Oogenees Marika Masso 2019

1

OOGENEES ehk OVOGENEES

Pildimaterjali praktiliste tööde juurde: Female Reproductive System. Lab Exercises http://microanatomy.net/female_reproductive/ovary_preovulation.htm

Atlas of Histology http://www.med.uiuc.edu/histo/medium/atlas

LISAMATERJALE: Online course in embryology for medicine students developed by the universities of Fribourg, Lausanne and Bern Oogenesis http://www.embryology.ch/anglais/cgametogen/oogenese01.html

ANIMATSIOONID: Ovogenees

Naiste viljatuse põhjused: http://www.viljatus.ee http://www.viljatus.ee/naiste-viljatuse-abc/naiste-viljatuse-pohjused.html

"BIOLOOGIA PRAKTIKUM I" R. Masso, A. Saag, M. Masso. Tartu, 2018 vt Moodle: õppeaine BIOLOOGIA / Arengubioloogia praktikumid / Bioloogia PRAKTIKUM I

Esmaste sugurakkude ehk gonotsüütide eristumine

algab inimese embrüo 3. arengunädalal ja migratsioon rebukoti seinast gonaadi algmesse toimub embrüo 4.-6. arengunädalal.

2013 Medrano JV et al. Germ Cell Differentiation from Pluripotent Cells.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23329632

Meioos loomses organismis SPERMATOGENEES OVOGENEES ehk OOGENEES

Mitootiliselt jagunevad eellasrakud

M e i o o s I

M e i o o s II

SPERMID 4[1n 1c]

1. POLAARKEH A

1n 2c

2n 4c 2n 4c

2. POLAAR-

KEHA 1n 1c

SPERMATOGOONID OOGOONID

PRIMAAARNE SPERMATOTSÜÜT

SEKUNDAARNE SPERMATOTSÜÜT

2[1n 2c]

SPERMATIIDID 4[1n 1c]

PRIMAARNE OOTSÜÜT

SEKUNDAARNE OOTSÜÜT

1n 2c

MUNARAKK 1n 1c

Meioosi I blokaad

Meioosi II blokaad

Tundlikud perioodid oogeneesis

I

II

III

2008 Hunt & Hassold Human female meiosis: what makes a good egg go bad? TÜ võrgus Full text: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18192063

Meioosi I profaas on meioosi kõige tundlikum periood! Tekib suurel hulgal vigu, mille tulemusena hävib suur hulk tulevasi sugurakke, vastavalt kas spermato- või ootsüüte.

Kuna just oogeneesi ajal on SAC-kontrollpunkti töö ebaefektiivsem kui

spermatogeneesis ja halveneb veelgi ema vanuse kasvades, siis saab

järeldada, et I profaasi vead oogeneesil (vigane krossingover kiasmide

mittetekkimine homoloogiliste komosoomide vahel) , mis põhjustavad järgnevalt

kromosoomide lahknemishäireid, ongi peamine genoommutatsiooniga

ehk ANEUPLOIDSETE ootsüütide sügootide tekke allikas.

ANEUPLOIDIA esineb 1-2% spermatosoididest, 20-30% ootsüütidest

ning 25-35% kõigist moodustunud sügootidest.

Oogeneesi I profaas kestab 10-50 aastat, spermatogeneesil 21 päeva.

Oogeneesil rekombinatsioone ~1,6 x rohkem kui spermatogeneesil.

Oogeneesi meioosil tekib vigu ~10 x sagedamini kui spermatogeneesil.

ehk käävisüsteemi kontrollpunkt (spindle assembly checkpoint) –

kontrollib meioosi ja/või mitoosi metafaasides kääviniitide õiget

kinnitumist kinetohooridele ja kromosoomide joondumist.

SAC kontrollpunkt on efektiivne spermatogeneesis, oogeneesis laseb

kergesti läbi kromosoomide mittekinnitumisi ja/või joondumisi.

Kontrollpunkti efektiivsus väheneb vanuse kasvades, eriti oogeneesis.

Kontrollpunkti töö häirumine ongi peamine põhjus ANEUPLOIDSETE

ehk kromosoomide vale arvuga gameetide / sügootide tekkeks.

Aneuploisus on reeglina letaalne, erandina esineb elussünde sugukromosoomide trisoomiate või 45,X0 monosoomia puhul, harvem autosoomide, peamiselt 21. kr, 13. ja 18. kr trisoomia puhul.

