Kiemcellen – Definitie, van embryonaal tot geslachtscellen en van somatische cellen

Definitie: Wat zijn geslachtscellen?

In wezen zijn kiemcellen de embryonale voorlopers van ei- en zaadcellen (gameten) die betrokken zijn bij de geslachtelijke voortplanting bij dieren. Bij gewervelde dieren ontstaan deze cellen in de vroege ontwikkeling buiten het embryo voordat zij naar de voortplantingsorganen van het organisme migreren.

Bij muizen bijvoorbeeld zijn ze afkomstig van embryo’s van vóór de gastrulatie, na de implantatie (een embryo dat zich nog aan de baarmoederwand moet hechten). Omdat zij een belangrijke rol spelen bij de overdracht van informatie van de ene generatie op de andere, worden kiemcellen in sommige kringen onsterfelijke cellen genoemd.

* Aangezien alle cellen van een organisme afstammen van primordiale kiemcellen (PGC’s), worden PGC’s vaak aangeduid als totipotent.

Een aantal kenmerken van kiemcellen zijn onder meer:

• Rond of ovaal van vorm
• Groot van omvang (variërend van 10 tot 20 um, afhankelijk van het organisme)
• Volumineus, excentrisch gelegen kern
• Gebruikt amoeboïde beweging om te migreren
• Hoge alkalische fosfatase-activiteit

Embryonale ontwikkeling van kiemcellen

Zoals alle andere cellen (in somatisch weefsel) is ook de ontwikkeling van de kiembaan sterk gereguleerd om ervoor te zorgen dat het organisme vruchtbaar wordt en in staat is zich voort te planten. Bij gewervelde dieren staat dit proces bekend als PGC-specificatie (specificatie van kiemcellen) en wordt het onderverdeeld in twee modi, namelijk; de inductieve modus en de kiemplasma.

* Kiemcelspecificatie verwijst naar het proces waarbij kiemcellen apart worden gezet.

Kiemplasma – Bij dit mechanisme van kiemspecificatie worden maternaal overgeërfde eiwitten (waaronder RNA’s, sommige organellen, enz.) op een specifieke plaats in de eicel of in het vroege embryo apart gezet met de instructieve informatie die de differentiatie van cellen tot kiemcellen stuurt.

In D. melanogaster, bijvoorbeeld, worden proteïnen en RNA’s, geproduceerd door de verpleegcellen, naar de oöcyt getransporteerd via de cytoplasmatische bruggen en lokaliseren zich aan het achterste van het ooplasma wanneer zij zich aan de oöcyt hechten. Hier wordt het ooplasma het kiemplasma en de cellen die dit tijdens de embryogenese erven, ontwikkelen zich tot primordiale kiemcellen.

Op basis van een aantal studies is het verlies van kiemplasma in verband gebracht met de afwezigheid of afname van kiemcellen, hetgeen bewijst dat componenten van het kiemplasma cruciaal zijn voor de ontwikkeling van kiemcellen.

Inductie

Inductie is, in vergelijking met kiemplasmaspecificatie, bij de meeste dieren een gangbaarder mechanisme voor kiemcelspecificatie gebleken. Het is vergelijkbaar met de andere mechanismen die voor celspecificatie in het lichaam worden gebruikt en behelst de inductie van kiemcellen door signalen van het extra-embryonale ectoderm.

In het muizenembryo en in veel andere dierlijke embryo’s zendt het extra-embryonale ectoderm de signalen (Bmp4/8- beenmergbevorderende factor 4/8) naar het epiblast (het eigenlijke embryo), dat op zijn beurt de cellen in de interfase stimuleert om zich tot primordiale kiemcellen te ontwikkelen.

Enkele organismen waarbij kiemcellen epigenetisch differentiëren (kiemplasma is betrokken) zijn onder meer:

• Salamanders
• Verschillende andere hagedissen
• Zoogdieren (mensen, bavianen, enz.)
• Vogels

Enkele van de organismen waarin kiemcellen worden geproduceerd als gevolg van inductie zijn:

• Zebravis
• Drosophila
• C. elegans

Ontwikkeling

Als kiembaanstamcellen ontstaan primordiale kiemcellen uit een kleine groep cellen die zich vroeg in de Embryogenese (enkele dagen of enkele weken, afhankelijk van het soort organisme) buiten het embryo bevinden.

Bij de mens bevindt de eerste populatie van deze cellen zich in de derde week van de embryonale ontwikkeling in het endoderm van de rugwand dat zich in de dooierzak nabij het allantois bevindt. Zij migreren echter naar dit gebied vanuit het primaire ectoderm, waaruit blijkt dat zij al vroeg in de embryogenese afkomstig zijn uit een extra-embryonaal compartiment.

