Definiție: Ce sunt celulele germinale?
În esență, celulele germinale sunt precursorii embrionari ai ovulelor și spermatozoizilor (gameți) implicați în reproducerea sexuală la animale. La vertebrate, aceste celule își au originea în afara embrionului la începutul dezvoltării, înainte de a migra către organele de reproducere ale organismului.
De exemplu, la șoareci, ele provin din embrionii pre-gastrulație, post-implantare (un embrion care nu s-a atașat încă de peretele uterin). Deoarece joacă un rol important în transmiterea informației de la o generație la alta, celulele germinale sunt denumite în unele sfere drept celule nemuritoare.
* Având în vedere că toate celulele unui organism sunt descendente ale celulelor germinale primordiale (PGC), PGC sunt adesea denumite celule totipotente.
Câteva dintre caracteristicile celulelor germinale includ:
- Formă rotundă sau ovală
- Dimensiuni mari (variind între 10 și 20 um în funcție de organism)
- Voluminoase, nucleu situat excentric
- Utilizează mișcarea amoeboidă pentru a migra
- Activitate ridicată a fosfatazei alcaline
Dezvoltarea embrionară a celulelor germinale
Ca și în cazul tuturor celorlalte celule (din țesutul somatic), dezvoltarea liniei germinale este, de asemenea, foarte bine reglată pentru a se asigura că organismul devine fertil și capabil de reproducere. La vertebrate, acest proces este cunoscut sub numele de specificarea PGC (specificarea celulelor germinale) și este împărțit în două moduri, și anume; modul inductiv și modul germinal.
* Specificația celulelor germinale se referă la procesul prin care celulele germinale sunt puse deoparte.
Germplasma – În acest mecanism de specificare a germenilor, proteinele moștenite de la mamă (inclusiv ARN-uri, unele organite etc.) sunt puse deoparte pe o locație specifică în oocit sau în embrionul timpuriu cu informații instructive care direcționează diferențierea celulelor în celule germinale.
În D. melanogaster, de exemplu, proteinele și ARN-urile produse de celulele nurse sunt transportate în oocit prin intermediul punților citoplasmatice și se localizează la partea posterioară a ooplasmei atunci când se atașează la oocit. Aici, ooplasma devine germoplasmă, iar celulele care o moștenesc în timpul embriogenezei se dezvoltă pentru a deveni celule germinale primordiale.
Pe baza unui număr de studii, pierderea germoplasmei a fost asociată cu absența sau scăderea celulelor germinale, dovedind astfel că componentele germoplasmei sunt cruciale pentru dezvoltarea celulelor germinale.
Inducția
În comparație cu specificarea germoplasmei, s-a demonstrat că inducerea este un mecanism mai frecvent de specificare a celulelor germinale pentru majoritatea animalelor. Este similar cu celelalte mecanisme utilizate pentru specificarea celulară în organism și implică inducerea celulelor germinale prin semnale de la ectodermul extraembrionar.
În embrionul de șoarece, ca și în cazul multor alți embrioni de animale, ectodermul extraembrionar trimite semnale (Bmp4/8- Factorul promotor al măduvei osoase 4/8) către epiblast (embrionul propriu-zis) care, la rândul său, stimulează celulele din interfază să se dezvolte în celule germinale primordiale.
Câteva dintre organismele la care celulele germinale se diferențiază epigenetic (este implicată germoplasma) includ:
- Zebrafish
- Drosophila
- C. elegans
Dezvoltare
Ca celule stem ale liniei germinale, celulele germinale primordiale își au originea într-un grup mic de celule care sunt localizate în afara embrionului, la începutul embriogenezei (câteva zile sau câteva săptămâni, în funcție de tipul de organism).
La om, prima populație a acestor celule poate fi găsită în endodermul peretelui dorsal situat în sacul vitelin în apropierea alantoizilor, în timpul celei de-a treia săptămâni de dezvoltare a embrionului. Cu toate acestea, ele migrează în această regiune din ectodermul primar, ceea ce arată că ele provin dintr-un compartiment extraembrionar la începutul embriogenezei.
În aproximativ a patra săptămână de dezvoltare a embrionului, celulele (celule germinale primordiale) încep să migreze din ectoderm și în embrion, devenind astfel extraembrionare (localizate în compartimente ale sacului vitelin cunoscute sub numele de endoderm și mezoderm). De aici, (în următoarele două săptămâni de dezvoltare a embrionului), celulele germinale încep să migreze spre gonade pe măsură ce proliferează.
