Войти
Клетки, дающие начало гамете, часто откладываются во время эмбрионального дробления. Во время развития эти клетки будут дифференцироваться в первичные зародышевые клетки, мигрировать к месту расположения гонад и сформировать зародышевую линию животного.
Расщепление у большинства животных отделяет клетки, содержащие зародышевую плазму, от других клеток. Зародышевая плазма эффективно отключает экспрессию генов, делая геном клетки инертным. Клетки, экспрессирующие зародышевую плазму, становятся первичными зародышевыми клетками (PGC), которые затем дают начало гаметам. С другой стороны, развитие зародышевой линии у млекопитающих происходит путем индукции, а не с помощью эндогенной зародышевой плазмы.
Зародышевая плазма была подробно изучена на дрозофиле. Задний полюс эмбриона содержит необходимые материалы для плодовитости мухи. Эта цитоплазма, полюсная плазма, содержит специализированные материалы, называемые полярными гранулами, а полюсные клетки являются предшественниками первичных половых клеток.
Полюсная плазма организована и содержит белки и мРНК задней групповые гены (например, oskar, nanos gene, Tudor, vasa и Valois). Эти гены играют роль в развитии зародышевой линии, локализуя мРНК наноразмеров в задней части и локализуя детерминанты зародышевых клеток. Потомство дрозофилы с мутациями в этих генах не может производить полюсные клетки и, таким образом, является бесплодным, что дало этим мутациям название «внучатые». Гены Oskar, nanos и герминогенные клетки (gcl) играют важную роль. Оскара достаточно, чтобы задействовать другие гены для формирования функциональной зародышевой плазмы. Nanos необходимы для предотвращения митоза и соматической дифференцировки, а также для миграции полюсных клеток, чтобы функционировать как PGCs (см. Следующий раздел). Gcl необходим (но недостаточен) для образования полюсных клеток. В дополнение к этим генам компонент полярных гранул Pgc блокирует фосфорилирование и, следовательно, активацию РНК-полимеразы II и отключает транскрипцию.
Подобная зародышевая плазма была обнаружена у амфибий в полярная цитоплазма на вегетативном полюсе. Эта цитоплазма перемещается в нижнюю часть бластоцеля и в конечном итоге становится собственной субпопуляцией энтодермальных клеток. Несмотря на то, что зародышевая плазма предназначена для производства половых клеток, зародышевая плазма не делает необратимым образом эти клетки для производства гамет и никаких других типов клеток.
Первая фаза миграции у Drosophila происходит, когда полюсные клетки пассивно перемещаются и складываются в инвагинацию средней кишки. Активная миграция происходит за счет репеллентов и аттрактантов. Экспрессия wunen в энтодерме отталкивает PGCs. Экспрессия columbus и hedgehog привлекает PGCs к мезодермальным предшественникам гонад. Во время миграции требуются наночастицы. Независимо от места инъекции PGC, PGC способны правильно мигрировать к своим сайтам-мишеням.
У рыбок данио PGCs экспрессируют два белка трансмембранного рецептора CXCR4. Сигнальная система, включающая этот белок и его лиганд, Sdf1, необходима и достаточна для управления миграцией PGC у рыб.
У лягушек PGC мигрируют по брыжейке в мезодерму гонад, чему способствует ориентированный внеклеточный матрикс с фибронектином. Имеются также данные о системе CXCR4 / Sdf1 у лягушек.
У птиц PGCs возникают из эпибласта и мигрируют в переднюю часть примитивной полоски к зародышевому гребню. Оттуда они используют кровеносные сосуды, чтобы найти путь к гонаде. Также используется система CXCR4 / Sdf1, хотя это может быть не единственный необходимый метод.
У мышей первичные половые клетки (PGC) возникают в задняя примитивная полоса эмбриона и начинает мигрировать примерно через 6,25 дня после зачатия. PGC начинают мигрировать в эмбриональную энтодерму, а затем в заднюю кишку и, наконец, в будущее генитальные гребни, где находятся соматические предшественники гонад. Эта миграция требует ряда аттрактантов и репеллентов, а также ряда адгезионных молекул, таких как E-кадгерин и β1-интегрин, чтобы направлять миграцию PGC. Примерно через 10 дней после зачатия; PGC занимают генитальный гребень, где они начинают терять подвижность и поляризованную форму.
