Komórki zarodkoweDefinicja, od embrionalnych do gamet, Vs komórki somatyczne

Definicja: What are Germ Cells?

Essentially, germ cells are the embryonic precursors of egg and sperm cells (gametes) involved in sexual reproduction in animals. U kręgowców komórki te powstają poza zarodkiem we wczesnym okresie rozwoju przed migracją do narządów rozrodczych organizmu.

Na przykład u myszy pochodzą one z embrionów przed gastrulacją, po implantacji (embrion, który nie zdążył jeszcze przylgnąć do ściany macicy). Ponieważ odgrywają one ważną rolę w przekazywaniu informacji z pokolenia na pokolenie, komórki zarodkowe są w niektórych sferach określane jako komórki nieśmiertelne.

* Biorąc pod uwagę, że wszystkie komórki organizmu są potomkami pierwotnych komórek zarodkowych (PGC), PGC są często określane jako totipotencjalne.

Niektóre cechy komórek rozrodczych obejmują:

• Kształt okrągły lub owalny
• Duży rozmiar (od 10 do 20 um w zależności od organizmu)
• Woluminacja, ekscentrycznie położone jądro
• Używają ruchu ameboidalnego do migracji
• Wysoka aktywność fosfatazy alkalicznej

Rozwój embrionalny komórek zarodkowych

Tak jak w przypadku wszystkich innych komórek (w tkance somatycznej) rozwój linii zarodkowej jest również wysoce regulowany w celu zapewnienia, że organizm staje się płodny i zdolny do reprodukcji. U kręgowców proces ten jest znany jako specyfikacja PGC (specyfikacja komórek zarodkowych) i jest podzielony na dwa tryby, mianowicie; tryb indukcyjny i tryb zarodkowy.

* Specyfikacja komórek zarodkowych odnosi się do procesu, poprzez który komórki zarodkowe są odkładane na bok.

Germplasm – W tym mechanizmie specyfikacji zarodków, dziedziczone przez matkę białka (w tym RNA, niektóre organelle itp.) są odkładane w określonym miejscu w oocycie lub we wczesnym zarodku wraz z informacją instruktażową, która kieruje różnicowaniem komórek w komórki zarodkowe.

W D. melanogaster, na przykład, białka i RNA produkowane przez komórki opiekuńcze są transportowane do oocytu przez mostki cytoplazmatyczne i lokalizują się w tylnej części ooplazmy, gdy dołączają do oocytu. W tym miejscu ooplazma staje się germplazmą, a komórki, które ją dziedziczą podczas embriogenezy, rozwijają się, stając się pierwotnymi komórkami zarodkowymi.

Na podstawie wielu badań utrata germplazmy została powiązana z brakiem lub zmniejszeniem liczby komórek zarodkowych, co dowodzi, że składniki germplazmy są kluczowe dla rozwoju komórek zarodkowych.

Indukcja

W porównaniu do specyfikacji plazmy zarodkowej, indukcja okazała się być bardziej powszechnym mechanizmem specyfikacji komórek zarodkowych u większości zwierząt. Jest on podobny do innych mechanizmów stosowanych do specyfikacji komórek w organizmie i obejmuje indukcję komórek zarodkowych poprzez sygnały z ektodermy pozazarodkowej.

W zarodku myszy, podobnie jak w przypadku wielu innych zarodków zwierzęcych, ektoderma pozazarodkowa wysyła sygnały (Bmp4/8- Bone marrow promoting factor 4/8) do epiblastu (zarodek właściwy), który z kolei stymuluje komórki w interfazie do rozwoju w pierwotne komórki zarodkowe.

Niektóre z organizmów, u których komórki płciowe różnicują się epigenetycznie (zaangażowana jest w to germplazma) obejmują:

• Salamandry
• Różne inne jaszczurki
• Smaki (człowiek, pawiany, itp)
• Ptaki

Niektóre organizmy, u których komórki rozrodcze powstają w wyniku indukcji obejmują:

• Zebrafish
• Drosophila
• C. elegans

Rozwój

Jako komórki macierzyste linii zarodkowej, pierwotne komórki zarodkowe wywodzą się z małej grupy komórek, które znajdują się poza zarodkiem na wczesnym etapie embriogenezy (kilka dni lub kilka tygodni w zależności od rodzaju organizmu).

W człowieku pierwszą populację tych komórek można znaleźć w endodermie ściany grzbietowej znajdującej się w woreczku żółtkowym w pobliżu allantois w trzecim tygodniu rozwoju zarodka. Jednakże, migrują one do tego regionu z pierwotnej ektodermy, co wskazuje, że pochodzą z przedziału pozazarodkowego na wczesnym etapie embriogenezy.