In ongeveer de vierde week van de embryonale ontwikkeling beginnen de cellen (primordiale kiemcellen) vanuit het ectoderm het embryo binnen te migreren, waardoor zij extra-embryonaal worden (en zich bevinden in compartimenten van de dooierzak die bekend staan als het endoderm en het mesoderm). Van hieruit (in de volgende twee weken van de embryonale ontwikkeling) beginnen de kiemcellen naar de geslachtsklieren te migreren naarmate ze zich vermenigvuldigen.

De migratie is onderverdeeld in drie hoofdfasen, die als volgt zijn:

– Scheidingsfase – Primordiale kiemcellen verplaatsen zich van het darmepitheel naar het mesenchym.

– Tweede migratiefase – Met behulp van een amoeboïde beweging migreren de oerkiemcellen van het mesenchym (mesenchymcellen in het dorsale mesenterium) naar de genitale ruggen.

– Kolonisatiefase – Dit is de laatste fase van de migratie waarbij de cellen de geslachtsklieren (genitale ruggen) bereiken en bevolken.

* Om het kiemcelprogramma op gang te brengen, wordt eerst de expressie van somatische genen onderdrukt.

* Bij muizen is aangetoond dat de proliferatie en migratie van primordiale kiemcellen wordt beïnvloed door factoren als TGFbeta1. Deze factoren komen vrij uit de genitale ruggen en beïnvloeden de cellen om naar dit gebied te migreren.

Kenmerken die worden gebruikt bij de identificatie van kiemcellen

Kiemcellen hebben niet alleen een grote kern en zijn groot van formaat, maar hebben ook een onregelmatige omtrek, een hoge cytoplasmadichtheid en kunnen rond of ovaal van vorm lijken wanneer ze onder de microscoop worden bekeken.

De hoge alkalische-fosfataseactiviteit wordt waargenomen in het perifere cytoplasma van de cellen.

Specifiek RNA en eiwitten zoals vasa, die in het cytoplasma van deze cellen worden aangetroffen, worden gebruikt als moleculaire markers voor de opsporing van primordiale kiemcellen.

Enkele van de andere componenten van kiemcellen (ultrastructuur) zijn:

• Nuage materiaal
• Ribosoom
• Mitochondriën – rond van vorm
• Hafelijk verspreide dooier- en oliedeeltjes in het cytoplasma
• Germinaal cytoplasma/kiemplasma

Functie: Gameten: De ontwikkeling van kiemcellen tot gameten

Voordat kiemcellen zich tot gameten ontwikkelen, ondergaan zij eerst een aantal veranderingen die hen voorbereiden op de ontwikkeling tot mannelijke of vrouwelijke gameten bij respectievelijk mannetjes en vrouwtjes.

Op basis van onderzoek dat in 2002 is uitgevoerd, is gebleken dat bij aankomst in de geslachtsklieren (mannelijke of vrouwelijke geslachtsklieren) DNA-demethylering plaatsvindt, waarbij de methyleringsmarkeringen van ingeprente genen die aanwezig zijn op de genomen van de cellen, worden verwijderd. Op die manier worden de oerkiemcellen gereset.

Dit is bijzonder belangrijk omdat het helpt ervoor te zorgen dat de nieuwe epigenetische markeringen het geslacht van het zich ontwikkelende embryo zullen weerspiegelen. Na de geslachtsbepaling van het embryo worden de genimprints op de juiste wijze opnieuw vastgesteld als ofwel maternaal ofwel vaderlijk. Aan dit proces wordt deelgenomen door enzymen die DNA-methyltransferasen worden genoemd en die methylgroepen aan sommige cytosinenucleotiden toevoegen.

* Bij vrouwtjes vindt de nieuwe inprenting plaats na de eerste fase van de meiose (post-embryonaal). Bij mannetjes gebeurt dit echter vóór de meiose.

In de geslachtsklieren neemt het aantal primordiale cellen toe door snelle mitotische proliferatie. Hierdoor kan de populatie van kiemcellen toenemen van enkele duizenden tot enkele miljoenen. Terwijl de deling van de vrouwelijke kiemcellen ophoudt, blijven de mannelijke kiemcellen zich na de geboorte delen.

Wat de productie van geslachtscellen betreft, is de kiemlijn die tijdens de embryonale ontwikkeling wordt gevormd, betrokken bij de oogenese (bij de vrouw) en de spermatogenese (bij de man). Bij de vrouw begint de oogenese met PGC’s in de eierstokken die een groep onrijpe geslachtscellen vormen die oogonia worden genoemd.

Deze cellen ondergaan eerst een proces van celdeling dat mitose wordt genoemd totdat het organisme zijn middelste foetale leven bereikt, Na 20 weken zwangerschap; sommige van de cellen worden vernietigd door apoptose terwijl de rest (primaire oöcyten) slapend blijft voordat het organisme de puberteit bereikt. Bij mannen vindt dit proces plaats in de testes om spermatogonia te produceren die diploïd van aard zijn.

* Kiemcellen, die diploïd zijn, ondergaan mitose om spermatogonium/oogonium te produceren en uiteindelijk de primaire spermatocyt/oocyt. Primaire spermatocyten en oöcyten moeten echter de reductieve delingscyclus doorlopen die meiose wordt genoemd.

Weliswaar doorlopen zowel de primaire oöcyt als de spermatocyt twee meiosefasen, maar de meiose van spermatocyten levert vier haploïde cellen (zaadcellen) op, terwijl de meiotische processen van de primaire oöcyt één haploïde eicel opleveren.

* Terwijl diploïde cellen (bv. oerkiemcellen) twee sets chromosomen (2n) hebben, hebben diploïde cellen (bv. rijpe zaadcellen) slechts één set chromosomen (n).

* Wanneer haploïde geslachtscellen (eicel van de vrouw en zaadcel van de man) zich verenigen, produceren zij een diploïde zygote die zich verder ontwikkelt om een nieuw individu te vormen. Aangezien de zygote het product is van de vereniging van gameten, bevatten zij een set chromosomen van zowel de man als de vrouw.

Kiemcellen vs. somatische cellen

Al vroeg in de ontwikkeling van het embryo worden de kiemcellen gescheiden van de soma-cellen. Als deze scheiding eenmaal heeft plaatsgevonden, is zij niet meer omkeerbaar en vervolgt elke groep cellen zijn eigen weg.

In sommige organismen is aangetoond dat deze scheiding pas op volwassen leeftijd plaatsvindt. Hoe dan ook, deze scheiding is niet alleen belangrijk omdat zij ervoor zorgt dat het volwassen organisme vruchtbaar is en in staat is genetisch materiaal door te geven aan de volgende generatie, maar ook omdat zij ervoor zorgt dat de kiembaancellen zich normaal ontwikkelen.

Somatische cellen en kiemcellen zijn derhalve verschillende celtypen die op grond van verschillende kenmerken van elkaar verschillen. Zo zijn somatische cellen in vergelijking met kiemcellen voor het grootste deel gewone lichaamscellen die betrokken zijn bij de ongeslachtelijke voortplanting.

Zo zijn het gewone celtypen die niet tot de voortplantingscellen behoren. Zij worden geproduceerd door middel van mitose, die resulteert in de productie van identieke dochtercellen die twee sets homologe chromosomen (2n) bevatten en derhalve diploïde cellen zijn. Elke cel die door mitose wordt geproduceerd (mitotische cellen), lijkt dus op de oudercel.

* Enkele soorten blijken haploïde somatische cellen te bevatten.

In tegenstelling tot somatische cellen die het meercellige lichaam van het organisme opbouwen door mitotische deling, ondergaan kiemcellen celdeling om geslachtscellen te produceren die haploïd zijn en betrokken zijn bij de geslachtelijke voortplanting.

In tegenstelling tot somatische cellen, die de meerderheid van de cellen vormen; aangezien zij in verschillende soorten lichaamsweefsels zijn gerangschikt, zijn kiemcellen minder talrijk omdat zij voornamelijk betrokken zijn bij de productie van geslachtscellen.

* Hoewel de twee soorten cellen verscheidene verschillen vertonen, delen zij ook verscheidene overeenkomsten – beide zijn bij de meeste dieren diploïd, wat betekent dat zij twee reeksen homologe chromosomen hebben. Anderzijds differentiëren zij zich beide in specifieke soorten cellen die specifieke functies in het lichaam vervullen.

Kiemcellen in kanker/tumor

In het geval dat primordiale kiemcellen verkeerd worden gericht en terechtkomen in extragonadale gebieden (algemeen bekend als extragonadale plaatsen), sterven ze gewoonlijk omdat ze hun functie niet kunnen vervullen op andere plaatsen dan de geslachtsklieren.

In sommige gevallen echter overleven sommige van de kiemcellen en ontwikkelen zich tot tumoren. Afwijkingen zoals misvormingen van het zenuwstelsel en het urogenitale stelsel enz. kunnen het risico op tumoren langs de middellijn (het pad dat de kiemcellen volgen voordat zij bij de geslachtsklieren aankomen) vergroten.