PGC млекопитающих определяется передачей сигналов между клетками (индукция), а не сегрегацией зародышевой плазмы при делении эмбриона. У мышей PGCs происходят из проксимального эпибласта, близко к экстраэмбриональной эктодерме (ExE) постимплантационного эмбриона уже на эмбриональный день 6.5. К ст. E7.5 основная популяция примерно 40 PGCs генерируется в этой области эпибласта в развивающемся эмбрионе мыши. Однако эпибласт также дает начало клонам соматических клеток, которые составляют собственно эмбрион; включая энтодерму, эктодерму и мезодерму. Спецификация первичных половых клеток у млекопитающих в основном приписывается нисходящим функциям двух сигнальных путей; сигнальный путь BMP и канонический путь WNT / β-катенин.
Костный морфогенетический белок 4 (BMP4) высвобождается внеэмбриональной эктодермой (ExE) в эмбриональные дни 5,5-5,75, непосредственно прилегая к эпибласт и заставляет область эпибласта, ближайшую к ExE, экспрессировать Blimp1 и Prdm14 дозозависимым образом. Это очевидно, поскольку количество PGC, образующихся в эпибласте, уменьшается пропорционально потере аллелей BMP4. BMP4 действует через свои нижестоящие факторы межклеточной транскрипции SMAD1 и SMAD5. Примерно в то же время WNT3 начинает экспрессироваться в задней висцеральной энтодерме эпибласта. Было показано, что передача сигналов WNT3 важна для того, чтобы эпибласт приобрел чувствительность к сигналу BMP4 от ExE. Мутанты WNT3 не могут создать первичную популяцию зародышевых клеток, но она может быть восстановлена с помощью экзогенной активности WNT. Путь передачи сигналов WNT3 / β-catenin важен для экспрессии фактора транскрипции Т (Brachyury), фактора транскрипции, который ранее был охарактеризован соматическими и мезодермоспецифическими генами. Недавно было обнаружено, что T необходим и достаточен для индукции экспрессии известных генов спецификации PGC Blimp1 и Prdm14. Индукция фактора транскрипции Т наблюдалась через 12 часов после передачи сигналов BMP / WNT, в отличие от 24–36 часов, которые потребовались для экспрессии генов Blimp1 и Prdm14. Фактор транскрипции T действует выше BLIMP1 и Prdm14 в спецификации PGC, связываясь с соответствующими генами энхансерных элементов. Важно отметить, что хотя T может активировать экспрессию Blimp1 и Prdm14 в отсутствие как BMP4, так и WNT3, предварительное воздействие на предшественников PGC WNT (без BMP4) не позволяет T активировать эти гены. Детали о том, как BMP4 предотвращает индукцию T мезодермальных генов и активирует только гены спецификации PGC, остаются неясными.
Экспрессия Blimp1 является самым ранним известным маркером спецификации PGC. Мутация в гене Blimp1 приводит к образованию PGC-подобных клеток на 8,5-й день эмбриона, которые очень похожи на соседние с ними соматические клетки. Центральная роль Blimp 1 - индукция Tcfap2c, фактора транскрипции спирали. Мутанты Tcfap2c демонстрировали раннюю потерю примордиальных половых клеток. Считается, что Tcfap2c подавляет экспрессию соматических генов, включая мезодермальный маркер Hoxb1. Итак, Blimp1, Tcfap2c и Prdm14 вместе способны активировать и репрессировать транскрипцию всех необходимых генов для регулирования спецификации PGC. Мутация Prdm14 приводит к образованию PGCs, которые теряются к 11.5 дню эмбриона. Потеря PGCs в мутанте Prdm14 происходит из-за сбоя в глобальном стирании паттернов метилирования гистона 3. Blimp1 и Prdm14 также вызывают другое эпигенетическое событие, которое вызывает глобальное деметилирование ДНК.
Другими известными генами, положительно регулируемыми Blimp1 и Prdm14, являются: Sox2, Nanos3, Nanog, Stella и Fragilis. В то же время Blimp1 и Prdm14 также репрессируют транскрипцию программ, которые управляют соматической дифференцировкой, путем ингибирования транскрипции генов семейства Hox. Таким образом, Blimp1 и Prdm14 управляют спецификацией PGC, способствуя развитию зародышевой линии и потенциальным программам транскрипции плюрипотентности, при этом не позволяя клеткам принимать соматическую судьбу.
Благодаря обширным знаниям о спецификации PGC in vivo, собранным за последние несколько десятилетий, было предпринято несколько попыток создания PGC in vitro из постимплантационного эпибласта. Различные группы смогли успешно создать PGC-подобные клетки, культивированные в присутствии BMP4 и различных цитокинов. Позднее эффективность этого процесса была увеличена за счет добавления фактора стволовых клеток (SCF), эпидермального фактора роста (EGF), фактора ингибирования лейкемии (LIF) и BMP8B. PGC-подобные клетки, созданные с помощью этого метода, можно трансплантировать в гонаду, где они дифференцируются и способны давать жизнеспособные гаметы и потомство in vivo. PGC-подобные клетки также могут быть получены из наивных эмбриональных стволовых клеток (ESC), которые культивируются в течение двух дней в присутствии FGF и активина-A, чтобы принять состояние, подобное эпибласту. Затем эти клетки культивируют с BMP4, BMP8B, EGF, LIF и SCF и различными цитокинами в течение еще четырех дней. Эти генерируемые in vitro PGC могут также развиваться в жизнеспособные гаметы и потомство.
