Definice:
Zárodečné buňky jsou v podstatě embryonální předchůdci vaječných a spermatických buněk (gamet), které se podílejí na pohlavním rozmnožování živočichů. U obratlovců vznikají tyto buňky v raném vývoji mimo embryo, než migrují do reprodukčních orgánů organismu.
Například u myší pocházejí z předgastračních, postimplantačních embryí (zárodek, který se teprve připojuje k děložní stěně). Protože hrají důležitou roli při předávání informací z jedné generace na druhou, jsou zárodečné buňky v některých sférách označovány jako nesmrtelné buňky.
* Vzhledem k tomu, že všechny buňky organismu jsou potomky prvotních zárodečných buněk (PGC), jsou PGC často označovány jako totipotentní.
Mezi vlastnosti zárodečných buněk patří např:
- Kulatý nebo oválný tvar
- Velká velikost (v závislosti na organismu od 10 do 20 um)
- Světélkující, excentricky umístěné jádro
- Používají k migraci améboidní pohyb
- Vysoká aktivita alkalické fosfatázy
Embryonální vývoj zárodečných buněk
Stejně jako u všech ostatních buněk (v somatické tkáni) je i vývoj zárodečných buněk vysoce regulován, aby se organismus stal plodným a schopným reprodukce. U obratlovců je tento proces znám jako PGC specifikace (specifikace zárodečných buněk) a dělí se na dva způsoby, a to; indukční způsob a zárodečný způsob.
* Specifikace zárodečných buněk označuje proces, jehož prostřednictvím jsou zárodečné buňky vyčleněny.
Germplasma – Při tomto mechanismu specifikace zárodečných buněk jsou na určitém místě v oocytu nebo v raném embryu vyčleněny mateřsky zděděné proteiny (včetně RNA, některých organel atd.) s instruktivní informací, která řídí diferenciaci buněk v zárodečné buňky.
Například u D. melanogaster jsou proteiny a RNA produkované sesterskými buňkami transportovány do oocytu přes cytoplazmatické můstky a po připojení k oocytu se lokalizují v zadní části ooplazmy. Zde se z ooplazmy stává zárodečná plazma a buňky, které ji během embryogeneze zdědí, se vyvinou v primordiální zárodečné buňky.
Na základě řady studií byla ztráta zárodečné plazmy spojena s absencí nebo úbytkem zárodečných buněk, což dokazuje, že složky zárodečné plazmy jsou pro vývoj zárodečných buněk klíčové.
Indukce
V porovnání se specifikací zárodečných buněk se u většiny živočichů jako běžnější mechanismus specifikace zárodečných buněk ukázala indukce. Je podobná ostatním mechanismům používaným pro specifikaci buněk v těle a zahrnuje indukci zárodečných buněk prostřednictvím signálů z extraembryonálního ektodermu.
U myšího embrya, stejně jako je tomu u mnoha dalších živočišných embryí, vysílá extraembryonální ektoderm signály (Bmp4/8- Bone marrow promoting factor 4/8) do epiblastu (vlastního embrya), který následně stimuluje buňky v interfázi k vývoji v primordiální zárodečné buňky.
Mezi organismy, u nichž se zárodečné buňky diferencují epigeneticky (podílí se na nich zárodečná plazma), patří např:
- Salamandry
- Různí jiní ještěři
- Samci (člověk, paviáni atd.)
- Ptáci
Mezi organismy, u nichž se zárodečné buňky tvoří v důsledku indukce, patří např:
- Zebrafish
- Drosophila
- C. elegans
Vývoj
Jako zárodečné kmenové buňky vznikají primordiální zárodečné buňky z malé skupiny buněk, které se nacházejí mimo embryo na počátku embryogeneze (několik dní nebo několik týdnů v závislosti na typu organismu).
U člověka lze první populaci těchto buněk nalézt v endodermu hřbetní stěny nacházející se ve žloutkovém váčku v blízkosti alantois během třetího týdne vývoje embrya. Do této oblasti však migrují z primárního ektodermu, což ukazuje, že na počátku embryogeneze pocházejí z extraembryonálního oddílu.
