Cellule germinaliDefinizione, da embrionali a gameti, Vs cellule somatiche

Definizione: Cosa sono le cellule germinali?

In sostanza, le cellule germinali sono i precursori embrionali delle cellule uovo e sperma (gameti) coinvolte nella riproduzione sessuale negli animali. Nei vertebrati, queste cellule hanno origine all’esterno dell’embrione nei primi anni di sviluppo prima di migrare verso gli organi riproduttivi dell’organismo.

Per esempio, nei topi, hanno origine da embrioni pre-gastrulazione, post-impianto (un embrione che deve ancora attaccarsi alla parete uterina). Poiché giocano un ruolo importante nella trasmissione delle informazioni da una generazione all’altra, le cellule germinali sono chiamate in alcuni ambiti cellule immortali.

* Dato che tutte le cellule di un organismo discendono dalle cellule germinali primordiali (PGC), le PGC sono spesso definite totipotenti.

Alcune caratteristiche delle cellule germinali includono:

• di forma rotonda o ovale
• di grandi dimensioni (da 10 a 20 um a seconda dell’organismo)
• Voluminose, nucleo situato eccentricamente
• Utilizzano il movimento ameboide per migrare
• Alta attività della fosfatasi alcalina

Sviluppo embrionale delle cellule germinali

Come per tutte le altre cellule (nei tessuti somatici) anche lo sviluppo della linea germinale è altamente regolato per assicurare che l’organismo diventi fertile e capace di riprodursi. Nei vertebrati, questo processo è noto come specificazione PGC (specificazione delle cellule germinali) e si divide in due modalità, vale a dire; la modalità induttiva e il germoplasma.

* La specificazione delle cellule germinali si riferisce al processo attraverso il quale le cellule germinali sono messe da parte.

Germoplasma – In questo meccanismo di specificazione germinale, le proteine ereditate dalla madre (compresi gli RNA, alcuni organelli ecc.) sono messe da parte in una posizione specifica nell’ovocita o all’interno del primo embrione con le informazioni istruttive che dirigono la differenziazione delle cellule in cellule germinali.

In D. melanogaster, per esempio, le proteine e gli RNA prodotti dalle cellule nutrici sono trasportati all’ovocita attraverso i ponti citoplasmatici e si localizzano nella parte posteriore dell’ooplasma quando si attaccano all’ovocita. Qui, l’ooplasma diventa il germoplasma e le cellule che lo ereditano durante l’embriogenesi si sviluppano per diventare cellule germinali primordiali.

In base a diversi studi, la perdita del germoplasma è stata associata all’assenza o alla diminuzione delle cellule germinali dimostrando così che i componenti del germoplasma sono cruciali per lo sviluppo delle cellule germinali.

Induzione

Rispetto alla specificazione del germoplasma, l’induzione ha dimostrato di essere un meccanismo di specificazione delle cellule germinali più comune nella maggior parte degli animali. È simile agli altri meccanismi utilizzati per la specificazione cellulare nel corpo e comporta l’induzione delle cellule germinali attraverso segnali dall’ectoderma extra-embrionale.

Nell’embrione di topo come in molti altri embrioni animali, l’ectoderma extra-embrionale invia i segnali (Bmp4/8- Bone marrow promoting factor 4/8) all’epiblasto (embrione vero e proprio) che a sua volta stimola le cellule nell’interfase a svilupparsi in cellule germinali primordiali.

Alcuni degli organismi in cui le cellule germinali si differenziano epigeneticamente (il germoplasma è coinvolto) includono:

• Salamandre
• Varie altre lucertole
• Mammiferi (esseri umani, babbuini, ecc)
• Uccelli

Alcuni organismi in cui le cellule germinali sono prodotte come risultato di induzione includono:

• Zebrafish
• Drosophila
• C. elegans

Sviluppo

Come cellule staminali germinali, le cellule germinali primordiali hanno origine da un piccolo gruppo di cellule che si trovano all’esterno dell’embrione nelle prime fasi dell’embriogenesi (alcuni giorni o alcune settimane a seconda del tipo di organismo).

