Ihmisalkion varhaiskehitys I: Sukusoluista implantaatioon Kirsi Sainio Perimä ja kehitys 2017-2018
} Larsen s Human Embryology, kappaleet 1. -2. } Sariola ym. Kehitysbiologia. Solusta yksilöksi, kappaleet 1. ja 8., 9 s.141-149 (+kuva 9.8), kappale 7. s.127 kromosomipoikkeavuudet } Alberts ym. Molecular Biology of the Cell, kappale 17, Meiosis s. 1004-1010 } Lisälukemisto: Kehitysbiologian kurssimoniste (Moodle ja DiKK) Scott Gilbert: Developmental Biology, http://10e.devbio.com/ Opetusvideoita: http://11e.devbio.com/index.html
1. Gametogeneesi
Primordiaaliset sukusolut Peräisin varhaisen alkion sisäsolumassan soluista (Embryonic Stem Cells, ES-solut) Diploideja kaikki kykyisiä soluja, jotka vaeltavat alkiosta kehittyvään ruskuaispussiin Kiinnittyvät ruskuaispussin seinämään, jossa pysyvät erilaistumattomina aina sukurauhasten kehitykseen asti (alkion kehityksen 4.-5. viikko laskettuna hedelmöityksestä) Sukurauhasten kehittyessä vaeltavat takaisin alkioon ja sukurauhasiin, jossa aloittavat erilaistumisen
Primordiaaliset sukusolut vesikalvo alkion etupää alkion takapää kehittyvä napanuora rakkokalvo ruskuaispussi Ihmisalkio n. 26. päivänä hedelmöityksestä
SOX17 is indispensable and sufficient for hpgclc gene induction from competent hescs, and it acts in human upstream of BLIMP1 and other genes to initiate the human germ cell transcriptional network. Interestingly, loss of SOX17 in TCam-2 also causes a repression of germ-cell- and pluripotency-associated genes. This suggests that SOX17 might also be important for the maintenance of the germ cell state because it is also highly expressed in embryonic hpgcs. Irie ym., 2014 160, 253-268DOI: (10.1016/j.cell.2014.12.013)
Ongelmia?
Primordiaaliset sukusolut: pojat Poikasikiöillä erilaistuvat gonosyyteiksi Vastasyntyneillä poikavauvoilla gonosyyteistä tulee erilaistumattomia spermatogonioita Näiden erilaistuminen käynnistyy puberteetin aikaan
Primordiaaliset sukusolut: tytöt Tyttösikiöillä erilaistuvat ensin oogonioiksi, jotka jakautuvat mitoottisesti Oogonioita on enimmillään kehittyvässä munasarjassa noin 7 miljoonaa Suurin osa näistä soluista poistetaan apoptoottisesti ja jäljelle jääneet solut aloittavat ensimmäisen meioottisen jakautumisen
Primordiaaliset sukusolut: tytöt Meioottiset solut jäävät jäljelle ja erilaistuvat primaareiksi oosyyteiksi n. 400.000 primaaria oosyyttiä jäävät meioosin 1. profaasiin puberteettiin asti ja näistä vain noin 500 jatkaa meioosin 1. jakautumisen loppuun meioosin 2. jakautuminen alkaa ovulaatiossa ja päättyy hedelmöitykseen
Miksi aikataulu on erilainen?
Sukusolujen jakautuminen: meioosi G2 M G1 S
Meioosi vs. mitoosi Jos kypsissä sukusoluissa olisi somaattisten solujen tapaan diploidi (2n) kromosomisto, näiden solujen yhtyessä yhdeksi soluksi alkio sisältäisi kaksinkertaisen genomin ja tetraploidin kromosomiston (kr4n) Polyploidia ei ole luonnossa harvinaista, mutta sitä ei esiinny normaalisti nisäkkäillä
Haploidi-diploidi-polyploidi
Meioosi vs. mitoosi Polyploidian välttämiseksi sukusoluissa tapahtuu ns. vähennys-jakautuminen Diploidi kromosomisto (kr2n) jakautuu kahdelle solulle haploidiksi eli yksinkertaiseksi kromosomistoksi (kr1n) kromosomien lukumäärä on lajikohtainen, ihmisellä haploidi kromosomiluku on 23 (22+X/Y) homologiset vastinkromosomit asettuvat jakotasoon sattumanvaraisesti (ihmisellä 8388608 vaihtoehtoa) Tämän ja tekijäinvaihdon seurauksena kaikki syntyvät gameetit ovat erilaisia
Tekijäinvaihto l. crossing over Tekijäinvaihto on normaaliin meisoosiin kuuluva ilmiö, joka mahdollistaa perintöaineksen vaihdon vastinkromosomien välillä
