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En biología y genética , la línea germinal es la población de células de un organismo multicelular que se desarrollan en células germinales . En otras palabras, son las células que forman los gametos ( óvulos y espermatozoides ), que pueden unirse para formar un cigoto . Se diferencian en las gónadas desde células germinales primordiales en gametogonias , que se desarrollan en gametocitos , que se desarrollan en los gametos finales. [1] Este proceso se conoce como gametogénesis .
Las células germinales transmiten material genético a través del proceso de reproducción sexual, que incluye la fecundación , la recombinación y la meiosis . Estos procesos ayudan a aumentar la diversidad genética en la descendencia. [2]
Ciertos organismos se reproducen asexualmente a través de procesos como la apomixis , la partenogénesis , la autogamia y la clonación . [3] [4] La apomixis y la partenogénesis se refieren al desarrollo de un embrión sin fertilización. La primera ocurre típicamente en las semillas de las plantas, mientras que la segunda tiende a verse en los nematodos, así como en ciertas especies de reptiles, aves y peces. [5] [6] La autogamia es un término utilizado para describir la autopolinización en las plantas. [7] La clonación es una técnica utilizada para la creación de células u organismos genéticamente idénticos. [8]
En los organismos que se reproducen sexualmente, las células que no están en la línea germinal se denominan células somáticas . Según esta definición, las mutaciones , recombinaciones y otros cambios genéticos en la línea germinal pueden transmitirse a la descendencia, pero los cambios en una célula somática no lo harán. [9] Esto no tiene por qué aplicarse a los organismos que se reproducen somáticamente, como algunos Porifera [10] y muchas plantas. Por ejemplo, muchas variedades de cítricos , [11] plantas de la familia Rosaceae y algunas de la familia Asteraceae , como Taraxacum , producen semillas de forma apomíctica cuando las células diploides somáticas desplazan al óvulo o al embrión temprano. [12]
En una etapa anterior del pensamiento genético, existía una clara distinción entre células germinales y células somáticas. Por ejemplo, August Weismann propuso y señaló que una célula germinal es inmortal en el sentido de que forma parte de un linaje que se ha reproducido indefinidamente desde el comienzo de la vida y, salvo accidente, podría seguir haciéndolo indefinidamente. [13] Sin embargo, ahora se sabe con cierto detalle que esta distinción entre células somáticas y germinales es en parte artificial y depende de circunstancias particulares y de mecanismos celulares internos como los telómeros y controles como la aplicación selectiva de la telomerasa en células germinales, células madre y similares. [14]
No todos los organismos multicelulares se diferencian en líneas somáticas y germinales, [15] pero en ausencia de una intervención humana técnica especializada prácticamente todos, salvo las estructuras multicelulares más simples, lo hacen. En estos organismos, las células somáticas tienden a ser prácticamente totipotentes , y desde hace más de un siglo se sabe que las células de las esponjas se reagrupan para formar nuevas esponjas después de haber sido separadas al forzarlas a pasar por un tamiz. [10]
La línea germinal puede referirse a un linaje de células que abarca muchas generaciones de individuos; por ejemplo, la línea germinal que vincula a cualquier individuo vivo con el hipotético último ancestro común universal , del cual descienden todas las plantas y los animales .
Las plantas y los metazoos basales, como las esponjas (Porifera) y los corales (Anthozoa), no secuestran una línea germinal distinta, sino que generan gametos a partir de linajes de células madre multipotentes que también dan lugar a tejidos somáticos ordinarios. Por lo tanto, es probable que el secuestro de la línea germinal haya evolucionado por primera vez en animales complejos con planes corporales sofisticados, es decir, los bilaterales. Existen varias teorías sobre el origen de la distinción estricta entre línea germinal y soma. Dejar de lado una población aislada de células germinales al principio de la embriogénesis podría promover la cooperación entre las células somáticas de un organismo multicelular complejo. [16] Otra teoría reciente sugiere que el secuestro temprano de la línea germinal evolucionó para limitar la acumulación de mutaciones deletéreas en genes mitocondriales en organismos complejos con altos requerimientos de energía y tasas rápidas de mutación mitocondrial. [15]
Las especies reactivas de oxígeno (ROS) se producen como subproductos del metabolismo. En las células de la línea germinal, es probable que las ROS sean una causa importante de daños en el ADN que, tras la replicación del ADN , conducen a mutaciones . La 8-oxoguanina , un derivado oxidado de la guanina , se produce por oxidación espontánea en las células de la línea germinal de los ratones y, durante la replicación del ADN de la célula, causa mutaciones de transversión de GC a TA . [17] Estas mutaciones se producen en todos los cromosomas del ratón , así como durante diferentes etapas de la gametogénesis .
