Герм-клетки: происхождение, развитие и роль в размножении.

Введение

Разговорный термин для возбудителя болезни или имеющий другие значения. Гаметообразующая клетка.

Зародышевая клетка – это любая клетка, дающая начало гаметам половозрелого организма. У многих животных зародышевые клетки происходят из первичной полоски и мигрируют через кишечник эмбриона к развивающимся половым железам. Там они подвергаются мейозу, за которым следует клеточная дифференциация в зрелые гаметы – яйцеклетки или сперматозоиды. В отличие от животных, у растений зародышевые клетки не определяются на ранних стадиях развития. Вместо этого зародышевые клетки могут возникать из соматических клеток взрослого растения, например, из цветочной меристемы цветущих растений.

Введение

Многоклеточные эукариоты состоят из двух основных типов клеток: зародышевых и соматических. Зародышевые клетки производят гаметы и являются единственными клетками, способными к мейозу и митозу. Соматические клетки составляют все остальные клетки, формирующие строительные блоки тела, и делятся только путем митоза. Линия зародышевых клеток называется гермлинией. Спецификация зародышевых клеток начинается во время дробления у многих животных или в эпибласте во время гаструляции у птиц и млекопитающих. После транспортировки, включающей пассивные перемещения и активную миграцию, зародышевые клетки достигают развивающихся гонад. У человека половая дифференцировка начинается примерно через 6 недель после зачатия. Конечными продуктами цикла зародышевой клетки являются яйцеклетка или сперматозоид. При определенных условиях in vitro зародышевые клетки могут приобретать свойства, сходные со свойствами эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). Механизм этого изменения до сих пор не установлен. Эти измененные клетки затем называют эмбриональными зародышевыми клетками. Оба типа клеток являются плюрипотентными in vitro, но только ЭСК продемонстрировали плюрипотентность in vivo. Недавние исследования показали, что из ЭСК возможно получение примордиальных зародышевых клеток.

Спецификация

Существует два механизма установления зародышевой линии в эмбрионе. Первый способ называется преформистическим и заключается в том, что клетки, предназначенные для развития в половые клетки, наследуют специфические детерминанты половых клеток, присутствующие в плазме зародыша (специфической области цитоплазмы) яйцеклетки (яйцеклетки). Неоплодотворенная яйцеклетка большинства животных асимметрична: различные области цитоплазмы содержат разное количество мРНК и белков. Второй способ встречается у млекопитающих, где зародышевые клетки не определяются такими детерминантами, а сигналами, контролируемыми зиготическими генами. У млекопитающих несколько клеток раннего эмбриона индуцируются сигналами соседних клеток для превращения в примордиальные зародышевые клетки. Яйцеклетки млекопитающих в некоторой степени симметричны, и после первых делений оплодотворенной яйцеклетки образующиеся клетки являются тотипотентными. Это означает, что они могут дифференцироваться в любой тип клеток организма, включая половые клетки. Спецификация примордиальных зародышевых клеток у лабораторных мышей инициируется высокими уровнями сигнального пути костного морфогенетического белка (BMP), который активирует экспрессию факторов транскрипции Blimp 1/Prdm1 и Prdm14. Предполагается, что индукция была предковым механизмом, а преформистический, или наследственный, механизм установления зародышевых клеток возник в результате конвергентной эволюции. Существует несколько ключевых различий между этими двумя механизмами, которые могут объяснить эволюцию наследственности плазмы зародыша. Одно из различий заключается в том, что наследственность обычно происходит почти сразу в процессе развития (около стадии бластодермы), в то время как индукция обычно не происходит до гаструляции. Поскольку зародышевые клетки находятся в состоянии покоя и, следовательно, не делятся, они не подвержены мутациям. Поскольку зародышевая линия не устанавливается сразу же посредством индукции, существует более высокая вероятность возникновения мутации до того, как клетки будут специфицированы. Имеются данные о частоте мутаций, которые указывают на более высокую частоту мутаций зародышевой линии у мышей и людей, видов, подвергающихся индукции, чем у C. elegans и Drosophila melanogaster, видов, подвергающихся наследованию. Более низкая частота мутаций была бы предпочтительнее, что является одной из возможных причин конвергентной эволюции плазмы зародыша. Однако для подтверждения этой гипотезы об эволюции плазмы зародыша необходимо собрать больше данных о частоте мутаций у различных таксонов, особенно данные, полученные как до, так и после спецификации примордиальных зародышевых клеток.