SAC – kontrollpunkt

Oogenees Marika Masso 2019

2

Vananedes halveneb ootsüütide kvaliteet. Ootsüütides väheneb

* 2012 Jessberger R . Age-related aneuploidy through cohesion exhaustion.

http://www.nature.com/embor/journal/v13/n6/full/embor201254a.html

* 2012 Nagaoka et al. Human aneuploidy: mechanisms and new insights into an age-old

problem. http://www.nature.com/nrg/journal/v13/n7/full/nrg3245.html

* 2013 Kalmbach KH et al. Telomeres and human reproduction. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3857638/

• DNA-kahjustuse kontrollpunkti efektiivsus ja DNA reparatsioonivõime I profaasi lõpus

• rakutsükli regulaatorvalkude efektiivsus

• käävi kontrollpunkti (SAC) töö efektiivsus nii I kui II metafaasis*

ja/või tütarkromatiidide sidusus ehk kohesioon* ANEUPLOIDIA

• telomeeride pikkus, mistõttu nt tekivad vigased käävisüsteemid * (kui follikulaarepiteeli rakkudes, siis nende funktsiooni halvenemine)

• kaitsevõime oksüdatiivse stressi vastu

2016 Meldrum DL et al. Aging and the environment affect gamete and embryo potential. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0015028216000480

Box 4. 2012, Nagaoka et al. Nature Reviews, Genetics

Trisoomiate esinemise sagedus suureneb ema vanusega

<19 20-24 25-29 30-34 35-39 40+ Age (years)

Origin of extra chromosome Maternal age curve Association with recombination

Tulevaste munarakkude arv

1 kuu vanusel embrüol on ~ 1 700 mitoootilist gonotsüüti, mis need moodustavad embrüonaalse gonaadi.

2 kuu vanusel embrüol ~600 000 mitoootilist oogooni

5 kuu vanusel lootel ~7 000 000 mitootilist oogooni

sünnihetkel 700 000 – 2 000 000 primaarset ootsüüti

puberteedi alguses ~300 000 primaarset ootsüüti

30 aastasel naisel ~85 000 primaarset ootsüüti

51 aastasel naisel ~1000 primaarset ootsüüti

2009 Hartshorne GM et al. Oogenesis and cell death in human prenatal ovaries. Figure 1: https://academic.oup.com/molehr/article/15/12/805/1047018#18776135

2012, Wallace & Kelsey

% of non-

growing follicles

population remaining

Age ( years)

— remaining

ovarian reserve

%

Human Ovarian Reserve from Conception to the Menopause

2013 Zhang H et al. Combating ovarian aging depends on the use of existing ovarian follicles, not on putative oogonial stem cells. http://www.reproduction-online.org/content/146/6/R229.long

Munarakkude reserv, tulevaste munarakkude arv kahaneb pidevalt naise elu jooksul

Sünnihetkel kuni 2 mln primaarset ootsüüti, puberteedi alguseks

~400 000 primaarset ootsüüti primordiaalses folliikulis.

Ootsüüdid võivad hukkuda oogeneesi erinevatel perioodidel,

põhjuseks võib olla - meioosi sisenemise ebaõnnestumine

- krossingover’i ebaõnnestumine

- meioosi 1. seisakusse mineku ebaõnnestumine

- folliikuli moodustumise ebaõnnestumine

- ootsüüdi ja follikulaarepiteeli vaheliste rakukontaktide kadu

- ootsüüdi mitokondrite suur polümorfism jne

ootsüüdi APOPTOOS ja/või folliikuli atreesia

A dogma in biology of reproduction states that the pool of non-renewable primordial follicles serves as a source of developing follicles and oocytes that declines with age.

Self-renewal of primordial follicles!

This doctrine has been challenged by the Jonathan Tilly’s team in 2004 and 2005, who claimed that a neo-oogenesis can occur in the ovary of adult mouse. According to their data, neo-oogenesis would originate from female germline stem cells present in the ovarian surface epithelium and bone marrow.

The hypothesis based on Tilly’s recent data remains to be fully demonstrated, and that the model of depletion of ovarian reserve during the female sexual life remains the most plausible.

2019 Martin JJ et al. Implications and Current Limitations of Oogenesis from Female Germline or Oogonial Stem Cells in Adult Mammalian Ovaries.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30696098

2017 Porras-Gómez TJ, Moreno-Mendoza N. Neo-oogenesis in mammals. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28780921 Pro & Contra

2017 Bhartiya D, Patel H. Ovarian stem cells-resolving controversies. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29128912

2017 Horan CJ, Williams SA. Oocyte stem cells: fact or fantasy? http://www.reproduction-online.org/content/154/1/R23.long

Oogenees Marika Masso 2019

3

Peamine roll on hüpotaalamusel ja tema neuroendokriinsel regulatsioonil, mis kontrollib hüpofüüsi eessagara hormoonide eritumist:

LH - luteiniseeriv hormoon

FSH - folliikuleid stimuleeriv hormoon

Ovulatsioon

LISALUGEMIST: Interactions and effects of the hormones with and on the follicle. http://www.embryology.ch/anglais/dbefruchtung/milflleFolik/mfFolikel.html

Hormonaaltsüklid ja ootsüüdi areng

NUCLEUS Medical_ ANIMATIONS 3D by Title Ovulation http://catalog.nucleusinc.com/generateexhibit.php?ID=67312&I=

Oogenees Hormonaalne regulatsioon Viljastumine 3D animation https://www.youtube.com/watch?v=XzbrO2DQSL4

"The Normal Female Reproductive System" and is produced by Schering-Plough

FILMIÕHTUKS

Oogenees: a) ovariaaltsükkel; b) hormonaalne kontroll

ANIMATSIOONID: http://www.ut.ee/~dyyna

The Science of Biology 9th edition

by William K. Purves, David Sadava, Gordon H. Orians, and H. Craig Heller

Student Website for Life: Animated tutorials: http://www.springer.com/cda/content/document/cda_downloaddocument/4202s.swf

Viljatuse peamisi põhjusi naistel:

• geneetilised põhjused ~10%

• oogeneesi puudulikkus s.h meioosi I profaasi häired

• ovulatsioonihäired kuni 27% - peamiselt hormonaalsetel põhjustel

• anatoomilised probleemid kuni 22%

• infektsioonid, põletikud kuni 60% tagajärg: munajuhade sulgumine, emaka limaskesta kahjustumine jm

• endometrioos kuni 30% • emakamüoom • immunoloogilised probleemid • keskonna kahjustav mõju toksiinid (bisfenool A, ftalaadid, etanool, ravimid),

kiirgus, eluviis

• naise ema eluviisid nt toitumine, hormonaalsete kontratseptiivide kasutamine

Naiste infertiilsus

VILJAKUSE hindamine Munarakkude arvu/varu hindamine: hormoonitaseme (FSH) mõõtmise testid Menopausi algus: geenitestid http://novaator.err.ee/v/491e749a-bccf-4cc4-8eae-019216ca3904

Folliikuli areg munasarjas

Histoloogiline preparaat 100 x H&E

Oogenees

Meioosi algus

Primaarne ootsüüt

Mitootiliselt jagunevad oogoonid embrüos

Meioosi lõpp

Sekundaarne ootsüüt ja polaarkeha

Viljastumine

Folliikuli arenemisperioodil on ootsüüt on meioosi I profaasis

Ristlõige munasarjast

Gregory F. Erickson, PhD Follicle Growth and Development

http://www.glowm.com/section_view/heading/Follicle%20Growth%20and%20Development/item/288

Folliikuli arengu skeem

Folliikul koosneb: • primaarsest ootsüüdist

ja • teda ümbritsevatest

folliikulaarepiteeli rakkudest

Follikulaarepiteeli rakud toetavad ootsüüdi arengut:

• alimentaarselt

• sünteesivad östrogeeni • edastavad signaalmolekule

Kollaskeha

Primaarne folliikul kasvufaasis

Sekundaarne folliikul

Tertsiaarne folliikul ehk

Graafi põieke

Ovuleeruv sekundaarne ootsüüt

Primordiaalne folliikul

Valkjaskeha

Oogenees Marika Masso 2019

4

Folliikulite mõõdud ja kasvuperioodid: primordiaalne folliikul 55-75 mm

moodustuv Graafi põieke 200 mm

ovuleeruv Graafi põieke ~ 20 mm

Aeglase kasvu periood (~3 kuud) Kiire kasvu periood (8-12 päeva)

Oogenees. Kasvuperiood

Kasvuperioodil toimub folliikuli (ootsüüt + teda ümbritsevad

follikulaarepiteeli rakkude kihid) suurenemine.

Ultrahelipilt Graafi põiekesest 1 – munasarja strooma 2 – folliikuliõõs 3 – follikulaarepiteeli rakud 4 – Graafi põiekese läbimõõt ~22 mm

Ootsüüdi kasvamine folliikulis kasvuperioodil (I profaasis)

Primordiaalsed folliikulid

munasarja koore all

Küps tertsiaarne ehk Graafi folliikul

Primaarne ootüüt

Ootsüüdi maht suureneb ~40 korda diameeter suureneb 30 mm → 120 mm

Inimese embrüonaalne munasari, oogoonid

Fig. 1: Surface of fetal ovary (15 weeks) showing coelomic epithelium (E) and oogonium (O) surrounded by potential follicle cells (F). D, degenerating cell; L = light cell.