Meioosi vs. mitoosi Meioosiin valmistautuvat solut kahdentavat perimänsä (DNA replikaatio) kuten ennen mitoosia, mutta sen jälkeen tapahtuu kaksi solunjakautumista, jonka tuloksena muodostuu neljä haploidin genomin (kr1n) sisältävää solua Jakojen välissä on lyhyt interfaasi, mutta DNA:ta ei enää kahdenneta
mitoosi meioosi
Meioosi miehellä ja naisella Miehellä jokaisesta sukusolujen kantasolusta voi muodostua spermatogeneesin ja spermiogeneesin jälkeen neljä hedelmöittämiskykyistä siittiötä Naisella jokaisesta meioosin profaasiin edenneestä oosyytistä voi muodostua oogenesissä vain yksi hedelmöittymiskykyinen munasolu (sekundaarinen oosyytti) ja kolme poistosolua (polar body)
Gametogeneesi ja meioosi miehet naiset
Ja jotain menee pieleen Kromosomaalinen nondisjunktio Verraten yleinen häiriö, yleisempi ikääntyneissä munasoluissa Voi tapahtua myös siittiöissä Yleisimmät sukukromosomin ja kromosomin 21 nondisjunktio, jolloin syntyy trisomia/monosomia
Downin oireyhtymä
Rypäleraskaus ja tuulimunat Arviolta 20 % kaikista raskauksista keskeytyy hedelmöitysvaiheessa 10-15 % keskeytyneistä raskauksista todetaan ns. tuulimunaraskaus (ovum abortivum) Tuulimunaraskaudessa munasolu on hedelmöittynyt normaalisti, mutta alkio ei kehity, istukkakudos ja sikiökalvot kehittyvät n. 1/1000 raskautta todetaan rypäleraskaus (rakkulamoola, mola hydatidosa) (n. 50-100 /vuosi Suomessa) Rypäleraskaudessa hedelmöitys on tapahtunut, mutta alkiota ei kehity, istukkakudoksen nukkalisäkkeet turpoavat rakkulamaisiksi, sikiökalvoja ei yleensä muodostu lainkaan
Sukurauhaset valmistautuvat hedelmöitykseen
Munasarjan rakenne
Munasolu ennen ovulaatiota sisäkotelo munarakkulan neste ulkokotelo granuloosasolut Munakumpu Munasolu
Granuloosasolut, kumulussolut ja teekasolut Granuloosasolut ovat munasoluja eri kehitysvaiheessa ympäröiviä epiteelimäisiä soluja, jotka tuottavat estrogeenia Teekasolut ovat Graafin follikkelin sisäkotelosta (theca internasta) peräisin olevia soluja, jotka tuottavat andogeeneja Kumulussolut ovat munakummusta ovulaatiossa munasolun mukana irtoavien granuloosasolujen kerros
Munasolun meioosi Vain yksi meioosin 1. jakautumisessa syntynyt munasolu kypsyy kerrallaan = ovulaatio
Munasolun meioosi Meioosin 1. jakautumisen päättyessä syntyneet solut ovat hyvin erilaisia Kummassakin on 23 replikoitunutta kromosomia, mutta toisessa ei juuri lainkaan sytoplasmaa = 1. polaarinen kappale (polar body) Suurempi solu on sekundaarinen oosyytti
Munasolu ennen hedelmöitystä Polaarinen kappale
Munasolun meioosi Sekundaarisen oosyytin jakautuessa meioosin 2. jakautumisessa (joka tapahtuu hedelmöityksessä) syntyy jälleen uusi polaarinen kappale Yleensä myös ensimmäinen polaarinen kappale jakaantuu
Munasolun meioosi Meioosin 2. jakautuminen päättyy hedelmöitykseen Polaarisia kappaleita voidaan käyttää IVFhoidoissa: meioosi menee loppuun ja syntyy 2. polaarinen kappale hedelmöitys on tapahtunut analysoidaan munasolun kromosomistatus ennen hedelmöitystä
Siittiöiden meioosi
Spermatogeneesi https://www.youtube.com/watch?v=mk9_6 HQbxtU
Spermatidistä siittiöksi (spermiogeneesi)
Meioosin hormonaalinen säätely kummallakin sukupuolella Hypothalamus erittää luliberiiniä (LRH) Aivolisäke erittää gonadotropiineja (LH ja FSH) follikkelia stimuloiva hormoni (FSH) ohjaa sukusolujen kehitystä Naisilla lutenisoiva hormoni ohjaa munarakkulan myöhäisikehitystä, aiheuttaa ovulaation ja säätele keltarauhasen toimintaa ja kehitystä