Negli esseri umani, la prima popolazione di queste cellule si trova nell’endoderma della parete dorsale situata nel sacco vitellino vicino all’allantoide durante la terza settimana di sviluppo embrionale. Tuttavia, migrano in questa regione dall’ectoderma primario, il che dimostra che provengono da un compartimento extra-embrionale all’inizio dell’embriogenesi.

In circa la quarta settimana di sviluppo embrionale, le cellule (Cellule Germinali Primordiali) iniziano a migrare dall’ectoderma e nell’embrione diventando così extraembrionali (situate in compartimenti del sacco vitellino conosciuti come endoderma e mesoderma). Da qui, (nelle due settimane successive di sviluppo dell’embrione), le cellule germinali iniziano la loro migrazione verso le gonadi mentre proliferano.

La migrazione è divisa in tre fasi principali che includono:

– Fase di separazione – Le cellule germinali primordiali si spostano dall’epitelio del retto al mesenchima.

– Seconda fase di migrazione – Usando il movimento ameboide, le cellule germinali primordiali migrano dal mesenchima (cellule mesenchimali nel mesentere dorsale) verso le creste genitali.

– Fase di colonizzazione – Questa è l’ultima fase della migrazione dove le cellule arrivano e popolano le gonadi (creste genitali).

* Per avviare il programma delle cellule germinali, l’espressione dei geni somatici viene prima repressa.

* È stato dimostrato che la proliferazione e la migrazione delle cellule germinali primordiali sono influenzate da fattori come il TGFbeta1 nei topi. Questi fattori sono rilasciati dalle creste genitali e influenzano le cellule a migrare verso questa regione.

Caratteristiche usate nell’identificazione delle cellule germinali

Oltre ad avere un grande nucleo ed essere di grandi dimensioni, le cellule germinali hanno anche un contorno irregolare, un’alta densità di citoplasma e possono apparire di forma rotonda o ovale quando viste al microscopio.

L’alta attività della fosfatasi alcalina si osserva nel citoplasma periferico delle cellule.

L’RNA specifico e le proteine come i vasa che si trovano nel citoplasma di queste cellule sono utilizzati come marcatori molecolari per l’individuazione delle cellule germinali primordiali.

Alcuni degli altri componenti delle cellule germinali (ultrastruttura) includono:

• Materiale nervoso
• Ribosoma
• Mitocondri – di forma rotonda
• Particelle di tuorlo e olio sparse a caso nel citoplasma
• Citoplasma germinale/plasma germinale

Funzione: Gameti: Lo sviluppo delle cellule germinali in gameti

Prima che le cellule germinali si sviluppino in gameti, esse subiscono una serie di cambiamenti che le preparano a svilupparsi in gameti maschili o femminili rispettivamente nei maschi e nelle femmine.

In base a studi di ricerca condotti nel 2002, è stato rivelato che all’arrivo alle gonadi (maschili o femminili) avviene la demetilazione del DNA che rimuove i segni di metilazione dei geni imprinted che sono presenti sui genomi delle cellule. Così facendo, le cellule germinali primordiali vengono resettate.

Questo è particolarmente importante perché aiuta a garantire che i nuovi segni epigenetici riflettano il sesso dell’embrione in sviluppo. Dopo la determinazione del sesso dell’embrione, le impronte genetiche sono opportunamente ristabilite come materne o paterne. Questo processo implica la partecipazione di enzimi noti come metiltransferasi del DNA che includono gruppi metilici ad alcuni nucleotidi di citosina.

* Nelle femmine, il nuovo imprinting avviene dopo il primo stadio della meiosi (post-embrione). Tuttavia, nei maschi, avviene prima della meiosi.

Nelle gonadi, il numero di cellule primordiali aumenta attraverso una rapida proliferazione mitotica. Questo permette alla popolazione di cellule germinali di passare da poche migliaia a diversi milioni. Mentre la divisione delle cellule germinali femminili cessa, le cellule germinali maschili continuano a dividersi dopo la nascita.

