ÜNİTE 7 FERTİLİZASYON VE ZİGOTUN OLUŞUMU Prof. Dr. Süleyman KAPLAN 7.1. Fertilizasyondan Hemen Önce Gametlerin Durumu Erkek cinsiyet hücresi olan sperm fertilizasyondan önce sitoplâzmasının çoğunu kaybederek baş-boyun ve kuyruktan oluşan ince uzun bir hücreye dönüşür. Spermiyumun çok az sitoplâzması vardır ve aktif olarak hareket edebilecek tarzda tasarlanmıştır. Bununla birlikte dişi üreme hücresi ise sitoplâzmasını artırarak irileşir. Oosit pasif bir hücredir ve hareketsizdir. Olgun bir oositin çapı yaklaşık 120 µm dir. Etrafında korona radiatayı yapan tek sıralı folliküler hücrelerin çevrelediği zona pellusida bulunur. Döllenmeye hazır olan bu oosit, sekonder oosittir (23, n). Ovulasyondan önce folliküler hücreler, sahip oldukları follikül stimülan (uyarıcı) hormon (FSH) reseptörlerinin yanı sıra, luteinizan (luteinleştirici) hormon (LH) reseptörleri de kazanır. Bu olay, korpus luteumun gelişmesi için kritiktir (Şekil 1). 7.2. Gametlerin Taşınması Gametlerin taşınması; oosit ve spermin, fertilizasyon alanı olan tuba uterinanın ampulla bölümüne ulaşması anlamına gelir. 7.2.1. Oositin Taşınması Ovulasyondan hemen önce, tuba uterinalar ritmik olarak kasılmaya başlar. Bu esnada tuba uterina duvarındaki mukozal katlantıları oluşturan fimbriyalar da ovaryumun yüzeyine doğru uzanırlar. Oositin, kendisini çevreleyen granüloza hücreleriyle birlikte (Şekil 1) tuba uterina içine doğru çekilmesi, fimbriyaların ovaryumların üzerini süpürür tarzdaki hareketleri ve fimbriyaları döşeyen epitel hücrelerinin silleri tarafından sağlanır. Tuba uterina lümenine ulaşan oositin etrafındaki granüloza hücreleri, sitoplâzmik uzantılarını zona pellusida dan çeker ve onun serbest kalmasını sağlar. Böylece tuba uterina içine ulaşan oosit, tüplerin duvarındaki kasların kasılma hareketleri sayesinde uterusa doğru itilir. Oositin tuba uteri- 1
na içerisindeki ilerleyiş hızı, hormonlar tarafından kontrol edilir ve döllenmiş oositin uterus lümenine ulaşması, yaklaşık 3 4 gün sürer (Şekil 1). Şekil 1: Fertilizasyon esnasında oosit ve spermin durumunu göstermektedir. 7.2.2. Spermin Taşınması Spermiyumun, uterus yoluyla tuba uterina lara kadar iletilmesi konusundaki bilgiler henüz tam olarak kesinleşmiş değildir. İnsan dâhil birçok memelide spermler, ejekülatla vajinanın üst bölümüne bırakılır. Semen içerisindeki spermiyumların toplam sayısı fallop tüplerine ulaşabilen ve dolayısı ile döllenmede etkin olabilen sperm miktarı açısından önemlidir. Spermiyumlar tuba uterinaya iletilirken çeşitli kimyasal ajanların yanısıra, servikal kanalın kıvrılması ve sıkışması ya da tuba uterina nın daralması ve tıkanması gibi mekanik engellerle de karşılaşabilirler. Ancak; bir ejekülasyonla dışarıya atılan semen içinde çok fazla sayıda (200 300 milyon) sperm bulunduğundan, normal şartlar altında, bu spermlerin milyonda birine yakın bir bölümü (yaklaşık 300 500 tane) oosite ulaştığında, ona penetre olabilir ve onu dölleyebilirler. Spermin oosite ulaşmasını zorlaştırıcı etkenlerin yanı sıra döllenmeyi kolaylaştıran bazı faktörler de bulunmaktadır. Örneğin; seksüel orgazmın doygunluk noktasında, uterusun düz kaslarında gerçekleşen spazm şeklindeki kasılmalar vajinaya bırakılmış spermlerin uterusa doğru çekilmesini sağlamaktadır (Şekil 2). Şekil 2: Spermlerin uterus içerisindeki hareket yönünü göstermektedir 2
