生殖細胞の発生

発生生物学では、配偶子を生じる細胞は、胚分裂中にしばしば取り分けられます。発生の過程で、これらの細胞は始原生殖細胞に分化し、生殖腺の位置に移動して、動物の 生殖細胞系列を形成します。

ほとんどの動物では、卵割により生殖質を含む細胞が他の細胞から分離されます。生殖質は遺伝子発現を効果的に停止し、細胞のゲノムを不活性にします。生殖質を発現する細胞は始原生殖細胞(PGC) となり、配偶子を生じます。一方、哺乳類の生殖系列の発達は、内因性の生殖質ではなく誘導によって起こります。^{[引用が必要]}

生殖質はショウジョウバエで詳細に研究されています。胚の後極には、ショウジョウバエの生殖に必要な物質が含まれています。この細胞質、つまり極質には、極顆粒と呼ばれる特殊な物質が含まれており、極細胞は​​原始生殖細胞の前駆細胞です。^{[引用が必要]}

極質は、後部グループ遺伝子（oskar、nanos 遺伝子、Tudor、 vasa 、 Valois など）のタンパク質と mRNA で構成され、それらを含んでいます。これらの遺伝子は、生殖系列の発達において、 nanos mRNA を後部に局在させ、生殖細胞決定因子を局在させる役割を果たします。これらの遺伝子に変異があるショウジョウバエの子孫は極細胞を生成できず不妊になるため、これらの変異は「孫なし」と呼ばれます。oskar、 nanos 、生殖細胞なし (gcl) 遺伝子は重要な役割を果たします。 Oskar は、他の遺伝子をリクルートして機能的な生殖質を形成するのに十分です。 Nanos は、有糸分裂と体細胞分化を防ぎ、極細胞が移動して PGC として機能するために必要です（次のセクションを参照）。 Gcl は、極細胞の形成に必要ですが、十分ではありません。これらの遺伝子に加えて、Pgc 極性顆粒成分はリン酸化を阻害し、その結果 RNA ポリメラーゼ II の活性化を阻害し、転写を停止します。^{[引用が必要]}

両生類では、植物極の極性細胞質に同様の生殖質が同定されている。この細胞質は胞胚腔の底部に移動し、最終的には独自の内胚葉細胞のサブセットとなる。生殖質は生殖細胞を生成するように指定されているが、生殖質はこれらの細胞を配偶子や他の細胞型を生成するために不可逆的に拘束するわけではない。^{[1] [2]}

ショウジョウバエの移動の第一段階は、極細胞が受動的に動き、中腸陥入部に折り込まれるときに起こります。能動的な移動は忌避物質と誘引物質によって起こります。内胚葉での wunen の発現は PGC を撃退します。columbus と hedgehog の発現は PGC を生殖腺の中胚葉前駆細胞に誘引します。移動には Nanos が必要です。PGC の注入部位に関係なく、PGC はターゲット部位に正しく移動できます。^{[引用が必要]}

ゼブラフィッシュでは、PGC は 2 つの CXCR4 膜貫通受容体タンパク質を発現します。このタンパク質とそのリガンドである Sdf1 を含むシグナル伝達システムは、魚類における PGC の移動を誘導するのに必要かつ十分です。

カエルでは、PGC はフィブロネクチンを含む配向性細胞外マトリックスによって促進され、腸間膜に沿って生殖腺中胚葉に移動します。カエルには CXCR4/Sdf1 システムの証拠もあります。^{[引用が必要]}

鳥類では、PGC は胚盤葉上層から発生し、原始条の前方から胚冠へと移動する。そこから、PGC は血管を使って生殖腺へと向かう。CXCR4/Sdf1 システムも使用されるが、これが唯一の方法ではないかもしれない。^[3]

マウスでは、始原生殖細胞（PGC）は胚の後原始条で発生し^{[4] 、受精後約6.25日目に移動を開始します。PGCは胚の内}胚葉に移動し、その後後腸に移動し、最終的には体細胞性生殖腺前駆細胞が存在する将来の生殖隆起に向かって移動します。 ^{[4] [5]}この移動には、一連の誘引および忌避の合図と、 PGCの移動を誘導するためのE-カドヘリンやβ1-インテグリンなどの接着分子が必要です。^[4]受精後約10日で、PGCは生殖隆起を占有し^[5]、運動性と極性形状を失い始めます。^[4]

哺乳類の始原生殖細胞は、胚が分裂する際の生殖質の分離ではなく、細胞間のシグナル伝達（誘導）によって特定される。^[6]マウスでは、PGCは着床後胚の胚外外胚葉（ExE）に近い近位上胚葉から、胎生6.5日目に発生する。^[7] E7.5までには、発生中のマウス胚の上胚葉のこの領域に約40個のPGCの創始集団が発生する。^{[8] [9] [10]}しかし、上胚葉は、内胚葉、外胚葉、中胚葉を含む胚本体を構成する体細胞系統も生成する。^{[11] [12] [13]}哺乳類の始原生殖細胞の特定は、主に2つのシグナル伝達経路の下流機能による。 BMPシグナル伝達経路と標準的なWNT/β-カテニン経路である[ ^7]。

