Oogeneze savců a její regulační mechanizmy

Sergei Karlin

Bachelor's thesis

Regulatory mechanisms of mammalian oogenesis

Abstract:

Proces oogeneze představuje tvorbu vajíček, které vznikají z primordiálních zárodečných buněk (PGC) v kůře vaječníků. Z PGC se procesem mnohonásobné mitózy nejprve tvoří oogonie, které se následně mitoticky množí. K oogoniím se přikládají v jedné vrstvě buňky coelomového epitelu, přičemž vznikají tzv. primordiální folikuly. Asi u poloviny oogonií se tato vrstva nevytvoří a buňky hynou řízenou buněčnou smrtí, apoptózou. Z oogonií vznikají mitotickým dělením primární oocyty, které vstupují do meiotického zrání, které se poprvé zastavuje v profázi I, v diplotenním stádiu. Oocyty setrvávají v meiotickém bloku až do hormonální iniciace dalšího zrání. Zrání jednotlivých folikulů pak pokračuje až po pubertě samice vlivem hormonů. Stimulem k pokračování prvého zracího dělení je u některých druhů, jako jsou například obojživelníci, progesteron, u jiných změna hladiny estrogenů a progesteronu v průběhu estrálního cyklu. Prvním meiotickým dělením vzniknou dvě haploidní buňky, jeden sekundární oocyt a jedna buňka rudimentární s odpadem jaderného materiálu, tzv. pólové tělísko. Druhé meiotické dělení je iniciováno po ovulaci, ale ve druhé meiotické metafázi (MII) je podruhé zastaveno v druhém meiotickém bloku a k jeho dokončení dochází až po proniknutí spermie do vajíčka, kdy ze sekundárního oocytu vzniká jedno vajíčko a druhé pólové tělísko. Zároveň první pólové tělísko prochází následnou mitózou, dělí se ve dvě a všechna 3 pólová tělíska záhy zaniknou procesem apoptózy. V oocytu v průběhu růstové fáze probíhá syntéza mRNA, proteinů a různých zásobních látek, přičemž některé mRNA jsou transportovány do cytoplazmy, kde jsou skladovány v inaktivní formě a aktivovány teprve po procesu oplození oocytu. Další zásobní látky, proteiny i RNA všech typů jsou do vajíčka transportovány z okolních kumulárních buněk přes vmezeřené spoje, gap junctions. Proces oogeneze řídí řada velmi složitých regulačních mechanizmů, ve kterých plní funkci například cyklické nukleotidy, vápenaté ionty, kinázy, fosfatázy či plynné molekuly. cAMP udržuje oocyty v meiotickém bloku, pro znovuobnovení meiotického zrání je nezbytné, aby poklesla hladina cAMP, což se děje tak, že další molekuly cAMP nejsou vpuštěny do oocytu z kumulárních buněk přes gap junctions. Významnou měrou se na regulaci procesu meiotického zrání i oplození podílejí vápenaté ionty, které mimo jiné ovlivňují kortikální reakci a následný proces ztvrdnutí vrstvy zona pellucida, kterým se zabraňuje polyspermii a mění se glykoproteinová struktura světlolomné blanky oocytu. Meiotické zrání v oocytu je regulováno také pomocí fosfatáz, které plní defosforylační funkce a kináz, které mají naopak za úkol fosforylovat buněčné proteiny. Vstup oocytů do metafáze je zajištěn MPF faktorem. Významným způsobem ovlivňují signální dráhy v pohlavních buňkách také plynné molekuly označované jako gasotramittery. Plyny s velmi rychlým biologickým poločasem rozpadu jako je oxid dusnatý, oxid uhelnatý nebo sulfan regulují například proces meiotického zrání či stárnutí oocytů. Funkce gasotransmitterů je dána jejich koncentrací v buňkách. Bylo zjištěno, že oxid dusnatý působí na meiotické zrání oocytů v nízké koncentraci stimulačně, zatímco vysoké koncentrace NO meiotické zrání oocytů inhibují. Pro správný průběh oogeneze je nezbytné, aby všechny regulační mechanizmy fungovaly v součinnosti, jinak je buňka směrována do apoptózy.

Abstract:

The process of oogenesis is the formation of ova, which originate from primordial germ cells (PGCs) in the ovarian cortex. The PGCs first form oogonia through a process of multiple mitosis, which then proliferate mitotically. Coelomic epithelial cells attach to the oogonia in a single layer, forming so-called primordial follicles. In about half of the oogonia, this layer does not form and the cells die by controlled cell death, apoptosis. The oogonia give rise to primary oocytes by mitotic division, which enter meiotic maturation, which first stops at prophase I, the diplotene stage. Oocytes remain in meiotic block until hormonal initiation of further maturation. Maturation of individual follicles then continues after puberty of the female under the influence of hormones. The stimulus for the continuation of the first maturation division is progesterone in some species, such as amphibians, and in others, a change in estrogen and progesterone levels during the estrous cycle. The first meiotic division gives rise to two haploid cells, one secondary oocyte and one rudimentary cell with nuclear waste, the so-called pole body. The second meiotic division is initiated after ovulation, but is arrested for a second time in the second meiotic metaphase (MII) and is completed after sperm penetration into the egg, when the secondary oocyte gives rise to one egg and a second pole body. At the same time, the first polar body undergoes subsequent mitosis, divides into two and all 3 polar bodies soon disappear by the process of apoptosis. In the oocyte during the growth phase, mRNA, protein and various storage substances are synthesized, with some mRNAs being transported to the cytoplasm where they are stored in an inactive form and activated only after the fertilization process of the oocyte. Other storage substances, proteins and RNAs of all types are transported into the egg from the surrounding cumulus cells via gap junctions. The process of oogenesis is controlled by a number of very complex regulatory mechanisms in which cyclic nucleotides, calcium ions, kinases, phosphatases, and gaseous molecules, for example, function. cAMP maintains the oocyte in meiotic block; to resume meiotic maturation, it is necessary for cAMP levels to fall, which happens so that additional cAMP molecules are not allowed into the oocyte from the cumulus cells via gap junctions. Calcium ions play an important role in the regulation of the meiotic maturation and fertilization process, affecting, among other things, the cortical reaction and the subsequent hardening of the zona pellucida layer, which prevents polyspermy and changes the glycoprotein structure of the oocyte's light-sheet. Meiotic maturation in the oocyte is also regulated by phosphatases, which have dephosphorylating functions, and kinases, which in turn are responsible for phosphorylating cellular proteins. Oocyte entry into metaphase is mediated by MPF factor. Gaseous molecules known as gasotramitters also significantly influence signaling pathways in sex cells. Gases with very fast biological half-lives such as nitric oxide, carbon monoxide or sulphane regulate, for example, the process of meiotic maturation or oocyte aging. The function of gasotransmitters is determined by their concentration in cells. Nitric oxide has been found to stimulate meiotic maturation of oocytes at low concentrations, whereas high concentrations of NO inhibit meiotic maturation of oocytes. For proper oogenesis to proceed, it is essential that all regulatory mechanisms work in concert, otherwise the cell is directed into apoptosis.

Keywords

oocyt, signální dráhy, množení, růst, meiotické zrání

Keywords

oocyte, signaling pathways, proliferation, growth, meiotic maturation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 29. 5. 2024
• Supervisor: doc. Ing. Eva Chmelíková, Ph.D.
• Reader: Kateřina Kheilová, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Bachelor programme / specializace:
Companion Animal Management / Exotic Animals Breeding