Cellules germinales - Germ cell

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Termes biologiques
Reproduction sexuée
Sexualité
Système sexuel

Une cellule germinale est toute cellule biologique qui donne naissance aux gamètes d'un organisme qui se reproduit sexuellement . Chez de nombreux animaux, les cellules germinales proviennent de la ligne primitive et migrent via l' intestin d'un embryon vers les gonades en développement . Là, ils subissent une méiose , suivie d' une différenciation cellulaire en gamètes matures, ovules ou spermatozoïdes . Contrairement aux animaux, les plantes n'ont pas de cellules germinales désignées au début de leur développement. Au lieu de cela, les cellules germinales peuvent provenir de cellules somatiques chez l'adulte, telles que le méristème floral des plantes à fleurs .

introduction

Les eucaryotes multicellulaires sont constitués de deux types cellulaires fondamentaux. Les cellules germinales produisent des gamètes et sont les seules cellules qui peuvent subir la méiose ainsi que la mitose . Ces cellules sont parfois dites immortelles car elles sont le lien entre les générations. Les cellules somatiques sont toutes les autres cellules qui forment les éléments constitutifs du corps et elles ne se divisent que par mitose. La lignée des cellules germinales est appelée la lignée germinale . La spécification des cellules germinales commence lors du clivage chez de nombreux animaux ou dans l' épiblaste lors de la gastrulation chez les oiseaux et les mammifères . Après le transport, impliquant des mouvements passifs et une migration active, les cellules germinales arrivent aux gonades en développement. Chez l'homme, la différenciation sexuelle commence environ 6 semaines après la conception. Les produits finaux du cycle des cellules germinales sont l'ovule ou le sperme.

Dans des conditions particulières, les cellules germinales in vitro peuvent acquérir des propriétés similaires à celles des cellules souches embryonnaires (CSE). Le mécanisme sous-jacent de ce changement est encore inconnu. Ces cellules modifiées sont alors appelées cellules germinales embryonnaires. Les deux types de cellules sont pluripotentes in vitro, mais seules les CSE ont prouvé leur pluripotence in vivo. Des études récentes ont démontré qu'il est possible de donner naissance à des cellules germinales primordiales à partir des CSE.

spécification

Il existe deux mécanismes pour établir la lignée des cellules germinales dans l' embryon . La première voie est dite préformiste et implique que les cellules destinées à devenir des cellules germinales héritent des déterminants spécifiques des cellules germinales présents dans le plasma germinatif (zone spécifique du cytoplasme) de l'œuf (ovule). L'œuf non fécondé de la plupart des animaux est asymétrique : différentes régions du cytoplasme contiennent différentes quantités d' ARNm et de protéines.

La deuxième voie se trouve chez les mammifères, où les cellules germinales ne sont pas spécifiées par de tels déterminants mais par des signaux contrôlés par des gènes zygotiques. Chez les mammifères, quelques cellules de l'embryon précoce sont induites par des signaux de cellules voisines pour devenir des cellules germinales primordiales . Les œufs de mammifères sont quelque peu symétriques et après les premières divisions de l'œuf fécondé, les cellules produites sont toutes totipotentes . Cela signifie qu'ils peuvent se différencier dans n'importe quel type de cellule du corps et donc dans les cellules germinales. La spécification des cellules germinales primordiales chez la souris de laboratoire est initiée par des niveaux élevés de signalisation des protéines morphogénétiques osseuses (BMP), qui activent l'expression des facteurs de transcription Blimp-1/ Prdm1 et Prdm14.

On suppose que l'induction était le mécanisme ancestral, et que le mécanisme préformiste, ou héréditaire, de l'établissement des cellules germinales est né d'une évolution convergente. Il existe plusieurs différences clés entre ces deux mécanismes qui peuvent expliquer l'évolution de l'hérédité du plasma germinatif. Une différence est que l'hérédité se produit généralement presque immédiatement pendant le développement (autour du stade du blastoderme), tandis que l'induction ne se produit généralement pas avant la gastrulation. Comme les cellules germinales sont quiescentes et ne se divisent donc pas, elles ne sont pas susceptibles de mutation.

