En biología del desarrollo , las células que dan lugar a los gametos a menudo se apartan durante la escisión embrionaria . Durante el desarrollo, estas células se diferenciarán en células germinales primordiales , migrarán a la ubicación de la gónada y formarán la línea germinal del animal.
La escisión en la mayoría de los animales separa las células que contienen plasma germinal de otras células. El plasma germinal desactiva efectivamente la expresión genética para volver inerte el genoma de la célula. Las células que expresan plasma germinal se convierten en células germinales primordiales (PGC) que luego darán origen a los gametos . El desarrollo de la línea germinal en los mamíferos, por el contrario, se produce por inducción y no por un plasma germinal endógeno. [ cita necesaria ]
El plasma germinal se ha estudiado en detalle en Drosophila. El polo posterior del embrión contiene materiales necesarios para la fertilidad de la mosca. Este citoplasma, el plasma polar, contiene materiales especializados llamados gránulos polares y las células polares son las precursoras de las células germinales primordiales. [ cita necesaria ]
El plasma polar está organizado y contiene las proteínas y el ARNm de los genes del grupo posterior (como oskar , gen nanos , Tudor, vasa y Valois). Estos genes desempeñan un papel en el desarrollo de la línea germinal para localizar el ARNm de nanos en la parte posterior y localizar los determinantes de las células germinales. La progenie de Drosophila con mutaciones en estos genes no produce células polares y, por tanto, es estéril, lo que da a estas mutaciones el nombre de "sin nietos". Los genes oskar , nanos y germ cell-less (gcl) desempeñan funciones importantes. Oskar es suficiente para reclutar los otros genes para formar plasma germinal funcional. Se requieren nanos para prevenir la mitosis y la diferenciación somática y para que las células polares migren para funcionar como PGC (consulte la siguiente sección). Gcl es necesario (pero no suficiente) para la formación de células polares. Además de estos genes, el componente del gránulo polar de Pgc bloquea la fosforilación y, en consecuencia, la activación de la ARN polimerasa II y detiene la transcripción. [ cita necesaria ]
Se ha identificado germoplasma similar en anfibios en el citoplasma polar del polo vegetal. Este citoplasma se mueve hacia la parte inferior del blastocele y eventualmente termina como su propio subconjunto de células endodérmicas. Si bien está especificado para producir células germinales, el plasma germinal no compromete irreversiblemente a estas células a producir gametos y ningún otro tipo de célula. [1] [2]
La primera fase de migración en Drosophila ocurre cuando las células polares se mueven pasivamente y se pliegan hacia la invaginación del intestino medio. La migración activa se produce a través de repelentes y atrayentes. La expresión de wunen en el endodermo repele las PGC. La expresión de colón y erizo atrae las PGC hacia los precursores mesodérmicos de la gónada. Se requieren nanos durante la migración. Independientemente del sitio de inyección de PGC, las PGC pueden migrar correctamente a sus sitios de destino. [ cita necesaria ]
En el pez cebra, las PGC expresan dos proteínas receptoras transmembrana CXCR4. El sistema de señalización que implica esta proteína y su ligando, Sdf1, es necesario y suficiente para dirigir la migración de PGC en peces.
En las ranas, las PGC migran a lo largo del mesenterio hasta el mesodermo gonadal facilitado por la matriz extracelular orientada con fibronectina. También hay evidencia del sistema CXCR4/Sdf1 en ranas. [ cita necesaria ]
En las aves, las PGC surgen del epiblasto y migran hacia la parte anterior de la línea primitiva hasta la cresta germinal. Desde allí, utilizan los vasos sanguíneos para llegar a la gónada. También se utiliza el sistema CXCR4/Sdf1, aunque puede que no sea el único método necesario. [3]
En el ratón, las células germinales primordiales (CGP) surgen en la línea primitiva posterior del embrión [4] y comienzan a migrar alrededor de 6,25 días después de la concepción. Las PGC comienzan a migrar al endodermo embrionario y luego al intestino posterior y finalmente hacia las futuras crestas genitales donde residen los precursores gonadales somáticos. [4] [5] Esta migración requiere una serie de señales atrayentes y repelentes, así como una serie de moléculas de adhesión como E-cadherina y β1-integrina para guiar la migración de las PGC. [4] Alrededor de 10 días después de la concepción; las PGC ocupan la cresta genital [5] donde comienzan a perder su motilidad y forma polarizada. [4]
Las PGC de los mamíferos se especifican mediante la señalización entre células (inducción), en lugar de mediante la segregación del plasma germinal a medida que el embrión se divide. [6] En ratones, las PGC se originan en el epiblasto proximal, cerca del ectodermo extraembrionario (ExE), del embrión postimplantación ya en el día embrionario 6.5. [7] En E7.5 se genera una población fundadora de aproximadamente 40 PGC en esta región del epiblasto en el embrión de ratón en desarrollo. [8] [9] [10] El epiblasto, sin embargo, también da lugar a linajes de células somáticas que forman el embrión propiamente dicho; incluyendo el endodermo, ectodermo y mesodermo. [11] [12] [13] La especificación de las células germinales primordiales en los mamíferos se atribuye principalmente a las funciones posteriores de dos vías de señalización; "La vía de señalización de BMP y la vía canónica WNT/β-catenina" . [7]
