Rozwój linii płciowej
W biologii rozwojowej komórki , z których powstają gamety, są często odkładane podczas rozszczepiania zarodka . Podczas rozwoju komórki te różnicują się w pierwotne komórki rozrodcze , migrują do lokalizacji gonad i tworzą linię rozrodczą zwierzęcia.
Tworzenie plazmy zarodkowej i pierwotnych komórek rozrodczych
Rozszczepienie u większości zwierząt oddziela komórki zawierające plazmę zarodkową od innych komórek. Plazma zarodkowa skutecznie wyłącza ekspresję genów, aby uczynić genom komórki obojętnym. Komórki eksprymujące plazmę zarodkową stają się pierwotnymi komórkami rozrodczymi (PGC), z których następnie powstają gamety . Z drugiej strony rozwój linii zarodkowej u ssaków zachodzi przez indukcję, a nie przez endogenną plazmę zarodkową. [ potrzebne źródło ]
Plazma zarodkowa muszki owocówki
Plazma zarodkowa została szczegółowo zbadana u Drosophila. Tylny biegun zarodka zawiera niezbędne materiały do płodności muchy. Ta cytoplazma, plazma biegunowa, zawiera wyspecjalizowane materiały zwane granulkami polarnymi, a komórki biegunowe są prekursorami pierwotnych komórek rozrodczych. [ potrzebne źródło ]
Plazma biegunowa jest zorganizowana i zawiera białka i mRNA genów grupy tylnej (takich jak oskar , gen nanos , Tudor, vasa i Valois). Geny te odgrywają rolę w rozwoju linii zarodkowej, lokalizując nanos mRNA do tyłu i lokalizując determinanty komórek rozrodczych. Potomstwo Drosophila z mutacjami w tych genach nie wytwarza komórek biegunowych, a zatem jest bezpłodne, nadając tym mutacjom nazwę „bez wnuków”. Geny Oskara , nanos i bez komórek rozrodczych (gcl) odgrywają ważną rolę. Oskar wystarczy, aby zwerbować inne geny do utworzenia funkcjonalnej plazmy zarodkowej. Nanos jest wymagany do zapobiegania mitozie i różnicowaniu somatycznemu oraz do migracji komórek biegunowych, aby działały jako PGC (patrz następna sekcja). Gcl jest niezbędny (ale niewystarczający) do tworzenia komórek biegunowych. Oprócz tych genów składnik granulatu polarnego Pgc blokuje fosforylację, aw konsekwencji aktywację polimerazy RNA II i wyłącza transkrypcję. [ potrzebne źródło ]
Plazma zarodkowa u płazów
Podobną plazmę zarodkową zidentyfikowano u płazów w polarnej cytoplazmie na biegunie roślinnym. Ta cytoplazma przesuwa się na dno blastocelu i ostatecznie kończy jako własny podzbiór komórek endodermalnych. Chociaż plazma zarodkowa jest przeznaczona do wytwarzania komórek rozrodczych, nie zmusza tych komórek nieodwracalnie do wytwarzania gamet i żadnego innego typu komórek.
Migracja pierwotnych komórek rozrodczych
Muszki owocówki
Pierwsza faza migracji u Drosophila ma miejsce, gdy komórki biegunowe poruszają się biernie i fałdują do wgłobienia jelita środkowego. Aktywna migracja odbywa się poprzez repelenty i atraktanty. Ekspresja wunen w endodermie odpycha PGC. Wyraz twarzy kolumba i jeża przyciąga PGC do mezodermalnych prekursorów gonad. Nanos jest wymagany podczas migracji. Niezależnie od miejsca wstrzyknięcia PGC, PGC są w stanie poprawnie migrować do swoich miejsc docelowych. [ potrzebne źródło ]
Danio pręgowany
U danio pręgowanego PGC wyrażają dwa transbłonowe białka receptorowe CXCR4. System sygnalizacji obejmujący to białko i jego ligand Sdf1 jest niezbędny i wystarczający do kierowania migracją PGC u ryb.
