Una célula germinal es cualquier célula que da origen a los gametos de un organismo que se reproduce sexualmente . En muchos animales, las células germinales se originan en la línea primitiva y migran a través del intestino de un embrión a las gónadas en desarrollo . Allí, experimentan meiosis , seguida de diferenciación celular en gametos maduros, ya sean óvulos o espermatozoides . A diferencia de los animales, las plantas no tienen células germinales designadas en el desarrollo temprano. En cambio, las células germinales pueden surgir de células somáticas en el adulto, como el meristemo floral de las plantas con flores . [1] [2] [3]
Los eucariotas multicelulares están formados por dos tipos de células fundamentales: germinales y somáticas . Las células germinales producen gametos y son las únicas células que pueden experimentar meiosis además de mitosis . Las células somáticas son todas las demás células que forman los componentes básicos del cuerpo y solo se dividen por mitosis. El linaje de las células germinales se denomina línea germinal . La especificación de las células germinales comienza durante la división en muchos animales o en el epiblasto durante la gastrulación en aves y mamíferos . Después del transporte, que implica movimientos pasivos y migración activa, las células germinales llegan a las gónadas en desarrollo. En los humanos, la diferenciación sexual comienza aproximadamente 6 semanas después de la concepción. Los productos finales del ciclo de las células germinales son el óvulo o el espermatozoide. [4]
En condiciones especiales, las células germinales in vitro pueden adquirir propiedades similares a las de las células madre embrionarias (CME). El mecanismo subyacente de ese cambio aún se desconoce. Estas células modificadas se denominan células germinales embrionarias. Ambos tipos de células son pluripotentes in vitro, pero solo las CME han demostrado pluripotencia in vivo. Estudios recientes han demostrado que es posible dar lugar a células germinales primordiales a partir de CME. [5]
Existen dos mecanismos para establecer el linaje de células germinales en el embrión . La primera forma se denomina preformista e implica que las células destinadas a convertirse en células germinales hereden los determinantes específicos de células germinales presentes en el plasma germinal (zona específica del citoplasma) del óvulo. El óvulo no fecundado de la mayoría de los animales es asimétrico: diferentes regiones del citoplasma contienen diferentes cantidades de ARNm y proteínas.
La segunda vía se encuentra en los mamíferos, donde las células germinales no están especificadas por tales determinantes sino por señales controladas por genes cigóticos. En los mamíferos, unas pocas células del embrión temprano son inducidas por señales de células vecinas para convertirse en células germinales primordiales . Los óvulos de mamíferos son algo simétricos y después de las primeras divisiones del óvulo fertilizado, las células producidas son todas totipotentes . Esto significa que pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula en el cuerpo y, por lo tanto, en células germinales. La especificación de las células germinales primordiales en el ratón de laboratorio se inicia por altos niveles de señalización de la proteína morfogenética ósea (BMP), que activa la expresión de los factores de transcripción Blimp-1/ Prdm1 y Prdm14. [6]
Se especula que la inducción fue el mecanismo ancestral, y que el mecanismo preformista, o herencia, del establecimiento de células germinales surgió de la evolución convergente . [7] Existen varias diferencias clave entre estos dos mecanismos que pueden proporcionar un razonamiento para la evolución de la herencia del plasma germinal. Una diferencia es que, por lo general, la herencia ocurre casi inmediatamente durante el desarrollo (alrededor de la etapa de blastodermo ), mientras que la inducción generalmente no ocurre hasta la gastrulación. Como las células germinales están inactivas y, por lo tanto, no se dividen, no son susceptibles a la mutación.
Dado que el linaje de las células germinales no se establece de inmediato por inducción, hay una mayor probabilidad de que se produzca una mutación antes de que se especifiquen las células. Hay datos disponibles sobre la tasa de mutación que indican una mayor tasa de mutaciones de la línea germinal en ratones y seres humanos, especies que experimentan inducción, que en C. elegans y Drosophila melanogaster, especies que experimentan herencia. [8] Se seleccionaría una tasa de mutación más baja, lo que es una posible razón para la evolución convergente del plasma germinal. Sin embargo, será necesario recopilar más datos sobre la tasa de mutación en varios taxones, en particular datos recopilados tanto antes como después de la especificación de las células germinales primordiales, antes de que esta hipótesis sobre la evolución del plasma germinal pueda respaldarse con pruebas sólidas.
