Половая клетка - Germ cell

Зародышевые клетки являются любой биологической клеткой , которая приводит к гаметам организма , который размножается половым путем . У многих животных, зародышевые клетки происходят в первичной полоске и мигрируют через кишечник в качестве зародыша для развивающихся гонад . Там они подвергаются мейозу с последующей клеточной дифференцировкой в зрелые гаметы, яйцеклетки или сперматозоиды . В отличие от животных, растения не имеют половых клеток, предназначенных для раннего развития. Вместо этого, зародышевые клетки могут возникать из соматических клеток у взрослых, такие как цветочные меристемы из цветущих растений .

Вступление

Многоклеточные эукариоты состоят из двух основных типов клеток. Зародышевые клетки производят гаметы и являются единственными клетками, которые могут подвергаться мейозу, а также митозу . Эти клетки иногда называют бессмертными, потому что они являются связующим звеном между поколениями. Соматические клетки - это все другие клетки, которые образуют строительные блоки тела, и делятся они только путем митоза. Линия половых клеток называется зародышевой линией . Спецификация зародышевых клеток начинается во время расщепления у многих животных или в эпибласте во время гаструляции у птиц и млекопитающих . После транспортировки, включающей пассивные движения и активную миграцию, половые клетки попадают в развивающиеся гонады. У людей половая дифференциация начинается примерно через 6 недель после зачатия. Конечными продуктами цикла зародышевых клеток являются яйцеклетка или сперматозоид.

В особых условиях in vitro зародышевые клетки могут приобретать свойства, аналогичные свойствам эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). Механизм, лежащий в основе этого изменения, до сих пор неизвестен. Эти измененные клетки затем называются эмбриональными половыми клетками. Оба типа клеток плюрипотентны in vitro, но только ESC доказали плюрипотентность in vivo. Недавние исследования показали, что из ESCs можно получить первичные половые клетки.

Технические характеристики

Существует два механизма установления клонов зародышевых клеток эмбриона . Первый путь называется преформистическим и предполагает, что клетки, которым суждено стать половыми клетками, наследуют определенные детерминанты зародышевых клеток, присутствующие в зародышевой плазме (специфическая область цитоплазмы) яйца (яйцеклетки). Неоплодотворенное яйцо большинства животных асимметрично: разные участки цитоплазмы содержат разное количество мРНК и белков.

Второй путь обнаружен у млекопитающих, где половые клетки определяются не такими детерминантами, а сигналами, контролируемыми зиготическими генами. У млекопитающих несколько клеток раннего эмбриона индуцируются сигналами соседних клеток, чтобы стать первичными зародышевыми клетками . Яйца млекопитающих несколько симметричны, и после первых делений оплодотворенной яйцеклетки все продуцируемые клетки становятся тотипотентными . Это означает, что они могут дифференцироваться в клетки любого типа в организме и, следовательно, в половые клетки. Спецификация примордиальных половых клеток у лабораторных мышей инициируется высокими уровнями передачи сигналов костного морфогенетического белка (BMP), который активирует экспрессию факторов транскрипции Blimp-1 / Prdm1 и Prdm14.

Предполагается, что индукция была наследственным механизмом, и что преформистический, или наследственный, механизм образования зародышевых клеток возник в результате конвергентной эволюции. Между этими двумя механизмами есть несколько ключевых различий, которые могут служить аргументом в пользу эволюции наследования зародышевой плазмы. Одно отличие состоит в том, что обычно наследование происходит почти сразу во время развития (около стадии бластодермы), тогда как индукция обычно не происходит до гаструляции. Поскольку половые клетки находятся в состоянии покоя и, следовательно, не делятся, они не подвержены мутации.

Поскольку клон зародышевых клеток не устанавливается сразу путем индукции, существует более высокая вероятность возникновения мутации до того, как клетки будут определены. Имеются данные о скорости мутаций, которые указывают на более высокую частоту мутаций зародышевой линии у мышей и людей, видов, которые подвергаются индукции, чем у C. elegans и Drosophila melanogaster, видов, которые передаются по наследству. Будет выбрана более низкая частота мутаций, что является одной из возможных причин конвергентной эволюции зародышевой плазмы. Однако необходимо будет собрать больше данных о скорости мутаций по нескольким таксонам, особенно данные, собранные как до, так и после спецификации первичных зародышевых клеток, прежде чем эта гипотеза об эволюции зародышевой плазмы может быть подтверждена убедительными доказательствами.