Żaby
U żab PGC migrują wzdłuż krezki do mezodermy gonad dzięki ukierunkowanej macierzy zewnątrzkomórkowej z fibronektyną. Istnieją również dowody na istnienie systemu CXCR4/Sdf1 u żab. [ potrzebne źródło ]
Ptaki
U ptaków PGC powstają z epiblastu i migrują do przodu od prymitywnej smugi do grzebienia zarodkowego. Stamtąd używają naczyń krwionośnych, aby znaleźć drogę do gonady. Stosowany jest również system CXCR4/Sdf1, choć może nie być to jedyna konieczna metoda.
Ssaki
U myszy pierwotne komórki rozrodcze (PGC) powstają w tylnym prążku zarodka i zaczynają migrować około 6,25 dnia po zapłodnieniu. PGC zaczynają migrować do embrionalnej endodermy , a następnie do jelita grubego i ostatecznie w kierunku przyszłych grzbietów narządów płciowych , gdzie znajdują się somatyczne prekursory gonad. Ta migracja wymaga szeregu atraktantów i repelentów, a także szeregu cząsteczek adhezyjnych, takich jak E-kadheryna i β1-Integrin do kierowania migracją PGC. Około 10 dni po zapłodnieniu; PGC zajmują grzbiet genitalny, gdzie zaczynają tracić swoją ruchliwość i spolaryzowany kształt.
Rozwój linii płciowej u ssaków
PGC ssaków są określane przez sygnalizację między komórkami (indukcja), a nie przez segregację osocza zarodkowego podczas podziału zarodka. U myszy PGCs pochodzą z bliższego epiblastu, w pobliżu ektodermy pozazarodkowej (ExE), zarodka poimplantacyjnego już w 6,5 dniu embrionalnym. Do E7.5 populacja założycielska około 40 PGC jest generowana w tym regionie epiblastu w rozwijającym się zarodku myszy. Jednak epiblast daje również początek linii komórek somatycznych, które tworzą właściwy zarodek; łącznie z endodermą, ektodermą i mezodermą. Specyfikację pierwotnych komórek rozrodczych u ssaków przypisuje się głównie dalszym funkcjom dwóch szlaków sygnałowych; szlak sygnałowy BMP i kanoniczny szlak WNT/β-katenina.
Białko morfogenetyczne kości 4 (BMP4) jest uwalniane przez pozazarodkową ektodermę (ExE) w dniu embrionalnym 5,5 do 5,75 bezpośrednio przylegającym do epiblastu i powoduje, że region epiblastu najbliższy ExE wyraża Blimp1 i Prdm14 w zależnej od dawki sposób. Jest to oczywiste, ponieważ liczba PGC tworzących się w epiblastach zmniejsza się proporcjonalnie do utraty alleli BMP4. BMP4 działa poprzez swoje dalsze międzykomórkowe czynniki transkrypcyjne SMAD1 i SMAD5. Mniej więcej w tym samym czasie WNT3 zaczyna ulegać ekspresji w tylnej endodermie trzewnej epiblastu. Wykazano, że sygnalizacja WNT3 jest niezbędna, aby epiblast mógł reagować na sygnał BMP4 z ExE. Mutantom WNT3 nie udaje się ustanowić pierwotnej populacji komórek rozrodczych, ale można to przywrócić za pomocą egzogennej aktywności WNT. Szlak sygnałowy WNT3/β-katenina jest niezbędny do ekspresji czynnika transkrypcyjnego T (Brachyury), czynnika transkrypcyjnego, który wcześniej scharakteryzowano dla genów specyficznych dla somatyki i mezodermy. Niedawno stwierdzono, że T jest zarówno konieczne, jak i wystarczające do wywołania ekspresji znanych genów specyfikacji PGC Blimp1 i Prdm14. Indukcję czynnika transkrypcyjnego T obserwowano 12 godzin po sygnalizacji BMP/WNT, w przeciwieństwie do 24 do 36 godzin potrzebnych do ekspresji genów Blimp1 i Prdm14. Czynnik transkrypcyjny T działa powyżej BLIMP1 i Prdm14 w specyfikacji PGC, wiążąc się z genami odpowiednich elementów wzmacniających. Należy zauważyć, że chociaż T może aktywować ekspresję Blimp1 i Prdm14 przy braku zarówno BMP4, jak i WNT3, wstępna ekspozycja progenitorów PGC na WNT (bez BMP4) zapobiega aktywacji tych genów przez T. Szczegóły, w jaki sposób BMP4 zapobiega indukowaniu przez T genów mezodermalnych i aktywowaniu tylko genów specyfikacji PGC, pozostają niejasne.