W około czwartym tygodniu rozwoju zarodka, komórki (Primordial Germ Cells) zaczynają migrować z ektodermy i do zarodka, stając się w ten sposób pozazarodkowe (zlokalizowane w przedziałach woreczka żółtkowego znanych jako endoderma i mezoderma). Stąd, (w ciągu następnych dwóch tygodni rozwoju zarodka), komórki zarodkowe rozpoczynają swoją migrację w kierunku gonad w miarę ich proliferacji.

Migracja dzieli się na trzy główne fazy, które obejmują:

– Faza separacji – Pierwotne komórki płciowe przemieszczają się z nabłonka jelita tylnego do mezenchymy.

– Druga faza migracji – Wykorzystując ruch ameboidalny, pierwotne komórki zarodkowe migrują z mezenchymy (komórki mezenchymalne w krezce grzbietowej) w kierunku grzbietów płciowych.

– Faza kolonizacji – Jest to ostatnia faza migracji, w której komórki docierają i zasiedlają gonady (grzbiety narządów płciowych).

* Aby program komórek zarodkowych mógł się rozpocząć, ekspresja genów somatycznych jest najpierw tłumiona.

* Wykazano, że na proliferację i migrację pierwotnych komórek zarodkowych mają wpływ takie czynniki jak TGFbeta1 u myszy. Czynniki te są uwalniane z grzbietów narządów płciowych i wpływają na migrację komórek do tego regionu.

Charakterystyka stosowana w identyfikacji komórek zarodkowych

Oprócz posiadania dużego jądra i dużych rozmiarów, komórki zarodkowe mają również nieregularne kontury, dużą gęstość cytoplazmy i mogą mieć okrągły lub owalny kształt podczas oglądania pod mikroskopem.

Wysoką aktywność fosfatazy alkalicznej obserwuje się w obwodowej cytoplazmie komórek.

Specyficzne RNA i białka, takie jak waza, znajdujące się w cytoplazmie tych komórek są wykorzystywane jako markery molekularne do wykrywania pierwotnych komórek zarodkowych.

Niektóre z innych składników komórek zarodkowych (ultrastruktura) obejmują:

• Materiał nerwowy
• Rybosom
• Mitochondria – o okrągłym kształcie
• Rozrzucone chaotycznie cząsteczki żółtka i oleju w cytoplazmie
• Cytoplazma zarodkowa/plazma zarodkowa

Funkcja: Gamety: Rozwój Komórek Zarodkowych do Gamet

Zanim komórki zarodkowe rozwiną się do gamet, najpierw przechodzą szereg zmian, które przygotowują je do rozwoju do męskich lub żeńskich gamet odpowiednio u samców i samic.

Na podstawie badań przeprowadzonych w 2002 roku, okazało się, że po przybyciu do gonad (męskich lub żeńskich) demetylacja DNA ma miejsce, które usuwa znaki metylacji genów imprinted, które są obecne na genomach komórek. W ten sposób pierwotne komórki zarodkowe są resetowane.

Jest to szczególnie ważne, ponieważ pomaga zapewnić, że nowe znaki epigenetyczne będą odzwierciedlać płeć rozwijającego się zarodka. Po określeniu płci zarodka, odciski genów są odpowiednio przywrócone jako matczyne lub ojcowskie. Proces ten obejmuje udział enzymów znanych jako metylotransferazy DNA, które dołączają grupy metylowe do niektórych nukleotydów cytozyny.

* U samic, nowy imprinting ma miejsce po pierwszym etapie mejozy (postembrionalnie). Natomiast u samców zachodzi przed mejozą.

W gonadach liczba komórek pierwotnych wzrasta poprzez szybką proliferację mitotyczną. Dzięki temu populacja komórek płciowych może wzrosnąć z kilku tysięcy do kilku milionów. Podczas gdy podział żeńskiej komórki płciowej ustaje, męskie komórki płciowe dzielą się nadal po urodzeniu.

W odniesieniu do produkcji gamet, linia zarodkowa utworzona podczas rozwoju embrionalnego bierze udział w oogenezie (u samicy) i spermatogenezie (u samca). U samicy oogeneza rozpoczyna się od PGCs w jajnikach tworzących grupę niedojrzałych komórek płciowych, które są znane jako oogonia.

Komórki te najpierw przechodzą proces podziału komórkowego znany jako mitoza, aż organizm osiągnie środkowe życie płodowe, Po 20 tygodniu ciąży; niektóre z komórek są niszczone przez apoptozę, podczas gdy reszta (pierwotne oocyty) pozostają uśpione, zanim organizm osiągnie dojrzałość płciową. U mężczyzn proces ten zachodzi w jądrach i prowadzi do wytworzenia spermatogonii, które są diploidalne.

