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En biología y genética , la línea germinal es la población de células de un organismo multicelular que transmiten su material genético a la progenie ( descendencia ). Es decir, son las células que forman el óvulo , el espermatozoide y el óvulo fecundado . Por lo general, se diferencian para realizar esta función y se segregan en un lugar específico lejos de otras células del cuerpo. [1]
Por regla general, esta transmisión se produce mediante un proceso de reproducción sexual ; normalmente es un proceso que incluye cambios sistemáticos en el material genético, cambios que surgen durante la recombinación , la meiosis y la fertilización, por ejemplo. Sin embargo, existen muchas excepciones entre los organismos multicelulares, incluidos procesos y conceptos como diversas formas de apomixis , autogamia , automixis , clonación o partenogénesis . [2] [3] Las células de la línea germinal se llaman células germinales . [4] Por ejemplo, los gametos como el espermatozoide y el óvulo son células germinales. También lo son las células que se dividen para producir gametos, llamadas gametocitos , las células que los producen, llamadas gametogonias , y todo el camino hasta el cigoto , la célula a partir de la cual se desarrolla un individuo. [4]
En los organismos que se reproducen sexualmente, las células que no están en la línea germinal se denominan células somáticas . Según este punto de vista, las mutaciones , recombinaciones y otros cambios genéticos en la línea germinal pueden transmitirse a la descendencia, pero no un cambio en una célula somática. [5] Esto no tiene por qué aplicarse a organismos que se reproducen somáticamente, como algunos Porifera [6] y muchas plantas. Por ejemplo, muchas variedades de cítricos , [7] plantas de las Rosáceas y algunas de las Asteráceas , como Taraxacum , producen semillas de forma apomíctica cuando las células diploides somáticas desplazan el óvulo o el embrión temprano. [8]
En una etapa anterior del pensamiento genético, había una clara distinción entre células germinales y células somáticas. Por ejemplo, propuso y señaló August Weismann , una célula de la línea germinal es inmortal en el sentido de que es parte de un linaje que se ha reproducido indefinidamente desde el comienzo de la vida y, salvo accidente, podría continuar haciéndolo indefinidamente. [9] 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 mecanismos celulares internos como los telómeros y controles como la aplicación selectiva de telomerasa en células germinales, células madre. y similares. [10]
No todos los organismos multicelulares se diferencian en líneas somáticas y germinales, [11] pero, en ausencia de intervención humana técnica especializada, prácticamente todas las estructuras multicelulares, excepto las más simples, lo hacen. En tales organismos, las células somáticas tienden a ser prácticamente totipotentes , y desde hace más de un siglo se sabe que las células esponjosas se vuelven a ensamblar en nuevas esponjas después de haber sido separadas forzándolas a pasar a través de un tamiz. [6]
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 que descienden todas las plantas y animales .
Las plantas y los metazoos basales, como las esponjas (Porifera) y los corales (Anthozoa), no secuestran una línea germinal distinta, generando 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. Reservar una población aislada de células germinales en las primeras etapas de la embriogénesis podría promover la cooperación entre las células somáticas de un organismo multicelular complejo. [12] Otra teoría reciente sugiere que el secuestro temprano de la línea germinal evolucionó para limitar la acumulación de mutaciones nocivas en genes mitocondriales en organismos complejos con altos requerimientos de energía y rápidas tasas de mutación mitocondrial. [11]
Las especies reactivas de oxígeno (ROS) se producen como subproductos del metabolismo. En las células de la línea germinal, las ROS son probablemente una causa importante de daños en el ADN que, tras la replicación del ADN , provocan mutaciones . La 8-oxoguanina , un derivado oxidado de la guanina , se produce por oxidación espontánea en las células de la línea germinal de ratones y, durante la replicación del ADN de la célula, provoca mutaciones de transversión de GC a TA . [13] Estas mutaciones ocurren en todos los cromosomas del ratón , así como durante las 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 [14] como para la ovogénesis . [15] 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 de los daños del ADN, particularmente la reparación recombinante homóloga , durante la meiosis de la línea germinal . [16] Entre los seres humanos, alrededor del cinco por ciento de los descendientes nacidos vivos tienen un trastorno genético, y de estos, alrededor del 20 por ciento se deben a mutaciones de la línea germinal recientemente surgidas . [14]
Las alteraciones epigenéticas del ADN incluyen modificaciones que afectan la expresión genética, pero no son causadas por cambios en la secuencia de bases del ADN. Un ejemplo bien estudiado de tal alteración es la metilación de la citosina del ADN para formar 5-metilcitosina . Esto suele ocurrir 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. [17] Alrededor de 28 millones de dinucleótidos CpG se encuentran en el genoma humano, [18] y alrededor de 24 millones de sitios CpG en el genoma del ratón (que es un 86% del tamaño del genoma humano [19] ). En la mayoría de los tejidos de los mamíferos, en promedio, entre el 70% y el 80% de las citosinas CpG están metiladas (formando 5-mCpG). [20]
En el ratón, entre los días 6,25 y 7,25 después de la fertilización de un óvulo por un espermatozoide, las células del embrión se reservan como células germinales primordiales (CGP). Estas PGC darán lugar posteriormente a espermatozoides u óvulos de la línea germinal. En este punto, las PGC tienen altos niveles típicos de metilación. Luego, las células germinales primordiales del ratón se someten a una desmetilación del ADN de todo el genoma , seguida de una nueva metilación posterior para restablecer el epigenoma y formar un óvulo o un espermatozoide. [21]
En el ratón, las PGC sufren una desmetilación del ADN en dos fases. La primera fase, que comienza aproximadamente en el día embrionario 8,5, se produce durante la proliferación y migración de las PGC y da lugar a una pérdida de metilación en todo el genoma, que afecta a casi todas las secuencias genómicas. Esta pérdida de metilación se produce mediante desmetilación pasiva debido a la represión de los componentes principales de la maquinaria de metilación. [21] 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 específicos de la meiosis. Esta segunda fase de desmetilación está mediada por las enzimas TET TET1 y TET2, que llevan a cabo el primer paso de la desmetilación al convertir 5-mC en 5-hidroximetilcitosina (5-hmC) durante los días embrionarios 9,5 a 10,5. Es probable que a esto le siga una dilución dependiente de la replicación durante los días embrionarios 11,5 a 13,5. [22] 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. [21]
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, están regulados positivamente tanto en las PGC masculinas como en las femeninas. [22]
Después de borrar las marcas de metilación del ADN en las PGC de ratón, las células germinales masculinas y femeninas experimentan una nueva metilación en diferentes momentos durante la gametogénesis. Mientras sufre una 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 de los espermatozoides 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 de los ovocitos. [21]