7.2.3. Spermin olgunlaşması, kapasitasyon ve fertilizasyon Taze ejakulattaki spermler oositi dölleme yeteneğinde değildir. Spermlerin bu yeteneği kazanmaları için bir seri değişim daha geçirmeleri gerekir. Bu olaylardan ilki, yaklaşık 7 saat süren kapasitasyondur. Kapasitasyon sırasında, spermin akrozomal yüzeyinden glikoprotein kılıf ve seminal proteinler sıyrılır. Membran kolesterol/fosfolipit oranı ve membran potansiyelleri değişir. Siklik AMP (camp) düzeyleri artar ve bu olayın sonucu olarak da intrasellüler ph azalır. Kapasitasyon geçirmiş bir spermde morfolojik bir değişiklik görülmez; ancak, bu spermlerin çok daha aktif ve hızlı oldukları görülür. Spermler genellikle uterus ya da tuba uterinada, dişi genital sisteminin bu bölümünün salgıladığı çeşitli kimyasal maddeler tarafından kapasite edilir. In vitro fertilizasyon (IVF, fertilizasyonun laboratuarda gerçekleştirilmesi) yönteminde kapasitasyon, spermin özel kültür ortamında bekletilmesiyle sağlanır. Kapasitasyonun tamamlanması, akrozom reaksiyonunun gerçekleşebilmesi için esastır. Spermin akrozomunda bulunan angiotensin converting enzyme (ACE) nin akrozom reaksiyonu ve fertilizasyonu indüklediği düşünülmektedir. Akrozom reaksiyonunun, spermin oositle birleşmesinden daha önce tamamlanması gerekir. Fertilizasyon sürecinin aşamaları aşağıdaki resimde belirtilmiştir (Şekil 3). Şekil 3: Fertilizasyon işleminin aşamalarını göstermektedir Spermin Zona Pellusida ya Bağlanması: Spermin zona pellusidaya bağlanması bir reseptör ile o reseptöre özgü ligand ın iletişimidir. Zona pellusida üzerindeki karbonhidrat grupları bu bağlantının sağlanmasında sperm reseptörleri olarak görev yapar. b. Akrozom Reaksiyonu: Spermin zona pellusidaya bağlanması fertilizasyonun en kolay kısmıdır. Sperm bu aşamadan sonra zona pellusidayı geçerek yumurta hücresi içerisine girmeye çalışır. Akrozom modifiye olarak zona pellusidayı sindirici enzimleri içeren dev bir lizozomdur ve sperm başının ön kısmında yer alır. Sperm reseptörü olarak işlev gören zona proteinleri aynı zamanda dış akrozomal membranla yumurta hücresinin plazma membranının birbirleriyle kaynaşmasını da sağlar. Sperm membranı ile zona pellüsidanın kaynaşması ve bunu takiben gerçekleşen akrozomal veziküllerin membranlarının yırtılması işlemlerinin devamında akrozomal içerik sperm başından boşaltılır. Akrozomal içerik boşaltıldıkça sperm 3
zona pellüsidayı ve oositin plazma membranını geçer. Akrozomunu oosite penetre olmadan önce kaybetmiş olan spermler dölleme yeteneğine sahip değildir (Şekil 4). Şekil 4: Akrozom reaksiyonunu göstermektedir Sperm ile Oositin Kaynaşması Sperm, zona pellüsidayı penetre ederek oosite ulaşınca, sperm ile oositin plazma membranları kaynaşır. Kaynaşma sperm başının posterior (post-akrozomal) kısmında gerçekleşir. Sperm ve oositin birbirleriyle kaynaşması sırasında hangi moleküler mekanizmaların gerçekleştiği henüz tam anlamıyla açıklık kazanmamıştır. Sperm tarafından üretilen fertilin adlı bir glikoproteinin ve tetraspaninin protein ailesinin bir üyesi olan CD9 proteininin plazma membranı füzyonunu indükleyebileceği düşünülmektedir. Oosite yaklaştığında ve Ca+2 varlığında sperm plazma membranı dış akrozomal membranla kaynaşır. Bu olay akrozom reaksiyonu olarak adlandırılır. Membran füzyonuyla oluşan küçük açıklıklar hidrolitik enzimlerin salınımını kolaylaştırır. Akrozomun ekvatoryal bölgesi membranların kaynaşması sürecine katılmaz. Zona pellusida yalnızca 3 glikoproteinden oluşur (Şekil 4). Bu glikoproteinler 200 kda ağırlığında ve dimerik yapıda olan ZP1; 120 kda ağırlığında olan ZP2 ve 83 kda ağırlığında olan ZP3 tür. ZP2 ve ZP3 düzenli aralıklarla ZP1 dimerleri tarafından birbirlerine bağlanarak uzun bir filament kompleksi oluştururlar. Sperm bağlanırken ZP3 e bağlı olan O-oligosakkaridler sperm reseptörleriyle ilişkiye girerler. Yalnızca akrozomal reaksiyona girmiş sperm ZP3 e bağlanabilir (Şekil 5). Oosit Aktivasyonu ve Kortikal Reaksiyon Fertilizasyona kadar