Las células germinales primordiales, células germinales que aún tienen que llegar a las gónadas (también conocidas como PGC, células germinales precursoras o gonocitos) se dividen repetidamente en su ruta migratoria a través del intestino y hacia las gónadas en desarrollo. [9]
En el organismo modelo Drosophila , las células polares se mueven pasivamente desde el extremo posterior del embrión hasta el intestino medio posterior debido al plegamiento del blastodermo. Luego se mueven activamente a través del intestino hacia el mesodermo . Las células endodérmicas se diferencian y junto con las proteínas Wunen inducen la migración a través del intestino. Las proteínas Wunen son quimiorrepelentes que alejan a las células germinales del endodermo y las llevan al mesodermo. Después de dividirse en dos poblaciones, las células germinales continúan migrando lateralmente y en paralelo hasta que alcanzan las gónadas. Las proteínas Columbus, quimioatrayentes , estimulan la migración en el mesodermo gonadal. [ cita requerida ]
En el huevo de la rana acuática Xenopus , los determinantes de las células germinales se encuentran en los blastómeros más vegetales . Estas presuntas CGP son llevadas al endodermo del blastocele por gastrulación . Se determinan como células germinales cuando se completa la gastrulación. Luego tiene lugar la migración desde el intestino posterior a lo largo del intestino y a través del mesenterio dorsal . Las células germinales se dividen en dos poblaciones y se mueven hacia las crestas gonadales pareadas. La migración comienza con 3-4 células que experimentan tres rondas de división celular, de modo que aproximadamente 30 CGP llegan a las gónadas. En la ruta migratoria de las CGP, la orientación de las células subyacentes y sus moléculas secretadas, como la fibronectina, juegan un papel importante. [ cita requerida ]
Los mamíferos tienen una ruta migratoria comparable a la de Xenopus . La migración comienza con 50 gonocitos y alrededor de 5000 PGC llegan a las gónadas. La proliferación también ocurre durante la migración y dura de 3 a 4 semanas en los humanos. [ cita requerida ]
Las células progenitoras del cordón umbilical proceden del epiblasto y migran posteriormente al mesodermo, al endodermo y a la parte posterior del saco vitelino . La migración se produce a continuación desde el intestino posterior a lo largo del intestino y a través del mesenterio dorsal hasta llegar a las gónadas (4,5 semanas en los seres humanos). La fibronectina traza aquí también una red polarizada junto con otras moléculas. Las células somáticas en el camino de las células germinales les proporcionan señales atractivas, repulsivas y de supervivencia. Pero las células germinales también se envían señales entre sí. [ cita requerida ]
En los reptiles y las aves , las células germinales utilizan otra vía. Las CGP proceden del epiblasto y se desplazan al hipoblasto para formar la medialuna germinal ( estructura extraembrionaria anterior ). A continuación, los gonocitos se introducen en los vasos sanguíneos y utilizan el sistema circulatorio para transportarse. Salen de los vasos cuando están a la altura de las crestas gonadales . La adhesión celular en el endotelio de los vasos sanguíneos y moléculas como los quimioatrayentes probablemente participan en la migración de las CGP. [ cita requerida ]
El SRY ( región determinante del sexo del cromosoma Y ) dirige el desarrollo masculino en los mamíferos al inducir a las células somáticas de la cresta gonadal a convertirse en un testículo, en lugar de un ovario. [10] Sry se expresa en un pequeño grupo de células somáticas de las gónadas e influye en estas células para que se conviertan en células de Sertoli (células de sostén en los testículos). Las células de Sertoli son responsables del desarrollo sexual a lo largo de una vía masculina de muchas maneras. Una de estas formas implica la estimulación de las células primordiales que llegan para diferenciarse en espermatozoides . En ausencia del gen Sry , las células germinales primordiales se diferencian en óvulos . La eliminación de las crestas genitales antes de que comiencen a desarrollarse en testículos u ovarios da como resultado el desarrollo de una hembra, independientemente del cromosoma sexual transportado . [10]