Přibližně ve čtvrtém týdnu vývoje embrya začínají buňky (primordiální zárodečné buňky) migrovat z ektodermu do embrya, čímž se stávají extraembryonálními (nacházejí se v oddílech žloutkového vaku známých jako endoderm a mezoderm). Odtud (v následujících dvou týdnech vývoje embrya) začnou zárodečné buňky při svém množení migrovat směrem ke gonádám.
Migrace se dělí na tři hlavní fáze, které zahrnují:
– Oddělovací fázi – Primordiální zárodečné buňky se přesouvají z epitelu zadního střeva do mezenchymu.
– Druhá fáze migrace – Pomocí améboidního pohybu migrují primordiální zárodečné buňky z mezenchymu (mezenchymální buňky v hřbetním mezenteriu) směrem k pohlavním hřebenům.
– Fáze kolonizace – Jedná se o poslední fázi migrace, kdy buňky dorazí do gonád (pohlavních hřebenů) a osídlí je.
* Aby se mohl spustit program zárodečných buněk, je nejprve potlačena exprese somatických genů.
* Ukázalo se, že proliferace a migrace primordiálních zárodečných buněk je u myší ovlivňována faktory, jako je TGFbeta1. Tyto faktory jsou uvolňovány z genitálních hřebenů a ovlivňují buňky k migraci do této oblasti.
Charakteristiky používané při identifikaci zárodečných buněk
Kromě toho, že mají velké jádro a jsou velké, mají zárodečné buňky také nepravidelný obrys, vysokou hustotu cytoplazmy a při pohledu pod mikroskopem se mohou jevit jako kulaté nebo oválné.
Vysoká aktivita alkalické fosfatázy je pozorována v periferní cytoplazmě buněk.
Specifická RNA a proteiny jako vasa nacházející se v cytoplazmě těchto buněk se používají jako molekulární markery pro detekci primordiálních zárodečných buněk.
Mezi další složky zárodečných buněk (ultrastruktura) patří např:
- Nukleární materiál
- Ribosom
- Mitochondrie – kulatý tvar
- Náhodně rozptýlené žloutkové a olejové částice v cytoplazmě
- Zárodková cytoplazma/zárodečná plazma
Funkce: Gamety: Vývoj zárodečných buněk na gamety
Předtím, než se zárodečné buňky vyvinou na gamety, projdou nejprve řadou změn, které je připraví na vývoj v samčí, respektive samičí gamety u samců a samic.
Na základě výzkumných studií provedených v roce 2002 bylo zjištěno, že po příchodu do gonád (samčích nebo samičích pohlavních žláz) dochází k demetylaci DNA, která odstraňuje metylační značky imprintovaných genů, které jsou přítomny na genomech buněk. Přitom dochází k resetu primordiálních zárodečných buněk.
To je obzvláště důležité, protože to pomáhá zajistit, že nové epigenetické značky budou odrážet pohlaví vyvíjejícího se embrya. Po určení pohlaví embrya jsou genové otisky vhodně obnoveny jako mateřské nebo otcovské. Na tomto procesu se podílejí enzymy známé jako DNA metyltransferázy, které zahrnují metylové skupiny k některým cytosinovým nukleotidům.
* U samic dochází k novému otisku po první fázi meiózy (postembryonálně). U mužů však k němu dochází ještě před meiózou.
V gonádách se počet primordiálních buněk zvyšuje rychlou mitotickou proliferací. Díky tomu se populace zárodečných buněk zvýší z několika tisíc na několik milionů. Zatímco dělení ženských zárodečných buněk ustává, mužské zárodečné buňky se po narození dále dělí.
Co se týče tvorby gamet, zárodečná linie vzniklá během embryonálního vývoje se podílí na oogenezi (u ženy) a spermatogenezi (u muže). U ženy začíná oogeneze tím, že PGC ve vaječnících vytvoří skupinu nezralých zárodečných buněk, které jsou známé jako oogonie.
Tyto buňky nejprve procházejí procesem buněčného dělení známým jako mitóza, dokud organismus nedosáhne středního věku plodu, Po 20 týdnech těhotenství; některé z buněk jsou zničeny apoptózou, zatímco zbytek (primární oocyty) zůstává neaktivní, než organismus dosáhne puberty. U mužů tento proces probíhá ve varlatech za vzniku spermatogonií, které jsou diploidní povahy.
