Первичные половые клетки (ППК). Миграция и экспрессия генов
Первичные половые клетки (ППК) — родоначальники половых клеток (гамет). У многих видов, например мушек Drosophila, рыбок Danio rerio и червей С. elegans, половые клетки образуются из герминативной плазмы, которая в свою очередь является производной цитоплазмы, содержащей детерминанты герминативных клеток. В отличие от них, у млекопитающих судьба ППК определяется характером межклеточного взаимодействия, для которого необходимы молекулы адгезии Е-кадгерин и сигналы от окружающих тканей.
Миграция первичных половых клеток (ППК) из основания аллантоиса к генитальной складке была прослежена с помощью окрашивания щелочной фосфатазой. Позднее она была визуализирована in vivo присоединением зеленого флюоресцирующего белка (GFB), экспрессируемого под контролем фактора Oct-4, специфичного именно для ППК (Oct-4:GFP). ППК имеют экстрагонадпое происхождение из эндодермы желточного мешка и части аллантоиса, образующейся из задних отделов первичной полоски.
Первичные половые клетки (ППК) начинают четко визуализироваться с 7,5 дня после коитуса (дпк — единица измерения возраста эмбриона, в частности, у мышей) во время гаструляции благодаря повышенной экспрессии ими щелочной фосфатазы и Oct-4:GFP. В это время ППК становятся видны в дне аллантоиса, откуда они пассивно мигрируют вдоль эндодермы, достигая эпителиального слоя задней кишки к 8 дпк. Затем с приобретением подвижности за счет образования длинных псевдоподий, на 9-й дпк они активно проходят через стенку задней кишки.
С 9,5 до 11,5 дпк первичные половые клетки (ППК) мигрируют вдоль дорсальной брыжейки по направлению к генитальным складкам, расположенным в крыше целомической полости. У ППК отсутствует половая дифференцировка вплоть до 12,5 дпк, когда они сливаются с соматическими клетками гонад, имеющими мезодермальное происхождение, чтобы начать формирование яичников или яичек. В процессе миграции ППК пролиферируют путем митоза каждые 18 ч, благодаря чему их популяция возрастает с менее чем 100 клеток-предшественников до 3000 клеток к 11,5 дпк и приблизительно 25 000 клеток к 13,5 дпк.
Известно несколько генов, необходимых для образования, миграции и выживания первичных половых клеток (ППК) в эмбрионах мышей. В экстраэмбриональной эктодерме, прилегающей к проксимальному эпибласту, где к 6,5 дпк находятся предшественники первичных половых клеток (ППК), в большом количестве экспрессируются костный морфогенный протеин 4 (ВМР4 — от англ. bone morphogenetic protein) и 8b. Эти два протеина считаются важнейшими факторами дифференцировки клеток-предшественников в ППК: на гомозиготных ноль-мутированных по ВМР4 и ВМР8b моделях мышей было показано отсутствие образования первичных половых клеток (ППК).
BMP — представители надсемейства трансформирующего фактора роста b (ТФР-b), к которому также относятся семейство ТФР-b и активины. Эти сигнальные молекулы выполняют разнообразные, зачастую крайне важные функции в процессе эмбрионального развития и поддержания гомеостаза тканей во взрослом организме. Сигнальную функцию они осуществляют за счет образования гетеро- и гомодимеров высококонсервативного С-терминального домена, содержащего 6-7 цистеиновых остатков, которые имеют крайне важное значение для поддержания структуры, стабильности и функций этих протеинов.
Передача сигнала представителями надсемейства ТФР-b осуществляется с помощью связывания с серин/треонинкиназными мембранными рецепторами, приводящего к фосфорилированию белков семейства Smad [аббревиатура образована от названий генов С. elegans (sma) и Drosophila (mad)].
Комплексы Smad способны связывать ДНК и опосредовать активацию или угнетение транскрипции. Известно, что белки Smad-1 и Smad-5 находятся дальше в сигнальной цепочке BMP и могут принимать значительное участие в развитии ППК, так как утрата этих белков приводит к уменьшению популяции ППК.
Миграция первичных половых клеток (ППК) через стенку задней кишки вдоль брыжейки регулируется за счет связывания тирозинкиназного рецептора c-Kit, экспрессируемого в ППК, его лигандом, фактором стволовых клеток (ФСК; stem cell factor — Set) . Последний экспрессируется соматическими клетками, и именно его градиент по ходу миграции ППК направляет их движение. Мутации в локусах W (доминантной белой пятнистости) и Steel, кодирующих соответственно рецептор c-Kit и ФСК, приводят у мышей к дефектам гаметогенеза. При этом ППК хотя и образуются, но не пролиферируют, мигрируют в эктопические области и преждевременно группируются, вследствие чего генитальные складки заселяются герминативными клетками в недостаточной степени и животные остаются стерильными.
Интересно, что в этих моделях с мутированными мышами также обнаруживаются дефекты меланогенеза и кроветворения, так как описываемые гены необходимы также для миграции меланоцитов и тучных клеток. ППК также экспрессируют субъединицы интегрина, способного взаимодействовать с ламинином и фибронектином, синтезируемыми соматическими клетками генитальных складок в процессе формирования гонад. Например, интегрин b1 необходим для заселения гонад ППК, так как у мутированных мышей, не имеющих интегрин b1, миграция ППК останавливается на этапе эндодермы кишки.