Una célula germinal es cualquier célula que da lugar 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 hasta las gónadas en desarrollo . Allí, sufren 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 las primeras etapas del desarrollo. 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 sufrir 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 células germinales se llama línea germinal . La especificación de las células germinales comienza durante la escisión 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 seres 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 (ESC). 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 sólo las ESC han demostrado tener 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 llama preformista e implica que las células destinadas a convertirse en células germinales hereden los determinantes específicos de las células germinales presentes en el plasma germinal (área específica del citoplasma) del óvulo (óvulo). El óvulo no fertilizado de la mayoría de los animales es asimétrico: diferentes regiones del citoplasma contienen diferentes cantidades de ARNm y proteínas.
La segunda forma 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 los mamíferos son algo simétricos y tras las primeras divisiones del óvulo fecundado, las células producidas son todas totipotentes . Esto significa que pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula del cuerpo y, por tanto, en células germinales. La especificación de las células germinales primordiales en el ratón de laboratorio se inicia mediante 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 de herencia del establecimiento de las 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 germoplasma. Una diferencia es que normalmente 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 células germinales no se establece de inmediato mediante inducción, existe 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 tasa más alta de mutaciones de la línea germinal en ratones y humanos, especies que se someten a inducción, que en C. elegans y Drosophila melanogaster, especies que se someten a herencia. [8] Se seleccionaría una tasa de mutación más baja, lo cual 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 antes y después de la especificación de las células germinales primordiales, antes de que esta hipótesis sobre la evolución del plasma germinal pueda estar respaldada por 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 de Wunen inducen la migración a través del intestino. Las proteínas Wunen son quimiorrepelentes que alejan 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 llegar a las gónadas. Las proteínas de Colón, quimioatrayentes , estimulan la migración en el mesodermo gonadal. [ cita necesaria ]
En el huevo de la rana acuática Xenopus , los determinantes de las células germinales se encuentran en los blastómeros más vegetales . Estas presuntas PGC son llevadas al endodermo del blastocele mediante 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 trasladan a las crestas gonadales pareadas. La migración comienza con 3-4 células que se someten a tres rondas de división celular de modo que unas 30 PGC llegan a las gónadas. En la ruta migratoria de las PGC, la orientación de las células subyacentes y sus moléculas secretadas, como la fibronectina , desempeñan un papel importante. [ cita necesaria ]
Los mamíferos tienen una ruta migratoria comparable a la de Xenopus . La migración comienza con 50 gonocitos y unas 5.000 PGC llegan a las gónadas. La proliferación también ocurre durante la migración y dura de 3 a 4 semanas en humanos. [ cita necesaria ]
Las PGC provienen del epiblasto y migran posteriormente al mesodermo, al endodermo y a la parte posterior del saco vitelino . Luego se produce la migración desde el intestino posterior a lo largo del intestino y a través del mesenterio dorsal para llegar a las gónadas (4,5 semanas en los seres humanos). La fibronectina forma 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 necesaria ]
En reptiles y aves , las células germinales utilizan otro camino. Las PGC provienen del epiblasto y se desplazan al hipoblasto para formar la media luna germinal ( estructura extraembrionaria anterior ). Luego, 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 estén involucradas en ayudar a las PGC a migrar. [ cita necesaria ]
La SRY ( región determinante S ex del cromosoma Y ) dirige el desarrollo masculino en los mamíferos al inducir que las células somáticas de la cresta gonadal se conviertan en testículos, en lugar de ovarios. [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 soporte en los testículos). Las células de Sertoli son responsables del desarrollo sexual a lo largo de la 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 convertirse en testículos u ovarios da como resultado el desarrollo de una mujer, independientemente del cromosoma sexual portado . [10]
El ácido retinoico (AR) es un factor importante que causa la diferenciación de las células germinales primordiales. En los machos, el mesonefros libera ácido retinoico. Luego, la AR va a la gónada, lo que provoca que las células de Sertoli liberen una enzima llamada CYP26B1. CYP26B1 metaboliza la AR y, debido a que las células de Sertoli rodean a las células germinales primordiales (PGC), las PGC nunca entran en contacto con la AR, lo que resulta en una falta de proliferación de las PGC y de entrada meiótica. Esto evita que la espermatogénesis comience demasiado pronto. En las mujeres, el mesonefros libera RA, que ingresa a la gónada. La AR estimula Stra8, un guardián crítico 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 involucran:
A pesar de sus homologías, también tienen diferencias importantes: [ cita necesaria ]
Después de la migración, las células germinales primordiales se convertirán en oogonias en la gónada en formación (ovario). Las ovogonias proliferan ampliamente mediante divisiones mitóticas, hasta 5-7 millones de células en humanos. Pero luego muchas de estas oogonias mueren y quedan unas 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 inicio de la madurez sexual cuando los ovocitos primarios secretan proteínas para formar una cubierta llamada zona pelúcida y también producen gránulos corticales que contienen enzimas y proteínas necesarias para la fertilización. La meiosis se mantiene estable debido 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 del ovario al tracto reproductivo y está precedida por el crecimiento folicular. Se estimula el crecimiento de algunas células foliculares, pero sólo 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 folículoestimulantes (FSH) que estimulan el crecimiento folicular y la maduración de los ovocitos. 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 ocurre en el ovocito ovulado estimulada por las hormonas luteinizantes (LH) producidas por la glándula pituitaria . La FSH y la LH bloquean las uniones entre las células del folículo y el ovocito, inhibiendo así la comunicación entre ellas. La mayoría de las células de la granulosa folicular permanecen alrededor del ovocito y así forman la capa de cúmulo. Los ovocitos grandes de 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 una apariencia de cepillo de lámpara (ver Cromosoma de cepillo de lámpara). La maduración de los ovocitos es la siguiente fase del desarrollo de los ovocitos. 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 pequeño cuerpo polar y un ovocito secundario grande. El ovocito secundario sufre la división meiótica II y eso da como resultado la formación de un segundo cuerpo polar pequeño y un óvulo maduro grande, siendo ambos células haploides . Los cuerpos polares degeneran. [12] La maduración de los ovocitos se mantiene 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 antes del nacimiento y permanece en la división meiótica I hasta los 50 años, la ovulación comienza en la pubertad . [ cita necesaria ]
Una célula somática de 10 a 20 μm de tamaño generalmente necesita 24 horas para duplicar su masa para la mitosis. De esta manera, esa célula tardaría mucho tiempo en alcanzar el tamaño de un óvulo 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 alcanzar su gran tamaño. Uno de estos mecanismos es tener copias extra de genes : la división meiótica I se pausa para que el ovocito crezca mientras contiene dos conjuntos 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 la síntesis de otras células. En anfibios, aves e insectos, la yema se produce en el hígado (o su equivalente) y se secreta 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 foliculares de la granulosa son el segundo tipo de células accesorias del ovario tanto en invertebrados como en vertebrados. Forman una capa alrededor del ovocito y lo nutren con pequeñas moléculas, no con macromoléculas, pero eventualmente con sus moléculas precursoras más pequeñas, mediante uniones en hendidura . [ cita necesaria ]
Según un estudio, la frecuencia de mutación de las células germinales femeninas en ratones es aproximadamente 5 veces menor que la de las células somáticas . [13]
El ovocito de ratón en la etapa de meiosis dictada (diploteno prolongado) repara activamente el daño del ADN , mientras que la reparación del ADN no se detectó en las etapas de meiosis predictada ( leptoteno , cigoteno y paquiteno ). [14] El largo período de detención meiótica en la etapa de dictado de cuatro cromátidas de la meiosis puede facilitar la reparación recombinacional de los daños en el ADN. [15]
La espermatogénesis de los mamíferos es representativa de la mayoría de los animales. En los varones 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 continuamente 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 sufren la segunda división meiótica para formar cuatro espermátidas haploides. Estas espermátidas se diferencian morfológicamente en espermatozoides por condensación nuclear, eyección del citoplasma y formación del acrosoma y flagelo . [ cita necesaria ]
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 las células hijas en diferenciación. Estos puentes se denominan sincitio y cuentan con un anillo TEX14 y KIF23 en su centro. [16] [17] De esta manera, las células haploides reciben todos los productos de un genoma diploide completo . Los espermatozoides que portan un cromosoma Y , por ejemplo, reciben moléculas esenciales codificadas por genes en el cromosoma X. [ cita necesaria ]
El éxito de la proliferación y diferenciación de las células germinales también está garantizado por un equilibrio entre el desarrollo de las células germinales y la muerte celular programada. La identificación de las «señales que desencadenan 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 tanto, los receptores gustativos 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 de la línea germinal femenina, es decir, de 5 a 10 veces menores que la frecuencia de mutaciones en las células somáticas [19] [13] Por lo tanto, la baja frecuencia de mutaciones es una característica de células germinales en ambos sexos. La reparación recombinante homóloga de roturas de doble hebra ocurre en ratones durante 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 del ADN mediante procesos de reparación que incluyen la reparación por recombinación homóloga durante la meiosis. [20] La frecuencia de mutaciones 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 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 representan el 3% de todos los cánceres en niños y adolescentes de 0 a 19 años. [22]
Los tumores de células germinales generalmente se localizan en las gónadas , pero también pueden aparecer en el abdomen , la pelvis , el mediastino o el cerebro . Es posible que las células germinales que migran a las gónadas no alcancen el destino previsto y que un tumor crezca dondequiera que terminen, pero aún se desconoce la causa exacta. 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 testículo en un modelo de ratón . [24]
Inducir la diferenciación de determinadas células en células germinales tiene muchas aplicaciones. Una implicación de la diferenciación inducida es que puede permitir la erradicación de la infertilidad por factores masculinos y femeninos. Además, permitiría a las parejas del mismo sexo tener hijos biológicos si se pudiera producir esperma a partir de células femeninas o si se pudieran producir óvulos a partir de células masculinas. Los esfuerzos para crear espermatozoides y óvulos a partir de piel y células madre embrionarias fueron pioneros en el grupo de investigación de Hayashi y Saitou en la Universidad de Kyoto. [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 pudo promover la diferenciación de células madre embrionarias en PGC con el uso de sincronización precisa y la proteína morfogenética ósea 4 (Bmp4). Tras 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 germinales primordiales se utilizaron luego para crear espermatozoides y ovocitos. [26]
Los esfuerzos con células humanas están menos avanzados debido a que las PGC formadas mediante estos experimentos no siempre son viables. De hecho, el método de Hayashi y Saitou es sólo un tercio más eficaz que los métodos actuales de fertilización in vitro, y las PGC producidas no siempre son funcionales. Además, las PGC inducidas no solo no son tan efectivas como las PGC naturales, sino que también son menos efectivas para borrar sus marcadores epigenéticos cuando se diferencian de iPSC o ESC a PGC.
También existen otras aplicaciones de la diferenciación inducida de células germinales. Otro estudio demostró que el cultivo de células madre embrionarias humanas en fibroblastos de ovario porcino (POF) mitóticamente inactivados provoca la diferenciación en células germinales, como lo demuestra el análisis de la expresión genética . [27]