* Zárodečné buňky, které jsou diploidní, procházejí mitózou za vzniku spermatogonií/oogonií a nakonec primárních spermatocytů/ocytů. Primární spermatocyty a oocyty však musí projít redukčním dělicím cyklem známým jako meióza.
Přestože primární oocyt i spermatocyt procházejí dvěma meiotickými fázemi, meiotickými procesy spermatocytů vznikají čtyři haploidní buňky (spermie), zatímco meiotickými procesy primárního oocytu vzniká jedno haploidní vajíčko.
* Zatímco diploidní buňky (např. primordiální zárodečné buňky) mají dvě sady chromozomů (2n), diploidní buňky (např. zralé spermie), mají pouze jednu sadu chromozomů (n).
* Když se haploidní gamety (vajíčko samice a spermatická buňka samce) spojí, vznikne diploidní zygota, která pokračuje ve vývoji a vytvoří nového jedince. Vzhledem k tomu, že zygota je produktem spojení gamet, obsahuje sadu chromozomů od samce i samice.
Zárodečné buňky vs. somatické buňky
Ve vývoji embrya se zárodečné buňky oddělují od somatických buněk. Jakmile k tomuto oddělení dojde, není vratné a každá skupina buněk pokračuje ve své cestě.
U některých organismů bylo prokázáno, že k tomuto oddělení dochází až v dospělosti. Bez ohledu na to je toto oddělení důležité nejen proto, že zajišťuje plodnost dospělého organismu a schopnost předat genetický materiál další generaci, ale také proto, že zajišťuje normální vývoj zárodečných buněk.
Somatické a zárodečné buňky jsou tedy různé typy buněk, které se liší několika vlastnostmi. Například ve srovnání se zárodečnými buňkami jsou somatické buňky z větší části běžné tělesné buňky, které se podílejí na nepohlavním rozmnožování.
Jako takové jsou běžnými typy buněk jinými než buňky rozmnožovací. Vznikají mitózou, jejímž výsledkem je tvorba identických dceřiných buněk, které obsahují dvě sady homologních chromozomů (2n), a jsou tedy buňkami diploidními. Každá buňka vzniklá mitózou (mitotická buňka) se tedy bude podobat mateřské buňce.
* U několika druhů bylo prokázáno, že obsahují haploidní somatické buňky.
Na rozdíl od somatických buněk, které budují mnohobuněčné tělo organismu mitotickým dělením, zárodečné buňky procházejí buněčným dělením za vzniku gamet, které jsou haploidní a účastní se pohlavního rozmnožování.
Na rozdíl od somatických buněk, které tvoří většinu buněk; vzhledem k tomu, že jsou uspořádány do různých typů tělních tkání, je zárodečných buněk méně, protože se podílejí především na tvorbě gamet.
* Oba typy buněk mají sice několik rozdílů, ale také několik podobností – u většiny živočichů jsou obě diploidní, což znamená, že mají dvě sady homologních chromozomů. Na druhou stranu se obě diferencují ve specifické typy buněk, které v těle plní specifické role.
Zárodečné buňky v rakovině/nádorovém onemocnění
V případě, že jsou primordiální zárodečné buňky špatně nasměrovány a skončí uloženy v extragonadálních oblastech (obecně známých jako extragonadální místa), obvykle odumírají, protože nemohou plnit svou funkci na jiných místech než v gonádách.
V některých případech však některé zárodečné buňky přežijí a vyvinou se v nádory. Takové vady, jako jsou malformace nervového systému a močopohlavního ústrojí atd. mohou zvyšovat riziko vzniku nádorů podél střední linie (cesta, kterou se zárodečné buňky ubírají, než dorazí do pohlavních žláz).
Ačkoli jsou nádory ze zárodečných buněk vzácné (tvoří 2 až 4 procenta všech nádorů u dětí a dospívajících), bylo identifikováno několik typů nádorů ze zárodečných buněk.
Mezi ně patří:
Nádory ze zárodečných buněk gonád
Jedná se o typ nádorů, které se vyvíjejí v reprodukčním orgánu (gonádě) dítěte, jako např:
Nádory ze zárodečných buněk vaječníků – Většinou bylo prokázáno, že nádory ze zárodečných buněk vaječníků se vyvíjejí v jednom vaječníku u dívek ve věku 10 až 14 let. V případě, že jsou rakovinné, jsou tyto nádory ze zárodečných buněk vaječníků označovány jako dysgerminom.
