Célula germinal

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Una célula germinal es cualquier célula biológica 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 hacia 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.

Introducción

Los eucariotas multicelulares están formados por dos tipos de células fundamentales. Las células germinales producen gametos y son las únicas células que pueden sufrir meiosis además de mitosis. A veces se dice que estas células son inmortales porque son el vínculo entre generaciones. 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 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 humanos, la diferenciación sexual comienza aproximadamente 6 semanas después de la concepción. Los productos finales del ciclo de la célula germinal son el óvulo o el esperma.

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 solo las ESC tienen pluripotencia probada in vivo. Estudios recientes han demostrado que es posible dar lugar a células germinales primordiales a partir de ESC.

Especificación

Hay 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 heredan 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, algunas células del embrión temprano son inducidas por señales de células vecinas para convertirse en células germinales primordiales. Los huevos de mamíferos son algo simétricos y después de las primeras divisiones del huevo fertilizado, las células producidas son todas totipotentes. Esto significa que pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula del cuerpo y, por lo tanto, en células germinales. La especificación de las células germinales primordiales en el ratón de laboratorio se inicia por los altos niveles de señalización de la proteína morfogenética ósea (BMP), que activa la expresión de los factores de transcripción Blimp-1/Prdm1 y Prdm14.

Se especula que la inducción fue el mecanismo ancestral, y que el mecanismo preformista, o hereditario, del establecimiento de células germinales surgió de la evolución convergente. 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, 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 de mutación.

Dado que el linaje de células germinales no se establece de inmediato por inducción, existe una mayor probabilidad de que ocurra una mutación antes de que se especifiquen las células. Hay datos disponibles sobre tasas de mutación que indican una mayor tasa 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 heredan. Se seleccionaría una tasa de mutación más baja, 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 los 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.

Migración

Las células germinales primordiales, las células germinales que todavía tienen que llegar a las gónadas (también conocidas como CGP, células germinales precursoras o gonocitos) se dividen repetidamente en su ruta migratoria a través del intestino y hacia las gónadas en desarrollo.

Invertebrados

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 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 Columbus, quimioatrayentes, estimulan la migración en el mesodermo gonadal.

Vertebrados

En el huevo de Xenopus, los determinantes de las células germinales se encuentran en la mayoría de los blastómeros vegetales. Estas presuntas CGP son llevadas al endodermo del blastocele por gastrulación. Se determinan como células germinales cuando se completa la gastrulación. Entonces tiene lugar la migración desde el intestino posterior a lo largo del intestino ya través del mesenterio dorsal. Las células germinales se dividen en dos poblaciones y se trasladan a las crestas gonadales emparejadas. La migración comienza con 3 o 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 CGP, la orientación de las células subyacentes y sus moléculas secretadas, como la fibronectina, juegan un papel importante.

Los mamíferos tienen una ruta migratoria comparable a la de Xenopus. La migración comienza con 50 gonocitos y unas 5000 PGC llegan a las gónadas. La proliferación también ocurre durante la migración y dura de 3 a 4 semanas en humanos.

Las CGP provienen del epiblasto y migran posteriormente hacia el mesodermo, el endodermo y la parte posterior del saco vitelino. Luego tiene lugar la migración desde el intestino posterior a lo largo del intestino ya través del mesenterio dorsal para llegar a las gónadas (4,5 semanas en los seres humanos). La fibronectina mapea 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.

En reptiles y aves, las células germinales usan otro camino. Las CGP provienen del epiblasto y se desplazan hacia el hipoblasto para formar la media luna germinal (estructura extraembrionaria anterior). Luego, los gonocitos se comprimen en los vasos sanguíneos y usan el sistema circulatorio para el transporte. 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 CGP a migrar.

El gen Sry del cromosoma Y

La 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. 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 apoyo 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 Sry gen, 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 hembra, independientemente del cromosoma sexual que lleve.

Ácido retinoico y diferenciación de células germinales

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 y hace que las células de Sertoli liberen una enzima llamada CYP26B1. CYP26B1 metaboliza la AR, y debido a que las células de Sertoli rodean las células germinales primordiales (PGC), las PGC nunca entran en contacto con la AR, lo que da como resultado una falta de proliferación de las PGC y una entrada meiótica. Esto evita que la espermatogénesis comience demasiado pronto. En las mujeres, el mesonefros libera AR, que ingresa a la gónada. RA 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.

Gametogénesis

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 grandes diferencias:

Ovogénesis

Después de la migración, las células germinales primordiales se convertirán en ovogonios en la gónada (ovario) en formación. Las ovogonias proliferan extensamente por divisiones mitóticas, hasta 5-7 millones de células en humanos. Pero luego muchas de estas ovogonias mueren y quedan unas 50.000. Estas células se diferencian en ovocitos primarios. En la semana 11-12 post coitocomienza 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, según 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 cubierta llamada zona pelúcida y también producen gránulos corticales que contienen enzimas y proteínas necesarias para la fertilización. La meiosis se mantiene al margen debido a las células foliculares de la granulosa 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 algunas células foliculares, pero solo se ovula un ovocito. Un folículo primordial consta de una capa epitelial de células de la granulosa folicular que encierra un ovocito. La glándula pituitaria secreta hormonas estimulantes del folículo (FSH) que estimulan el crecimiento folicular y la maduración de los ovocitos. Las células de la teca 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 la mayoría de los receptores de FSH sobrevive y ovula. La división meiótica I continúa en el ovocito ovulado estimulado por las hormonas luteinizantes (LH) producidas por la glándula pituitaria. La FSH y la LH bloquean las uniones comunicantes entre las células del folículo y el ovocito, por lo que inhiben la comunicación entre ellas. La mayoría de las células de la granulosa folicular permanecen alrededor del ovocito y forman así la capa del cúmulo. Los ovocitos grandes que no son de 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 pincel (ver cromosoma de pincel). 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 que complete la división meiótica I. La división meiótica I produce 2 células de diferente tamaño: un cuerpo polar pequeño 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, ambos siendo células haploides.La maduración de los ovocitos 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 hembras humanas hay proliferación de ovogonios 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.