Fig. 2: Oogonium with a central nucleus, containing a reticulated nucleolus, surrounded by potential follicle cells (F). Note sparse cytoplasm with mitochondria (M) and two centrioles (arrowhead) associated with a Golgi complex (G).

Selvaraj, Sathananthan, 2003

35 250 x 310 500 x

Inimese primaarne ootsüüt kasvufaasis

Fig. Aspirated growing oocyte from a small antral follicle. Note reticulated nucleolus in nucleus and CGs separated from oolemma beset with numerous microvilli. G, Golgi complex; M, mitochondria; Z, zona.

Sathananthan, 2006

33 500 x

TUUM

TUUMAKE

Ootsüüdi tsütoplasma

Zona pellucida

Mikrohatud

Ootsüüdi valmistumine ovulatsiooniks. Meioosi I blokaadi lõpp, meioosi jätkumine

PROFAAS I

24-38 tundi enne ovulatsiooni lõpeb ootsüüdis meioosi I seisak ja järgnevalt toimuvad meioosi

I profaas → II metafaas, nn küpsemisjagunemine.

METAFAAS II

Primaarne OOTSÜÜT

Toimub GVBD (Germinal Vesicle Breakdown) s.t ootsüüdi I profaasi tuuma lagunemine, ootsüüt läheb I metafaasi ja meioos toimub II metafaasini – oogeneesi II seisakuni.

GV

Luteiniseeriv hormoon (LH)

annab signaali

Sekundaarne OOTSÜÜT

I metafaas ja II metafaas inimese ootsüütides. Käävi orientatsioon ootsüüdis

Fig. 16: Metaphase I oocyte showing spindle with chromosomes. The CGs (C) are aligned close to oolemma. M, mitochondria; S, SER; Z, zona. Fig. 17: Metaphase II oocyte with characteristic, barrel-shaped spindle with chromo-somes at the equator. There are neither centrioles nor dense centrosomal material at the poles . Note several CGs (C) above spindle zone. M, mitochondria; S, SER; Z, zona. Sathananthan, 1985, 1988

313 200 x 39 1200 x

Imetajate (v.a hiirte) ootsüütides “kaovad” pärast meioosi I profaasi tsentrioolid - ootsüüdi tsentrosoomid on atsentriolaarsed.

2015 Avidor-Reiss T et al. Atypical centrioles during sexual reproduction. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4381714/

Oogenees Marika Masso 2019

5

Composite illustration of the ultrastructure of preovulatory human oocytes showing various organelles from the germinal vesicle to metaphase II stages and of two follicle cells. A, aggregate of SER; C, caveola; CCP, CR process; CG, cortical granules; Ch, chromosomes; CR, corona radiata; En, endocytosis; Ex, exocytosis; G, Golgi complex; L, primary lysosome; LG, lipid globule; M, mitochondria; MB, multivesicular body; MF, microfilaments; MT, microtubules; MV, microvilli; N, nucleus; PB1 = 1st polar body; PR, polyribosome; PVS, perivitelline space; R, ribosomes; RB, residual body; RER, rough endoplasmic reticulum; S, vesicular SER; Sp, meiotic spindle; V, vacuole; Z, zona pellucida. Sathananthan, 2006

Inimese preovulatoorne ootsüüt

Aukliiduste kaudu

toimub ka meioosi kulgu

reguleerivate

faktorite - cAMP, Ca2+ jt

liikumine

follikulaarepiteeli

rakkude

ja ootsüüdi vahel

Kassi munasari ja munajuha. Preparaat

Munasarja koor

Munasarja säsi

Ristlõige kassi munasarjast. Preparaat Primordiaalsed folliikulid

Graafi põiekese antrum

Primaarne folliikul

Sekundaarne folliikul

Atreetiline folliikul

Zona pellucida

Ootsüüdi tsütoplasma

Ootsüüdi TUUM I profaasis

Munasarja koor

Tertsiaarne folliikul ehk Graafi põieke

Primaarne ootsüüt ja selle tuum I profaaasis Zona pellucida Folliikuliõõs Corona radiata – ootsüüti ümbritsevad follikulaarepiteeli rakud Granuloosa ehk follikulaarepiteel Basaalmembraan Teeka

Sekundaarne ootsüüt

ovulatsiooni hetkel

Sekundaarne ootsüüt

Munasarja koor

Follikulaarepiteeli rakud

Ootsüüti saatvad follikulaarsed rakud (corona radiata)

Kollaskeha ja Graafi põieke. Preparaat

Munasarja koor

Tertsiaarne folliikul

Kollaskeha Corpus luteum