Linia zarodkowa - Germline

Cormlets Watsonia meriana , przykład apomixis
Clathria tuberosa , przykład gąbki, która może rosnąć w nieskończoność z tkanki somatycznej i odtwarzać się z totipotencjalnych oddzielonych komórek somatycznych

W biologii i genetyki The zarodkowej jest Populacja organizmu wielokomórkowego komórek „S, które przechodzą na ich materiału genetycznego do komórki potomne ( potomstwa ). Innymi słowy, są to komórki tworzące komórkę jajową , plemnik i zapłodnioną komórkę jajową . Są one zwykle zróżnicowane do pełnienia tej funkcji i segregowane w określonym miejscu z dala od innych komórek organizmu.

Z reguły to przekazywanie odbywa się poprzez proces rozmnażania płciowego ; zazwyczaj jest to proces, który obejmuje systematyczne zmiany w materiale genetycznym, na przykład zmiany zachodzące podczas rekombinacji , mejozy i zapłodnienia . Jednakże, istnieje wiele wyjątków całej organizmów wielokomórkowych, włącznie z procesów i pojęć takich jak różne formy apomiksja , autogamia , automixis , klonowania lub partenogenezy . Komórki linii zarodkowej nazywane są komórkami zarodkowymi . Na przykład gamety, takie jak plemnik i komórka jajowa, są komórkami zarodkowymi. Podobnie jak komórki, które dzielą się, aby wyprodukować gamet, zwane gametocytami , komórki, które je produkują, zwane gametogonią , i całą drogę z powrotem do zygoty , komórki, z której rozwija się dana osoba.

W organizmach rozmnażających się płciowo komórki, które nie znajdują się w linii zarodkowej, nazywane są komórkami somatycznymi . Zgodnie z tym poglądem, mutacje , rekombinacje i inne zmiany genetyczne w linii zarodkowej mogą zostać przekazane potomstwu, ale zmiana w komórce somatycznej już nie. Nie musi to dotyczyć organizmów rozmnażających się somatycznie, takich jak niektóre Porifera i wiele roślin. Na przykład, wiele odmian cytrusów , rośliny z Rosaceae i niektóre z Asteraceae , takie jak Taraxacum, wytwarzają nasiona apomiktycznie, gdy somatyczne komórki diploidalne wypierają zalążek lub wczesny zarodek.

Na wcześniejszym etapie myślenia genetycznego istniało wyraźne rozróżnienie między komórkami zarodkowymi a somatycznymi. Na przykład August Weismann zaproponował i wskazał, że komórka zarodkowa jest nieśmiertelna w tym sensie, że jest częścią linii, która rozmnażała się w nieskończoność od początku życia i, z wyjątkiem wypadku, może to robić w nieskończoność. Jednak obecnie wiadomo dość szczegółowo, że to rozróżnienie między komórkami somatycznymi i zarodkowymi jest częściowo sztuczne i zależy od szczególnych okoliczności i wewnętrznych mechanizmów komórkowych, takich jak telomery i kontrole, takie jak selektywne stosowanie telomerazy w komórkach zarodkowych, komórkach macierzystych i tym podobnych. .

Nie wszystkie organizmy wielokomórkowe różnicują się w linie somatyczne i zarodkowe, ale przy braku specjalistycznej interwencji technicznej człowieka robią to praktycznie wszystkie, z wyjątkiem najprostszych struktur wielokomórkowych. W takich organizmach komórki somatyczne mają tendencję do bycia praktycznie totipotentnymi , a od ponad wieku wiadomo, że komórki gąbczaste łączą się w nowe gąbki po oddzieleniu ich przez sito.

Linia zarodkowa może odnosić się do linii komórek obejmującej wiele pokoleń osobników — na przykład linia zarodkowa, która łączy każdą żywą jednostkę z hipotetycznym ostatnim wspólnym przodkiem , z którego wywodzą się wszystkie rośliny i zwierzęta .

Ewolucja

Rośliny i podstawne metazoa, takie jak gąbki (Porifera) i koralowce (Anthozoa) nie sekwestrują odrębnej linii zarodkowej, wytwarzając gamety z multipotencjalnych linii komórek macierzystych, które również dają początek zwykłym tkankom somatycznym. Jest zatem prawdopodobne, że sekwestracja linii zarodkowej rozwinęła się najpierw u zwierząt o skomplikowanych planach budowy ciała, tj. u dwubocznych. Istnieje kilka teorii na temat pochodzenia ścisłego rozróżnienia linii zarodkowej od somy. Odłożenie izolowanej populacji komórek rozrodczych na wczesnym etapie embriogenezy może sprzyjać współpracy między komórkami somatycznymi złożonego organizmu wielokomórkowego. Inna niedawna teoria sugeruje, że wczesna sekwestracja w linii zarodkowej wyewoluowała w celu ograniczenia akumulacji szkodliwych mutacji w genach mitochondrialnych w złożonych organizmach o wysokim zapotrzebowaniu na energię i szybkim tempie mutacji mitochondrialnych.

