Оплодотворение человека – это союз яйцеклетки и сперматозоида , происходящий преимущественно в ампуле фаллопиевой трубы . [1] Результат этого союза приводит к производству оплодотворенной яйцеклетки, называемой зиготой , инициирующей эмбриональное развитие . Ученые открыли динамику оплодотворения человека еще в 19 веке. [2]
Процесс оплодотворения включает слияние сперматозоида с яйцеклеткой. Наиболее распространенная последовательность начинается с эякуляции во время совокупления , следует за овуляцией и заканчивается оплодотворением. Возможны различные исключения из этой последовательности, включая искусственное оплодотворение , экстракорпоральное оплодотворение , наружную эякуляцию без совокупления или совокупление вскоре после овуляции. [3] [4] При встрече со вторичным ооцитом акросома сперматозоида вырабатывает ферменты, которые позволяют ему проникать через внешнюю оболочку, называемую прозрачной оболочкой яйцеклетки. Затем плазма сперматозоида сливается с плазматической мембраной яйцеклетки, и их ядра сливаются, вызывая отделение головки сперматозоида от жгутика, когда яйцеклетка перемещается по фаллопиевой трубе и достигает матки.
Экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО) – это процесс, при котором яйцеклетки оплодотворяются сперматозоидами вне матки, in vitro .
В античности Аристотель изображал образование новых особей, происходящее посредством слияния мужской и женской жидкостей, причем форма и функция возникают постепенно, в порядке, названном им эпигенетическим . [5]
Оплодотворение происходит в ампуле фаллопиевой трубы , той части, которая огибает яичник. Капацитированные сперматозоиды привлекаются прогестероном, который секретируется кумулюсными клетками, окружающими ооцит. [6] Прогестерон связывается с рецептором CatSper на мембране сперматозоидов и повышает уровень внутриклеточного кальция, вызывая гиперактивную подвижность. Сперматозоиды будут продолжать плыть к более высоким концентрациям прогестерона, эффективно направляя его к яйцеклетке. [7] Около 200 из 200 миллионов сперматозоидов достигают ампулы.
В начале процесса сперма претерпевает ряд изменений, поскольку свежеэякулированная сперма неспособна или плохо способна к оплодотворению. [8] Сперма должна пройти капацитацию в репродуктивном тракте самки, что увеличивает ее подвижность и гиперполяризует ее мембрану, подготавливая ее к акросомной реакции , ферментативному проникновению в жесткую мембрану яйцеклетки, пеллюцидную зону , окружающую ооцит. [9]
Сперма связывается через лучистую корону , слой клеток фолликула на внешней стороне вторичного ооцита . Лучевая корона выделяет химические вещества, которые привлекают сперматозоиды из фаллопиевой трубы к яйцеклетке. Он расположен над зоной пеллюцида — мембраной гликопротеинов, окружающей яйцеклетку. [10]
Там, где сперматозоид вот-вот проколется, желток ( оплазма ) вытягивается в коническое возвышение, называемое конусом притяжения или конусом приема. Как только сперматозоид проникает, периферическая часть желтка превращается в мембрану, перивителлиновую мембрану, которая предотвращает прохождение дополнительных сперматозоидов. [11]
После связывания с лучистым венцом сперма достигает пеллюцидной зоны , которая представляет собой внеклеточный матрикс гликопротеинов . Гликопротеин ZP3 на пеллюцидной зоне связывается с рецептором на поверхности клеток головки спермия. Это связывание вызывает разрыв акросомы, высвобождая акросомальные ферменты, которые помогают сперматозоидам проникнуть через толстый слой пеллюцида, окружающий ооцит, и в конечном итоге получить доступ к клеточной мембране яйцеклетки. [12]
Некоторые сперматозоиды преждевременно потребляют свою акросому на поверхности яйцеклетки, облегчая проникновение других сперматозоидов. В популяции зрелые гаплоидные сперматозоиды имеют в среднем 50% сходство генома, поэтому преждевременные акросомные реакции способствуют оплодотворению членом одной и той же когорты. [13] Это можно рассматривать как механизм родственного отбора .
Недавние исследования показали, что яйцо не пассивно во время этого процесса. Другими словами, они, похоже, тоже претерпевают изменения, которые способствуют такому взаимодействию. [14] [15]
После того как сперматозоид попадает в цитоплазму ооцита, хвостик и внешняя оболочка спермия распадаются. Слияние оболочек сперматозоида и ооцита вызывает реакцию коры головного мозга . [16] Кортикальные гранулы внутри вторичного ооцита сливаются с плазматической мембраной клетки, в результате чего ферменты внутри этих гранул вытесняются путем экзоцитоза в пеллюцидную зону. Это, в свою очередь, заставляет гликопротеины в зоне пеллюцида сшиваться друг с другом — то есть ферменты вызывают гидролиз ZP2 в ZP2f — делая весь матрикс твердым и непроницаемым для сперматозоидов. Это предотвращает оплодотворение яйцеклетки более чем одним сперматозоидом. [17]
При подготовке к слиянию генетического материала и ооцит, и сперматозоид претерпевают трансформации в результате слияния клеточных мембран.