Étant donné que la lignée des cellules germinales n'est pas établie tout de suite par induction, il y a plus de chance qu'une mutation se produise avant que les cellules ne soient spécifiées. Des données sur le taux de mutation sont disponibles et indiquent un taux plus élevé de mutations de la lignée germinale chez les souris et les humains, espèces qui subissent une induction, que chez C. elegans et Drosophila melanogaster, espèces qui subissent une transmission héréditaire. Un taux de mutation plus faible serait sélectionné, ce qui est une des raisons possibles de l'évolution convergente du plasma germinatif. Cependant, davantage de données sur les taux de mutation devront être collectées sur plusieurs taxons, en particulier les données collectées à la fois avant et après la spécification des cellules germinales primordiales avant que cette hypothèse sur l'évolution du plasma germinatif puisse être étayée par des preuves solides.

Migration

Article détaillé : Migration des cellules germinales primordiales

Les cellules germinales primordiales, les cellules germinales qui doivent encore atteindre les gonades (également appelées PGC, cellules germinales précurseurs ou gonocytes) se divisent à plusieurs reprises sur leur route migratoire à travers l'intestin et dans les gonades en développement.

Invertébrés

Dans l' organisme modèle Drosophila , les cellules polaires se déplacent passivement de l' extrémité postérieure de l'embryon à l'intestin moyen postérieur en raison du repliement du blastoderme. Ensuite, ils se déplacent activement à travers l'intestin dans le mésoderme . Les cellules endodermiques se différencient et, avec les protéines Wunen, elles induisent la migration à travers l'intestin. Les protéines Wunen sont des chimiorépulsifs qui conduisent les cellules germinales loin de l'endoderme vers le mésoderme. Après s'être scindées en deux populations, les cellules germinales continuent de migrer latéralement et en parallèle jusqu'à atteindre les gonades. Les protéines Columbus, chimioattractantes , stimulent la migration dans le mésoderme gonadique.

Vertébrés

Dans l' œuf de Xénope , les déterminants des cellules germinales se trouvent dans les blastomères les plus végétaux . Ces PGC présumées sont amenées à l'endoderme du blastocèle par gastrulation . Ils sont déterminés en tant que cellules germinales lorsque la gastrulation est terminée. La migration de l'intestin postérieur le long de l'intestin et à travers le mésentère dorsal a alors lieu. Les cellules germinales se divisent en deux populations et se déplacent vers les crêtes gonadiques appariées. La migration commence avec 3-4 cellules qui subissent trois cycles de division cellulaire de sorte qu'environ 30 PGC arrivent aux gonades. Sur la voie migratoire des PGC, l'orientation des cellules sous-jacentes et leurs molécules sécrétées telles que la fibronectine jouent un rôle important.

Les mammifères ont un chemin migratoire comparable à celui de Xenopus . La migration commence avec 50 gonocytes et environ 5 000 PGC arrivent aux gonades. La prolifération se produit également pendant la migration et dure 3 à 4 semaines chez l'homme.

Les PGC proviennent de l' épiblaste et migrent ensuite dans le mésoderme, l'endoderme et la partie postérieure du sac vitellin . La migration s'effectue ensuite à partir de l' intestin postérieur le long de l'intestin et à travers le mésentère dorsal pour atteindre les gonades (4,5 semaines chez l'homme). La fibronectine cartographie ici également un réseau polarisé avec d'autres molécules. Les cellules somatiques sur le chemin des cellules germinales leur fournissent des signaux attractifs, répulsifs et de survie. Mais les cellules germinales s'envoient également des signaux entre elles.