Crecimiento del huevo

Una célula somática grande de 10 a 20 μm generalmente necesita 24 horas para duplicar su masa para la mitosis. De esta manera, esa célula tardaría mucho en alcanzar el tamaño de un huevo de mamífero con un diámetro de 100 μm (algunos insectos tienen huevos de alrededor de 1000 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 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 la síntesis de otras células. En anfibios, pájaros 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 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 moléculas pequeñas, no con macromoléculas, pero eventualmente con sus moléculas precursoras más pequeñas, mediante uniones comunicantes. 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 moléculas pequeñas, no con macromoléculas, pero eventualmente con sus moléculas precursoras más pequeñas, mediante uniones comunicantes. 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 moléculas pequeñas, no con macromoléculas, pero eventualmente con sus moléculas precursoras más pequeñas, mediante uniones comunicantes.

Mutación y reparación del ADN

Según un estudio, la frecuencia de mutación de las células germinales femeninas en ratones es unas cinco veces menor que la de las células somáticas.

El ovocito de ratón en la etapa de dictado (diploteno prolongado) de la meiosis repara activamente el daño del ADN, mientras que la reparación del ADN no se detectó en las etapas de predictado (leptoteno, cigoteno y paquiteno) de la meiosis. 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.

Espermatogénesis

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 continuamente por divisiones mitóticas alrededor del borde externo 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, expulsión del citoplasma y formación del acrosoma y el flagelo.

Las células germinales masculinas en desarrollo no completan la citocinesis durante la espermatogénesis. En consecuencia, los puentes citoplasmáticos aseguran la conexión entre los clones de células hijas en diferenciación para formar un sincitio. De esta forma, las células haploides reciben todos los productos de un genoma diploide completo. El esperma que lleva un cromosoma Y, por ejemplo, recibe moléculas esenciales que están codificadas por genes en el cromosoma X.

El éxito de la proliferación y diferenciación de células germinales también está asegurado por un equilibrio entre el desarrollo de 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 pertenecientes a la familia del sabor 2 están especializados para detectar compuestos amargos, incluidos los alcaloides extremadamente tóxicos. Entonces, los receptores del gusto juegan un papel funcional para controlar la apoptosis en el tejido reproductivo masculino.

Mutación y reparación del ADN

La frecuencia de mutación de las células a lo largo de las diferentes etapas de la espermatogénesis en ratones es similar a la de las células de la línea germinal femenina, es decir, de 5 a 10 veces menor que la frecuencia de mutación en las células somáticas. Por lo tanto, la baja frecuencia de mutación es una característica de las células de la línea germinal en ambos sexos.. La reparación por recombinación homóloga de roturas de doble cadena se produce en el ratón durante las etapas secuenciales de la espermatogénesis, pero es más prominente en los espermatocitos. 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, incluida la reparación por recombinación homóloga durante la meiosis. La frecuencia de mutaciones durante la espermatogénesis aumenta con la edad. Las mutaciones en células espermatogénicas de ratones viejos incluyen una mayor prevalencia de mutaciones de transversión en comparación con ratones jóvenes y de mediana edad.

Enfermedades

El tumor de células germinales es un cáncer raro que puede afectar a personas de todas las edades. A partir de 2018, los tumores de células germinales representan el 3 % de todos los cánceres en niños y adolescentes de 0 a 19 años.

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 lleguen al destino deseado y un tumor puede crecer donde sea que terminen, pero aún se desconoce la causa exacta. Estos tumores pueden ser benignos o malignos.

Al llegar a la gónada, las células germinales primordiales que no se diferencian adecuadamente pueden producir tumores de células germinales de ovario o testículo en un modelo de ratón.

Diferenciación inducida

Inducir la diferenciación de ciertas células a células germinales tiene muchas aplicaciones. Una implicación de la diferenciación inducida es que puede permitir la erradicación de la infertilidad por factor masculino y femenino. Además, permitiría que las parejas del mismo sexo tuvieran 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 iniciados por el grupo de investigación de Hayashi y Saitou en la Universidad de Kyoto. 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 una sincronización precisa y 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 usaron luego para crear espermatozoides y ovocitos.

Los esfuerzos para las células humanas están menos avanzados debido al hecho de que las PGC formadas por estos experimentos no siempre son viables. De hecho, el método de Hayashi y Saitou es solo un tercio tan efectivo como los métodos actuales de fertilización in vitro, y las CGP 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 mostró que el cultivo de células madre embrionarias humanas en fibroblastos de ovario porcino (POF) inactivados mitóticamente causa la diferenciación en células germinales, como lo demuestra el análisis de expresión génica.