骨形成タンパク質 4 (BMP4) は、胚体外外胚葉 (ExE) から胚発生 5.5～5.75 日目にエピブラストに直接隣接して放出され^[6]、ExE に最も近いエピブラスト領域で用量依存的にBlimp1と Prdm14 を発現します。^[14]これは、エピブラストで形成される PGC の数が BMP4 対立遺伝子の喪失に比例して減少していることから明らかです。^[15] BMP4 は、下流の細胞間転写因子 SMAD1 および SMAD5 を介して作用します。^{[15] [16] [17] [18] [19]}ほぼ同じ時期に、エピブラストの後部内臓内胚葉で WNT3 が発現し始めます。^{[20] [21]} WNT3 シグナル伝達は、エピブラストが ExE からの BMP4 シグナルに対する応答性を獲得するために不可欠であることが示されています。^[22] WNT3変異体は始原生殖細胞集団を確立できないが、外因性のWNT活性によって回復できる。^[23] WNT3/β-カテニンシグナル伝達経路は、以前に体細胞および中胚葉特異的遺伝子として特徴付けられた転写因子である転写因子T（Brachyury）の発現に不可欠である。^{[24] [25]} Tは最近、既知のPGC指定遺伝子Blimp1およびPrdm14の発現を誘導するために必要かつ十分であることがわかった。^[23]転写因子Tの誘導は、BMP/WNTシグナル伝達の12時間後に見られ、Blimp1およびPrdm14遺伝子が発現するのに24〜36時間かかった。転写因子Tは、PGC指定において、遺伝子のそれぞれのエンハンサー要素に結合することにより、BLIMP1およびPrdm14の上流で作用する。^[23] TはBMP4とWNT3の両方が存在しない場合でもBlimp1とPrdm14の発現を活性化できるが、PGC前駆細胞をWNTに事前曝露すると（BMP4なしで）、Tがこれらの遺伝子を活性化できなくなることに注意することが重要です。 ^[23] BMP4がどのようにしてTによる中胚葉遺伝子の誘導を防ぎ、PGCの指定遺伝子のみを活性化するのかという詳細は不明です。

Blimp1の発現はPGCの仕様決定の最も早い既知のマーカーです。^[26] Blimp1遺伝子の変異により、胎生8.5日目に隣接する体細胞によく似たPGC様細胞が形成されます。^[27] Blimp1の中心的な役割は、ヘリックススパンヘリックス転写因子であるTcfap2cの誘導です。^[28] Tcfap2c変異体は、始原生殖細胞の早期喪失を示しました。^{[29] [30]} Tcfap2cは、中胚葉マーカーHoxb1を含む体細胞遺伝子発現を抑制すると考えられています。^{[30]そのため、Blimp1、Tcfap2c、およびPrdm14は一緒になって、PGCの仕様決定を制御するために必要なすべての遺伝子の}転写を活性化および抑制することができます。^[14] Prdm14の変異により、胎生11.5日目までに失われるPGCが形成されます。^[31] Prdm14変異体におけるPGCの喪失は、ヒストン3メチル化パターンの全体的消去の失敗によるものである。^[32] Blimp1とPrdm14は、全体的DNA脱メチル化を引き起こす別のエピジェネティックイベントも誘発する。^[33]

Blimp1とPrdm14によって正に制御される他の注目すべき遺伝子は、Sox2、Nanos3、Nanog、Stella、Fragilisです。^[14]同時に、Blimp1とPrdm14は、Hoxファミリー遺伝子の転写を阻害することで、体細胞分化を促進するプログラムの転写も抑制します。^[14]このように、Blimp1とPrdm14は、生殖細胞系列の発達と潜在的な多能性転写プログラムを促進することでPGCの仕様化を推進し、同時に細胞が体細胞の運命をたどらないようにします。^[14]

過去数十年にわたって収集された生体内PGCの仕様に関する膨大な知識を基に、着床後の胚盤葉上層から試験管内PGCを生成するためのいくつかの試みがなされた。様々なグループが、BMP4および様々なサイトカインの存在下で培養されたPGC様細胞を生成することに成功した。^[15]このプロセスの効率は、後に幹細胞因子（SCF）、上皮成長因子（EGF）、白血病抑制因子（LIF）、およびBMP8Bの添加によって高められた。^[34]この方法を使用して生成されたPGC様細胞は生殖腺に移植することができ、そこで分化して、生体内で生存可能な配偶子および子孫を与えることができる。^[34] PGC様細胞は、FGFおよびアクチビンAの存在下で2日間培養して胚盤葉上層のような状態になった未処理の胚性幹細胞（ESC）からも生成することができる。これらの細胞は、BMP4、BMP8B、EGF、LIF、SCF、およびさまざまなサイトカインとともにさらに4日間培養されます。^[35]これらの体外生成されたPGCは、生存可能な配偶子および子孫に成長することもできます。^[35]