Migrația este împărțită în trei faze principale care includ:
– Faza de separare – Celulele germinale primordiale se deplasează de la epiteliul hindusului la mezenchim.
– A doua fază a migrației – Folosind mișcarea amoeboidă, celulele germinale primordiale migrează din mezenchim (celulele mezenchimale din mezenterul dorsal) spre crestele genitale.
– Faza de colonizare – Aceasta este ultima fază a migrației în care celulele ajung la și populează gonadele (crestele genitale).
* Pentru ca programul celulelor germinale să înceapă, expresia genelor somatice este mai întâi reprimată.
* S-a demonstrat că proliferarea și migrația celulelor germinale primordiale este influențată de factori precum TGFbeta1 la șoareci. Acești factori sunt eliberați din crestele genitale și influențează celulele să migreze spre această regiune.
Caracteristici utilizate în identificarea celulelor germinale
Pe lângă faptul că au un nucleu mare și sunt de dimensiuni mari, celulele germinale au, de asemenea, un contur neregulat, o densitate mare de citoplasmă și pot avea o formă rotundă sau ovală atunci când sunt privite la microscop.
Activitatea ridicată a fosfatazei alcaline se observă în citoplasma periferică a celulelor.
ARN-ul și proteinele specifice, cum ar fi vasa, care se găsesc în citoplasma acestor celule sunt folosite ca markeri moleculari pentru detectarea celulelor germinale primordiale.
Câteva dintre celelalte componente ale celulelor germinale (ultrastructură) includ:
- Material neuronal
- Ribosom
- Mitochondrii – de formă rotundă
- Părți de gălbenuș și particule de ulei împrăștiate haotic în citoplasmă
- Citoplasmă germinală/plasmă germinală
Funcție: Gameți: Dezvoltarea celulelor germinale în gameți
Înainte ca celulele germinale să se dezvolte în gameți, ele suferă mai întâi o serie de modificări care le pregătesc pentru a se dezvolta în gameți masculi sau feminini la masculi și, respectiv, la femele.
Pe baza unor studii de cercetare efectuate în 2002, s-a arătat că la sosirea la gonade (gonade masculine sau feminine) are loc demetilarea ADN-ului, care înlătură semnele de metilare ale genelor imprimate care sunt prezente pe genomul celulelor. Procedând astfel, celulele germinale primordiale sunt resetate.
Acest lucru este deosebit de important, deoarece ajută la asigurarea faptului că noile mărci epigenetice vor reflecta sexul embrionului în curs de dezvoltare. În urma determinării sexului embrionului, amprentele genetice sunt restabilite în mod corespunzător ca fiind fie materne, fie paterne. Acest proces implică participarea unor enzime cunoscute sub numele de ADN metiltransferaze care includ grupări metil la unele dintre nucleotidele de citozină.
* La femele, noua amprentă are loc în urma primului stadiu al meiozei (post-embrionare). Cu toate acestea, la masculi, are loc înainte de meioză.
În gonade, numărul de celule primordiale crește prin proliferare mitotică rapidă. Acest lucru permite ca populația de celule germinale să crească de la câteva mii la câteva milioane. În timp ce diviziunea celulelor germinale feminine încetează, celulele germinale masculine continuă să se dividă după naștere.
În ceea ce privește producția de gameți, linia germinală formată în timpul dezvoltării embrionare este implicată în oogeneză (la femei) și spermatogeneză (la bărbați). La femelă, oogeneza începe cu PGC-urile din ovare care formează un grup de celule germinale imature care sunt cunoscute sub numele de oogonii.
Aceste celule suferă mai întâi un proces de diviziune celulară cunoscut sub numele de mitoză până când organismul ajunge la jumătatea vieții fetale, După 20 de săptămâni de gestație; unele dintre celule sunt distruse prin apoptoză, în timp ce restul (ovocite primare) rămân în stare latentă înainte ca organismul să ajungă la pubertate. La masculi, acest proces are loc în testicule pentru a produce spermatogonii care sunt de natură diploidă.
* Celulele germinale, care sunt diploide, trec prin mitoză pentru a produce spermatogoniul/oogoniul și, în cele din urmă, spermatozoidul primar/oocit. Cu toate acestea, spermatozoizii și ovocitele primare trebuie să treacă prin ciclul de diviziune reductivă cunoscut sub numele de meioză.