La proteína morfogenética ósea 4 (BMP4) es liberada por el ectodermo extraembrionario (ExE) en el día embrionario 5,5 a 5,75 directamente adyacente al epiblasto [6] y hace que la región del epiblasto más cercana al ExE exprese Blimp1 y Prdm14 en un manera dependiente de la dosis. [14] Esto es evidente ya que el número de PGC que se forman en el epiblasto disminuye en proporción a la pérdida de alelos BMP4. [15] BMP4 actúa a través de sus factores de transcripción intercelulares SMAD1 y SMAD5. [15] [16] [17] [18] [19] Aproximadamente al mismo tiempo, WNT3 comienza a expresarse en el endodermo visceral posterior del epiblasto. [20] [21] Se ha demostrado que la señalización de WNT3 es esencial para que el epiblasto adquiera capacidad de respuesta a la señal BMP4 del ExE. [22] Los mutantes WNT3 no logran establecer una población de células germinales primordiales, pero esto puede restaurarse con actividad WNT exógena. [23] La vía de señalización WNT3/β-catenina es esencial para la expresión del factor de transcripción T (Brachyury), un factor de transcripción que previamente se caracterizó en genes somáticos y específicos del mesodermo. [24] [25] Recientemente se descubrió que T es necesario y suficiente para inducir la expresión de los genes conocidos de especificación de PGC Blimp1 y Prdm14. [23] La inducción del factor de transcripción T se observó 12 horas después de la señalización de BMP/WNT, a diferencia de las 24 a 36 horas que tardaron los genes Blimp1 y Prdm14 en expresarse. El factor de transcripción T actúa aguas arriba de BLIMP1 y Prdm14 en la especificación de PGC uniéndose a los respectivos elementos potenciadores de los genes. [23] Es importante señalar que, si bien T puede activar la expresión de Blimp1 y Prdm14 en ausencia de BMP4 y WNT3, la exposición previa de los progenitores de PGC a WNT (sin BMP4) impide que T active estos genes. [23] Los detalles sobre cómo BMP4 evita que T induzca genes mesodérmicos y solo activa genes de especificación de PGC aún no están claros.
La expresión de Blimp1 es el marcador más antiguo conocido de especificación de PGC. [26] Una mutación en el gen Blimp1 da como resultado la formación de células similares a PGC en el día embrionario 8,5 que se parecen mucho a sus células somáticas vecinas. [27] Una función central de Blimp 1 es la inducción de Tcfap2c, un factor de transcripción de hélice. [28] Los mutantes de Tcfap2c exhibieron una pérdida temprana de células germinales primordiales. [29] [30] Se cree que Tcfap2c reprime la expresión de genes somáticos, incluido el marcador mesodérmico Hoxb1. [30] Entonces, Blimp1, Tcfap2c y Prdm14 juntos son capaces de activar y reprimir la transcripción de todos los genes necesarios para regular la especificación de PGC. [14] La mutación de Prdm14 da como resultado la formación de PGC que se pierden en el día embrionario 11.5. [31] La pérdida de PGC en el mutante Prdm14 se debe a un fallo en el borrado global de los patrones de metilación de la histona 3. [32] Blimp1 y Prdm14 también provocan otro evento epigenético que causa la desmetilación global del ADN. [33]
Otros genes notables regulados positivamente por Blimp1 y Prdm14 son: Sox2 , Nanos3, Nanog , Stella y Fragilis. [14] Al mismo tiempo, Blimp1 y Prdm14 también reprimen la transcripción de programas que impulsan la diferenciación somática al inhibir la transcripción de los genes de la familia Hox . [14] De esta manera, Blimp1 y Prdm14 impulsan la especificación de PGC al promover el desarrollo de la línea germinal y posibles programas transcripcionales de pluripotencia , al tiempo que evitan que las células adopten un destino somático. [14]
Con el vasto conocimiento sobre la especificación de PGC in vivo recopilado durante las últimas décadas, se realizaron varios intentos de generar PGC in vitro a partir del epiblasto postimplantación. Varios grupos lograron generar con éxito células similares a PGC, cultivadas en presencia de BMP4 y varias citoquinas. [15] La eficiencia de este proceso se mejoró posteriormente mediante la adición de factor de células madre (SCF), factor de crecimiento epidérmico (EGF), factor inhibidor de la leucemia (LIF) y BMP8B. [34] Las células similares a PGC generadas mediante este método se pueden trasplantar a una gónada, donde se diferencian y pueden dar gametos viables y descendencia in vivo. [34] También se pueden generar células similares a PGC a partir de células madre embrionarias (ESC) vírgenes que se cultivan durante dos días en presencia de FGF y activina-A para adoptar un estado similar a epiblasto. Luego, estas células se cultivan con BMP4, BMP8B, EGF, LIF y SCF y varias citocinas durante cuatro días más. [35] Estas PGC generadas in vitro también pueden convertirse en gametos y descendencia viables. [35]
Antes de su llegada a las gónadas, las PGC expresan factores de pluripotencia, generan líneas celulares pluripotentes en cultivos celulares (conocidas como células EG , [36] [37] ) y pueden producir tumores de múltiples linajes, conocidos como teratomas . [38] Hallazgos similares en otros vertebrados indican que las PGC aún no están comprometidas de manera irreversible para producir gametos y ningún otro tipo de célula. [1] [39] [40] Al llegar a las gónadas, las PGC humanas y de ratón activan factores específicos de células germinales ampliamente conservados y, posteriormente, regulan negativamente la expresión de factores de pluripotencia. [41] Esta transición da como resultado la determinación de células germinales, una forma de compromiso celular que ya no es reversible. [42]
Antes de ocupar la cresta genital, no se conoce ninguna diferencia entre las PGC XX y XY. [4] Sin embargo, una vez que se completa la migración y se ha producido la determinación de las células germinales, estas células de la línea germinal comienzan a diferenciarse según el nicho gonadal.