El ácido retinoico (AR) es un factor importante que provoca la diferenciación de las células germinales primordiales. En los machos, el mesonefros libera ácido retinoico. El AR va luego a la gónada y provoca que las células de Sertoli liberen una enzima llamada CYP26B1. La CYP26B1 metaboliza el AR y, como las células de Sertoli rodean a las células germinales primordiales (PGC), estas nunca entran en contacto con el AR, lo que provoca una falta de proliferación de las PGC y la no entrada a la meiosis. Esto evita que la espermatogénesis comience demasiado pronto. En las hembras, el mesonefros libera AR, que entra en la gónada. El AR estimula Stra8, un guardián fundamental de la meiosis (1), y Rec8, lo que hace que las células germinales primordiales entren en la meiosis. Esto provoca el desarrollo de ovocitos que se detienen en la meiosis I. [11]
La gametogénesis , el desarrollo de células germinales diploides en óvulos o espermatozoides haploides (ovogénesis y espermatogénesis, respectivamente), es diferente para cada especie , pero las etapas generales son similares. La ovogénesis y la espermatogénesis tienen muchas características en común, ambas implican:
A pesar de sus homologías también tienen diferencias importantes: [ cita requerida ]
Después de la migración, las células germinales primordiales se convertirán en ovogonias en la gónada en formación (ovario). Las ovogonias proliferan ampliamente por divisiones mitóticas, hasta 5-7 millones de células en los humanos. Pero luego muchas de estas ovogonias mueren y quedan alrededor de 50.000. Estas células se diferencian en ovocitos primarios. En la semana 11-12 después del coito comienza la primera división meiótica (antes del nacimiento para la mayoría de los mamíferos) y permanece detenida en la profase I desde unos pocos días hasta muchos años dependiendo de la especie. Es en este período o en algunos casos al comienzo de la madurez sexual que los ovocitos primarios secretan proteínas para formar una capa llamada zona pelúcida y también producen gránulos corticales que contienen enzimas y proteínas necesarias para la fertilización. La meiosis se mantiene gracias a las células de la granulosa folicular que envían señales inhibidoras a través de las uniones comunicantes y la zona pelúcida. La maduración sexual es el comienzo de la ovulación periódica. La ovulación es la liberación regular de un ovocito desde el ovario hacia el tracto reproductivo y está precedida por el crecimiento folicular. Se estimula el crecimiento de unas pocas células foliculares, pero solo se ovula un ovocito. Un folículo primordial consiste en una capa epitelial de células de la granulosa folicular que encierra un ovocito. La glándula pituitaria secreta hormonas folículo estimulantes (FSH) que estimulan el crecimiento folicular y la maduración del ovocito. Las células tecales alrededor de cada folículo secretan estrógeno . Esta hormona estimula la producción de receptores de FSH en las células de la granulosa folicular y, al mismo tiempo, tiene una retroalimentación negativa sobre la secreción de FSH. Esto da como resultado una competencia entre los folículos y solo el folículo con más receptores de FSH sobrevive y es ovulado. La división meiótica I continúa en el ovocito ovulado estimulada por las hormonas luteinizantes (LH) producidas por la glándula pituitaria . La FSH y la LH bloquean las uniones en hendidura entre las células del folículo y el ovocito, inhibiendo así la comunicación entre ellos. La mayoría de las células de la granulosa folicular permanecen alrededor del ovocito y forman así la capa del cúmulo. Los ovocitos grandes no mamíferos acumulan yema de huevo , glucógeno , lípidos , ribosomas y el ARNm necesario para la síntesis de proteínas durante el crecimiento embrionario temprano. Esta biosíntesis intensiva de ARN se refleja en la estructura de los cromosomas , que se descondensan y forman bucles laterales que les dan un aspecto de cepillo de lámpara (véase Cromosoma en cepillo de lámpara).). La maduración del ovocito es la siguiente fase del desarrollo del ovocito. Ocurre en la madurez sexual cuando las hormonas estimulan al ovocito para completar la división meiótica I. La división meiótica I produce 2 células que difieren en tamaño: un cuerpo polar pequeño y un ovocito secundario grande. El ovocito secundario experimenta la división meiótica II y eso da como resultado la formación de un segundo cuerpo polar pequeño y un óvulo maduro grande, ambos son células haploides . Los cuerpos polares degeneran. [12] La maduración del ovocito se detiene en la metafase II en la mayoría de los vertebrados. Durante la ovulación, el ovocito secundario detenido abandona el ovario y madura rápidamente hasta convertirse en un óvulo listo para la fertilización. La fertilización hará que el óvulo complete la meiosis II. En las mujeres humanas hay proliferación de ovogonias en el feto, la meiosis comienza entonces antes del nacimiento y se mantiene en la división meiótica I hasta los 50 años, la ovulación comienza en la pubertad . [ cita requerida ]
