Гаметогении: стволовые клетки половых клеток и механизмы их дифференцировки.

Введение

Стволовая клетка, дающая начало гамете, такой как сперматозоид или яйцеклетка. Гаметогонии (множественное число – гаметогонии) – это стволовые клетки гамет, расположенные в половых железах. Они происходят из примордиальных зародышевых клеток, мигрировавших в половые железы. Сперматогонии и оонии классифицируются как половые дифференцированные зародышевые клетки.

Происхождение

Зародышевые клетки определяются на ранних стадиях развития и могут дифференцироваться только в гаметы. Сегрегация зародышевых клеток часто определяется видом: у одних видов происходит преформация, когда зародышевые клетки определяются материнскими наследственными факторами до или сразу после оплодотворения, у других – эпигенез, при котором родословная зародышевых клеток определяется сигналами из окружающих тканей. Изначально преформация считалась более распространенным явлением, чем эпигенез, поскольку она наблюдается у многих модельных организмов, таких как обычная плодовая мушка, нематоды и некоторые амфибии. Животные модели являются эффективным инструментом для исследований благодаря универсальности полового размножения, которое, как считается, имеет одинаковые или сходные механизмы у разных видов. Зародышевые клетки бипотенциальны, то есть до миграции в гонады они способны формировать как сперматогонии, так и оонии. Определение половой принадлежности организма также зависит от развития гонад, которые еще не дифференцировались в яичники или яички. У мышей соматическое определение пола (то есть определение женских или мужских гонад) начинается на 10,5-й день эмбрионального развития, но завершается только на 12,5-й день. Спецификация мужских соматических клеток включает ген Sry, специфичный для Y-хромосомы, который регулирует спецификацию клеток Сертоли и клеток Лейдига. Без спецификации этих клеток формирование гонад регулируется X-хромосомами, что приводит к образованию яичников. После определения судьбы гонад половая спецификация зародышевых клеток происходит с 12,5 по 15,5 день. Половая спецификация зародышевых клеток требует подавления плюрипотентности и основана на взаимодействии между соматическими клетками гонад и зародышевыми клетками. Механизмы дифференцировки самцов и самок значительно различаются, поскольку популяция сперматозоидообразующих сперматогоний сохраняется на протяжении всего развития и во взрослой жизни, в отличие от ооний, которые производят только ооциты внутриутробно. Когда зародышевые клетки достигают гонад, они пролиферируют путем митоза, и на 13,5-й день развития крысы они начинают подвергаться мейозу в яичнике, но арестовываются на митотической стадии в яичках. В яичнике после митоза гаметоциты подвергаются мейозу, который инициируется фактором внутренней компетентности DazL и внешней ретиноевой кислотой, выделяемой мезонефросом. Ретиноевая кислота является основным фактором мейоза, повышая экспрессию генов, включая Stra8, Dmc1 и Sycp3, которые играют роль в мейозе. Мужские зародышевые клетки защищены от внешних сигналов, таких как ретиноевая кислота из мезонефроса, клетками Лейдига и Сертоли.

Germ cells are specified early in development and can only differentiate into gametes. The segregation of germ cells is often determined by the species, with some undergoing preformation, where the germ cells are determined by maternally inherited factors before or immediately after fertilisation, and others undergoing epigenesis, where the germ cell lineage is determined from signalling from surrounding tissues. Preformation was initially perceived as more common than epigenesis, as it appears in many model organisms like the common fruit fly, roundworms and some amphibians. Animal models are an effective research tool due to the commonality of sexual reproduction which is thought to have same or similar mechanisms across species. The germ cells are bipotential in that prior to migrating to the gonads, they are capable of forming either spermatogonia or oogonia. The specification into either female or male fates for the organism itself also depends on the development of the gonads, which have yet to differentiate into ether ovaries or testes. In the mouse, somatic sex determination (i. e. determination of either female or male gonads) begins at embryonic day 10.5 in mice, but is not finalised until day 12.5. Male somatic cell specification involves the Y chromosome specific Sry gene, which regulates the specification of Sertoli cells and Leydig cells. Without the specification of those cells, the gonad formation is regulated by the X chromosomes, forming the ovaries. After the fate of the gonads is finalised, the sex specification of the germ cells occurs at 12.5 15.5 days. Sex specification of the germ cells requires the repression of pluripotency and relies on the communication between the somatic cells of the gonads and germ cells. The mechanisms for male and female differentiation are markedly different, since a population of sperm producing spermatogonia are retained throughout development and into adult life, unlike oogonia which only produce oocyte in utero. When the germ cells reach the gonads, they undergo proliferation via mitosis and at 13.5 days of rat development they begin to undergo meiosis in the ovary but arrested at the mitotic stage in the testes. In the ovary, after mitosis, the gametogonium undergo meiosis, which is initiated by intrinsic competence factor DazL and extrinsic retinoic acid, excreted by the mesonephros. Retinoic acid is the major factor in meiosis, upregulating genes including ‘‘Stra8’‘, ‘‘Dmc1’‘ and ‘‘Sycp3’‘, which all have a role in meiosis. The male germ cells are protected from external signalling, like retinoic acid from the mesonephros, by the Leydig and Sertoli cells.

Сперматогоний

Сперматогонии – это популяция стволовых клеток, находящихся в яичках и подвергающихся сперматогенезу с образованием сперматозоидов. Они остаются в яичках на протяжении всей взрослой жизни.

Огоний

Оогонии — это стволовые клетки, из которых формируются ооциты, и ранее считалось, что они исчерпываются в процессе развития при образовании первичных ооцитов. Однако некоторые из этих стволовых клеток были обнаружены в яичниках мышей и приматов.