There are two mechanisms to establish the germ cell lineage in the embryo. The first way is called preformistic and involves that the cells destined to become germ cells inherit the specific germ cell determinants present in the germ plasm (specific area of the cytoplasm) of the egg (ovum). The unfertilized egg of most animals is asymmetrical: different regions of the cytoplasm contain different amounts of mRNA and proteins. The second way is found in mammals, where germ cells are not specified by such determinants but by signals controlled by zygotic genes. In mammals, a few cells of the early embryo are induced by signals of neighboring cells to become primordial germ cells. Mammalian eggs are somewhat symmetrical and after the first divisions of the fertilized egg, the produced cells are all totipotent. This means that they can differentiate in any cell type in the body and thus germ cells. Specification of primordial germ cells in the laboratory mouse is initiated by high levels of bone morphogenetic protein (BMP) signaling, which activates expression of the transcription factors Blimp 1/Prdm1 and Prdm14. It is speculated that induction was the ancestral mechanism, and that the preformistic, or inheritance, mechanism of germ cell establishment arose from convergent evolution. There are several key differences between these two mechanisms that may provide reasoning for the evolution of germ plasm inheritance. One difference is that typically inheritance occurs almost immediately during development (around the blastoderm stage) while induction typically does not occur until gastrulation. As germ cells are quiescent and therefore not dividing, they are not susceptible to mutation. Since the germ cell lineage is not established right away by induction, there is a higher chance for mutation to occur before the cells are specified. Mutation rate data is available that indicates a higher rate of germ line mutations in mice and humans, species which undergo induction, than in C. elegans and Drosophila melanogaster, species which undergo inheritance. A lower mutation rate would be selected for, which is one possible reason for the convergent evolution of the germ plasm. However, more mutation rate data will need to be collected across several taxa, particularly data collected both before and after the specification of primordial germ cells before this hypothesis on the evolution of germ plasm can be backed by strong evidence.

Миграция

Первичные половые клетки, половые клетки, которым предстоит достичь гонад (также известные как ПГК, предшественники половых клеток или гоноциты), многократно делятся во время миграции через кишечник и в развивающиеся гонады.

Беспозвоночные

В модельном организме Drosophila полярные клетки пассивно перемещаются от заднего конца эмбриона к задней части средней кишки из-за впячивания бластодермы. Затем они активно перемещаются через кишку в мезодерму. Эндодермальные клетки дифференцируются и, вместе с белками Wunen, индуцируют миграцию через кишку. Белки Wunen являются хеморепеллентами, которые направляют зародышевые клетки от эндодермы к мезодерме. После разделения на две популяции, зародышевые клетки продолжают мигрировать латерально и параллельно друг другу, пока не достигнут гонад. Белки Columbus, хемоаттрактанты, стимулируют миграцию в мезодерме гонад.