Hoewel kiemceltumoren zeldzaam zijn (zij maken tussen 2 en 4 procent uit van alle kankers bij kinderen en tieners), zijn er toch verschillende soorten kiemceltumoren geïdentificeerd.

Deze omvatten:

Gonadale kiemceltumoren

Dit zijn het soort tumoren dat zich ontwikkelt in het voortplantingsorgaan (gonade) van het kind, zoals:

Ovariële kiemceltumoren – Voor het grootste deel blijken eierstokkiemceltumoren zich te ontwikkelen in één eierstok bij meisjes tussen de 10 en 14 jaar. Als ze kanker veroorzaken, worden deze kiemceltumoren van de eierstokken dysgerminoom genoemd.

Hoewel deze tumoren zich in de eierstok ontwikkelen, zijn ze ook in staat zich naar andere delen van het lichaam uit te breiden (kwaadaardige tumoren). In de meeste gevallen zijn deze tumoren echter niet-kankerachtig en ontwikkelen zij zich tot cysten die teratomen worden genoemd.

Testiculaire kiemceltumoren – Van een meerderheid van de testiculaire kankers is aangetoond dat zij in de kiemcellen beginnen. Deze kankers komen vaak voor bij tieners en jongere mannen.

Testikelkanker wordt onderverdeeld in twee hoofdcategorieën die omvatten:

Seminoma

Tumoren die 100 procent seminoma zijn, verschillen van de volgende categorie testikelkankers. Hoewel het grotendeels de testikels treft, wordt het in enkele gevallen aangetroffen in enkele andere extra-gonadale locaties, waaronder het mediastinum. Vergeleken met sommige andere zaadbalkankers is het seminoma zeer goed te genezen met de hoogste overlevingskans.

Niet-seminoom

Niet-seminoom wordt onderverdeeld in verschillende soorten kanker, waaronder:

– Dooierzak tumor – Ook bekend als endodermale sinus tumoren, dooierzak tumoren hebben vaak invloed op de testikels en eierstokken en hebben de neiging om snel uit te zaaien naar andere delen van het lichaam (bijvoorbeeld lymfeklieren).

– Teratoom – Dit type tumor ontstaat wanneer de oercellen verkeerd worden gericht. Hun ontwikkeling resulteert in de vorming van gezwellen die zulke gedifferentieerde weefsels als haar, huid en kraakbeen bevatten onder. Dit soort tumoren wordt meestal aangetroffen op plaatsen als de mond en de sacrococcygeale regio.

– Embryonaal carcinoom – Dit soort kanker ontstaat wanneer de kankercellen van de tumor zich vermengen met andere soorten kiemceltumoren waardoor ze kankerachtig worden. Het wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van primitieve epitheelcellen met uitgesproken pleomorfisme.

– Choriocarcinoom – Dit type kanker komt vaak voor in de baarmoeder en tast de cellen aan die de placenta vormen.

Extracraniële extragonadale kiemceltumoren

Kiemceltumoren die niet specifiek in de geslachtsklieren voorkomen, staan bekend als extracraniële extragonadale kiemceltumoren. Als zodanig beginnen zij in de zaad- en eicellen en verspreiden zich naar andere delen van het lichaam buiten de geslachtsklieren.

Zij bereiken de hersenen niet. Ze komen daarom veel voor langs de middellijn die loopt van de pijnappelklier tot het stuitbeen. Het mediastinum, het centrale deel van de borstkas, is de meest voorkomende plaats van deze tumoren in de vroege kinderjaren.

Een aantal van de behandelingen die worden gebruikt om kiemceltumoren/kankers te behandelen zijn onder meer:

• Chirurgie om de kankercellen/weefsel te verwijderen

• Chemotherapie – Het gebruik van geneesmiddelen om kankercellen te doden en te voorkomen dat ze zich naar de andere delen van het lichaam verspreiden

• Bestraling – Het gebruik van röntgenstralen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van röntgenstraling om kankercellen te doden

Lees hier meer over celdeling en apoptose

Wat zijn de verschillen tussen meiose en mitose?

Kom meer te weten over zaadcellen, evenals over Sertoli cellen en Leydig cellen

Kom terug van Kiemcellen naar MicroscopeMaster home

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

Cynthia R. Wagner. (2010). Kiemcellen en epigenetica. Nature Masterclass.

Inbar Maayan. (2011). Meiose bij de mens.

Mark Van Doren. (2011). De celbiologie van de kiemcellevenscyclus. NCBI Resources.

Pritesh Krishnakumar en Roland Dosch. (2018). Kiemcelspecificatie: The Evolution of a Recipe to Make Germ Cells.