În timp ce atât ovocitele primare, cât și spermatozoizii trec prin două faze meiotice, procesele meiotice ale spermatozoizilor produc patru celule haploide (spermatozoizi), în timp ce prin procesele meiotice ale ovocitelor primare se produce un singur ovul haploid.
* În timp ce celulele diploide (de exemplu, celulele germinale primordiale) au două seturi de cromozomi (2n) celulele diploide (de exemplu, spermatozoizii maturi), au doar un singur set de cromozomi (n).
* Când gameții haploizi (ovulul de la femelă și spermatozoidul de la mascul) se unesc, ei produc un zigot diploid care continuă să se dezvolte pentru a forma un nou individ. Având în vedere că zigotul este produsul unirii gameților, aceștia conțin un set de cromozomi atât de la mascul cât și de la femelă.
Celule germinale vs. celule somatice
La începutul dezvoltării embrionare, celulele germinale sunt separate de celulele soma. Odată ce se produce această separare, ea nu este reversibilă și fiecare grup de celule continuă pe căile lor respective.
În unele organisme, s-a demonstrat că această separare are loc la vârsta adultă. Indiferent de aceasta, această separare este importantă nu numai pentru că asigură faptul că organismul adult este fertil și capabil să transmită materialul genetic următoarei generații, ci și pentru că asigură faptul că celulele din linia germinală se dezvoltă în mod normal.
Celele somatice și germinale, prin urmare, sunt tipuri diferite de celule care se diferențiază prin mai multe caracteristici. De exemplu, în comparație cu celulele germinale, celulele somatice sunt, în cea mai mare parte, celule obișnuite ale corpului implicate în reproducerea asexuată.
Ca atare, ele sunt tipuri de celule obișnuite, altele decât celulele reproductive. Ele sunt produse prin mitoză, care are ca rezultat producerea de celule fiice identice care conțin două seturi de cromozomi omologi (2n) și, prin urmare, sunt celule diploide. Prin urmare, fiecare celulă produsă prin mitoză (celule mitotice) va semăna cu celula mamă.
* Câteva specii s-au dovedit a conține celule somatice haploide.
În comparație cu celulele somatice care construiesc corpul pluricelular al organismului prin diviziune mitotică, celulele germinale suferă o diviziune celulară pentru a produce gameți care sunt haploizi și sunt implicați în reproducerea sexuală.
Dincolo de celulele somatice care alcătuiesc majoritatea celulelor; având în vedere că sunt dispuse în diferite tipuri de țesuturi ale corpului, celulele germinale sunt mai puține la număr, deoarece sunt implicate în principal în producerea gameților.
* Deși cele două tipuri de celule au mai multe diferențe, ele au și câteva asemănări – ambele sunt diploide la majoritatea animalelor, ceea ce înseamnă că au două seturi de cromozomi omologi. Pe de altă parte, ambele se diferențiază în tipuri specifice de celule care îndeplinesc roluri specifice în organism.
Celulele germinale în cancer/ tumori
În cazul în care celulele germinale primordiale sunt direcționate greșit și sfârșesc prin a se depune în regiuni extragonadale (cunoscute în mod obișnuit sub numele de situsuri extragonadale), ele mor de obicei deoarece nu își pot îndeplini funcția în alte situsuri decât gonadele.
Cu toate acestea, în unele cazuri, unele dintre celulele germinale supraviețuiesc și se transformă în tumori. Defecte precum malformații ale sistemului nervos și ale tractului genito-urinar etc. pot crește riscul de tumori de-a lungul traseului liniei mediane (traseul pe care celulele germinale îl urmează înainte de a ajunge la gonade).
Deși tumorile celulelor germinale sunt rare (reprezentând între 2 și 4 la sută din toate cancerele la copii și adolescenți) au fost identificate mai multe tipuri de tumori ale celulelor germinale.
Acestea includ:
Tumorile germinale cu celule germinale gonadale
Este tipul de tumori care se dezvoltă în organul reproducător (gonade) al copilului, cum ar fi:
Tumorile germinale cu celule germinale de tip gonadal
:
Celule germinale ovariene – În cea mai mare parte, s-a demonstrat că tumorile germinale ovariene se dezvoltă într-un singur ovar în rândul fetelor cu vârste cuprinse între 10 și 14 ani. În cazul în care sunt canceroase, aceste tumori de celule germinale ovariene sunt denumite disgerminom.
Deși aceste tumori se dezvoltă în ovar, ele sunt, de asemenea, capabile să se răspândească în alte părți ale corpului (tumori maligne). Cu toate acestea, în cele mai multe cazuri, aceste tumori sunt necanceroase și se dezvoltă în chisturi cunoscute sub numele de teratoame.
Tumorile testiculare cu celule germinale – S-a demonstrat că majoritatea cancerelor testiculare încep în celulele germinale. Aceste cancere sunt frecvente la adolescenți și la bărbații mai tineri.
Cancerul testicular este împărțit în două categorii principale care includ:
Seminom
Tumorile care sunt 100 la sută seminom sunt diferite de următoarea categorie de cancere testiculare. Deși afectează în mare parte testiculele, în câteva cazuri, se găsește în unele dintre celelalte localizări extra-gonadale, inclusiv în mediastin. În comparație cu unele dintre celelalte cancere testiculare, seminomul este foarte curabil și are cea mai mare rată de supraviețuire.
Nu-seminama
Nu-seminomul este împărțit în mai multe tipuri de cancer, inclusiv:
– Tumora sacului vitelin – Cunoscute și sub numele de tumori ale sinusurilor endodermice, tumorile sacului vitelin afectează în mod obișnuit testiculele și ovarele și tind să se răspândească rapid în alte părți ale corpului (de exemplu, ganglionii limfatici).
– Teratomul – Acest tip de tumoare apare atunci când celulele primordiale sunt direcționate greșit. Dezvoltarea lor are ca rezultat formarea unor excrescențe care conțin țesuturi diferențiate, cum ar fi părul, pielea și cartilajul între. Aceste tipuri de tumori se întâlnesc mai ales în locuri precum regiunea bucală și sacrococcigiană.
– Carcinomul embrionar – Acest tip de cancer apare atunci când celulele canceroase ale tumorii se amestecă cu alte tipuri de tumori cu celule germinale, ceea ce face ca acestea să fie canceroase. Se caracterizează prin prezența unor celule epiteliale primitive cu pleomorfism marcat.
– Coriocarcinomul – Acest tip de cancer este frecvent în uter și afectează celulele care formează placenta.
Tumorile germinale extragonadale extracraniene
Tumorile germinale care nu apar în mod specific în gonade sunt cunoscute sub numele de tumori germinale extragonadale extracraniene. Ca atare, ele încep în celulele spermatozoizilor și ovulelor și se răspândesc în alte părți ale corpului, departe de gonade.
Nu ajung la creier. Prin urmare, sunt frecvente de-a lungul liniei mediane care merge de la glanda pineală până la coccis. Mediastinul, partea centrală a toracelui, este locul cel mai frecvent al acestor tumori în copilăria timpurie.
Câteva dintre tratamentele utilizate pentru tratarea tumorilor/cancerilor cu celule germinale includ:
:
- Chirurgia pentru a îndepărta celulele/țesutul canceros
- Cimoterapia – Utilizarea medicamentelor pentru a ucide celulele canceroase și a le împiedica să se răspândească în alte părți ale corpului
- Radiația – Aceasta implică utilizarea razelor X pentru a ucide celulele canceroase
Citește mai multe aici despre Diviziunea celulară și apoptoza
Care sunt diferențele dintre meioză și mitoză?
Întoarceți-vă la învățarea despre Celulele Spermatice, precum și despre Celulele Sertoli și Celulele Leydig
Întoarceți-vă de la Celule Germinale la MicroscopeMaster home
Cassandra G. Extavour și Michael Akam (2003). Mecanisme de specificare a celulelor germinale la metazoare: epigeneză și preformare.
Cynthia R. Wagner. (2010). Germ Cells and Epigenetics (Celulele germinale și epigenetica). Nature Masterclass.
Inbar Maayan. (2011). Meiosis in Humans (în engleză).
Mark Van Doren. (2011). The Cell Biology of the Germ Cell Life Cycle (Biologia celulară a ciclului de viață al celulelor germinale). NCBI Resources.
Pritesh Krishnakumar și Roland Dosch. (2018). Specificația celulelor germinale: The Evolution of a Recipe to Make Germ Cells (Evoluția unei rețete pentru fabricarea celulelor germinale).