Una célula somática de 10 a 20 μm de tamaño generalmente necesita 24 horas para duplicar su masa para la mitosis. De esta manera, tomaría mucho tiempo para que esa célula alcance el tamaño de un huevo de mamífero con un diámetro de 100 μm (algunos insectos tienen huevos de aproximadamente 1.000 μm o más). Por lo tanto, los huevos tienen mecanismos especiales para crecer hasta su gran tamaño. Uno de estos mecanismos es tener copias adicionales de genes : la división meiótica I se detiene para que el ovocito crezca mientras contiene dos juegos de cromosomas diploides. Algunas especies producen muchas copias adicionales de genes, como los anfibios, que pueden tener hasta 1 o 2 millones de copias. Un mecanismo complementario depende en parte de las síntesis de otras células. En anfibios, aves e insectos, la yema es producida por el hígado (o su equivalente) y secretada a la sangre . Las células accesorias vecinas en el ovario también pueden proporcionar ayuda nutritiva de dos tipos. En algunos invertebrados, algunas ovogonias se convierten en células nodrizas . Estas células están conectadas por puentes citoplasmáticos con los ovocitos. Las células nodrizas de los insectos proporcionan a los ovocitos macromoléculas como proteínas y ARNm. Las células de la granulosa folicular son el segundo tipo de células accesorias en el ovario tanto en invertebrados como en vertebrados. Forman una capa alrededor del ovocito y lo nutren con moléculas pequeñas, no macromoléculas, sino eventualmente sus moléculas precursoras más pequeñas, mediante uniones en hendidura . [ cita requerida ]
La frecuencia de mutación de las células germinales femeninas en ratones es aproximadamente cinco veces menor que la de las células somáticas , según un estudio. [13]
El ovocito de ratón en la etapa dictiata (diploteno prolongado) de la meiosis repara activamente los daños en el ADN , mientras que no se detectó reparación del ADN en las etapas predictata ( leptoteno , zigoteno y paquiteno ) de la meiosis. [14] El largo período de arresto meiótico en la etapa dictiata de cuatro cromátidas de la meiosis puede facilitar la reparación recombinatoria de los daños en el ADN. [15]
La espermatogénesis de los mamíferos es representativa de la mayoría de los animales. En los machos humanos, la espermatogénesis comienza en la pubertad en los túbulos seminíferos de los testículos y continúa de forma continua. Las espermatogonias son células germinales inmaduras. Proliferan de forma continua mediante divisiones mitóticas alrededor del borde exterior de los túbulos seminíferos , junto a la lámina basal . Algunas de estas células detienen la proliferación y se diferencian en espermatocitos primarios. Después de pasar por la primera división meiótica, se producen dos espermatocitos secundarios. Los dos espermatocitos secundarios experimentan la segunda división meiótica para formar cuatro espermátidas haploides. Estas espermátidas se diferencian morfológicamente en espermatozoides mediante condensación nuclear, expulsión del citoplasma y formación del acrosoma y el flagelo . [ cita requerida ]
Las células germinales masculinas en desarrollo no completan la citocinesis durante la espermatogénesis. En consecuencia, existen puentes citoplasmáticos durante la interfase para asegurar la conexión entre los clones de células hijas en diferenciación. Estos puentes se denominan sincitios y presentan un anillo TEX14 y KIF23 en su centro. [16] [17] De esta manera, las células haploides se abastecen de todos los productos de un genoma diploide completo . Los espermatozoides que llevan un cromosoma Y , por ejemplo, se abastecen de moléculas esenciales que están codificadas por genes en el cromosoma X. [ cita requerida ]