Позвоночные

В яйце акватической лягушки Ксенопуса детерминанты зародышевых клеток обнаруживаются в наиболее вегетативных бластомерах. Эти презумптивные ПГК доставляются к эндодерме бластоцеля посредством гаструляции. Они определяются как зародышевые клетки после завершения гаструляции. Затем происходит миграция из задней кишки вдоль кишечника и через спинной мезентерий. Зародышевые клетки разделяются на две популяции и перемещаются к парным гонадным гребням. Миграция начинается с 3-4 клеток, которые проходят три раунда клеточного деления, в результате чего около 30 ПГК достигают гонад. На пути миграции ПГК важную роль играет ориентация нижележащих клеток и их секретируемые молекулы, такие как фибронектин. У млекопитающих путь миграции сопоставим с таковым у Ксенопуса. Миграция начинается с 50 гоноцитов, и около 5000 ПГК достигают гонад. Пролиферация также происходит во время миграции и длится 3-4 недели у человека. ПГК происходят из эпибласта и впоследствии мигрируют в мезодерму, эндодерму и заднюю часть желточного мешка. Затем происходит миграция из задней кишки вдоль кишечника и через спинной мезентерий для достижения гонад (4,5 недели у человека). Фибронектин здесь также формирует поляризованную сеть вместе с другими молекулами. Соматические клетки на пути зародышевых клеток предоставляют им аттрактивные, репеллентные и сигналы выживания. Но и зародышевые клетки посылают сигналы друг другу. У рептилий и птиц зародышевые клетки используют другой путь. ПГК происходят из эпибласта и перемещаются в гипобласт для формирования зародышевого полумесяца (передняя внеэмбриональная структура). Затем гоноциты проникают в кровеносные сосуды и используют кровеносную систему для транспорта. Они выходят из сосудов, когда находятся на уровне гонадных гребней. Клеточная адгезия на эндотелии кровеносных сосудов и молекулы, такие как хемоаттрактанты, вероятно, участвуют в помощи миграции ПГК.

Ген Sry хромосомы Y

SRY (Регион, определяющий пол Y-хромосомы) направляет развитие самцов у млекопитающих, индуцируя соматические клетки гонадального хребта к развитию в тестис, а не в оварий. Sry экспрессируется в небольшой группе соматических клеток гонад и влияет на эти клетки, чтобы они стали клетками Сертоли (поддерживающими клетками в тестисе). Клетки Сертоли отвечают за половое развитие по мужскому типу во многих отношениях. Один из этих способов включает стимуляцию прибывающих примордиальных клеток к дифференцировке в сперматозоиды. В отсутствие гена Sry примордиальные зародышевые клетки дифференцируются в яйцеклетки. Удаление генитальных хребтов до начала их развития в тестисы или оварии приводит к развитию женского пола, независимо от несут пола хромосомы.