* Komórki zarodkowe, które są diploidalne, przechodzą mitozę w celu wytworzenia spermatogonium/oogonium i ostatecznie pierwotnego spermatocytu/oocytu. Pierwotne spermatocyty i oocyty muszą jednak przejść przez cykl podziału redukcyjnego, znany jako mejoza.

Podczas gdy zarówno pierwotny oocyt, jak i spermatocyt przechodzą przez dwie fazy mejotyczne, w wyniku procesów mejotycznych spermatocytów powstają cztery haploidalne komórki (plemniki), podczas gdy w wyniku procesów mejotycznych pierwotnego oocytu powstaje pojedyncze haploidalne jajo.

* Podczas gdy komórki diploidalne (np. pierwotne komórki zarodkowe) mają dwa zestawy chromosomów (2n), komórki diploidalne (np. dojrzałe plemniki), mają tylko jeden zestaw chromosomów (n).

* Kiedy haploidalne gamety (jajo od samicy i plemnik od samca) łączą się, wytwarzają diploidalną zygotę, która rozwija się dalej, tworząc nowego osobnika. Biorąc pod uwagę, że zygota jest produktem zjednoczenia gamet, zawierają one zestaw chromosomów pochodzących zarówno od samca, jak i samicy.

Komórki zarodkowe Vs Komórki somatyczne

Wcześniej w rozwoju zarodka, komórki linii zarodkowej są oddzielone od komórek somatycznych. Po tej separacji występuje, to nie jest odwracalne i każda grupa komórek postępuje do ich respective pathways.

W niektórych organizmach, ta separacja została wykazana do wystąpienia w dorosłości. Niezależnie od tego, to oddzielenie jest ważne nie tylko dlatego, że zapewnia, że dorosły organizm jest płodny i zdolny do przekazywania materiału genetycznego do następnego pokolenia, ale także dlatego, że zapewnia, że komórki linii zarodkowej rozwijają się normalnie.

Komórki somatyczne i zarodkowe są zatem różnymi typami komórek, które są zróżnicowane przez kilka cech. Na przykład, w porównaniu do komórek zarodkowych, komórki somatyczne są, w przeważającej części, regularne komórki ciała zaangażowane w bezpłciowej reprodukcji.

Jako takie, są one regularne typy komórek innych niż komórki rozrodcze. Są one produkowane przez mitozę, która prowadzi do produkcji identycznych komórek córki, które zawierają dwa zestawy chromosomów homologicznych (2n) i dlatego są diploidalne komórki. Każda komórka wytworzona w wyniku mitozy (komórki mitotyczne) będzie zatem przypominać komórkę macierzystą.

* Wykazano, że kilka gatunków zawiera haploidalne komórki somatyczne.

W przeciwieństwie do komórek somatycznych, które budują wielokomórkowe ciało organizmu w wyniku podziału mitotycznego, komórki rozrodcze ulegają podziałowi komórkowemu w celu wytworzenia gamet, które są haploidalne i biorą udział w rozmnażaniu płciowym.

W przeciwieństwie do komórek somatycznych, które stanowią większość komórek; biorąc pod uwagę, że są one rozmieszczone w różnych typach tkanek ciała, komórki płciowe są mniej liczne, ponieważ są one zaangażowane głównie w produkcję gamet.

* Podczas gdy te dwa typy komórek mają kilka różnic, dzielą również kilka podobieństw – oba są diploidalne u większości zwierząt, co oznacza, że mają dwa zestawy chromosomów homologicznych. Z drugiej strony, obie różnicują się w określone typy komórek, które pełnią określone funkcje w organizmie.

Komórki zarodkowe w raku/nowotworze

W przypadku, gdy pierwotne komórki zarodkowe są źle ukierunkowane i kończą swój pobyt w regionach pozazarodkowych (powszechnie znanych jako miejsca pozazarodkowe), zazwyczaj umierają, ponieważ nie mogą wykonywać swoich funkcji w miejscach innych niż gonady.

Jednakże w niektórych przypadkach niektóre z komórek zarodkowych przeżywają i rozwijają się w guzy. Takie wady jak wady rozwojowe układu nerwowego, układu moczowo-płciowego itp. mogą zwiększać ryzyko wystąpienia guzów wzdłuż linii środkowej (droga, którą podążają komórki płciowe przed dotarciem do gonad).

Ale guzy zarodkowe są rzadkie (stanowią od 2 do 4 procent wszystkich nowotworów u dzieci i młodzieży), zidentyfikowano kilka typów guzów zarodkowych.