Chez les reptiles et les oiseaux , les cellules germinales empruntent une autre voie. Les PGC proviennent de l'épiblaste et se déplacent vers l' hypoblaste pour former le croissant germinal ( structure extra-embryonnaire antérieure ). Les gonocytes se pressent ensuite dans les vaisseaux sanguins et utilisent le système circulatoire pour le transport. Ils sortent des vaisseaux lorsqu'ils sont à hauteur des crêtes gonadiques . L'adhésion cellulaire sur l' endothélium des vaisseaux sanguins et des molécules telles que les chimioattractants sont probablement impliquées dans la migration des PGC.

Le gène Sry du chromosome Y

Le SRY ( S ex-détermination R ÉGION du Y chromosome ) dirige le développement mâle chez les mammifères en induisant les cellules somatiques de la crête génitale se développer en un testicule, plutôt que d' un ovaire. Sry est exprimé dans un petit groupe de cellules somatiques des gonades et influence ces cellules pour qu'elles deviennent des cellules de Sertoli (cellules de soutien dans les testicules). Les cellules de Sertoli sont responsables du développement sexuel le long d'une voie masculine de plusieurs manières. L'un de ces moyens implique la stimulation des cellules primordiales qui arrivent pour se différencier en spermatozoïdes . En l'absence du gène Sry , les cellules germinales primordiales se différencient en œufs . L'élimination des crêtes génitales avant qu'elles ne commencent à se développer en testicules ou en ovaires entraîne le développement d'une femelle, indépendamment du chromosome sexuel porté .

L'acide rétinoïque et la différenciation des cellules germinales

L'acide rétinoïque (AR) est un facteur important qui provoque la différenciation des cellules germinales primordiales. Chez les mâles, le mésonéphros libère de l'acide rétinoïque. La PR va ensuite à la gonade provoquant la libération d'une enzyme appelée CYP26B1 par les cellules de sertoli. Le CYP26B1 métabolise la PR, et parce que les cellules de sertoli entourent les cellules germinales primordiales (PGC), les PGC n'entrent jamais en contact avec la PR, ce qui entraîne un manque de prolifération des PGC et aucune entrée méiotique. Cela empêche la spermatogenèse de commencer trop tôt. Chez les femelles, le mésonéphros libère la PR, qui pénètre dans la gonade. La PR stimule Stra8, un gardien essentiel de la méiose (1), et Rec8, provoquant l'entrée des cellules germinales primordiales dans la méiose. Cela provoque le développement d'ovocytes qui s'arrêtent dans la méiose I.

Gamétogenèse

La gamétogenèse , le développement des cellules germinales diploïdes en ovules haploïdes ou en spermatozoïdes (respectivement ovogenèse et spermatogenèse) est différent pour chaque espèce mais les stades généraux sont similaires. L'ovogenèse et la spermatogenèse ont de nombreux points communs, elles impliquent toutes deux :

  • Méiose
  • Différenciation morphologique étendue
  • Incapacité de survivre très longtemps si la fécondation n'a pas lieu

Malgré leurs homologies, ils présentent également des différences majeures :

  • La spermatogenèse a des divisions méiotiques équivalentes résultant en quatre spermatides équivalentes tandis que la méiose oogène est asymétrique : un seul œuf est formé avec un premier et un deuxième corps polaires .
  • Différents temps de maturation : la méiose ogénique est interrompue à un ou plusieurs stades (pendant longtemps) tandis que la méiose spermatogène est rapide et ininterrompue.