Оогенез

После миграции первичные зародышевые клетки превращаются в огонии в формирующемся гонаде (яичнике). Огонии интенсивно пролиферируют путем митотического деления, до 5-7 миллионов клеток у человека. Однако затем многие из этих огоний погибают, и остается около 50 000 клеток. Эти клетки дифференцируются в первичные ооциты. На 11-12 неделе после коитуса начинается первое мейотическое деление (до рождения у большинства млекопитающих) и останавливается в профазе I на период от нескольких дней до многих лет, в зависимости от вида. В этот период или, в некоторых случаях, в начале половой зрелости первичные ооциты секретируют белки для формирования оболочки, называемой зоной пеллюцида, а также производят кортикальные гранулы, содержащие ферменты и белки, необходимые для оплодотворения. Мейоз приостанавливается благодаря фолликулярным гранулезным клеткам, которые посылают ингибирующие сигналы через щелевые контакты и зону пеллюцида. Половое созревание – это начало периодической овуляции. Овуляция – это регулярное высвобождение одной ооциты из яичника в репродуктивный тракт, предшествующее росту фолликулов. Несколько фолликулярных клеток стимулируются к росту, но овулируется только одна ооцита. Примордиальный фолликул состоит из эпителиального слоя фолликулярных гранулезных клеток, окружающих ооцит. Гипофиз секретирует фолликулостимулирующие гормоны (ФСГ), которые стимулируют рост фолликулов и созревание ооциты. Текальные клетки вокруг каждого фолликула секретируют эстроген. Этот гормон стимулирует выработку рецепторов ФСГ на фолликулярных гранулезных клетках и одновременно оказывает отрицательное обратное влияние на секрецию ФСГ. Это приводит к конкуренции между фолликулами, и выживает и овулируется только фолликул с наибольшим количеством рецепторов ФСГ. Мейотическое деление I продолжается в овулированной ооците под воздействием лютеинизирующих гормонов (ЛГ), вырабатываемых гипофизом. ФСГ и ЛГ блокируют щелевые контакты между клетками фолликула и ооцитом, тем самым подавляя коммуникацию между ними. Большинство фолликулярных гранулезных клеток остаются вокруг ооциты, образуя кумулюс. Крупные не млекопитающие ооциты накапливают желток, гликоген, липиды, рибосомы и мРНК, необходимые для синтеза белка во время раннего эмбрионального развития. Этот интенсивный синтез РНК отражается в структуре хромосом, которые деконденсируются и образуют латеральные петли, придавая им вид лампочки (см. Хромосома лампочки). Созревание ооциты – это следующая фаза развития ооциты. Оно происходит в период половой зрелости, когда гормоны стимулируют ооциту к завершению мейотического деления I. Мейотическое деление I производит 2 клетки разного размера: небольшое полярное тельце и крупную вторичную ооциту. Вторичная ооцита подвергается мейотическому делению II, в результате чего образуется второе небольшое полярное тельце и крупная зрелая яйцеклетка, обе из которых являются гаплоидными клетками. Полярные тельца дегенерируют. У большинства позвоночных созревание ооциты останавливается на метафазе II. Во время овуляции остановленная вторичная ооцита покидает яичник и быстро созревает в яйцеклетку, готовую к оплодотворению. Оплодотворение вызывает завершение мейоза II в яйцеклетке. У женщин наблюдается пролиферация огоний у плода, мейоз начинается до рождения и приостанавливается на мейотическом делении I до 50 лет, овуляция начинается в период полового созревания.

After migration primordial germ cells will become oogonia in the forming gonad (ovary). The oogonia proliferate extensively by mitotic divisions, up to 5 7 million cells in humans. But then many of these oogonia die and about 50,000 remain. These cells differentiate into primary oocytes. In week 11 12 post coitus the first meiotic division begins (before birth for most mammals) and remains arrested in prophase I from a few days to many years depending on the species. It is in this period or in some cases at the beginning of sexual maturity that the primary oocytes secrete proteins to form a coat called zona pellucida and they also produce cortical granules containing enzymes and proteins needed for fertilization. Meiosis stands by because of the follicular granulosa cells that send inhibitory signals through gap junctions and the zona pellucida. Sexual maturation is the beginning of periodic ovulation. Ovulation is the regular release of one oocyte from the ovary into the reproductive tract and is preceded by follicular growth. A few follicle cells are stimulated to grow but only one oocyte is ovulated. A primordial follicle consists of an epithelial layer of follicular granulosa cells enclosing an oocyte. The pituitary gland secrete follicle stimulating hormones (FSHs) that stimulate follicular growth and oocyte maturation. The thecal cells around each follicle secrete estrogen. This hormone stimulates the production of FSH receptors on the follicular granulosa cells and has at the same time a negative feedback on FSH secretion. This results in a competition between the follicles and only the follicle with the most FSH receptors survives and is ovulated. Meiotic division I goes on in the ovulated oocyte stimulated by luteinizing hormones (LHs) produced by the pituitary gland. FSH and LH block the gap junctions between follicle cells and the oocyte therefore inhibiting communication between them. Most follicular granulosa cells stay around the oocyte and so form the cumulus layer. Large non mammalian oocytes accumulate egg yolk, glycogen, lipids, ribosomes, and the mRNA needed for protein synthesis during early embryonic growth. These intensive RNA biosynthese are mirrored in the structure of the chromosomes, which decondense and form lateral loops giving them a lampbrush appearance (see Lampbrush chromosome). Oocyte maturation is the following phase of oocyte development. It occurs at sexual maturity when hormones stimulate the oocyte to complete meiotic division I. The meiotic division I produces 2 cells differing in size: a small polar body and a large secondary oocyte. The secondary oocyte undergoes meiotic division II and that results in the formation of a second small polar body and a large mature egg, both being haploid cells. The polar bodies degenerate. Oocyte maturation stands by at metaphase II in most vertebrates. During ovulation, the arrested secondary oocyte leaves the ovary and matures rapidly into an egg ready for fertilization. Fertilization will cause the egg to complete meiosis II. In human females there is proliferation of the oogonia in the fetus, meiosis starts then before birth and stands by at meiotic division I up to 50 years, ovulation begins at puberty.