Zalicza się do nich:

Gonadalne guzy zarodkowe

Są to typy guzów, które rozwijają się w narządzie rozrodczym (gonadzie) dziecka, takie jak:

Komórki zarodkowe jajnika – W większości przypadków wykazano, że guzy zarodkowe jajnika rozwijają się w jednym jajniku wśród dziewcząt w wieku od 10 do 14 lat. W przypadku, gdy guzy te są nowotworowe, określa się je jako dysgerminoma.

Chociaż guzy te rozwijają się w jajniku, są one również zdolne do rozprzestrzeniania się na inne części ciała (guzy złośliwe). W większości przypadków guzy te są jednak nienowotworowe i rozwijają się w torbiele zwane teratoma.

Nowotwory zarodkowe jąder – Wykazano, że większość nowotworów jąder rozpoczyna się w komórkach zarodkowych. Nowotwory te są powszechne u nastolatków i młodszych mężczyzn.

Raki jąder dzieli się na dwie główne kategorie, które obejmują:

Seminoma

Twory, które są w 100 procentach seminoma, różnią się od następnej kategorii nowotworów jąder. Chociaż w dużej mierze dotyczy on jąder, w nielicznych przypadkach występuje w niektórych innych lokalizacjach pozagonadalnych, w tym w śródpiersiu. W porównaniu z niektórymi innymi nowotworami jąder, seminoma jest bardzo uleczalny z najwyższym wskaźnikiem przeżycia.

Non-seminoma

Non-seminoma dzieli się na kilka typów nowotworów, w tym:

– Guz woreczka żółtkowego – Znany również jako nowotwory zatok endodermalnych, guzy woreczka żółtkowego często dotykają jąder i jajników i mają tendencję do szybkiego rozprzestrzeniania się na inne części ciała (np. węzły chłonne).

– Teratoma – Ten typ nowotworu występuje, gdy komórki pierwotne są źle ukierunkowane. Ich rozwój powoduje powstawanie narośli, które zawierają takie zróżnicowane tkanki jak włosy, skóra i chrząstki. Tego typu guzy są najczęściej spotykane w takich miejscach jak jama ustna i okolice krzyżowo-guziczne.

– Rak embrionalny – Ten typ nowotworu występuje, gdy komórki nowotworowe guza mieszają się z innymi typami guzów zarodkowych powodując ich rakowacenie. Charakteryzuje się obecnością prymitywnych komórek nabłonkowych z wyraźnym pleomorfizmem.

– Choriocarcinoma – Ten typ nowotworu występuje często w macicy i dotyczy komórek tworzących łożysko.

Twory zarodkowe zewnątrzczaszkowe

Twory z komórek zarodkowych, które nie występują w gonadach, są znane jako guzy zarodkowe zewnątrzczaszkowe. Jako takie, zaczynają się one w spermie i komórkach jajowych i rozprzestrzeniają się do innych części ciała z dala od gonad.

Nie docierają one do mózgu. Są one zatem wspólne wzdłuż linii środkowej, która biegnie od szyszynki do kości ogonowej. Śródpiersie, środkowa część klatki piersiowej, jest najczęstszym miejscem występowania tych guzów we wczesnym dzieciństwie.

Niektóre z zabiegów stosowanych w leczeniu guzów/nowotworów zarodkowych obejmują:

• Chirurgię w celu usunięcia komórek/tkanek nowotworowych

• Chemoterapię – Stosowanie leków w celu zabicia komórek nowotworowych i zapobieżenia ich rozprzestrzenianiu się do innych części ciała

• Radioterapię -. Polega na wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego do zabicia komórek nowotworowych

Czytaj więcej tutaj o podziale komórek i apoptozie

Jakie są różnice między mejozą a mitozą?

Powrót do nauki o komórkach plemnikowych, jak również komórkach Sertoliego i Leydiga

Powrót z komórek zarodkowych do domu MicroscopeMaster

Cassandra G. Extavour i Michael Akam (2003). Mechanisms of germ cell specification across the metazoans: epigenesis and preformation.

Cynthia R. Wagner. (2010). Komórki zarodkowe i Epigenetyka. Nature Masterclass.

Inbar Maayan. (2011). Mejoza u ludzi.

Mark Van Doren. (2011). Biologia komórki cyklu życiowego komórek zarodkowych. NCBI Resources.

Pritesh Krishnakumar and Roland Dosch. (2018). Germ Cell Specification: The Evolution of a Recipe to Make Germ Cells (Ewolucja przepisu na tworzenie komórek zarodkowych).