Per quanto riguarda la produzione di gameti, la linea germinale formata durante lo sviluppo embrionale è coinvolta nell’oogenesi (nella femmina) e nella spermatogenesi (nel maschio). Nella femmina, l’oogenesi inizia con le PGC nelle ovaie che formano un gruppo di cellule germinali immature che sono note come oogonia.

Queste cellule subiscono prima un processo di divisione cellulare noto come mitosi fino a quando l’organismo raggiunge la sua vita fetale media, dopo 20 settimane di gestazione; alcune delle cellule vengono distrutte attraverso l’apoptosi mentre il resto (ovociti primari) rimangono dormienti prima che l’organismo raggiunga la pubertà. Nei maschi, questo processo avviene nei testicoli per produrre gli spermatogoni che sono di natura diploide.

* Le cellule germinali, che sono diploidi, passano attraverso la mitosi per produrre lo spermatogonio/oogonio e infine lo spermatocita primario/oocita. Gli spermatociti e gli ovociti primari, tuttavia, devono passare attraverso il ciclo di divisione riduttivo noto come meiosi.

Mentre sia l’ovocita primario che lo spermatocita passano attraverso due fasi meiotiche, i processi meiotici degli spermatociti producono quattro cellule aploidi (spermatociti) mentre un singolo uovo aploide è prodotto attraverso i processi meiotici dell’ovocita primario.

* Mentre le cellule diploidi (ad esempio le cellule germinali primordiali) hanno due serie di cromosomi (2n) le cellule diploidi (ad esempio gli spermatociti maturi), hanno solo una serie di cromosomi (n).

* Quando i gameti aploidi (uovo dalla femmina e spermatozoo dal maschio) si uniscono, producono uno zigote diploide che continua a svilupparsi per formare un nuovo individuo. Dato che lo zigote è il prodotto dell’unione dei gameti, contiene una serie di cromosomi sia del maschio che della femmina.

Cellule germinali Vs cellule somatiche

Al principio dello sviluppo embrionale, le cellule germinali sono separate dalle cellule del soma. Una volta che questa separazione avviene, non è reversibile e ogni gruppo di cellule procede nei rispettivi percorsi.

In alcuni organismi, è stato dimostrato che questa separazione avviene in età adulta. Indipendentemente da ciò, questa separazione è importante non solo perché assicura che l’organismo adulto sia fertile e capace di passare materiale genetico alla generazione successiva, ma anche perché assicura che le cellule germinali si sviluppino normalmente.

Le cellule somatiche e germinali, quindi, sono tipi diversi di cellule che si differenziano per diverse caratteristiche. Per esempio, rispetto alle cellule germinali, le cellule somatiche sono, per la maggior parte, cellule regolari del corpo coinvolte nella riproduzione asessuata.

Come tali, sono tipi di cellule regolari diverse dalle cellule riproduttive. Sono prodotte attraverso la mitosi che porta alla produzione di cellule figlie identiche che contengono due serie di cromosomi omologhi (2n) e sono quindi cellule diploidi. Ogni cellula prodotta attraverso la mitosi (cellule mitotiche), quindi, assomiglierà alla cellula madre.

* Alcune specie hanno dimostrato di contenere cellule somatiche aploidi.

A differenza delle cellule somatiche che costruiscono il corpo multicellulare dell’organismo attraverso la divisione mitotica, le cellule germinali subiscono la divisione cellulare per produrre gameti che sono aploidi e coinvolti nella riproduzione sessuale.

A differenza delle cellule somatiche che costituiscono la maggior parte delle cellule; dato che sono disposte in diversi tipi di tessuti del corpo, le cellule germinali sono meno numerose perché sono coinvolte principalmente nella produzione di gameti.

* Mentre i due tipi di cellule hanno diverse differenze, condividono anche diverse somiglianze – entrambe sono diploidi nella maggioranza degli animali, il che significa che hanno due serie di cromosomi omologhi. D’altra parte, entrambi si differenziano in tipi specifici di cellule che servono ruoli specifici nel corpo.