Миграция

Основная статья: Первичная миграция зародышевых клеток

Первичные половые клетки, половые клетки, которые еще должны достичь гонад (также известные как PGC, половые клетки-предшественники или гоноциты), многократно делятся на своем пути миграции через кишечник в развивающиеся гонады.

Беспозвоночные

В модельном организме Drosophila полюсные клетки пассивно перемещаются из заднего конца эмбриона в заднюю часть средней кишки из-за разгибания бластодермы. Затем они активно продвигаются по кишечнику в мезодерму . Энтодермальные клетки дифференцируются и вместе с белками Wunen вызывают миграцию через кишечник. Белки Wunen представляют собой хемопелленты, которые уводят половые клетки от энтодермы в мезодерму. После разделения на две популяции половые клетки продолжают мигрировать латерально и параллельно, пока не достигнут гонад. Белки Columbus, хемоаттрактанты , стимулируют миграцию в мезодерме гонад.

Позвоночные

В яйце Xenopus детерминанты зародышевых клеток находятся в большинстве растительных бластомеров . Эти предполагаемые PGC попадают в энтодерму бластоцеля посредством гаструляции . По завершении гаструляции они определяются как половые клетки. Затем происходит миграция из задней кишки по кишечнику и через заднюю брыжейку . Половые клетки разделяются на две популяции и переходят к парным гребням гонад. Миграция начинается с 3-4 клеток, которые претерпевают три раунда клеточного деления, так что около 30 PGC попадают в гонады. На пути миграции PGCs ориентация нижележащих клеток и их секретируемых молекул, таких как фибронектин, играет важную роль.

У млекопитающих миграционный путь сопоставим с таковым у Xenopus . Миграция начинается с 50 гоноцитов, и около 5000 PGC прибывают в гонады. Размножение происходит также во время миграции и длится у человека 3-4 недели.

PGCs происходят из эпибласта и впоследствии мигрируют в мезодерму, энтодерму и заднюю часть желточного мешка . Затем миграция происходит из задней кишки по кишечнику и через заднюю брыжейку, чтобы достичь гонад (4,5 недели у человека). Фибронектин здесь также отображает поляризованную сеть вместе с другими молекулами. Соматические клетки на пути половых клеток подают им сигналы притяжения, отталкивания и выживания. Но половые клетки также посылают сигналы друг другу.

У рептилий и птиц половые клетки используют другой путь. PGCs исходят из эпибласта и перемещаются в гипобласт, чтобы сформировать зародышевый серп ( передняя внеэмбриональная структура). Затем гоноциты проникают в кровеносные сосуды и используют систему кровообращения для транспортировки. Они выдавливаются из сосудов, когда находятся на высоте гребней гонад . Адгезия клеток на эндотелии кровеносных сосудов и молекулы, такие как хемоаттрактанты , вероятно, участвуют в помощи миграции PGCs.

Ген Sry Y-хромосомы

SRY ( S экс-определения R Egion в Y - хромосоме ) направляет мужчина развития у млекопитающих путем индукции соматических клеток в гонадах хребта развиться в семенники, а не яичник. Sry экспрессируется в небольшой группе соматических клеток гонад и влияет на эти клетки, превращая их в клетки Сертоли (поддерживающие клетки в яичках). Клетки Сертоли во многом ответственны за половое развитие по мужскому пути. Один из этих способов включает стимуляцию прибывающих примордиальных клеток к дифференцировке в сперматозоиды . В отсутствие гена Sry первичные половые клетки дифференцируются в яйца . Удаление половых гребней до того, как они начнут развиваться в яички или яичники, приводит к развитию женщины, независимо от несущей половой хромосомы .