Oogenèse

Après la migration, les cellules germinales primordiales deviendront des oogones dans la gonade en formation (ovaire). Les oogones prolifèrent abondamment par divisions mitotiques, jusqu'à 5 à 7 millions de cellules chez l'homme. Mais ensuite, beaucoup de ces oogones meurent et il en reste environ 50 000. Ces cellules se différencient en ovocytes primaires. Au cours de la semaine 11-12 après le coït, la première division méiotique commence (avant la naissance pour la plupart des mammifères) et reste arrêtée en prophase I de quelques jours à plusieurs années selon les espèces. C'est à cette période ou dans certains cas au début de la maturité sexuelle que les ovocytes primaires sécrètent des protéines pour former une couche appelée zone pellucide et ils produisent également des granules corticaux contenant des enzymes et des protéines nécessaires à la fécondation. La méiose se tient à cause des cellules folliculaires de la granulosa qui envoient des signaux inhibiteurs à travers les jonctions communicantes et la zone pellucide. La maturation sexuelle est le début de l'ovulation périodique. L'ovulation est la libération régulière d'un ovocyte de l'ovaire dans l'appareil reproducteur et est précédée par la croissance folliculaire. Quelques cellules folliculaires sont stimulées pour se développer mais un seul ovocyte est ovulé. Un follicule primordial est constitué d'une couche épithéliale de cellules de la granulosa folliculaire renfermant un ovocyte. L' hypophyse sécrète des hormones folliculo-stimulantes (FSH) qui stimulent la croissance folliculaire et la maturation des ovocytes. Les cellules thécales autour de chaque follicule sécrètent des œstrogènes . Cette hormone stimule la production de récepteurs de FSH sur les cellules folliculaires de la granulosa et a en même temps une rétroaction négative sur la sécrétion de FSH. Il en résulte une compétition entre les follicules et seul le follicule possédant le plus de récepteurs FSH survit et est ovulé. La division méiotique I se poursuit dans l'ovocyte ovulé stimulé par les hormones lutéinisantes (LH) produites par l' hypophyse . La FSH et la LH bloquent les jonctions lacunaires entre les cellules folliculaires et l'ovocyte, inhibant ainsi la communication entre elles. La plupart des cellules folliculaires de la granulosa restent autour de l'ovocyte et forment ainsi la couche de cumulus. Les gros ovocytes non mammifères accumulent du jaune d'œuf , du glycogène , des lipides , des ribosomes et l' ARNm nécessaire à la synthèse des protéines au début de la croissance embryonnaire. Ces biosynthèses intensives d'ARN se reflètent dans la structure des chromosomes , qui se décondensent et forment des boucles latérales leur donnant un aspect en pinceau (voir Chromosome Lampbrush ). La maturation ovocytaire est la phase suivante du développement ovocytaire. Elle se produit à la maturité sexuelle lorsque les hormones stimulent l'ovocyte pour compléter la division méiotique I. La division méiotique I produit 2 cellules de tailles différentes : un petit corps polaire et un gros ovocyte secondaire. L'ovocyte secondaire subit une division méiotique II, ce qui entraîne la formation d'un deuxième petit corps polaire et d'un gros œuf mature, tous deux étant des cellules haploïdes . Les corps polaires dégénèrent. La maturation des ovocytes s'arrête à la métaphase II chez la plupart des vertébrés. Pendant l'ovulation, l'ovocyte secondaire arrêté quitte l'ovaire et mûrit rapidement en un ovule prêt à être fécondé. La fécondation entraînera l'achèvement de la méiose II de l'œuf. Chez les femelles humaines, il y a prolifération de l'oogone chez le fœtus, la méiose commence alors avant la naissance et se maintient à la division méiotique I jusqu'à 50 ans, l'ovulation commence à la puberté .