Hormonaalinen säätely:nainen Keltarauhanen erittää steroideja (estrogeeneja ja gestageeneja) jos raskaus alkaa, istukkaa muodostavista trofoblastisoluista erittyy keltarauhasta ylläpitävää istukkahormonia eli koriongonadotropiinia (CG) raskauden alkuvaiheessa steroidit estävät uuden kuukautiskierron alkamisen
Hormonaalinen säätely: nainen Myöhemmin istukka erittää progesteronia (keltarauhashormonia) ja estrogeenia, jotka säätelevät raskautta ja valmistavat naisen elimistöä synnytykseen ja maidontuotantoon
Hormonaalinen säätely: nainen
Endometrium raskauden alussa
Hormonaalinen säätely: mies LS stimuloi Leydigin solujen tetosteronituotantoa Testosteroni säätelee Sertolin soluja, kivesten kehitystä ja siittiöiden tuotantoa Myös FSH stimuloi Sertolin soluja, jotka ylläpitävät siittiöiden kantasoluja ja ruokkivat kehittyviä siittiöitä
2. Hedelmöitys
Hedelmöitys Tapahtuu ovulaation jälkeen munanjohtimen ampullassa tai ampullan vieressä munanjohtimen alkuosassa Itse asiassa kerran kuussa ovuloituva munasolu on ainoa todellinen intraperitoneaalinen solu joten joskus hedelmöitys voi myös tapahtua munajohtimen ulkopuolella
Kapasitaatio Kapasitaatio: kohdun seinämän epiteelisolujen ja siittiön vuorovaikutuksen seurauksena tapahtuva siittiön solukalvon glykoproteiinivaipan hajotus Siittiö liikkuu vaginasta kohdun kaulaan, siitä kohtuun, kohdun sarviin ja eteenpäin munanjohtimeen Kapasitaatioreaktio tapahtuu kohdun sarvissa ja kestää n. 7 tuntia
Kapasitaatio Edellytys akrosomireaktiolle ja ylipäätään sille, että siittiö kykenee hedelmöittämään munasolun Vain kapasitoituneet siittiöt voivat tunkeutua kumulussolukerroksen eli corona radiatan läpi Kapasitaation ja siittiön liikkumisen vaatiman ajan takia hedelmöitys tapahtuu yleensä aikaisintaan n. 10 tunnin kuluttua yhdynnästä
Hedelmöitys vaiheittain
Siittiön ja munasolun fuusio Akrosomireaktio Polyspermian esto Munasolun aktivaatio
Akrosomireaktio Siittiön päässä on proteolyyttisten entsyymien vaippa, joka vapautuu kun siittiö tunkeutuu corona radiataan Proteiineja mm. akrosiini ja trypsiinin kaltainen proteolyyttinen entsyymi Akrosomireaktio on välttämätön hedelmöitystä seuraavalle ns. zonareaktiolle
Munasolun ja siittiön fuusio Zona pellucidan pinnalla glykoproteiineja, jotka ovat lajille ominaisia, esim. ihmisellä ZP3 Siittiö tunnistaa zonan glykoproteiinivaipan reseptorit (ihmisellä SED1 proteiini)
Siittiön ja munasolun fuusio Fuusio siis tapahtuu solukalvojen molekyylien välisen interaktion seurauksena Spesifisten proteiinien ansiosta lajien välinen siittiön ja munasolun fuusio on luonnossa harvinaista
Nopea polyspermian esto Munasolun ja siittiön fuusioituessa munasolun kortikaaliset rakkulat vapauttavat lysosomaalisia entsyymejä perivitelliinitilaan Kortikaalirakkuloiden hajoaminen entsyymien vaikutuksesta aiheuttaa ns. nopean polyspermian eston, kun zonan koostumus muuttuu = zona reaktio http://www.youtube.com/watch?v=fo4uwj01g x8
Munasolu aktivoituu Kalsiumtason nousu ph:n nousu 2. meioottinen jakautuminen menee loppuun ja muodostuu viimeinen poistosolu DNA:n replikaatio aktivoituu Calsium
Tsygootin muodostuminen Esitumat ensin erillään Tumakotelot häviävät Maternaalisen ja paternaalisen DNA:n replikaatio Kromosomit asettuvat jakotasoon kuten metafaasissa
Esitumat Esitumat ensin erillään Tumakotelot häviävät Maternaalisen ja paternaalisen DNA:n replikaatio Kromosomit asettuvat jakotasoon kuten metafaasissa
Lääketieteelliset sovellukset
In vitro fertilisaatio IVF Yksittäisen siittiön injektio ehkä pisimmälle viety tekniikka Ovulaation jälkeen kerätyt munasolut hedelmöitetään viljelymaljalla
http://video.nationalgeographic.com/video/ ivf-sci http://www.terveyskirjasto.fi/terveyskirjast o/tk.koti?p_artikkeli=dlk00870 https://www.youtube.com/watch?v=_5ovg QW6FG4
