Ανθρώπινη γονιμοποίηση

Ανθρώπινη γονιμοποίηση είναι η ένωση του ανθρωπίνου ωαρίου και του σπερματοζωαρίου, που συνήθως συμβαίνει στη λήκυθο των ωαγωγών. Το αποτέλεσμα αυτής της ένωσης είναι η παραγωγή ενός ζυγωτού κυττάρου, ή γονιμοποιημένου ωαρίου, που ξεκινά την προγεννητική ανάπτυξη. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν τη δυναμική της ανθρώπινης γονιμοποίησης τον 19ο αιώνα.
Η διεργασία της γονιμοποίησης περιλαμβάνει την σύντηξη του σπέρματος με ένα ωάριο. Η πιο συνηθισμένη αλληλουχία ξεκινά με την εκσπερμάτωση κατά την συνουσία, ακολουθούμενη από την ωορρηξία και τελειώνει με τη γονιμοποίηση. Διάφορες εξαιρέσεις σε αυτήν την αλληλουχία είναι δυνατές, συμπεριλαμβανόμενης της τεχνητής γονιμοποίησης, της εξωσωματικής γονιμοποίησης, της εξωτερικής εκσπερμάτωσης χωρίς συνουσία ή συνουσίας αμέσως μετά την ωορρηξία. Κατά τη συνάντηση του δευτεροταγούς ωοκυττάρου, το ακρόσωμα του σπέρματος παράγει ένζυμα που του επιτρέπουν να περάσει μέσα από το εξωκυττάριο στρώμα του ωαρίου. Το πλάσμα του σπέρματος, έπειτα συντήκεται με την κυτταροπλασματική μεμβράνη του ωαρίου, η κεφαλή του σπέρματος αποσυνδέεται από το μαστίγιο του και το ωάριο ταξιδεύει προς τον ωαγωγό για να φτάσει στη μήτρα.
Η εργαστηριακή γονιμοποίηση (In vitro fertilization ή IVF) είναι μια διεργασία με την οποία τα ωάρια γονιμοποιούνται από το σπέρμα εκτός της μήτρας.

Ακτινωτός στέφανος (Corona radiata)

Το σπέρμα συνδέεται μέσω του ακτινωτού στεφάνου, ενός στρώματος από θυλακοκυττάρων με το εξωτερικό του δευτεροταγούς ωοκυττάρου. Η γονιμοποίηση συμβαίνει όταν ο πυρήνας και του σπερματοζωαρίου και του ωαρίου συγχωνεύονται για να σχηματίσουν ένα διπλοειδές κύτταρο, γνωστό ως ζυγωτό. Η επιτυχημένη συγχώνευση των γαμετών σχηματίζει έναν νέο οργανισμό.

Κώνος έλξης and περιλεκιθική μεμβράνη (perivitelline membrane)

Εκεί που το σπερματοζωάριο πρόκειται να τρυπήσει, η λέκιθος (ωόπλασμα) απομακρύνεται σε μια κωνική ανύψωση, που ονομάζεται κώνος έλξης ή υποδοχής. Μόλις το σπερματοζωάριο εισέλθει, το περιφερειακό τμήμα της λεκίθου αλλάζει σε μεμβράνη, την περιλεκιθική μεμβράνη, που αποτρέπει την είσοδο κι άλλων σπερματοζωαρίων.

Προετοιμασία σπερματοζωαρίου

Στην αρχή της διεργασίας, το σπερματοζωάριο υφίσταται μια σειρά αλλαγών, επειδή το πρόσφατα εκσπερματωμένο σπέρμα είναι αδύνατο ή λίγο ικανό να γονιμοποιήσει. Το σπερματοζωάριο πρέπει να καταστεί ικανό για γονιμοποίηση  (capacitation) στη γυναικεία αναπαραγωγική οδό για αρκετές ώρες, που αυξάνει την κινητικότητά του και αποσταθεροποιεί τη μεμβράνη του, προετοιμάζοντάς το για την ακροσωμική αντίδραση, Την ενζυματική διάτρηση της σκληρής μεμβράνης του ωαρίου, της διαφανούς ζώνης (zona pellucida), που περιβάλλει το ωοκύτταρο.

Διαφανής ζώνη

Μετά τη σύνδεση με τον ακτινωτό στέφανο το σπέρμα φτάνει στη διαφανή ζώνη, που είναι μία εξωκυττάρια θεμέλια ουσία από γλυκοπρωτεΐνες. Ένα ειδικό συμπληρωματικό μόριο στην επιφάνεια της κεφαλής του σπέρματος συνδέεται με μια γλυκοπρωτεΐνη ZP3 στη διαφανή ζώνη. Αυτή η σύνδεση προκαλεί την έκρηξη του ακροσώματος, απελευθερώνοντας ένζυμα που βοηθούν το σπέρμα να περάσει από τη διαφανή ζώνη.
Κάποια σπερματοκύτταρα καταναλώνουν το ακρόσωμά τους πρόωρα στην επιφάνεια του ωαρίου, διευκολύνοντας την είσοδο άλλων σπερματοκυττάρων. Ως πληθυσμός, τα σπερματοκύτταρα έχουν κατά μέσο όρο 50% γονιδιωματική ομοιότητα, έτσι ώστε οι πρόωρες ακροσωμικές αντιδράσεις να βοηθούν τη γονιμοποίηση από ένα μέλος της ίδιας ομάδας. Μπορεί να θεωρηθεί ως μηχανισμός της επιλογής συγγένειας.
Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι το ωάριο δεν είναι παθητικό κατά αυτήν την διεργασία.

Φλοιική αντίδραση

Μόλις τα σπερματοκύτταρα βρουν το δρόμο τους και περάσουν τη διαφανή ζώνη, συμβαίνει η φλοιική αντίδραση. Φλοιικά κοκκία μέσα στο δευτεροταγές ωοκύτταρο συγχωνεύονται με την κυτταροπλασματική μεμβράνη του κυττάρου, προκαλώντας την έξοδο αυτών των κοκκίων με εξωκύττωση στη διαφανή ζώνη. Αυτό με τη σειρά του προκαλεί τη διασταύρωση των γλυκοπρωτεϊνών μεταξύ τους στη διαφανή ζώνη — δηλαδή τα ένζυμα προκαλούν την υδρόλυση του ZP2 σε ZP2f — καθιστώντας όλη τη θεμέλια ουσία σκληρή και αδιαπέραστη στο σπέρμα. Αυτό αποτρέπει τη γονιμοποίηση ενός ωαρίου από περισσότερα από ένα σπερματοζωάριο. Η φλοιική και η ακροσωμική αντίδραση είναι και οι δυο βασικές στην εξασφάλιση ότι μόνο ένα σπερματοζωάριο θα γονιμοποιήσει το ωάριο.

Συγχώνευση

Μετά την είσοδο του σπερματοζωαρίου στο κυτταρόπλασμα του ωοκυττάρου, η ουρά και η εξωτερική επικάλυψη του σπερματοζωαρίου αποσυντίθενται και λαμβάνει χώρα η φλοιική αντίδραση, αποτρέποντας τη γονιμοποίηση του ιδίου ωαρίου από άλλο σπερματοζωάριο. Το ωοκύτταρο υφίσταται τώρα τη δεύτερη του μειωτική διαίρεση παράγοντας το απλοειδές ωάριο και απελευθερώνοντας ένα πολικό σωμάτιο. Ο πυρήνας τότε του σπερματοζωαρίου συγχωνεύεται με το ωάριο, ενεργοποιώντας τη συγχώνευση του γενετικού τους υλικού.

Κυτταρικές μεμβράνες

Λαμβάνει χώρα συγχώνευση των κυτταρικών μεμβρανών του δευτεροταγούς ωοκυττάρου και του σπερματοζωαρίου.

Μετασχηματισμοί

Κατά την προετοιμασία για τη συγχώνευση του γενετικού τους υλικού και το ωοκύτταρο και το σπερματοζωάριο υφίστανται μετασχηματισμούς ως αντίδραση στη συγχώνευση των κυτταρικών τους μεμβρανών.
Το ωοκύτταρο ολοκληρώνει τη δεύτερη μειωτική διαίρεσή του. Αυτό καταλήγει σε ένα ώριμο ωάριο. Ο πυρήνας του ωοκυττάρου λέγεται προπυρήνας σε αυτήν τη διεργασία, για να ξεχωρίζουν από τους πυρήνες που είναι το αποτέλεσμα της γονιμοποίησης.
Η ουρά του σπέρματος και τα μιτοχόνδρια εκφυλίζονται με τον σχηματισμό του αρσενικού προπυρήνα. Για αυτό όλα τα μιτοχόνδρια στους ανθρώπους είναι μητρικής προέλευσης. Επιπλέον, σημαντική ποσότητα RNA από το σπέρμα δίνεται στο τελικό έμβρυο και πιθανόν επηρεάζει την ανάπτυξη του εμβρύου και τον φαινότυπο του απογόνου.