Ačkoli se tyto nádory vyvíjejí ve vaječníku, jsou schopny se rozšířit i do jiných částí těla (zhoubné nádory). Ve většině případů jsou však tyto nádory nenádorové a vyvíjejí se v cysty známé jako teratomy.
Nádory ze zárodečných buněk varlat – Bylo prokázáno, že většina nádorů varlat začíná v zárodečných buňkách. Tyto nádory jsou časté u dospívajících a mladších mužů.
Nádory varlat se dělí do dvou hlavních kategorií, které zahrnují:
Seminom
Nádory, které jsou ze 100 % seminomy, se liší od další kategorie nádorů varlat. Ačkoli z velké části postihuje varlata, v několika málo případech se vyskytuje i v některé z dalších mimogonadálních lokalizací včetně mediastina. Ve srovnání s některými dalšími nádory varlat je seminom velmi dobře léčitelný s nejvyšší mírou přežití.
Nádor neseminomu
Nádor neseminomu se dělí na několik typů nádorů, mezi které patří:
– Nádor žloutkového váčku – Nádory žloutkového váčku, známé také jako nádory endodermální dutiny, běžně postihují varlata a vaječníky a mají tendenci se rychle šířit do jiných částí těla (např. do lymfatických uzlin).
– Teratom – Tento typ nádoru vzniká při chybném nasměrování primordiálních buněk. Jejich vývoj vede k tvorbě výrůstků, které obsahují diferencované tkáně, jako jsou vlasy, kůže a chrupavky, mezi. Tyto typy nádorů se nejčastěji vyskytují v takových lokalitách, jako je ústní a sakrokokcygeální oblast.
– Embryonální karcinom – Tento typ nádoru vzniká, když se rakovinné buňky nádoru smísí s jinými typy nádorů ze zárodečných buněk, což způsobí jejich rakovinné bujení. Je charakterizován přítomností primitivních epitelových buněk s výrazným pleomorfismem.
– Choriokarcinom – tento typ rakoviny je častý v děloze a postihuje buňky tvořící placentu.
Extrakraniální extragonadální germinální nádory
Nádory ze zárodečných buněk, které se nevyskytují specificky v gonádách, se nazývají extrakraniální extragonadální germinální nádory. Jako takové začínají ve spermatických a vaječných buňkách a šíří se do jiných částí těla mimo gonády
Nedostanou se do mozku. Jsou proto časté podél střední čáry, která probíhá od epifýzy ke kostrči. Mediastinum, střední část hrudníku, je nejčastějším místem výskytu těchto nádorů v raném dětství.
Mezi léčebné postupy používané k léčbě nádorů/rakovin ze zárodečných buněk patří např:
- Chirurgické odstranění rakovinných buněk/tkáně
- Chemoterapie – použití léků, které ničí rakovinné buňky a zabraňují jejich šíření do dalších částí těla
- Ozařování – použití léků, které ničí rakovinné buňky. Jedná se o použití rentgenového záření k usmrcení rakovinných buněk
Přečtěte si více zde o buněčném dělení a apoptóze
Jaké jsou rozdíly mezi meiózou a mitózou?
Zpět k učení o spermatických buňkách, stejně jako o Sertoliho buňkách a Leydigových buňkách
Zpět od zárodečných buněk k MicroscopeMaster home
Cassandra G. Extavour a Michael Akam (2003). Mechanismy specifikace zárodečných buněk u metazoí: epigeneze a preformace.
Cynthia R. Wagner. (2010). Zárodečné buňky a epigenetika. Nature Masterclass.
Inbar Maayan. (2011). Meióza u člověka.
Mark Van Doren. (2011). Buněčná biologie životního cyklu zárodečných buněk. NCBI Resources.
Pritesh Krishnakumar a Roland Dosch. (2018). Germ Cell Specification (Specifikace zárodečných buněk): The Evolution of a Recipe to Make Germ Cells (Evoluce receptu na tvorbu zárodečných buněk).