Ekspresja Blimp1 jest najwcześniejszym znanym markerem specyfikacji PGC. Mutacja w genie Blimp1 powoduje powstawanie komórek podobnych do PGC w 8.5 dniu embrionalnym, które bardzo przypominają sąsiednie komórki somatyczne. Główną rolą Blimp 1 jest indukcja Tcfap2c, czynnika transkrypcyjnego helisy o rozpiętości helisy. Mutanty Tcfap2c wykazywały wczesną utratę pierwotnych komórek rozrodczych. Uważa się, że Tcfap2c hamuje ekspresję genów somatycznych, w tym marker mezodermalny Hoxb1. Tak więc Blimp1, Tcfap2c i Prdm14 razem są w stanie aktywować i tłumić transkrypcję wszystkich niezbędnych genów do regulacji specyfikacji PGC. Mutacja Prdm14 powoduje powstawanie PGC, które są tracone do 11.5 dnia embrionalnego. Utrata PGC w mutancie Prdm14 jest spowodowana niepowodzeniem w globalnym usuwaniu wzorców metylacji histonu 3. Blimp1 i Prdm14 wywołują również inne zdarzenie epigenetyczne, które powoduje globalną demetylację DNA.
Inne godne uwagi geny pozytywnie regulowane przez Blimp1 i Prdm14 to: Sox2 , Nanos3, Nanog , Stella i Fragilis. W tym samym czasie Blimp1 i Prdm14 również tłumią transkrypcję programów, które napędzają różnicowanie somatyczne poprzez hamowanie transkrypcji genów rodziny Hox . W ten sposób Blimp1 i Prdm14 sterują specyfikacją PGC, promując rozwój linii zarodkowej i potencjalne pluripotencji , jednocześnie powstrzymując komórki przed somatycznym losem.
Wytwarzanie ssaczych PGC in vitro
Dzięki ogromnej wiedzy na temat specyfikacji PGC in vivo, zebranej w ciągu ostatnich kilku dekad, podjęto kilka prób wygenerowania PGC in vitro z epiblastu poimplantacyjnego. Różne grupy były w stanie z powodzeniem wygenerować komórki podobne do PGC, hodowane w obecności BMP4 i różnych cytokin. Efektywność tego procesu została później wzmocniona przez dodanie czynnika komórek macierzystych (SCF), naskórkowego czynnika wzrostu (EGF), czynnika hamującego białaczkę (LIF) i BMP8B. Komórki podobne do PGC wytworzone tą metodą można przeszczepić do gonady, gdzie różnicują się i są w stanie dać żywotne gamety i potomstwo in vivo. Komórki podobne do PGC można również wytwarzać z naiwnych embrionalnych komórek macierzystych (ESC), które hoduje się przez dwa dni w obecności FGF i aktywiny-A, aby przyjęły stan podobny do epiblastu. Komórki te są następnie hodowane z BMP4, BMP8B, EGF, LIF i SCF oraz różnymi cytokinami przez kolejne cztery dni. Te PGC generowane in vitro mogą również przekształcić się w zdolne do życia gamety i potomstwo.
Różnicowanie pierwotnych komórek rozrodczych
Przed przybyciem do gonad PGC wyrażają czynniki pluripotencji, generują pluripotencjalne linie komórkowe w hodowli komórkowej (znane jako komórki EG ) i mogą wytwarzać nowotwory wieloliniowe, znane jako potworniaki . Podobne odkrycia u innych kręgowców wskazują, że PGCs nie są jeszcze nieodwracalnie zaangażowane w wytwarzanie gamet ani żadnego innego typu komórek. Po przybyciu do gonad, ludzkie i mysie PGC aktywują szeroko konserwowane czynniki specyficzne dla komórek rozrodczych, a następnie zmniejszają ekspresję czynników pluripotencji. To przejście skutkuje określeniem komórek rozrodczych, formą zaangażowania komórek, która nie jest już odwracalna.