Αντιγραφή

Οι προπυρήνες μεταναστεύουν προς το κέντρο του ωοκυττάρου, αντιγράφοντας γρήγορα το DNA του για να προετοιμάσουν το ζυγωτό για την πρώτη του μειωτική διαίρεση.

Μίτωση

Συνήθως 23 χρωμοσώματα από το σπερματοζωάριο και 23 χρωμοσώματα από το ωάριο συγχωνεύονται (το μισό των σπερματοζωαρίων φέρουν το χρωμόσωμα Χ και το άλλο μισό το χρωμόσωμα Υ). Οι μεμβράνες τους διαλύονται, χωρίς να αφήσουν εμπόδια μεταξύ του αρσενικού και του θηλυκού χρωμοσώματος. Κατά τη διάρκεια αυτής της διάλυσης, σχηματίζεται μεταξύ τους μια μιτωτική άτρακτος. Η άτρακτος συλλαμβάνει τα χρωμοσώματα πριν να διασπαρούν στο κυτόπλασμα του ωαρίου. Στη μίτωση που ακολουθεί (που περιλαμβάνει το τράβηγμα των χρωματίδων προς τα κεντριόλια στην ανάφαση) το κύτταρο μαζεύει το γενετικό υλικό από το αρσενικό και το θηλυκό μαζί. Συνεπώς, η πρώτη μίτωση της ένωσης του σπέρματος και του ωοκυττάρου είναι η πραγματική συγχώνευση των χρωμοσωμάτων τους.
Καθένα από τα δύο θυγατρικά κύτταρα που προκύπτουν από αυτή τη μίτωση έχει ένα αντίγραφο από κάθε χρωματίδα που αντιγράφτηκε στο προηγούμενο στάδιο. Συνεπώς, είναι γενετικά ταυτόσημα.

Εμβρυική ηλικία

Η γονιμοποίηση είναι το πιο συνηθισμένο συμβάν που χρησιμοποιείται για να σημειώσει την έναρξη στις περιγραφές της προγενετικής ανάπτυξης του εμβρύου. Η ηλικία που προκύπτει είναι γνωστή ως εμβρυική ηλικία (fertilization age ή fertilizational age ή embryonic age ή fetal age ή (intrauterine) developmental (IUD) age.
H ηλικία κύησης (Gestational age), αντίθετα, ξεκινά από τον τελευταίο έμμηνο κύκλο (last menstrual period ή LMP) ως το αρχικό σημείο. Συμβατικά, η ηλικία κύησης υπολογίζεται προσθέτοντας 14 ημέρες στην εμβρυική ηλικία και αντίστροφα. Στην πραγματικότητα, όμως, η γονιμοποίηση συνήθως συμβαίνει συνήθως μέσα σε μια μέρα από την ωορρηξία, που με τη σειρά της συμβαίνει κατά μέσο όρο 14,6 ημέρες μετά την έναρξη της προηγούμενης έμμηνης ρύσης. Υπάρχει επίσης σημαντική μεταβλητότητα σε αυτό το διάστημα, με  95% διάστημα πρόβλεψης της ωορρηξίας από 9 έως 20 ημέρες μετά την έμμηνη ρύση ακόμα και για μια μέση γυναίκα που έχει μέσο όρο  LMP ως προς τον χρόνο ωορρηξίας 14,6. Σε μια ομάδα αναφοράς που αναπαριστά όλες τις γυναίκες, το 95% του διαστήματος πρόβλεψης του LMP ως προς τον χρόνο ωορρηξίας να είναι 8,2 μέχρι 20,5 ημέρες.
Ο μέσος χρόνος γέννησης έχει εκτιμηθεί ότι είναι 268 ημέρες (38 εβδομάδες και δύο ημέρες) από την ωορρηξία με τυπική απόκλιση 10 ημερών.
Η εμβρυική ηλικία χρησιμοποιείται μερικές φορές μετά τη γέννηση για να εκτιμηθούν οι διάφοροι παράγοντες κινδύνου. Παραδείγματος χάρη, είναι καλύτερος δείκτης πρόβλεψης από την μεταγεννητική ηλικία για τον κίνδυνο ενδοκοιλιακής αιμορραγίας (intraventricular hemorrhage) σε πρόωρα μωρά στα οποία χορηγείται εξωσωματική οξυγόνωση με μεμβράνη (extracorporeal membrane oxygenation).