Ооцит завершает свое второе мейотическое деление . В результате образуется зрелая гаплоидная яйцеклетка и высвобождается полярное тельце. [18] Ядро ооцита в этом процессе называется пронуклеусом , чтобы отличить его от ядер, образующихся в результате оплодотворения.
Хвост спермия и митохондрии дегенерируют с образованием мужского пронуклеуса . Вот почему все митохондрии у человека имеют материнское происхождение. Тем не менее, значительное количество РНК из спермы доставляется к образовавшемуся эмбриону и, вероятно, влияет на развитие эмбриона и фенотип потомства. [19]
Затем ядро спермия сливается с яйцеклеткой, обеспечивая слияние их генетического материала.
Когда сперма попадает в перивителлиновое пространство , специфический для сперматозоидов белок Izumo на головке связывается с рецепторами Juno на мембране ооцита. [20] Как только он связывается, возникают два блока полиспермии. Примерно через 40 минут другие рецепторы Juno на ооците теряются из мембраны, в результате чего он перестает быть сливающимся. Кроме того, произойдет кортикальная реакция, вызванная связыванием овастацина и расщеплением рецепторов ZP2 на прозрачной зоне. [21] Эти два блока полиспермии не позволяют зиготе иметь слишком много ДНК.
Пронуклеусы мигрируют к центру ооцита, быстро реплицируя свою ДНК , готовя зиготу к ее первому митотическому делению. [22]
Обычно 23 хромосомы сперматозоида и 23 хромосомы яйцеклетки сливаются (примерно половина сперматозоидов несет Х-хромосому, а другая половина - Y-хромосому [23] ). Их мембраны растворяются, не оставляя барьеров между мужскими и женскими хромосомами . Во время этого растворения между ними образуется митотическое веретено . Веретено захватывает хромосомы до того, как они рассеются в цитоплазме яйцеклетки. После последующего митоза (который включает в себя притягивание хроматид к центриолям в анафазе) клетка собирает генетический материал мужского и женского пола вместе. Таким образом, первый митоз соединения спермия и ооцита представляет собой фактическое слияние их хромосом. [22]
Каждая из двух дочерних клеток, образующихся в результате этого митоза, имеет по одной реплике каждой хроматиды, которая была реплицирована на предыдущей стадии. Таким образом, они генетически идентичны. [ нужна цитата ]
Оплодотворение — это событие, которое чаще всего используется для обозначения начала жизни в описаниях внутриутробного развития эмбриона или плода. [24] Результирующий возраст известен как возраст оплодотворения , возраст оплодотворения , возраст зачатия , эмбриональный возраст , возраст плода или возраст (внутриутробного) развития (ВМС) [25] .
Гестационный возраст , напротив, принимает в качестве отправной точки начало последней менструации (ПМ). Условно срок беременности рассчитывается путем прибавления 14 дней к возрасту оплодотворения и наоборот. [26] Однако оплодотворение обычно происходит в течение дня овуляции , которая, в свою очередь, происходит в среднем через 14,6 дней после начала предыдущей менструации (ПМ). [27] Существует также значительная вариабельность этого интервала: 95% прогнозируемый интервал овуляции составляет от 9 до 20 дней после менструации даже для среднестатистической женщины, у которой среднее время от LMP до овуляции составляет 14,6. [28] В контрольной группе, представляющей всех женщин, 95% прогнозируемый интервал от LMP до овуляции составляет от 8,2 до 20,5 дней. [27]
По оценкам, среднее время до рождения составляет 268 дней (38 недель и два дня) от овуляции со стандартным отклонением 10 дней или коэффициентом вариации 3,7%. [29]
Возраст оплодотворения иногда используется постнатально (после рождения), а также для оценки различных факторов риска. Например, он является лучшим предиктором риска внутрижелудочкового кровоизлияния у недоношенных детей , получавших экстракорпоральную мембранную оксигенацию, чем постнатальный возраст . [30]
Различные нарушения могут возникнуть из-за дефектов процесса оплодотворения. Приводится ли это в процессе контакта между сперматозоидом и яйцеклеткой или в состоянии здоровья биологического родителя, несущего клетку-зиготу. Ниже приведены некоторые заболевания, которые могут возникнуть и присутствовать во время этого процесса.
Беременность, как известно, наступает от такого внешнего семяизвержения...