ikinci mayozun metafazında beklemekte olan sekonder oosit, fertilizasyondan hemen sonra ikinci mayoz bölünmesini tamamlar. Spermin bağlanması üzerine oosit hızla yumurta aktivasyonu ve kortikal reaksiyon adlı bir dizi fiziksel ve metabolik değişime maruz kalır. Kortikal reaksiyonda intrasellüler kalsiyum yoğunluğu artar, zona pellüsidayı sindirecek olan kortikal granüller salınır. Bu proteazlar zona pellüsidanın yapısını değiştirerek zona reaksiyonu olarak bilinen olayı tetikler. Zona Reaksiyonu Zona reaksiyonu, zona pellüsidanın kortikal granüllerden salınan proteazlar (protein sindirici enzim) tarafından sindirilerek yapısının değiştirilmesidir. Zona reaksiyonu polisperminin (birden fazla spermin oosit içerisine girmesi) önlenebilmesi açısından önemlidir. Zona reaksiyonu sonucunda: 4
1.Zona pellusida sertleşir ve yoğun bir hal alır. Spermin oositle kaynaşması tamamlandığında bu sertleşme durur. 2.Zona pellusidada bulunan sperm reseptörleri tahrip edilir. Böylece henüz zona pellusidaya ulaşmamış spermler zona pellusidaya penetre olamazlar ve tek bir spermin oositi döllemesi mümkün hale gelir Şekil 5: Spermin oosit duvarına penetre olurken geçirdiği aşamaları göstermektedir 7.2.4. Fertilizasyondan Sonra Gerçekleşen Olaylar Sperm ve oosit membranları kaynaştıktan sonra sperm başı oosit sitoplâzması içerisinde dağılır, çekirdek kromatini çözülür (dekondensasyon). Daha sonra oosit ve sperm hemen çekirdek membranlarını kaybederek erkek ve dişi pronükleusları oluştururlar. Her pronükleus haploid genoma sahiptir (23, n). Daha sonra pronükleuslar kaynaşır böylece tek hücreli ve diploid bir organizma olan zigot oluşur. Zigotun kromozomlarının yarısı anneden, yarısı da babadan geldiği için, genetik olarak benzersiz bir bileşime sahiptir. Bu mekanizma, çift atalı kalıtım ve insan türünün çeşitliliğinin temelini oluşturur. Mayoz bölünme, anneden ve babadan gelen kromozomların germ hücreleri arasında bağımsız olarak dağılmasını sağlar. Bu kromozomların segmentlerinin değişimini sağlayan kromozom çaprazlaşması (crossing over; mayoz bölünmede gerçekleşir), genlerin birbirine karışmasına neden olur. Böylece, genetik 5
materyalin çeşitliliği sağlanır. Embriyonun krozomal cinsiyeti, ovumun döllenmesini sağlayan spermin genotipine (X ya da Y) göre belirlenir; bu nedenle, doğacak çocuğun cinsiyeti anneye değil, babaya bağlıdır. Fertilizasyon X kromozomuna sahip bir spermle olmuşsa çocuk dişi (44+XX), Y kromozomuna sahip bir spermle olmuşsa çocuk erkek (44+XY) olacaktır. 7.2.5. Gametlerin Yaşam Süreleri Oosit, genellikle ovulasyondan sonraki ilk 12 saat içinde sağlıklı olarak döllenebilme yeteneğindedir. İn vitro çalışmalar, oositin 24 saat sonra artık döllenme yeteneğini kaybettiğini, bundan hemen sonra da hızla dejenere olduğunu göstermiştir. İnsan spermlerin çoğu dişi genital kanalında 48 saatten fazla yaşamaz. Bazı spermler, 6 güne kadar serviks mukozasının kıvrımları arasında kalabilir ve yavaş yavaş servikal kanala verilir, oradan da uterus yoluyla tuba uterinaya ulaşır. Spermlerin kısa bir süre için serviks tarafından tutulması ve daha sonra bu şekilde dereceli olarak salınması, döllenme ihtimalini artırır. Spermler uygun yöntemlerle çok düşük sıcaklıklarda dondurularak uzun süre saklanabilirler. Bu spermler uygun yöntemlerle çözüldükten sonra, tekrar döllenmeyi sağlayabilir hale gelirler. 6
Kaynaklar: 1.Moore KL, Persaud TVN. The Developing Human. 7th ed. Philadelphia: WB Saun ders; 2003. 2.Sadler TW. Langman s Medical Embryology. 9th ed. Philadelphia: Lippincott Wil liams & Wilkins; 2004. 3.Carlson BM. Human Embryology and Developmantal Biology. 4th ed. Mossby-El sevier; 2009. 7