Croissance des œufs

Une cellule somatique de 10 à 20 µm de large a généralement besoin de 24 heures pour doubler sa masse pour la mitose. De cette façon, il faudrait beaucoup de temps pour que cette cellule atteigne la taille d'un œuf de mammifère d'un diamètre de 100 m (certains insectes ont des œufs d'environ 1 000 m ou plus). Les œufs ont donc des mécanismes spéciaux pour atteindre leur grande taille. L'un de ces mécanismes est d'avoir des copies supplémentaires de gènes : la division méiotique I est interrompue pour que l'ovocyte se développe alors qu'il contient deux jeux de chromosomes diploïdes. Certaines espèces produisent de nombreuses copies supplémentaires de gènes, comme les amphibiens, qui peuvent avoir jusqu'à 1 ou 2 millions de copies. Un mécanisme complémentaire dépend en partie des synthèses d'autres cellules. Chez les amphibiens, les oiseaux et les insectes, le jaune est fabriqué par le foie (ou son équivalent) et sécrété dans le sang . Les cellules accessoires voisines de l'ovaire peuvent également fournir une aide nutritive de deux types. Chez certains invertébrés, certaines oogones deviennent des cellules nourricières . Ces cellules sont reliées par des ponts cytoplasmiques aux ovocytes. Les cellules nourricières des insectes fournissent aux ovocytes des macromolécules telles que des protéines et de l'ARNm. Les cellules folliculaires de la granulosa sont le deuxième type de cellules accessoires de l'ovaire chez les invertébrés et les vertébrés. Ils forment une couche autour de l'ovocyte et le nourrissent de petites molécules, pas de macromolécules, mais éventuellement de leurs plus petites molécules précurseurs, par des jonctions communicantes .

Mutation et réparation de l'ADN

La fréquence de mutation des cellules germinales femelles chez la souris est environ 5 fois inférieure à celle des cellules somatiques , selon une étude.

L' ovocyte de souris au stade dictyate (diplotène prolongé) de la méiose répare activement les dommages à l'ADN , alors que la réparation de l'ADN n'a pas été détectée dans les stades pré-dictyate ( leptotène , zygotène et pachytène ) de la méiose. La longue période d'arrêt méiotique au stade dictyate à quatre chromatides de la méiose peut faciliter la réparation par recombinaison des dommages à l'ADN.

Spermatogenèse

La spermatogenèse des mammifères est représentative de la plupart des animaux. Chez l'homme, la spermatogenèse commence à la puberté dans les tubules séminifères des testicules et se poursuit en continu. Les spermatogonies sont des cellules germinales immatures. Ils prolifèrent en continu par divisions mitotiques autour du bord externe des tubules séminifères , à côté de la lame basale . Certaines de ces cellules arrêtent la prolifération et se différencient en spermatocytes primaires. Après avoir traversé la première division méiotique, deux spermatocytes secondaires sont produits. Les deux spermatocytes secondaires subissent la deuxième division méiotique pour former quatre spermatides haploïdes. Ces spermatides se différencient morphologiquement en spermatozoïdes par condensation nucléaire, éjection du cytoplasme et formation de l' acrosome et du flagelle .

Les cellules germinales mâles en développement ne terminent pas la cytokinèse au cours de la spermatogenèse. Par conséquent, des ponts cytoplasmiques assurent la connexion entre les clones de cellules filles en différenciation pour former un syncytium . Les cellules haploïdes reçoivent ainsi tous les produits d'un génome diploïde complet . Les spermatozoïdes qui portent un chromosome Y , par exemple, est fournie avec des molécules essentielles qui sont codés par des gènes sur le chromosome X .

Le succès de la prolifération et de la différenciation des cellules germinales est également assuré par un équilibre entre le développement des cellules germinales et la mort cellulaire programmée. L'identification des « signaux de déclenchement de la mort » et des protéines réceptrices correspondantes est importante pour le potentiel de fécondation des mâles. L'apoptose dans les cellules germinales peut être induite par une variété de substances toxiques d'origine naturelle. Les récepteurs appartenant à la famille du goût 2 sont spécialisés pour détecter les composés amers dont les alcaloïdes extrêmement toxiques. Ainsi, les récepteurs du goût jouent un rôle fonctionnel pour contrôler l'apoptose dans le tissu reproducteur masculin.