Cellule germinali nel cancro/tumore

Nel caso in cui le cellule germinali primordiali siano mal indirizzate e finiscano per alloggiare in regioni extragonadiche (comunemente note come siti extragonadici), di solito muoiono perché non possono svolgere la loro funzione in siti diversi dalle gonadi.

In alcuni casi, tuttavia, alcune delle cellule germinali sopravvivono e si sviluppano in tumori. Difetti come malformazioni del sistema nervoso e del tratto genitourinario ecc. possono aumentare il rischio di tumori lungo il percorso della linea mediana (il percorso che le cellule germinali seguono prima di arrivare alle gonadi).

Anche se i tumori delle cellule germinali sono rari (costituiscono tra il 2 e il 4 per cento di tutti i tumori nei bambini e negli adolescenti) sono stati identificati diversi tipi di tumori delle cellule germinali.

Questi includono:

Tumori germinali gonadici

Sono il tipo di tumori che si sviluppano nell’organo riproduttivo (gonade) del bambino come:

Tumori germinali ovarici – Per la maggior parte, i tumori germinali ovarici si sviluppano in un’ovaia tra le ragazze tra i 10 e i 14 anni. Nel caso in cui siano cancerosi, questi tumori delle cellule germinali ovariche sono chiamati disgerminoma.

Anche se questi tumori si sviluppano nell’ovaio, sono anche capaci di diffondersi in altre parti del corpo (tumori maligni). Nella maggior parte dei casi, tuttavia, questi tumori non sono cancerosi e si sviluppano in cisti note come teratomi.

Tumori delle cellule germinali del testicolo – È stato dimostrato che la maggior parte dei tumori del testicolo inizia nelle cellule germinali. Questi tumori sono comuni negli adolescenti e negli uomini più giovani.

Il cancro ai testicoli è diviso in due categorie principali che includono:

Seminoma

I tumori che sono al 100% seminoma sono diversi dalla prossima categoria di tumori testicolari. Anche se colpisce in gran parte i testicoli, in alcuni casi, si trova in alcune delle altre sedi extra-gonadiche tra cui il mediastino. Rispetto ad alcuni degli altri tumori testicolari, il seminoma è molto curabile con il più alto tasso di sopravvivenza.

Non-seminoma

Il non-seminoma si divide in diversi tipi di tumore tra cui:

– Tumore del sacco vitellino – Conosciuti anche come tumori del seno endodermico, i tumori del sacco vitellino colpiscono comunemente i testicoli e le ovaie e tendono a diffondersi rapidamente in altre parti del corpo (ad esempio i linfonodi).

– Teratoma – Questo tipo di tumore si verifica quando le cellule primordiali sono mal indirizzate. Il loro sviluppo porta alla formazione di escrescenze che contengono tessuti differenziati come capelli, pelle e cartilagine. Questi tipi di tumori si trovano principalmente in siti come la regione orale e sacrococcigea.

– Carcinoma embrionale – Questo tipo di cancro si verifica quando le cellule tumorali del tumore si mescolano con altri tipi di tumori a cellule germinali causandone il cancro. È caratterizzato dalla presenza di cellule epiteliali primitive con un marcato pleomorfismo.

– Coriocarcinoma – Questo tipo di cancro è comune nell’utero e colpisce le cellule che formano la placenta.

Tumori germinali extracranici extragonadali

I tumori germinali che non si verificano specificamente nelle gonadi sono conosciuti come tumori germinali extracranici extragonadali. Come tali, iniziano nelle cellule dello sperma e degli ovuli e si diffondono in altre parti del corpo lontano dalle gonadi.

Non raggiungono il cervello. Sono quindi comuni lungo la linea mediana che va dalla ghiandola pineale al coccige. Il mediastino, la parte centrale del torace, è la sede più comune di questi tumori nella prima infanzia.

Alcuni dei trattamenti usati per trattare i tumori/cancro alle cellule germinali includono:

• Chirurgia per rimuovere le cellule/tessuti cancerosi

• Chemotherapy – L’uso di farmaci per uccidere le cellule cancerose e prevenire la loro diffusione alle altre parti del corpo

• Radiation – Questo comporta l’uso di raggi X per uccidere le cellule cancerose

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