生殖腺に到達する前に、PGCは多能性因子を発現し、細胞培養で多能性細胞株（EG細胞として知られる）を生成し、^{[36] [37] 、}奇形腫として知られる多系統腫瘍を生成できる。^[38]他の脊椎動物での同様の知見は、PGCが配偶子を生成すること、および他の細胞型を生成することにまだ不可逆的にコミットしていないことを示している。^{[1] [39] [40]}生殖腺に到達すると、ヒトおよびマウスのPGCは広く保存されている生殖細胞特異的因子を活性化し、続いて多能性因子の発現をダウンレギュレーションする。^[41]この移行により生殖細胞が決定され、これはもはや可逆ではない細胞のコミットメントの一形態となる。^[42]

生殖隆起部を占拠する前は、XXとXYのPGCの間には違いは知られていない。^[4]しかし、移動が完了し、生殖細胞の決定が起こると、これらの生殖細胞は生殖腺ニッチに従って分化を始めます。

雄性PGCは移動を止めて有糸分裂を起こすとゴノサイトと呼ばれるようになる。 ^[43]ゴノサイトという用語は、PGC後のゴノサイトが精原細胞に分化するまでのすべての段階を説明するために一般的に使用される。^[43]解剖学的には、ゴノサイトは核内に2つの核小体を持つことが多い、大型の真染色性細胞として識別される。^[43]

男性生殖隆起部では、一時的なSry発現によって支持細胞がセルトリ細胞に分化し、これが精巣分化の中心組織として働く。ヒトやマウスのSryコード領域における点突然変異や欠失は、XY個体における女性発生につながる可能性がある。^[44]セルトリ細胞は、ゴノサイトが未熟に分化するのを防ぐ働きもする。^{[45]セルトリ細胞は、周囲の}レチノイン酸に対抗するために酵素CYP26B1を産生する。レチノイン酸はゴノサイトに減数分裂に入るよう合図する。^{[45]ゴノサイトとセルトリ細胞は}、ギャップおよびデスモソーム様接合部、ならびにカドヘリンおよびコネキシンからなる接着接合部を形成することが示されている。^[43]精原細胞に分化するために、ゴノサイトはセルトリ細胞との接合部を失い、再び移動可能になる必要がある。^[43]これらは精索基底膜に移動して^[43]分化します。

生殖腺では、性別が男性か女性かに応じて、生殖細胞が精子形成または卵子形成を経る。^[要出典]

有糸分裂生殖幹細胞である精原細胞は、有糸分裂によって分裂し、減数分裂を行う精母細胞を生成する。精母細胞は減数分裂によって分裂し、精子細胞を形成する。減数分裂後の精子細胞は精子形成によって分化し、成熟した機能的な精子となる。^[要出典] マウスのさまざまな発達段階にある精子形成細胞は、体細胞の変異頻度よりも5～10倍低い変異頻度を示す。^[46]

ショウジョウバエでは、減数分裂前の雄性生殖細胞が二本鎖切断を修復する能力は加齢とともに劇的に低下する。^[47]マウスでは、父親の加齢とともに精子形成が低下するが、これは減数分裂エラーの頻度が増加するためと考えられる。 ^[48]

有糸分裂生殖幹細胞である卵原細胞は、有糸分裂によって分裂し、減数分裂に進む一次卵母細胞を生成する。精子の生成とは異なり、卵母細胞の生成は連続的ではない。これらの一次卵母細胞は減数分裂を開始するが、胚内にある間に減数分裂 Iの複期で一時停止する。すべての卵原細胞と多くの一次卵母細胞は出生前に死滅する。霊長類では思春期後、卵母細胞と卵胞の小集団が排卵の準備として中期 II に進む。受精後にのみ減数分裂が完了する。減数分裂は非対称であり、極体と、胚発生のための大量の物質を含む卵母細胞を生成する。^[要出典]マウスの雌生殖細胞系列の突然変異頻度は、雄生殖細胞系列と同様、体細胞よりも低い。^{[49]生殖細胞系列の突然変異頻度が低いのは、部分的には、潜在的に変異原性の}DNA 損傷を除去するDNA 修復酵素 のレベルが高いためと思われる。強化された遺伝的完全性は生殖細胞系列の発達の基本的な特徴である可能性がある。^[49]

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