Mutation et réparation de l'ADN

La fréquence des mutations des cellules aux différents stades de la spermatogenèse chez la souris est similaire à celle des cellules germinales femelles, c'est-à-dire 5 à 10 fois inférieure à la fréquence des mutations dans les cellules somatiques. Ainsi, la faible fréquence des mutations est une caractéristique des cellules germinales des deux sexes. . La réparation par recombinaison homologue des cassures double brin se produit chez la souris au cours des étapes séquentielles de la spermatogenèse, mais est plus importante dans les spermatocytes . Les fréquences de mutation plus faibles dans les cellules germinales par rapport aux cellules somatiques semblent être dues à une élimination plus efficace des dommages à l'ADN par des processus de réparation, y compris la réparation par recombinaison homologue pendant la méiose. La fréquence des mutations au cours de la spermatogenèse augmente avec l'âge. Les mutations dans les cellules spermatogènes de souris âgées comprennent une prévalence accrue de mutations de transversion par rapport aux souris jeunes et d'âge moyen.

Maladies

La tumeur des cellules germinales est un cancer rare qui peut toucher des personnes de tout âge. En 2018, les tumeurs des cellules germinales représentaient 3 % de tous les cancers chez les enfants et les adolescents de 0 à 19 ans.

Les tumeurs des cellules germinales sont généralement localisées dans les gonades mais peuvent également apparaître dans l' abdomen , le bassin , le médiastin ou le cerveau . Les cellules germinales migrant vers les gonades peuvent ne pas atteindre la destination prévue et une tumeur peut se développer où qu'elles se trouvent, mais la cause exacte est encore inconnue. Ces tumeurs peuvent être bénignes ou malignes .

À l'arrivée à la gonade, les cellules germinales primordiales qui ne se différencient pas correctement peuvent produire des tumeurs des cellules germinales de l' ovaire ou des testicules dans un modèle murin .

Différenciation induite

L'induction de la différenciation de certaines cellules en cellules germinales a de nombreuses applications. Une implication de la différenciation induite est qu'elle peut permettre l'éradication de l'infertilité masculine et féminine. De plus, cela permettrait aux couples de même sexe d'avoir des enfants biologiques si le sperme pouvait être produit à partir de cellules femelles ou si les ovules pouvaient être produits à partir de cellules mâles. Les efforts pour créer des spermatozoïdes et des ovules à partir de la peau et des cellules souches embryonnaires ont été lancés par le groupe de recherche de Hayashi et Saito à l'Université de Kyoto. Ces chercheurs ont produit des cellules souches germinales primordiales (PGLC) à partir de cellules souches embryonnaires (ESC) et de cellules de la peau in vitro.

Le groupe de Hayashi et Saito a pu promouvoir la différenciation des cellules souches embryonnaires en PGC grâce à l'utilisation d'un timing précis et de la protéine morphogénétique osseuse 4 (Bmp4). Après avoir réussi avec les cellules souches embryonnaires, le groupe a réussi à promouvoir la différenciation des cellules souches pluripotentes induites (iPSC) en PGLC. Ces cellules primordiales ressemblant à des cellules germinales ont ensuite été utilisées pour créer des spermatozoïdes et des ovocytes.

Les efforts pour les cellules humaines sont moins avancés du fait que les PGC formées par ces expériences ne sont pas toujours viables. En fait, la méthode de Hayashi et Saito n'est qu'un tiers aussi efficace que les méthodes actuelles de fécondation in vitro, et les PGC produites ne sont pas toujours fonctionnelles. En outre, non seulement les PGC induites ne sont pas aussi efficaces que les PGC naturelles, mais elles sont également moins efficaces pour effacer leurs marqueurs épigénétiques lorsqu'elles se différencient des iPSC ou des ESC en PGC.

Il existe également d'autres applications de la différenciation induite des cellules germinales. Une autre étude a montré que la culture de cellules souches embryonnaires humaines dans des fibroblastes ovariens porcins (POF) mitotiquement inactivés provoque une différenciation en cellules germinales, comme en témoigne l' analyse de l' expression génique .

Voir également

Les références

Liens externes