Uszkodzenie, mutacja i naprawa DNA

Reaktywne formy tlenu (ROS) są produkowane jako produkty uboczne metabolizmu. W komórkach germinalnych ROS są prawdopodobnie istotną przyczyną uszkodzeń DNA, które po replikacji DNA prowadzą do mutacji . 8-Oksoguanina , utleniona pochodna guaniny , jest wytwarzana przez samorzutne utlenianie w komórkach linii zarodkowej myszy i podczas replikacji DNA komórki powoduje mutacje transwersji GC do TA . Takie mutacje występują w chromosomach myszy, a także na różnych etapach gametogenezy .

Częstość mutacji komórek w różnych stadiach gametogenezy jest około 5 do 10 razy niższa niż w komórkach somatycznych zarówno w przypadku spermatogenezy, jak i oogenezy . Wydaje się, że niższe częstotliwości mutacji w komórkach linii zarodkowej w porównaniu z komórkami somatycznymi wynikają z bardziej wydajnej naprawy uszkodzeń DNA, zwłaszcza naprawy homologicznej rekombinacji , podczas mejozy linii zarodkowej . Wśród ludzi około pięć procent żywo urodzonego potomstwa ma zaburzenia genetyczne, a około 20% z nich jest spowodowanych nowo powstałymi mutacjami germinalnymi.

Zmiany epigenetyczne

Podświetlenie 5 metylocytozyny metylu. Obraz przedstawia zasadę pojedynczego pierścienia cytozyny i grupę metylową dodaną do węgla 5. U ssaków metylacja DNA zachodzi prawie wyłącznie przy cytozynie, po której następuje guanina .

Zmiany epigenetyczne DNA obejmują modyfikacje, które wpływają na ekspresję genów, ale nie są spowodowane zmianami w sekwencji zasad w DNA. Dobrze zbadanym przykładem takiej zmiany jest metylacja cytozyny DNA do 5-metylocytozyny . Zwykle występuje to w sekwencji DNA CpG, zmieniając DNA w miejscu CpG z CpG na 5-mCpG. Metylacja cytozyn w miejscach CpG w regionach promotorowych genów może zmniejszyć lub wyciszyć ekspresję genów. Około 28 milionów dinukleotydów CpG występuje w ludzkim genomie i około 24 miliony miejsc CpG w genomie myszy (który jest 86% tak duży jak genom ludzki). W większości tkanek ssaków średnio 70% do 80% cytozyn CpG ulega metylacji (tworząc 5-mCpG).

U myszy, do dnia 6,25 do 7,25 po zapłodnieniu komórki jajowej przez plemnik, komórki w zarodku są odkładane jako pierwotne komórki rozrodcze (PGC). Te PGCs później dadzą początek plemnikom germinalnym lub komórkom jajowym. W tym momencie PGCs mają wysoki typowy poziom metylacji. Następnie pierwotne komórki rozrodcze myszy przechodzą demetylację DNA całego genomu , po której następuje nowa metylacja w celu zresetowania epigenomu w celu utworzenia komórki jajowej lub plemnika.

U myszy PGCs ulegają demetylacji DNA w dwóch fazach. Pierwsza faza, rozpoczynająca się około 8.5 dnia embrionalnego, zachodzi podczas proliferacji i migracji PGC i powoduje utratę metylacji w całym genomie , obejmującą prawie wszystkie sekwencje genomowe. Ta utrata metylacji następuje poprzez bierną demetylację z powodu tłumienia głównych elementów maszynerii metylacji. Druga faza występuje w okresie embrionalnym od 9,5 do 13,5 dnia i powoduje demetylację większości pozostałych specyficznych loci, w tym genów specyficznych dla linii zarodkowej i mejozy. W tej drugiej fazie demetylacji pośredniczą enzymy TET TET1 i TET2, które przeprowadzają pierwszy etap demetylacji poprzez przekształcenie 5-mC w 5-hydroksymetylocytozynę (5-hmC) podczas embrionalnych dni 9,5 do 10,5. Po tym następuje prawdopodobnie rozcieńczenie zależne od replikacji w dniach embrionalnych od 11,5 do 13,5. W dniu zarodkowym 13.5 genomy PGC wykazują najniższy poziom globalnej metylacji DNA ze wszystkich komórek w cyklu życiowym.

U myszy zdecydowana większość genów o zróżnicowanej ekspresji w PGCs od 9,5 do 13,5 dnia zarodka, kiedy większość genów jest demetylowana, jest podwyższona zarówno w męskich, jak i żeńskich PGCs.

Po wymazaniu śladów metylacji DNA w mysich PGCs męskie i żeńskie komórki płciowe przechodzą nową metylację w różnych punktach czasowych podczas gametogenezy. Podczas ekspansji mitotycznej w rozwijającej się gonadzie, męska linia płciowa rozpoczyna proces ponownej metylacji do 14.5 dnia embrionalnego. Wzorzec metylacji specyficznej dla plemników jest utrzymywany podczas ekspansji mitotycznej. Poziomy metylacji DNA w pierwotnych oocytach przed urodzeniem pozostają niskie, a remetylacja następuje po urodzeniu w fazie wzrostu oocytów.

Zobacz też

Bibliografia