Przed zajęciem grzbietu narządów płciowych nie ma żadnej znanej różnicy między PGC XX i XY. Jednak po zakończeniu migracji i określeniu komórek zarodkowych te komórki linii zarodkowej zaczynają się różnicować zgodnie z niszą gonad.
Wczesne różnicowanie samców
Męskie PGC stają się znane jako gonocyty , gdy przestają migrować i przechodzą mitozę. Termin gonocyt jest ogólnie używany do opisania wszystkich etapów po PGC, aż do różnicowania się gonocytów w spermatogonia. Anatomicznie gonocyty można zidentyfikować jako duże, euchromatyczne komórki, które często mają dwa jądra w jądrze.
W grzbiecie męskich narządów płciowych przejściowa ekspresja Sry powoduje, że komórki podtrzymujące różnicują się w komórki Sertoliego , które następnie działają jako centrum organizujące różnicowanie jąder. Mutacje punktowe lub delecje w ludzkim lub mysim Sry mogą prowadzić do rozwoju samic u osobników XY. Komórki Sertoliego zapobiegają również przedwczesnemu różnicowaniu się gonocytów. Wytwarzają enzym CYP26B1, który przeciwdziała otaczającemu kwasowi retinowemu . Kwas retinowy działa jako sygnał dla gonocytów do wejścia w mejozę . Wykazano, że gonocyty i komórki Sertoliego tworzą połączenia szczelinowe i desmosomopodobne, a także połączenia adherynowe złożone z kadheryn i koneksyn . Aby różnicować się w spermatogonię, gonocyty muszą utracić połączenia z komórkami Sertoliego i ponownie zacząć migrować. Migrują do błony podstawnej rdzenia nasiennego i różnicują się.
Późne różnicowanie
W gonadach komórki rozrodcze przechodzą spermatogenezę lub oogenezę, w zależności od tego, czy płeć jest odpowiednio męska czy żeńska. [ potrzebne źródło ]
spermatogeneza
Mitotyczne komórki macierzyste zarodków, spermatogonia , dzielą się przez mitozę, aby wytworzyć spermatocyty zaangażowane w mejozę. Spermatocyty dzielą się przez mejozę, tworząc plemniki . Plemniki postmejotyczne różnicują się poprzez spermiogenezę , stając się dojrzałymi i funkcjonalnymi plemnikami . [ potrzebne źródło ] Komórki spermatogenne na różnych etapach rozwoju u myszy mają częstość mutacji , która jest od 5 do 10 razy niższa niż częstość mutacji w komórkach somatycznych .
U Drosophila zdolność premejotycznych komórek męskiej linii zarodkowej do naprawy pęknięć dwuniciowych drastycznie spada wraz z wiekiem. U myszy spermatogeneza zmniejsza się wraz z wiekiem ojca, prawdopodobnie z powodu zwiększonej częstotliwości błędów mejotycznych .
Oogeneza
Mitotyczne komórki macierzyste zarodka, oogonia , dzielą się przez mitozę, aby wytworzyć pierwotne oocyty zaangażowane w mejozę. W przeciwieństwie do produkcji plemników, produkcja oocytów nie jest ciągła. Te pierwotne oocyty rozpoczynają mejozę, ale zatrzymują się w diplotenie mejozy I będąc w zarodku. Wszystkie oogonia i wiele pierwotnych oocytów umiera przed urodzeniem. Po okresie dojrzewania u naczelnych małe grupy oocytów i pęcherzyków przygotowują się do owulacji, przechodząc do metafazy II. Dopiero po zapłodnieniu kończy się mejoza. Mejoza polega na asymetrycznym wytwarzaniu ciałek polarnych i oocytów z dużą ilością materiału do rozwoju embrionalnego. [ Potrzebne źródło ] Częstotliwość mutacji komórek żeńskiej linii zarodkowej myszy, podobnie jak komórek męskiej linii zarodkowej, jest również niższa niż w komórkach somatycznych. Wydaje się, że niska częstość mutacji linii zarodkowych wynika częściowo z podwyższonego poziomu naprawy DNA enzymy, które usuwają potencjalnie mutagenne uszkodzenia DNA . Zwiększona integralność genetyczna może być podstawową cechą rozwoju linii zarodkowej.