El éxito de la proliferación y diferenciación de las células germinales también está asegurado por un equilibrio entre el desarrollo de las células germinales y la muerte celular programada. La identificación de las «señales desencadenantes de la muerte» y las proteínas receptoras correspondientes es importante para el potencial de fertilización de los machos. La apoptosis en las células germinales puede ser inducida por una variedad de tóxicos naturales. Los receptores que pertenecen a la familia del gusto 2 están especializados en detectar compuestos amargos, incluidos alcaloides extremadamente tóxicos. Por lo tanto, los receptores del gusto desempeñan un papel funcional en el control de la apoptosis en el tejido reproductivo masculino. [18]
Las frecuencias de mutación de las células a lo largo de las diferentes etapas de la espermatogénesis en ratones son similares a las de las células germinales femeninas, es decir, de 5 a 10 veces más bajas que la frecuencia de mutación en las células somáticas [19] [13] Por lo tanto, la baja frecuencia de mutación es una característica de las células germinales en ambos sexos. La reparación por recombinación homóloga de las roturas de doble cadena ocurre en el ratón durante las etapas secuenciales de la espermatogénesis, pero es más prominente en los espermatocitos . [15] Las frecuencias más bajas de mutación en las células germinales en comparación con las células somáticas parecen deberse a una eliminación más eficiente de los daños en el ADN mediante procesos de reparación que incluyen la reparación por recombinación homóloga durante la meiosis. [20] La frecuencia de mutación durante la espermatogénesis aumenta con la edad. [19] Las mutaciones en las células espermatogénicas de ratones viejos incluyen una mayor prevalencia de mutaciones de transversión en comparación con los ratones jóvenes y de mediana edad. [21]
El tumor de células germinales es un cáncer poco común que puede afectar a personas de todas las edades. En 2018, los tumores de células germinales representaban el 3 % de todos los cánceres en niños y adolescentes de 0 a 19 años. [22]
Los tumores de células germinales se localizan generalmente en las gónadas , pero también pueden aparecer en el abdomen , la pelvis , el mediastino o el cerebro . Las células germinales que migran a las gónadas pueden no llegar a su destino previsto y un tumor puede crecer dondequiera que terminen, pero la causa exacta aún se desconoce. Estos tumores pueden ser benignos o malignos . [23]
Al llegar a la gónada, las células germinales primordiales que no se diferencian adecuadamente pueden producir tumores de células germinales del ovario o del testículo en un modelo de ratón . [24]
La inducción de la diferenciación de ciertas células a células germinales tiene muchas aplicaciones. Una de las implicaciones de la diferenciación inducida es que puede permitir la erradicación de la infertilidad masculina y femenina. Además, permitiría a las parejas del mismo sexo tener hijos biológicos si se pudieran producir espermatozoides a partir de células femeninas o óvulos a partir de células masculinas. Los esfuerzos para crear espermatozoides y óvulos a partir de células madre embrionarias y de la piel fueron pioneros en el grupo de investigación de Hayashi y Saitou en la Universidad de Kioto. [25] Estos investigadores produjeron células similares a células germinales primordiales (PGLC) a partir de células madre embrionarias (ESC) y células de la piel in vitro.
El grupo de Hayashi y Saitou fue capaz de promover la diferenciación de células madre embrionarias en PGC con el uso de tiempo preciso y proteína morfogenética ósea 4 (Bmp4). Al tener éxito con las células madre embrionarias, el grupo pudo promover con éxito la diferenciación de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) en PGLC. Estas células similares a células germinales primordiales se utilizaron luego para crear espermatozoides y ovocitos. [26]
Los esfuerzos para desarrollar células humanas están menos avanzados debido a que las CGP formadas mediante estos experimentos no siempre son viables. De hecho, el método de Hayashi y Saitou es solo un tercio tan eficaz como los métodos actuales de fertilización in vitro, y las CGP producidas no siempre son funcionales. Además, las CGP inducidas no solo no son tan eficaces como las CGP naturales, sino que también son menos eficaces a la hora de borrar sus marcadores epigenéticos cuando se diferencian de iPSC o ESC a CGP.
Existen también otras aplicaciones de la diferenciación inducida de células germinales. Otro estudio demostró que el cultivo de células madre embrionarias humanas en fibroblastos ováricos porcinos (POF) inactivados mitóticamente provoca la diferenciación en células germinales, como se evidencia mediante el análisis de la expresión genética . [27]
