Linia rozrodcza

Cormlets of Watsonia meriana , przykład apomiksii

Clathria tuberosa , przykład gąbki, która może rosnąć w nieskończoność z tkanki somatycznej i odtwarzać się z totipotentnych oddzielonych komórek somatycznych

W biologii i genetyce linia zarodkowa to populacja komórek organizmu wielokomórkowego , które przekazują swój materiał genetyczny potomstwu ( potomstwu ). Innymi słowy, są to komórki tworzące komórkę jajową , nasienie i zapłodnione jajo . Zwykle są różnicowane do pełnienia tej funkcji i segregowane w określonym miejscu z dala od innych komórek ciała.

Z reguły to przerzucanie odbywa się poprzez proces rozmnażania płciowego ; zazwyczaj jest to proces obejmujący systematyczne zmiany w materiale genetycznym, na przykład zmiany powstające podczas rekombinacji , mejozy i zapłodnienia . Istnieje jednak wiele wyjątków w organizmach wielokomórkowych, w tym procesy i koncepcje, takie jak różne formy apomiksji , autogamii , automiksii , klonowania lub partenogenezy . Komórki linii zarodkowej to tzw komórki rozrodcze . Na przykład gamety , takie jak plemnik i komórka jajowa, to komórki rozrodcze. Podobnie komórki, które dzielą się, aby wytworzyć gamety, zwane gametocytami , komórki, które je wytwarzają, zwane gametogoniami , aż do zygoty , komórki, z której rozwija się jednostka.

W organizmach rozmnażających się płciowo komórki, które nie znajdują się w linii zarodkowej, nazywane są komórkami somatycznymi . Zgodnie z tym poglądem mutacje , rekombinacje i inne zmiany genetyczne w linii zarodkowej mogą zostać przekazane potomstwu, ale zmiana w komórce somatycznej nie. Nie musi to dotyczyć organizmów rozmnażających się somatycznie, takich jak niektóre Porifera i wiele roślin. Na przykład wiele odmian cytrusów , rośliny Rosaceae i niektóre Asteraceae , takie jak Taraxacum , wytwarzają nasiona apomiktycznie, gdy somatyczne diploidalne wypierają zalążek lub wczesny zarodek.

Na wcześniejszym etapie myślenia genetycznego istniało wyraźne rozróżnienie między komórkami zarodkowymi a komórkami somatycznymi. Na przykład August Weismann zaproponował i wskazał, że komórka linii zarodkowej jest nieśmiertelna w tym sensie, że jest częścią linii, która rozmnaża się w nieskończoność od początku życia i, o ile nie jest przypadkiem, może to robić w nieskończoność. Jednak obecnie wiadomo z pewnymi szczegółami, że to rozróżnienie między komórkami somatycznymi i rozrodczymi jest częściowo sztuczne i zależy od szczególnych okoliczności i wewnętrznych mechanizmów komórkowych, takich jak telomery i kontrole, takie jak selektywne stosowanie telomerazy w komórkach rozrodczych, komórkach macierzystych i tym podobnych.

Nie wszystkie organizmy wielokomórkowe różnicują się w linie somatyczne i zarodkowe, ale przy braku specjalistycznej technicznej interwencji człowieka robią to praktycznie wszystkie oprócz najprostszych struktur wielokomórkowych. W takich organizmach komórki somatyczne wydają się być praktycznie totipotentne , a od ponad wieku wiadomo, że komórki gąbczaste ponownie składają się w nowe gąbki po oddzieleniu ich przez przetarcie przez sito.

Linia zarodkowa może odnosić się do linii komórek obejmującej wiele pokoleń osobników — na przykład linii zarodkowej, która łączy każdego żyjącego osobnika z hipotetycznym ostatnim uniwersalnym wspólnym przodkiem , od którego pochodzą wszystkie rośliny i zwierzęta .

Ewolucja

Rośliny i podstawne metazoany, takie jak gąbki (Porifera) i koralowce (Anthozoa), nie sekwestrują odrębnej linii zarodkowej, generując gamety z multipotentnych linii komórek macierzystych, które również dają początek zwykłym tkankom somatycznym. Jest zatem prawdopodobne, że sekwestracja linii zarodkowej najpierw wyewoluowała u złożonych zwierząt o wyrafinowanych planach ciała, tj. zwierząt dwustronnych. Istnieje kilka teorii na temat pochodzenia ścisłego rozróżnienia linii płciowej i somy. Odłożenie izolowanej populacji komórek rozrodczych na wczesnym etapie embriogenezy może sprzyjać współpracy między komórkami somatycznymi złożonego organizmu wielokomórkowego. Inna niedawna teoria sugeruje, że wczesna sekwestracja linii zarodkowej ewoluowała, aby ograniczyć gromadzenie się szkodliwych mutacji w genach mitochondrialnych w złożonych organizmach o wysokim zapotrzebowaniu na energię i szybkim tempie mutacji mitochondrialnych.

