocyter och när den första meiosdelningen skett kallas de sekundära spermatocyter. De sekundära

2

spermatocyterna genomför sedan meios II och bildar spermatider som till sist differentierar för att bilda färdiga spermier.

Spermiernas utseendeSpermier består av en svans med ett rörligt flagell, ett mittparti med mitokondrier och ett huvud. Mitokondrierna i mittpartiet förser svansen med den energi som behövs för att flagellet ska kunna få spermien att simma. I huvudet finns den haploida kärnan med extremt tätt packat DNA. I huvudet, framför kärnan och strax under cellmembranet, finns en sorts vesikel med proteaser som kallas akrosom. Dessa proteaser behövs för att spermien ska kunna penetrera äggets zona pellucida.

FertiliseringBefruktningen av den mogna äggcellen sker i äggledaren, och då ägget och spermien sammansmälter bildas en diploid zygot som sedan bildar embryot genom mitos. Ungefär sex dagar efter befruktningen fäster embryot vid livmoderslemhinnan.

BefruktningenPå väg till ägget genomgår spermien kapacitation, då bl.a. svansrörligheten ökar och spermien blir kapabel att genomföra akrosomreaktionen. Denna sker när spermien nått fram till oocyten och bundit till ZP3-receptorer på zona pellucida. Proteaserna i akrosomen exocyteras och luckrar upp zona pellucida så att spermien kan tränga in.

Därefter fuserar oocytens och spermiens cellmembran. Vid spermiepenetreringen triggas oocyten att fullfölja meios II, vilket också sker. Därefter fuserar även spermiens och oocytens cellkärnor och en diploid kärna bildas.

Förhindrande av polyspermiPolyspermi innebär att fler än en spermie tränger in i oocyten, vilket resulterar i ett livsodugligt embryo. Flera mekanismer för att förhindra detta har därför utvecklats. Ett viktigt exempel är kortikalreaktionen. Då frisätter de kortikala granulerna strax innanför äggets cellmembran enzymer som inaktiverar ZP3-receptorerna och som härdar zona pellucida genom att klyva glykoproteinet ZP2. På så vis kan inte fler än en spermie penetrera zona pellucida.

InfertilitetInfertilitet är inte ovanligt, ca 15 % av alla par kan inte få barn. Dessutom har mäns spermieantal minskat i modern tid, av okänd anledning. Olika tekniker har därför utvecklats för att infertila ska kunna få barn. IVF (in vitro-fertilisering) innebär att ägg extraheras från kvinnans äggstockar strax innan ägglossning och tillåts penetreras av spermier i kultur. Ett embryo väljs ut och återinförs i kvinnans livmoder.

ICSI (intracytoplasmic sperm injection) är en annan teknik där en spermie injiceras direkt i äggets cytoplasma.

3

ÖvrigtBåde den maternella och den paternella arvsmassan behövs för att embryot ska bli livsdugligt. Det maternella och det paternella DNA:t kan dessutom vara olika modifierat (epigenetik).

Den del av genomet som finns i mitokondrierna ärvs maternellt. Oocyten är mycket större än spermien och spermien lämnar knappt över någon av sin cytoplasma och sina mitokondrier, vilket resulterar i att endast moderns mtDNA (mitokondriella DNA) förs vidare till embryot.

4