Las frecuencias de mutación de las células en diferentes etapas de la gametogénesis son aproximadamente de 5 a 10 veces más bajas que en las células somáticas, tanto para la espermatogénesis [18] como para la ovogénesis [19] . Las frecuencias más bajas de mutación en las células de la línea germinal en comparación con las células somáticas parecen deberse a una reparación más eficiente del ADN de los daños en el ADN, en particular la reparación recombinacional homóloga , durante la meiosis de la línea germinal [20] . Entre los humanos, aproximadamente el cinco por ciento de la descendencia nacida viva tiene un trastorno genético y, de estos, aproximadamente el 20% se deben a mutaciones de la línea germinal de reciente aparición [18] .
Las alteraciones epigenéticas del ADN incluyen modificaciones que afectan la expresión génica, pero que no son causadas por cambios en la secuencia de bases del ADN. Un ejemplo bien estudiado de dicha alteración es la metilación de la citosina del ADN para formar 5-metilcitosina . Esto ocurre generalmente en la secuencia de ADN CpG , cambiando el ADN en el sitio CpG de CpG a 5-mCpG. La metilación de citosinas en sitios CpG en regiones promotoras de genes puede reducir o silenciar la expresión génica. [21] Alrededor de 28 millones de dinucleótidos CpG ocurren en el genoma humano, [22] y alrededor de 24 millones de sitios CpG en el genoma del ratón (que es 86% tan grande como el genoma humano [23] ). En la mayoría de los tejidos de los mamíferos, en promedio, del 70% al 80% de las citosinas CpG están metiladas (formando 5-mCpG). [24]
En el ratón, entre los días 6,25 y 7,25 después de la fecundación de un óvulo por un espermatozoide, las células del embrión se reservan como células germinales primordiales (PGC). Estas PGC darán lugar más tarde a espermatozoides de línea germinal o a óvulos. En este punto, las PGC tienen altos niveles típicos de metilación. Luego, las células germinales primordiales del ratón experimentan una desmetilación del ADN en todo el genoma , seguida de una nueva metilación posterior para restablecer el epigenoma con el fin de formar un óvulo o un espermatozoide. [25]
En el ratón, las CGP sufren una desmetilación del ADN en dos fases. La primera fase, que comienza alrededor del día embrionario 8,5, ocurre durante la proliferación y migración de las CGP, y da como resultado una pérdida de metilación en todo el genoma, que involucra a casi todas las secuencias genómicas. Esta pérdida de metilación ocurre a través de una desmetilación pasiva debido a la represión de los principales componentes de la maquinaria de metilación. [25] La segunda fase ocurre durante los días embrionarios 9,5 a 13,5 y causa la desmetilación de la mayoría de los loci específicos restantes, incluidos los genes específicos de la línea germinal y de la meiosis. Esta segunda fase de desmetilación está mediada por las enzimas TET1 y TET2, que llevan a cabo el primer paso en la desmetilación al convertir 5-mC en 5-hidroximetilcitosina (5-hmC) durante los días embrionarios 9,5 a 10,5. Esto es probablemente seguido por una dilución dependiente de la replicación durante los días embrionarios 11,5 a 13,5. [26] En el día embrionario 13,5, los genomas de PGC muestran el nivel más bajo de metilación global del ADN de todas las células en el ciclo de vida. [25]
En el ratón, la gran mayoría de los genes expresados diferencialmente en las PGC desde el día embrionario 9,5 al 13,5, cuando la mayoría de los genes están desmetilados, se regulan positivamente tanto en las PGC masculinas como femeninas. [26]
Tras el borrado de las marcas de metilación del ADN en las células germinales primarias de ratón, las células germinales masculinas y femeninas experimentan una nueva metilación en diferentes momentos durante la gametogénesis. Mientras experimenta la expansión mitótica en la gónada en desarrollo, la línea germinal masculina comienza el proceso de remetilación en el día embrionario 14,5. El patrón de metilación específico del esperma se mantiene durante la expansión mitótica. Los niveles de metilación del ADN en los ovocitos primarios antes del nacimiento permanecen bajos y la remetilación ocurre después del nacimiento en la fase de crecimiento del ovocitos. [25]