Munanjohtimesta kohtuun
Alkion jakaantuminen Alkiossa alkavat mitoottiset solujakautumiset Varhaisten alkion solujen jakautuessa MASSA ei kasva, vaikka solujen määrä lisääntyy Alkio on edelleen zona pellucidan ympäröimä Varhainen ihmisen alkio halkijakautuu (engl. cleavage)
Halkijakautuminen
Ensimmäiset jakautumiset
Ensimmäiset jakautumiset
Ensimmäiset jakautumiset
Ensimmäiset solulinjat Tsygootti jakautuu useiksi blastomeereiksi, jolloin muodostuu morula Tämän jälkeen blastomeerit polarisoituvat ja tiivistyvät kompaktiossa
Kompaktio Alkion ensimmäinen erilaistumistapahtuma Solujen välille epiteelisoluille tyypilliset liitokset Kompaktiossa alkusysäys kahdelle uudelle solupopulaatiolle: ulkosoluille ja sisäsoluille
Kompaktio Solut sitovat nestettä E-kadheriini välttämätön kompaktiolle Alkio etenee munanjohtimessa kohti kohtua ja on edelleen zona pellucidan ympäröimä = sen koko ei kasva Seuraavassa vaiheessa muodostuu blastokysta, kun alkio tulee kohtuun
Blastokystan muodostuminen Ulkosoluissa ioninvaihtopumppu Na/K-ATPaasi Natriumia pumpataan sisälle, jolloin syntyy nesteen täyttämä ontelo Alkiota kutsutaan nyt blastokystaksi (blastokysti) ja onteloa blastokeelomiksi (blastoseeleontelo) Sisä- ja ulkosolut jakautuvat eri lailla ja muodostavat blastokystaan kaksi erillistä solukkoa Sisäsolut muodostavat sisäsolumassan, ulkosoluista tulee trofoblasteja
Sisä- ja ulkosolulinjat blastokystassa
Sisälle vai ulos? Mikä määrää tuleeko solusta sisä- vai ulkosolu? Transkriptiotekijät OCT ja NANOG ilmentyvät sisäsoluissa Ulkosoluissa nämä hiljennetään (transkriptiotekijät Eomes ja Cdx2) Sisäsoluissa tuotetaan FGF4, jota tarvitaan ulkosolujen erilaistumiseen trofoblasteiksi Ensimmäisiä erilaistumisessa tapahtuvia solujen välisiä induktiivisia interaktioita
Häiriöt varhaisessa kehityksessä Hedelmöityksestä on kulunut 2-72 h Jakautumisen ja kompaktion häiriöt johtavat alkion varhaiseen apoptoosiin Häiriöt tässä vaiheessa jäävät usein havaitsematta Poikkeuksena kohdun ulkoiset raskaudet
Kohdunulkoinen raskaus
3. Implantaatio
Kiinnittyminen kohdun limakalvoon Ihmisellä 5.-6. kehityspäivänä hedelmöityksestä Alkio kuoriutuu zona pellucidasta tuottamiensa proteolyyttisten entsyymien avulla, solujen pinnan tarttumisominaisuudet muuttuvat
Kavitaatio Prosessi, jossa sisäsolumassassa tapahtuu myös solulinjojen uusi eriytyminen Muodostuu kaksilevyinen alkio, jossa on epiblastija hypoblastikerros Hypoblastikerrosta kutsutaan myös primitiiviseksi endodermiksi
Implantaatio Trofoblasteissa tuotetaan perlekaani nimistä heparansulfaattiproteoglykaania Kohdun limakalvossa hepariinia sitovaan EGF:n kaltaista tekijää (Hb-EGF)
Implantaatio Ulkosoluissa on tapahtunut kahden uuden solulinjan eriytyminen, trofoblasteista tulee ensin sytotrofoblasteja ja sen jälkeen synsytiotrofoblasteja Nämä solut pystyvät tarttumaan kohdun limakalvoon ja kiinnittyvät ensimmäisinä Muodostavat myöhemmin istukan
Implantaatio Sytotrofoblastit ovat yksittäisiä soluja, jotka muodostavat alkiota lähimmäksi jäävän ulkosolujen kerroksen Ulommat solut, synsytiotrofoblastit, eivät enää jakaudu Synsytiotrofoblastit muodostavat monitumaisen massan = synsytiumin
Implantaatio
Implantaatio Samalla trofoblastisolut alkavat tuottamaan istukkahormonia (human chorionic gonadotrophin, hcg) Alkiossa kaksikerroksinen alkiolevy laajenee ja hypoblastisolukko muodostaa primitiivistä ruskuaispussia blastokeelomin (blastokystan ontelo) sisäpuolelle, epiblastista alkaa irtaantumaan vesikalvon (amnion) muodostavia soluja
Hedelmöityksestä on kulunut alle 10 päivää