До своего прибытия в гонады PGCs экспрессируют факторы плюрипотентности, генерируют линии плюрипотентных клеток в клеточная культура (известная как клетки EG,) и может продуцировать множественные опухоли, известные как тератомы. Сходные находки у других позвоночных указывают на то, что PGCs еще не необратимо обязуются производить гаметы, и никакой другой тип клеток. По прибытии в гонады PGC человека и мыши активируют широко консервативные факторы, специфичные для зародышевых клеток, и впоследствии подавляют экспрессию факторов плюрипотентности. Этот переход приводит к детерминированию половых клеток, форма клеточной фиксации, которая больше не является обратимой.
До того, как они заняли генитальный гребень, не было известной разницы между XX и XY PGC. Однако после завершения миграции и определения зародышевых клеток эти клетки зародышевой линии начинают дифференцироваться в соответствии с гонадной нишей.
Мужские PGC становятся известны как гоноциты, когда они прекращают миграцию и претерпевают митоз. Термин «гоноциты» обычно используется для описания всех стадий после PGC, пока гоноциты не дифференцируются в сперматогонии. Анатомически гоноциты можно идентифицировать как большие эухроматические клетки, которые часто имеют два ядрышка в ядре.
В мужском генитальном гребне временная экспрессия Sry заставляет поддерживающие клетки дифференцироваться в Клетки Сертоли, которые затем действуют как организующий центр дифференцировки семенников. Точечные мутации или делеции в кодирующей области Sry человека или мыши могут приводить к развитию самок у людей XY. Клетки Сертоли также предотвращают преждевременную дифференцировку гоноцитов. Они производят фермент CYP26B1, который противодействует окружающей ретиноевой кислоте. Ретиноевая кислота действует как сигнал гоноцитам для входа в мейоз. Было показано, что гоноциты и клетки Сертоли образуют разрыв и десмосомоподобные соединения, а также адгериновые соединения, состоящие из кадгеринов и коннексинов. Чтобы дифференцироваться в сперматогонии, гоноциты должны потерять свои соединения с клетками Сертоли и снова стать мигрирующими. Они мигрируют на базальную мембрану семенного канатика и дифференцируются.
В половых железах половые клетки подвергаются либо сперматогенезу, либо оогенезу, в зависимости от пола соответственно мужскому или женскому.
Митотические зародышевые стволовые клетки, сперматогонии, делятся путем митоза с образованием сперматоцитов, вовлеченных в мейоз. Сперматоциты делятся посредством мейоза с образованием сперматид. Постмейотические сперматиды дифференцируются посредством спермиогенеза, чтобы стать зрелыми и функциональными сперматозоидами. Сперматогенные клетки на разных стадиях развития у мышей имеют частоту мутация, которая в 5-10 раз ниже, чем частота мутаций в соматических клетках.
В Drosophila способность премейотических клеток мужской зародышевой линии восстанавливать двухцепочечную breaks резко снижается с возрастом. У мышей сперматогенез снижается с увеличением возраста отца, вероятно, из-за учащения мейотических ошибок.
митотические зародышевые стволовые клетки, оогонии, делятся путем митоза с образованием первичных ооцитов, вовлеченных в мейоз. В отличие от производства спермы, производство ооцитов не является непрерывным. Эти первичные ооциты начинают мейоз, но останавливаются в диплотене мейоза I, находясь в эмбрионе. Все оогонии и многие первичные ооциты умирают до рождения. После полового созревания у приматов небольшие группы ооцитов и фолликулов готовятся к овуляции, переходя в метафазу II. Только после оплодотворения мейоз завершается. Мейоз асимметричен, образуя полярные тельца и ооциты с большим количеством материала для эмбрионального развития. Частота мутаций клеток зародышевой линии самок мышей, как и клеток мужской зародышевой линии, также ниже, чем у соматических клеток. Низкая частота мутаций зародышевой линии, по-видимому, частично объясняется повышенным уровнем ферментов репарации ДНК, которые устраняют потенциально мутагенные повреждения ДНК. Повышенная генетическая целостность может быть фундаментальной характеристикой развития зародышевой линии.