Uszkodzenia, mutacje i naprawy DNA

Reaktywne formy tlenu (ROS) powstają jako produkty uboczne metabolizmu. W komórkach linii zarodkowej ROS są prawdopodobnie istotną przyczyną uszkodzeń DNA , które po replikacji DNA prowadzą do mutacji . 8-oksoguanina , utleniona pochodna guaniny , jest wytwarzana w wyniku spontanicznego utleniania w komórkach płciowych myszy, a podczas replikacji DNA komórki powoduje mutacje transwersji GC do TA . Takie mutacje występują w chromosomach myszy , jak również podczas różnych etapów gametogenezy .

Częstotliwości mutacji dla komórek w różnych stadiach gametogenezy są około 5 do 10 razy niższe niż w komórkach somatycznych zarówno dla spermatogenezy , jak i oogenezy . Wydaje się, że niższe częstotliwości mutacji w komórkach linii zarodkowej w porównaniu z komórkami somatycznymi są bardziej wydajną naprawą DNA uszkodzeń DNA, zwłaszcza naprawą rekombinacji homologicznej , podczas mejozy linii zarodkowej . Wśród ludzi około pięć procent żywo urodzonego potomstwa ma zaburzenie genetyczne, z czego około 20% jest spowodowane nowo powstałymi mutacjami linii zarodkowej.

Zmiany epigenetyczne

Podświetlenie 5 metylocytozyny metylu. Obraz przedstawia zasadę pojedynczego pierścienia cytozyny i grupę metylową dodaną do węgla 5. U ssaków metylacja DNA zachodzi prawie wyłącznie na cytozynie, po której następuje guanina .

Zmiany epigenetyczne DNA obejmują modyfikacje, które wpływają na ekspresję genów, ale nie są spowodowane zmianami w sekwencji zasad w DNA. Dobrze zbadanym przykładem takiej zmiany jest metylacja cytozyny DNA z wytworzeniem 5-metylocytozyny . Zwykle dzieje się tak w sekwencji DNA CpG , zmieniając DNA w miejscu CpG z CpG na 5-mCpG. Metylacja cytozyn w miejscach CpG w promotorze regiony genów mogą zmniejszać lub wyciszać ekspresję genów. Około 28 milionów dinukleotydów CpG występuje w ludzkim genomie i około 24 milionów miejsc CpG w genomie myszy (który jest o 86% większy od genomu ludzkiego). W większości tkanek ssaków średnio 70% do 80% cytozyn CpG jest metylowanych (tworząc 5-mCpG).

U myszy, w dniach od 6,25 do 7,25 po zapłodnieniu komórki jajowej przez plemnik, komórki zarodka są odkładane jako pierwotne komórki rozrodcze (PGC). Te PGC będą później dawać początek plemnikom lub komórkom jajowym. W tym momencie PGC mają wysoki typowy poziom metylacji. Następnie pierwotne komórki rozrodcze myszy przechodzą demetylację DNA całego genomu , po której następuje nowa metylacja w celu zresetowania epigenomu w celu utworzenia komórki jajowej lub plemnika.

U myszy PGCs przechodzą demetylację DNA w dwóch fazach. Pierwsza faza, rozpoczynająca się około 8,5 dnia embrionalnego, zachodzi podczas proliferacji i migracji PGC i powoduje utratę metylacji w całym genomie, obejmującą prawie wszystkie sekwencje genomowe. Ta utrata metylacji zachodzi w wyniku biernej demetylacji z powodu represji głównych składników mechanizmu metylacji. Druga faza zachodzi w dniach embrionalnych od 9,5 do 13,5 i powoduje demetylację większości pozostałych specyficznych loci, w tym genów specyficznych dla linii zarodkowej i genów specyficznych dla mejozy. W tej drugiej fazie demetylacji pośredniczą enzymy TET TET1 i TET2, które przeprowadzają pierwszy etap demetylacji poprzez przekształcenie 5-mC w 5-hydroksymetylocytozynę (5-hmC) podczas dni embrionalnych od 9,5 do 10,5. Po tym prawdopodobnie nastąpi rozcieńczenie zależne od replikacji w dniach embrionalnych od 11,5 do 13,5. W 13.5 dniu embrionalnym genomy PGC wykazują najniższy poziom globalnej metylacji DNA spośród wszystkich komórek w cyklu życiowym.

U myszy ogromna większość genów ulegających zróżnicowanej ekspresji w PGC od 9,5 do 13,5 dnia embrionalnego, kiedy większość genów jest zdemetylowana, jest regulowana w górę zarówno w męskich, jak i żeńskich PGC.

Po usunięciu śladów metylacji DNA w mysich PGCs, męskie i żeńskie komórki rozrodcze przechodzą nową metylację w różnych punktach czasowych podczas gametogenezy. Przechodząc ekspansję mitotyczną w rozwijających się gonadach, męska linia zarodkowa rozpoczyna proces ponownej metylacji do 14,5 dnia embrionalnego. Specyficzny dla plemników wzór metylacji jest utrzymywany podczas ekspansji mitotycznej. Poziomy metylacji DNA w pierwotnych oocytach przed urodzeniem pozostają niskie, a ponowna metylacja zachodzi po urodzeniu w fazie wzrostu oocytów.

Zobacz też