Ретиноевая кислота и дифференцировка зародышевых клеток

Ретиноевая кислота (РА) - важный фактор, вызывающий дифференцировку примордиальных половых клеток. У мужчин мезонефрос выделяет ретиноевую кислоту. Затем RA переходит в гонаду, вызывая высвобождение фермента CYP26B1 клетками Сертоли. CYP26B1 метаболизирует RA, и поскольку клетки Сертоли окружают примордиальные половые клетки (PGC), PGC никогда не контактируют с RA, что приводит к отсутствию пролиферации PGC и отсутствию мейотического входа. Это предотвращает слишком раннее начало сперматогенеза. У женщин мезонефрос выделяет РА, который проникает в гонады. RA стимулирует Stra8, критический привратник мейоза (1), и Rec8, заставляя примордиальные половые клетки вступать в мейоз. Это вызывает остановку развития ооцитов в мейозе I.

Гаметогенез

Гаметогенез , развитие диплоидных зародышевых клеток либо в гаплоидные яйца, либо в сперматозоиды (соответственно оогенез и сперматогенез) различны для каждого вида, но общие стадии схожи. Оогенез и сперматогенез имеют много общих черт, они оба включают:

  • Мейоз
  • Обширная морфологическая дифференциация
  • Неспособность выжить очень долго, если не произойдет оплодотворение

Несмотря на свою гомологию, у них также есть существенные различия:

  • Сперматогенез имеет эквивалентные мейотические деления, приводящие к четырем эквивалентным сперматидам, в то время как оогенный мейоз асимметричен : только одна яйцеклетка формируется вместе с первым и вторым полярными тельцами .
  • Разные сроки созревания: оогенный мейоз прерывается на одной или нескольких стадиях (на длительное время), в то время как сперматогенный мейоз происходит быстро и непрерывно.

Оогенез

После миграции первичные половые клетки станут оогониями в формирующейся гонаде (яичнике). Оогонии широко размножаются путем митотических делений, до 5-7 миллионов клеток у человека. Но затем многие из этих оогоний умирают, а около 50 000 остаются. Эти клетки дифференцируются в первичные ооциты. На 11-12 неделе после полового акта начинается первое мейотическое деление (до рождения у большинства млекопитающих) и остается задержанным в профазе I от нескольких дней до многих лет в зависимости от вида. Именно в этот период или в некоторых случаях в начале половой зрелости первичные ооциты секретируют белки, чтобы сформировать оболочку, называемую блестящей оболочкой, а также они производят кортикальные гранулы, содержащие ферменты и белки, необходимые для оплодотворения. Мейоз остается в стороне из-за фолликулярных гранулезных клеток, которые посылают тормозные сигналы через щелевые соединения и пеллюцидную зону. Половое созревание - это начало периодической овуляции. Овуляция - это регулярный выброс одного ооцита из яичника в репродуктивный тракт, которому предшествует рост фолликулов. Несколько клеток фолликула стимулируются к росту, но овулируется только один ооцит. Первородный фолликул состоит из эпителиального слоя фолликулярных гранулезных клеток, окружающих ооцит. Гипофиза секретировать фолликулостимулирующий гормоны (FSHs) , которые стимулируют рост фолликулов и созревание ооцитов. В дуральную клетке вокруг каждого фолликул секретирует эстрогены . Этот гормон стимулирует выработку рецепторов ФСГ на гранулезных клетках фолликулов и в то же время имеет отрицательную обратную связь по секреции ФСГ. Это приводит к конкуренции между фолликулами, и только фолликул с наибольшим количеством рецепторов ФСГ выживает и овулирует. Мейотическое деление I происходит в овулированном ооците, стимулируемом лютеинизирующими гормонами (ЛГ), продуцируемыми гипофизом . ФСГ и ЛГ блокируют щелевые соединения между клетками фолликула и ооцитом, тем самым подавляя связь между ними. Большинство фолликулярных гранулезных клеток остаются вокруг ооцита и образуют кумулюсный слой. В крупных ооцитах не млекопитающих накапливаются яичный желток , гликоген , липиды , рибосомы и мРНК, необходимые для синтеза белка во время раннего эмбрионального роста. Этот интенсивный биосинтез РНК отражается в структуре хромосом , которые деконденсируются и образуют боковые петли, придавая им вид ламповых щеток (см. Хромосома ламповых щеток ). Созревание ооцита - это следующая фаза развития ооцита. Это происходит в период половой зрелости, когда гормоны стимулируют ооцит к завершению мейотического деления I. Мейотическое деление I дает 2 клетки, различающиеся по размеру: маленькое полярное тельце и большой вторичный ооцит. Вторичный ооцит подвергается мейотическому делению II, что приводит к образованию второго маленького полярного тельца и большого зрелого яйца, которые являются гаплоидными клетками. Полярные тела вырождаются. Созревание ооцитов у большинства позвоночных происходит в метафазе II. Во время овуляции задержанный вторичный ооцит покидает яичник и быстро созревает в яйцеклетку, готовую к оплодотворению. Оплодотворение приведет к завершению мейоза II яйцеклетки. У самок человека наблюдается разрастание оогониев у плода, мейоз начинается еще до рождения и сохраняется на I делении мейоза до 50 лет, овуляция начинается в период полового созревания .