Las PGC masculinas pasan a ser conocidas como gonocitos una vez que dejan de migrar y sufren mitosis. [43] El término gonocito se utiliza generalmente para describir todas las etapas posteriores a la PGC hasta que los gonocitos se diferencian en espermatogonias. [43] Anatómicamente, los gonocitos pueden identificarse como células grandes y eucromáticas que a menudo tienen dos nucléolos en el núcleo. [43]
En la cresta genital masculina, la expresión transitoria de Sry hace que las células de soporte se diferencien en células de Sertoli que luego actúan como centro organizador para la diferenciación de los testículos. Las mutaciones puntuales o deleciones en la región codificante Sry humana o de ratón pueden conducir al desarrollo femenino en individuos XY. [44] Las células de Sertoli también actúan para evitar que los gonocitos se diferencien prematuramente. [45] Producen la enzima CYP26B1 para contrarrestar el ácido retinoico circundante . El ácido retinoico actúa como una señal para que los gonocitos entren en meiosis . [45] Se ha demostrado que los gonocitos y las células de Sertoli forman uniones tipo hendidura y desmosoma , así como uniones adherinas compuestas de cadherinas y conexinas . [43] Para diferenciarse en espermatogonias, los gonocitos deben perder sus uniones con las células de Sertoli y volverse migratorios una vez más. [43] Migran a la membrana basal del cordón seminífero [43] y se diferencian.
En las gónadas, las células germinales experimentan espermatogénesis u ovogénesis dependiendo de si el sexo es masculino o femenino respectivamente. [ cita necesaria ]
Las células madre germinales mitóticas, las espermatogonias , se dividen por mitosis para producir espermatocitos comprometidos con la meiosis. Los espermatocitos se dividen por meiosis para formar espermátidas . Las espermátidas posmeióticas se diferencian mediante la espermiogénesis para convertirse en espermatozoides maduros y funcionales . [ cita requerida ] Las células espermatogénicas en diferentes etapas de desarrollo en el ratón tienen una frecuencia de mutación que es de 5 a 10 veces menor que la frecuencia de mutación en las células somáticas . [46]
En Drosophila , la capacidad de las células de la línea germinal masculina premeiótica para reparar roturas de doble hebra disminuye drásticamente con la edad. [47] En el ratón, la espermatogénesis disminuye a medida que avanza la edad paterna, probablemente debido a una mayor frecuencia de errores meióticos . [48]
Las células madre germinales mitóticas, oogonias , se dividen por mitosis para producir ovocitos primarios comprometidos con la meiosis. A diferencia de la producción de espermatozoides, la producción de ovocitos no es continua. Estos ovocitos primarios comienzan la meiosis pero se detienen en el diploteno de la meiosis I mientras están en el embrión. Todas las ovogonias y muchos ovocitos primarios mueren antes del nacimiento. Después de la pubertad en los primates, pequeños grupos de ovocitos y folículos se preparan para la ovulación avanzando a la metafase II. Sólo después de la fertilización se completa la meiosis. La meiosis es asimétrica produciendo cuerpos polares y ovocitos con gran cantidad de material para el desarrollo embrionario. [ cita necesaria ] La frecuencia de mutación de las células de la línea germinal del ratón hembra, como las células de la línea germinal masculina, también es menor que la de las células somáticas. [49] La baja frecuencia de mutaciones de la línea germinal parece deberse, en parte, a niveles elevados de enzimas reparadoras del ADN que eliminan daños potencialmente mutagénicos en el ADN . La integridad genética mejorada puede ser una característica fundamental del desarrollo de la línea germinal. [49]
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )