Utveckling av könsceller
Inom utvecklingsbiologin ställs ofta de celler som ger upphov till könscellerna åt sidan vid embryonal klyvning . Under utvecklingen kommer dessa celler att differentiera till primordiala könsceller , migrera till platsen för gonaden och bilda djurets könslinje .
Skapande av könsplasma och primordiala könsceller
Klyvning hos de flesta djur segregerar celler som innehåller könsplasma från andra celler. Groddplasman stänger effektivt av genuttryck för att göra cellens genom inert. Celler som uttrycker könsplasma blir primordiala könsceller (PGC) som sedan kommer att ge upphov till könscellerna . Utvecklingen av könslinje hos däggdjur sker å andra sidan genom induktion och inte genom en endogen könsplasma. [ citat behövs ]
Groddplasma i fruktfluga
Groddplasma har studerats i detalj i Drosophila. Embryots bakre pol innehåller nödvändiga material för flugans fertilitet. Denna cytoplasma, polplasma, innehåller specialiserade material som kallas polära granuler och polcellerna är föregångare till primordiala könsceller. [ citat behövs ]
Polplasma organiseras av och innehåller proteinerna och mRNA från de bakre gruppgenerna (såsom oskar , nanos gen , Tudor, vasa och Valois). Dessa gener spelar en roll i könslinjeutvecklingen för att lokalisera nanos mRNA till den bakre och lokalisera könscellsdeterminanter. Drosophila avkomma med mutationer i dessa gener misslyckas med att producera polceller och är därför sterila, vilket ger dessa mutationer namnet "barnbarnslösa". Generna oskar , nanos och könscellslös (gcl) har viktiga roller. Oskar räcker för att rekrytera de andra generna för att bilda funktionell bakterieplasma. Nanos krävs för att förhindra mitos och somatisk differentiering och för att polcellerna ska migrera för att fungera som PGC (se nästa avsnitt). Gcl är nödvändigt (men inte tillräckligt) för polcellsbildning. Förutom dessa gener blockerar Pgc polär granulkomponent fosforylering och följaktligen aktivering av RNA-polymeras II och stänger av transkriptionen. [ citat behövs ]
Grodplasma hos groddjur
Liknande groddplasma har identifierats hos amfibier i den polära cytoplasman vid växtpolen. Denna cytoplasma rör sig till botten av blastocoel och slutar så småningom som sin egen undergrupp av endodermala celler. Även om den är specificerad för att producera könsceller, binder inte könsplasman dessa celler irreversibelt till att producera könsceller och ingen annan celltyp.
Migration av primordiala könsceller
Fruktflugor
Den första fasen av migration i Drosophila inträffar när polcellerna rör sig passivt och viks in i mellantarmsinvaginationen. Aktiv migration sker genom repellerande och lockande medel. Uttrycket av wunen i endodermen stöter bort PGC:erna. Uttrycket av columbus och igelkott lockar PGC till de mesodermala prekursorerna till gonaden. Nanos krävs under migrering. Oavsett PGC-injektionsställe kan PGC:er migrera korrekt till sina målställen. [ citat behövs ]
Zebrafisk
I zebrafisk uttrycker PGC två CXCR4-transmembranreceptorproteiner. Signalsystemet som involverar detta protein och dess ligand, Sdf1, är nödvändigt och tillräckligt för att styra PGC-migrering i fisk.
Grodor
Hos grodor migrerar PGCs längs mesenteriet till gonadala mesodermen, vilket underlättas av orienterad extracellulär matris med fibronektin. Det finns också bevis för CXCR4/Sdf1-systemet i grodor. [ citat behövs ]
Fåglar
Hos fåglar uppstår PGC från epiblasten och migrerar till främre delen av den primitiva strimmen till könskammaren. Därifrån använder de blodkärl för att hitta till gonaden. CXCR4/Sdf1-systemet används också, men kanske inte är den enda nödvändiga metoden.
Däggdjur
Hos musen uppstår primordiala könsceller (PGC) i embryots bakre primitiva strimma och börjar migrera cirka 6,25 dagar efter befruktningen. PGC börjar migrera till den embryonala endodermen och sedan till baktarmen och slutligen mot de framtida genitalryggarna där de somatiska gonadala prekursorerna finns. Denna migration kräver en serie lockande och avvisande signaler samt ett antal adhesionsmolekyler som E-cadherin och β1-Integrin för att styra migrationen av PGC. Cirka 10 dagar efter befruktningen; PGC:erna ockuperar genitalryggen där de börjar förlora sin rörlighet och polariserade form.
Utveckling av könsceller hos däggdjur
Däggdjurs-PGC specificeras genom signalering mellan celler (induktion), snarare än genom segregering av groddplasma när embryot delar sig. Hos möss härstammar PGC från den proximala epiblasten, nära den extraembryonala ektodermen (ExE), från postimplantationsembryot så tidigt som embryonal dag 6.5. Genom E7.5 genereras en grundpopulation på cirka 40 PGC i denna region av epiblasten i det utvecklande musembryot. Epiblasten ger emellertid också upphov till somatiska celllinjer som utgör själva embryot; inklusive endodermen, ektodermen och mesodermen. Specifikationen av primordiala könsceller hos däggdjur tillskrivs huvudsakligen nedströmsfunktionerna hos två signalvägar; BMP-signalvägen och den kanoniska WNT/β-catenin-vägen.
Benmorfogenetiskt protein 4 (BMP4) frisätts av den extra-embryonala ektodermen (ExE) vid embryonal dag 5,5 till 5,75 direkt intill epiblasten och gör att regionen av epiblasten närmast ExE uttrycker Blimp1 och Prdm14 i ett dosberoende sätt. Detta är uppenbart eftersom antalet PGCs som bildas i epiblasten minskar i proportion till förlusten av BMP4-alleler. BMP4 verkar genom sina nedströms intercellulära transkriptionsfaktorer SMAD1 och SMAD5. Under ungefär samma tid börjar WNT3 att uttryckas i epiblastens bakre viscerala endoderm. WNT3-signalering har visat sig vara väsentlig för att epiblasten ska få lyhördhet för BMP4-signalen från ExE. WNT3-mutanter lyckas inte etablera en primordial könscellspopulation, men detta kan återställas med exogen WNT-aktivitet. WNT3/β-catenin-signalvägen är väsentlig för uttrycket av transkriptionsfaktorn T (Brachyury), en transkriptionsfaktor som tidigare karakteriserades somatiska och mesodermspecifika gener. T visade sig nyligen vara både nödvändigt och tillräckligt för att inducera uttrycket av de kända PGC-specifikationsgenerna Blimp1 och Prdm14. Induktionen av transkriptionsfaktor T sågs 12 timmar efter BMP/WNT-signalering, i motsats till de 24 till 36 timmar det tog för Blimp1- och Prdm14-gener att uttryckas. Transkriptionsfaktor T verkar uppströms om BLIMP1 och Prdm14 i PGC-specifikationen genom att binda till generna respektive förstärkarelement. Det är viktigt att notera att även om T kan aktivera uttrycket av Blimp1 och Prdm14 i frånvaro av både BMP4 och WNT3, förhindrar preexponering av PGC-progenitorer för WNTs (utan BMP4) T från att aktivera dessa gener. Detaljer om hur BMP4 förhindrar T från att inducera mesodermala gener, och endast aktiverar PGC-specifikationsgener, är fortfarande oklara.
Uttryck av Blimp1 är den tidigaste kända markören för PGC-specifikation. En mutation i Blimp1-genen resulterar i bildandet av PGC-liknande celler vid embryonal dag 8.5 som nära liknar deras närliggande somatiska celler. En central roll för Blimp 1 är induktionen av Tcfap2c, en helix-span helix transkriptionsfaktor. Tcfap2c-mutanter uppvisade en tidig förlust av primordiala könsceller. Tcfap2c tros undertrycka somatisk genuttryck, inklusive den mesodermala markören Hoxb1. Så, Blimp1, Tcfap2c och Prdm14 tillsammans kan aktivera och undertrycka transkriptionen av alla nödvändiga gener för att reglera PGC-specifikation. Mutation av Prdm14 resulterar i bildandet av PGC som går förlorade vid embryonal dag 11.5. Förlusten av PGC i Prdm14-mutanten beror på misslyckande i global radering av histon 3-metyleringsmönster. Blimp1 och Prdm14 framkallar också en annan epigenetisk händelse som orsakar global DNA-demetylering.
Andra anmärkningsvärda gener som är positivt reglerade av Blimp1 och Prdm14 är: Sox2 , Nanos3, Nanog , Stella och Fragilis. Samtidigt undertrycker Blimp1 och Prdm14 också transkriptionen av program som driver somatisk differentiering genom att hämma transkriptionen av Hox-familjens gener . På detta sätt driver Blimp1 och Prdm14 PGC-specifikation genom att främja könslinjeutveckling och potentiella transkriptionsprogram för pluripotens samtidigt som de hindrar cellerna från att ta ett somatiskt öde.
Generering av PGC från däggdjur in vitro
Med den stora kunskapen om in vivo PGC-specifikationer som samlats in under de senaste decennierna, gjordes flera försök att generera in vitro PGC från post-implantation epiblast. Olika grupper kunde framgångsrikt generera PGC-liknande celler, odlade i närvaro av BMP4 och olika cytokiner. Effektiviteten av denna process förbättrades senare genom tillägget av stamcellsfaktor (SCF), epidermal tillväxtfaktor (EGF), leukemihämmande faktor (LIF) och BMP8B. PGC-liknande celler som genereras med denna metod kan transplanteras till en gonad, där de differentierar och kan ge livskraftiga gameter och avkomma in vivo. PGC-liknande celler kan också genereras från naiva embryonala stamceller (ESC) som odlas i två dagar i närvaro av FGF och Activin-A för att anta ett epiblastliknande tillstånd. Dessa celler odlas sedan med BMP4, BMP8B, EGF, LIF och SCF och olika cytokiner under ytterligare fyra dagar. Dessa in vitro-genererade PGC kan också utvecklas till livsdugliga gameter och avkommor.
Differentiering av primordiala könsceller
Innan de kommer till gonaderna uttrycker PGC pluripotensfaktorer, genererar pluripotenta cellinjer i cellkultur (känd som EG-celler ) och kan producera multi-lineage tumörer, kända som teratomas . Liknande fynd hos andra ryggradsdjur indikerar att PGC ännu inte är irreversibelt engagerade för att producera könsceller, och ingen annan celltyp. Vid ankomsten till könskörtlarna aktiverar mänskliga och mus-PGC vitt konserverade könscellspecifika faktorer och nedreglerar därefter uttrycket av pluripotensfaktorer. Denna övergång resulterar i bestämningen av könsceller, en form av cellengagemang som inte längre är reversibel.
Innan deras ockupation av genitalryggen finns det ingen känd skillnad mellan XX och XY PGC. Men när migrationen är fullbordad och könscellsbestämning har skett, börjar dessa könscellsceller att differentiera sig enligt den gonadala nischen.
Tidig manlig differentiering
Manliga PGCs blir kända som gonocyter när de upphör med migration och genomgår mitos. Termen gonocyt används vanligtvis för att beskriva alla stadier efter PGC tills gonocyterna differentierar till spermatogoni. Anatomiskt kan gonocyter identifieras som stora, eukromatiska celler som ofta har två nukleoler i kärnan.
I den manliga genitalryggen orsakar övergående Sry- uttryck att stödjande celler differentierar sig till Sertoli-celler som sedan fungerar som det organiserande centrumet för testikeldifferentiering. Punktmutationer eller deletioner i den mänskliga eller mus- Sry -kodande regionen kan leda till kvinnlig utveckling hos XY-individer. Sertoli-celler verkar också för att förhindra gonocyter från att differentiera i förtid. De producerar enzymet CYP26B1 för att motverka omgivande retinsyra . Retinsyra fungerar som en signal till gonocyterna att gå in i meios . Gonocyt- och Sertoli-cellerna har visat sig bilda gap- och desmosomliknande korsningar såväl som adherinövergångar som består av cadheriner och connexiner . För att differentiera till spermatogoni måste gonocyterna förlora sina förbindelser till Sertoli-celler och bli migrerande igen. De migrerar till basalmembranet av seminiferous cord och differentierar.
Sen differentiering
I könsorganen genomgår könscellerna antingen spermatogenes eller oogenes beroende på om könet är manligt respektive kvinnligt. [ citat behövs ]
Spermatogenes
Mitotiska könsstamceller, spermatogonia , delar sig genom mitos för att producera spermatocyter som är engagerade i meios. Spermatocyterna delar sig genom meios för att bilda spermatider . De post-meiotiska spermatiderna differentierar sig genom spermiogenes för att bli mogna och funktionella spermier . Spermatogena celler i olika somatiska utvecklingsstadier gånger i musen har en mutationsfrekvens som är 5 till 10 lägre än mutationsfrekvensen i celler .
Hos Drosophila minskar förmågan hos premeiotiska manliga könslinjeceller att reparera dubbelsträngsbrott dramatiskt med åldern. Hos mus spermatogenesen med stigande faderålder, sannolikt på grund av en ökad frekvens av meiotiska fel.
Oogenes
Mitotiska könsstamceller, oogonier , delar sig genom mitos för att producera primära oocyter som är engagerade i meios. Till skillnad från spermieproduktion är oocytproduktionen inte kontinuerlig. Dessa primära oocyter börjar meios men pausar i diploten av meios I medan de är i embryot. Alla oogonierna och många primära oocyter dör före födseln. Efter puberteten hos primater förbereder små grupper av oocyter och folliklar för ägglossning genom att gå vidare till metafas II. Först efter befruktning fullbordas meios. Meios är asymmetriskt producerande polära kroppar och oocyter med stora mängder material för embryonal utveckling. [ citat behövs ] Mutationsfrekvensen för könslinjeceller från kvinnliga mus, som manliga könslinjeceller, är också lägre än för somatiska celler. Låg mutationsfrekvens för könsceller verkar delvis bero på förhöjda nivåer av DNA-reparationsenzymer som tar bort potentiellt mutagena DNA-skador . Förbättrad genetisk integritet kan vara ett grundläggande kännetecken för könslinjeutveckling.