Рост яиц

Соматической клетке размером 10-20 мкм обычно требуется 24 часа, чтобы удвоить ее массу для митоза. Таким образом, этой клетке потребуется очень много времени, чтобы достичь размера яйца млекопитающего с диаметром 100 мкм (у некоторых насекомых размер яйца составляет около 1000 мкм или больше). Поэтому у яиц есть особые механизмы для роста до больших размеров. Один из этих механизмов - наличие дополнительных копий генов : мейотическое деление I приостанавливается, так что ооцит растет, в то время как он содержит два диплоидных набора хромосом. Некоторые виды производят много дополнительных копий генов, например у земноводных, у которых может быть до 1 или 2 миллионов копий. Дополнительный механизм частично зависит от синтеза других клеток. У земноводных, птиц и насекомых желток вырабатывается печенью (или ее эквивалентом) и выделяется в кровь . Соседние добавочные клетки в яичнике также могут оказывать питательную помощь двух типов. У некоторых беспозвоночных некоторые оогонии становятся питательными клетками . Эти клетки связаны цитоплазматическими мостиками с ооцитами. Клетки-кормилицы насекомых обеспечивают ооциты макромолекулами, такими как белки и мРНК. Фолликулярные гранулезные клетки являются вторым типом дополнительных клеток яичника как у беспозвоночных, так и у позвоночных. Они образуют слой вокруг ооцита и питают его небольшими молекулами, но не макромолекулами, а в конечном итоге их более мелкими молекулами-предшественниками посредством щелевых контактов .

Мутация и восстановление ДНК

Согласно одному исследованию, частота мутаций женских зародышевых клеток у мышей примерно в 5 раз ниже, чем у соматических клеток .

Мыши ооциты в dictyate стадии (длительный диплотенно) от мейоза активно ремонта повреждений ДНК , тогда как восстановление ДНК не было обнаружено в предварительном dictyate ( leptotene , зиготенно и пахитены ) стадия мейоза. Длительный период ареста мейоза на стадии мейоза с четырьмя хроматидными диктиатами может способствовать рекомбинационной репарации повреждений ДНК.

Сперматогенез

Сперматогенез млекопитающих характерен 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 размножаются путем митотических делений по внешнему краю семенных канальцев , рядом с базальной пластинкой . Некоторые из этих клеток останавливают пролиферацию и дифференцируются в первичные сперматоциты. После того, как они проходят первое деление мейоза, образуются два вторичных сперматоцита. Два вторичных сперматоцита подвергаются второму мейотическому делению с образованием четырех гаплоидных сперматид. Эти сперматиды морфологически дифференцируются в сперматозоиды путем конденсации ядер, выброса цитоплазмы и образования акросомы и жгутика .

Развивающиеся мужские половые клетки не завершают цитокинез во время сперматогенеза. Следовательно, цитоплазматические мостики обеспечивают связь между клонами дифференцирующихся дочерних клеток с образованием синцития . Таким образом, гаплоидные клетки снабжены всеми продуктами полного диплоидного генома . Например, сперматозоиды, несущие Y-хромосому , снабжены необходимыми молекулами, которые кодируются генами на X-хромосоме .