Растение яиц

Соматической клетке размером 10–20 мкм обычно требуется 24 часа, чтобы удвоить свою массу для митоза. Таким образом, этой клетке потребовалось бы очень много времени, чтобы достичь размера яйца млекопитающего диаметром 100 мкм (у некоторых насекомых яйца около 1000 мкм или больше). Поэтому яйца обладают специальными механизмами для достижения больших размеров. Один из этих механизмов заключается в наличии дополнительных копий генов: первое мейотическое деление приостанавливается, чтобы ооцит рос, содержа при этом два диплоидных набора хромосом. Некоторые виды производят множество дополнительных копий генов, например, земноводные, у которых их может быть до 1 или 2 миллионов. Дополнительный механизм частично зависит от синтеза других клеток. У земноводных, птиц и насекомых желток вырабатывается печенью (или ее эквивалентом) и выделяется в кровь. Соседние вспомогательные клетки в яичнике также могут оказывать питательную поддержку двух типов. У некоторых беспозвоночных часть оогоний превращается в клетки-кормилицы. Эти клетки соединены с ооцитами цитоплазматическими мостиками. Клетки-кормилицы насекомых снабжают ооциты макромолекулами, такими как белки и мРНК. Фолликулярные гранулезные клетки – второй тип вспомогательных клеток в яичнике как у беспозвоночных, так и у позвоночных. Они образуют слой вокруг ооцита и питают его небольшими молекулами, не макромолекулами, а в конечном итоге их более мелкими предшественниками через щелевые контакты.

Мутация и восстановление ДНК

Согласно одному исследованию, частота мутаций в клетках зародышевой линии самок мышей примерно в 5 раз ниже, чем в соматических клетках. Яйцеклетка мыши на стадии диктиата (продолженного диплотена) мейоза активно восстанавливает повреждения ДНК, в то время как восстановление ДНК не было обнаружено на преддиктиальных стадиях мейоза (лептотен, зиготен и пахитен). Длительный период мейотической остановки на четыреххроматидной стадии диктиата мейоза может способствовать рекомбинационному восстановлению повреждений ДНК.

Сперматогенез

Сперматогенез млекопитающих является репрезентативным для большинства животных. У мужчин сперматогенез начинается в период полового созревания в семенных канальцах яичек и продолжается непрерывно. Сперматогонии – это незрелые половые клетки. Они непрерывно пролиферируют посредством митотических делений по периферии семенных канальцев, рядом с базальной мембраной. Некоторые из этих клеток прекращают пролиферацию и дифференцируются в первичные сперматоциты. После прохождения первого мейотического деления образуются два вторичных сперматоцита. Два вторичных сперматоцита подвергаются второму мейотическому делению с образованием четырех гаплоидных сперматид. Эти сперматиды морфологически дифференцируются в сперматозоиды за счет конденсации ядра, выброса цитоплазмы и формирования акросомы и жгутика. Развивающиеся мужские половые клетки не завершают цитокинез в процессе сперматогенеза. Следовательно, цитоплазматические мостики сохраняются в интерфазе для обеспечения связи между клонами дифференцирующихся дочерних клеток. Эти мостики называются синцитием и содержат кольцо, состоящее из белков TEX14 и KIF23, в своем центре. Таким образом, гаплоидные клетки снабжаются всеми продуктами полного диплоидного генома. Например, сперматозоиды, несущие Y-хромосому, снабжаются необходимыми молекулами, кодируемыми генами на X-хромосоме. Успех пролиферации и дифференцировки половых клеток также обеспечивается балансом между развитием половых клеток и запрограммированной клеточной гибелью. Идентификация «сигналов запуска гибели» и соответствующих рецепторных белков важна для фертильности самцов. Апоптоз в половых клетках может быть индуцирован различными природными токсикантами. Рецепторы, принадлежащие к семейству вкусовых рецепторов 2, специализируются на обнаружении горьких соединений, включая чрезвычайно токсичные алкалоиды. Таким образом, вкусовые рецепторы играют функциональную роль в контроле апоптоза в мужской репродуктивной ткани.

Мутация и восстановление ДНК

Частота мутаций клеток на различных стадиях сперматогенеза у мышей сопоставима с частотой мутаций в клетках женской зародышевой линии, то есть в 5-10 раз ниже, чем частота мутаций в соматических клетках. Частота мутаций в процессе сперматогенеза повышается с возрастом.

Болезни

Опухоль зародышевых клеток – редкий вид рака, который может поражать людей любого возраста. По состоянию на 2018 год, опухоли зародышевых клеток составляли 3% всех случаев рака у детей и подростков в возрасте от 0 до 19 лет. Обычно опухоли зародышевых клеток локализуются в половых железах, но также могут возникать в брюшной полости, тазу, средостении или головном мозге. Зародышевые клетки, мигрирующие к половым железам, могут не достигать этой цели, и опухоль может развиться в любом месте, где они остановятся, однако точная причина этого явления до сих пор неизвестна. Эти опухоли могут быть доброкачественными или злокачественными. В экспериментальной модели на мышах, при попадании в половую железу, примитивные зародышевые клетки, которые не дифференцируются должным образом, могут приводить к развитию опухолей зародышевых клеток яичника или яичка.

Индуцированная дифференциация

Индукция дифференциации определенных клеток в зародышевые клетки имеет множество применений. Одним из следствий индуцированной дифференциации является возможность устранения бесплодия, обусловленного мужским и женским факторами. Кроме того, это позволит однополым парам иметь биологических детей, если удастся получить сперму из женских клеток или яйцеклетки из мужских клеток. Работы по созданию спермы и яйцеклеток из клеток кожи и эмбриональных стволовых клеток были начаты исследовательской группой Хаяши и Сайто в Киотском университете. Эти исследователи получили клетки, подобные первичным зародышевым клеткам (PGLC), из эмбриональных стволовых клеток (ESC) и клеток кожи in vitro. Группе Хаяши и Сайто удалось стимулировать дифференциацию эмбриональных стволовых клеток в ПГК, используя точную временную последовательность и костный морфогенетический белок 4 (Bmp4). Добившись успеха с эмбриональными стволовыми клетками, группа смогла успешно стимулировать дифференциацию индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) в PGLC. Эти клетки, подобные первичным зародышевым клеткам, затем были использованы для создания сперматозоидов и ооцитов. Исследования с использованием человеческих клеток находятся на менее продвинутой стадии, поскольку ПГК, сформированные в ходе этих экспериментов, не всегда жизнеспособны. Фактически, метод Хаяши и Сайто эффективен лишь на треть по сравнению с современными методами экстракорпорального оплодотворения, и полученные ПГК не всегда функциональны. Более того, индуцированные ПГК не только менее эффективны, чем естественные ПГК, но и хуже удаляют свои эпигенетические метки при дифференцировке из iPSC или ESC в ПГК. Существуют и другие области применения индуцированной дифференциации зародышевых клеток. Другое исследование показало, что культивирование человеческих эмбриональных стволовых клеток в митотически инактивированных свиных яичниковых фибробластах (POF) вызывает дифференциацию в зародышевые клетки, что подтверждается анализом экспрессии генов.