Успех пролиферации и дифференцировки зародышевых клеток также обеспечивается балансом между развитием зародышевых клеток и запрограммированной гибелью клеток. Идентификация «сигналов, запускающих смерть» и соответствующих рецепторных белков важна для оплодотворяющего потенциала самцов. Апоптоз в половых клетках может быть вызван множеством токсичных веществ природного происхождения. Рецепторы, принадлежащие к семейству вкусов 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 для клеток на разных стадиях сперматогенеза у мышей аналогична таковой в женских половых клетках, что в 5-10 раз ниже, чем частота мутаций в соматических клетках. Таким образом, низкая частота мутаций является особенностью зародышевых клеток у обоих полов. . Гомологичная рекомбинационная репарация двухцепочечных разрывов происходит у мышей во время последовательных стадий сперматогенеза, но наиболее заметна в сперматоцитах . Более низкие частоты мутаций в половых клетках по сравнению с соматическими клетками, по-видимому, связаны с более эффективным удалением повреждений ДНК с помощью процессов репарации, включая репарацию гомологичной рекомбинацией во время мейоза. Частота мутаций при сперматогенезе увеличивается с возрастом. Мутации в сперматогенных клетках старых мышей включают повышенную распространенность трансверсионных мутаций по сравнению с мышами молодого и среднего возраста.

Болезни

Опухоль из зародышевых клеток - это редкая форма рака, которая может поражать людей в любом возрасте. По состоянию на 2018 год опухоли половых клеток составляют 3% от всех онкологических заболеваний у детей и подростков в возрасте 0-19 лет.

Опухоли зародышевых клеток обычно располагаются в половых железах, но также могут появляться в брюшной полости , тазу , средостении или головном мозге . Зародышевые клетки, мигрирующие в гонады, могут не добраться до предполагаемого места назначения, и опухоль может расти, где бы они ни оказались, но точная причина до сих пор неизвестна. Эти опухоли могут быть доброкачественными или злокачественными .

По прибытии в гонадах, эмбриональные стволовые клетки , которые не должным образом дифференцируют может привести к зародышевой клетки опухоли из яичника или яичка в мышиной модели .

Индуцированная дифференциация

Индуцирование дифференцировки определенных клеток в половые клетки имеет множество применений. Одним из следствий индуцированной дифференциации является то, что она может позволить искоренить мужское и женское факторное бесплодие. Кроме того, это позволило бы однополым парам иметь биологических детей, если бы сперма могла быть произведена из женских клеток или если бы яйцеклетки могли быть произведены из мужских клеток. Первые попытки создать сперму и яйцеклетки из кожи и эмбриональных стволовых клеток были предприняты исследовательской группой Хаяси и Сайто в Университете Киото. Эти исследователи получили in vitro первичные зародышевые клетки (PGLC) из эмбриональных стволовых клеток (ESC) и клеток кожи.

Группа Хаяши и Сайто смогла способствовать дифференцировке эмбриональных стволовых клеток в PGC с использованием точного времени и костного морфогенетического белка 4 (Bmp4). После успеха с эмбриональными стволовыми клетками, группа смогла успешно способствовать дифференцировке индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) в ПГЛК. Эти первичные клетки, подобные зародышевым клеткам, затем были использованы для создания сперматозоидов и ооцитов.

Усилия для человеческих клеток менее продвинуты из-за того факта, что PGC, образованные в этих экспериментах, не всегда жизнеспособны. Фактически, метод Хаяси и Сайто только на треть эффективнее существующих методов экстракорпорального оплодотворения, а полученные PGC не всегда работают. Более того, индуцированные PGC не только не так эффективны, как природные PGC, но они также менее эффективны при стирании своих эпигенетических маркеров, когда они дифференцируются от ИПСК или ЭСК на PGC.

Есть и другие применения индуцированной дифференцировки половых клеток. Другое исследование показало, что культура человеческих эмбриональных стволовых клеток в митотически инактивированных фибробластах яичников свиней (POF) вызывает дифференцировку в половые клетки, о чем свидетельствует анализ экспрессии генов .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки