Komórki linii płciowej występujące ektopicznie poza narządami rozrodczymi; znaczenie poznawcze i kliniczne

Organizmy większości zwierząt i człowieka zbudowane są z dwu linii komórek różniących się właściwościami i przeznaczeniem. Pierwsza, liczniejsza z nich to komórki somatyczne. Składają się one na wszystkie narządy, decydują o budowie morfologicznej i zapewniają możliwość życia i funkcjonowania organizmu. Komórki te powstają i namnażają się w wyniku podziałów mitotycznych, zachowujących stałość materiału genetycznego, czasie rozwoju zarodka, jak również całego późniejszego życia. Po powstaniu, pod wpływem różnych bodźców zarówno wewnętrznych jak i zewnętrznych, wykorzystując różne fragmenty swojego genomu poprzez wybiórcze blokowania i uaktywniania poszczególnych genów zmieniają się morfologicznie i funkcjonalnie przystosowując się do pełnienia określonych funkcji. Proces ten nazywany jest różnicowaniem morfologicznym i funkcjonalnym komórek ciała. Po spełnieniu swoich zadań giną w wyniku apoptozy i są z organizmu eliminowane a ich miejsce mogą zajmować następne pokolenia. Przy braku takiej możliwości organizm starzeje się a ten proces biologiczny prowadzi do jego naturalnej śmierci. Jednak życie musi trwać dalej pomimo umierania poszczególnych osobników. Jest ono przekazywane nieprzerwanie następnym pokoleniom. Do tego celu, podtrzymania i przekazania „sztafety życia”, przyroda wytworzyła wyspecjalizowane komórki rozrodcze zwane gametami. Gamety wywodzą się z drugiej linii komórek obecnych w każdym organizmie. Komórki te noszą nazwę komórek szlaku płciowego lub linii płciowej. Komórki linii płciowej również mają zdolność do namnażania w wyniku wielokrotnych podziałów mitotycznych. Tę zdolność mają jedynie pierwotne i niezróżnicowane komórki szlaku płciowego nazywane prapłciowymi. W pewnym momencie rozwoju uzyskają one stopień specjalizacji konieczny do przekształcenia się w zdolne do zapłodnienia specyficzne i krańcowo przystosowane komórki płciowe – gamety. Komórki tak zróżnicowane stanowią ostatni etap rozwoju w linii płciowej. Jako jedyne w organizmie przechodzą specyficzny, redukcyjny podział komórkowy, nazywany mejozą. Cecha ta jest unikalna dla komórek linii płciowej będących od tego momentu komórkami macierzystymi gamet. U samców są to spermatogonia a u samic oogonia. Drugą unikalną cechą komórek prapłciowych jest to, że wyróżnicowują się one z somatycznych w bardzo wczesnym okresie życia zarodkowego i mają zdolność do dalszych, ostatecznych przekształceń jedynie po wejściu w skład i kolonizowaniu wyspecjalizowanych narządów rozrodczych jakimi są somatycznego pochodzenia gonady (1).

Modelem do badania wielu procesów rozwojowych u ssaków, między innymi, specyfikacji komórek linii płciowej oraz powstawania i zachowania się komórek prapłciowych są myszy. Zwierzęta te mają nie tylko doskonale poznaną fizjologię ale również genetykę. W przypadku rozwoju linii płciowej stwierdzono u myszy konieczność obecności i aktywność wielu genów rozwojowych identycznych lub podobnych jak u najlepiej pod względem rozwoju zbadanego gatunku jakim jest muszka owocowa ( Drosophila melanogaster). Między innymi we wczesnych formujących się komórkach linii płciowej myszy stwierdzono aktywność genów nanos i vasa, która zanika po dotarciu tych komórek do zawiązka gonady. Jednocześnie w młodych oocytach wielu gatunków ssaków, w tym człowieka stwierdzono obecność strukturalnych elementów, podobnych do jednostek determinant płciowych płazów i nicieni oraz muszki owocowej, nazywanych ciałami Balbiniego. Jednak znaczenie rozwojowe tych struktur nie jest jednoznacznie określone. Początki różnicowania się komórek linii płciowej u ssaków sięgają wczesnego okresu gastrulacji. Powstające bezpośrednio po zapłodnieniu w okresie bruzdkowania komórki, blastomery, nie wydają się mieć wyraźnych ukierunkowań i predyspozycji rozwojowych. Uzyskują je dopiero po wstępnym okresie różnicowania i wykształceniu się w zarodku tkanek pozazarodkowych czyli trofoblastu i podziale populacji komórek embrionalnych tarczowatego zarodka na dwie warstwy; epiblast i hipoblast czyli przyszłą ektodermę i endodermę. Dokładne obserwacje zachowania i aktywności komórek w tym okresie wskazują, że przekształcanie się komórek w linię płciowa podejmują nieliczne komórki epiblastyczne leżące obwodowo i dogłowowo w miejscach styku tarczy zarodkowej z trofoblastem (2). Ich właściwe różnicowanie rozpoczyna się pod wpływem działania sygnału molekularnego jakim jest białko morfogenetyczne kości (BMP – Bone Morfogenetic Proteins) należące do dużej rodziny czynników transkrypcyjnych z grupy transformującego czynnika wzrostu β (TGF β) (3). Do prawidłowego wyróżnicowania się komórek potrzeba jednak skoordynowanego działania kilku białek z tej rodziny: BMP-2, BMP-4, BMP-8b. czynniki te są induktorami uruchamiającymi kaskadę genów, która w wybranych komórkach prowadzi do ich wydzielanie się wśród somatycznych w definitywne komórki prapłciowe. W skład tej działającej kaskadowo grupy genów wchodzą między innymi geny: SMAD-a, SMAD-b, Brachyury, Fragilis i inne nieostatecznie zidentyfikowane. Zdeterminowane rozwojowo komórki linii płciowej od otaczających je somatycznych można wyróżnić i zidentyfikować, między innymi, na podstawie wysokiej aktywności fosfatazy zasadowej. Aktywność tego enzymu jest charakterystyczną cechą tej populacji komórek aż do ich kolonizacji zawiązków gonad i początków przekształcania się w oogonia i spermatogonia (4, 5).

Ostatecznie komórki prapłciowe, nazywane w tym stadium rozwoju gonocytami, lokalizują się we wczesnym zarodku w powstających szczątkowych błonach płodowych, w endodermie woreczka żółtkowego bezpośrednio obok omoczni. Jednak nie pozostają tam długo a szybko, dzięki zdolności do ruchów ameboidalnych, zaczynają migrować przez otaczające tkanki w kierunku formujących się w ciele zarodka w okolicy pranercza, mezodermalnych zawiązków gonady nazywanych listwami płciowymi (6). Wydaje się że ruch ten jest kierowany poprzez substancje chemotaktyczne wydzielane przez komórki listew płciowych. Czynnikiem chemotaktycznym zidentyfikowanym jako działający na migrujące komórki prapłciowe jest chemokina SDF-1 (Stroma Cell-Derived Factor-1), dla której mają one receptoryczne białko błonowe CXCR4. Dzięki kierunkowemu oddziaływaniu tych dwu uzupełniających się elementów składowych migrujące komórki bezbłędnie trafiają do mezodermy listew płciowych i stopniowo ją zasiedlają. Zdarzają się jednak zaburzenia w tym procesie mogące być wynikiem np. mutacji genów. W tym przypadku komórki prapłciowe mają trudności z odnalezieniem listwy płciowej i mogą lokować się w innych narządach rozwijającego się zarodka. Jest to jedna z najbardziej prawdopodobnych przyczyn późniejszej obecności ektopicznych komórek linii płciowej stwierdzanych między innymi w nadnerczach czy krezce jelita (1).

Z woreczka żółtkowego komórki prapłciowe migrują najpierw do otrzewnej jelita zarodkowego a następnie do jego krezki grzbietowej, w której rozdzielają się i dwoma szlakami, prawym i lewym docierają do parzystych listew płciowych. W migrujących komórkach wykryto aktywność wielu genów wpływających na ten proces. Niektóre z nich takie jak White spotting syntetyzują białka receptorowe KIT mające aktywności kinazy tyrozynowej i będące miejscem przyczepiania się liganda STELL, białka produkowanego przez komórki somatyczne zarodka leżące na szlaku migracji gonocytów. Czynniki te i ich wzajemne oddziaływanie są niezbędne do prawidłowego przeżywania komórek w trakcie ich ruchu. Inne geny działające w komórkach linii płciowej oraz komórkach somatycznych zarodka produkują czynniki błonowe i pozakomórkowe wyznaczające odpowiednie drogi migracji, są to, między innymi, błonowe białka – integryny, reagujące wybiórczo z substancjami międzykomórkowymi takimi jakimi są laminy. Doświadczenia na myszach wykazały, że to właśnie oddziaływanie integryn z laminami wpływa na cytoszkielet komórek aktywując w nim procesy prowadzące do zmiany kształtu, a tym samym wyzwalające zdolność do ich przemieszczania się.

Po dotarciu do listwy płciowej komórki prapłciowe – gonocyty wchodzą w interakcje z budującymi je komórkami mezodermalnymi, tym samym kolonizują one listwę płciową. Do tego procesu oraz specyfikacji dalszych losów i różnicowania się komórek linii płciowej konieczna jest ekspresja innych genów. Są to geny dzięki którym następuje synteza białek błonowych, między innymi kadheryny E. Białko to jest obecnie uważane za najważniejsze dla prawidłowej lokalizacji komórek prapłciowych w zawiązku gonady, dające możliwości ich przekształceń. Pod wpływem genetycznych czynników determinujących losy komórek, przekształcają się one w oogonie i spermatogonie (7, 8)

Komórki prapłciowe po powstaniu mają interesującą zdolność do aktywnej migracji w obręb listwy płciowej i jednocześnie namnażających podziałów mitotycznych. Procesy te przebiegają identycznie u płodów obu płci. Jednak dalsze losy komórek prapłciowych są inne u samic w zawiązku jajnika oraz u samców w powstającym jądrze. Najważniejszą różnicą jest dynamika początkowego przebiegu podziałów mitotycznych, oraz definitywne ich zakończenie połączone z uzyskaniem zdolności do rozpoczęcia redukcyjnego podziału mejotycznego. Wydaje się, że procesy te regulowane są poprzez oddziaływanie komórek prapłciowych różnicujących się w tym momencie w oogonia lub spermatogonia z komórkami somatycznymi budującymi zasadnicza masę rozwijającej się gonady męskiej lub żeńskiej. W jajniku powstałe w życiu płodowym owogonia mogą przechodzić podziały mitotyczne zwiększające ich liczbę jedynie tuż po powstaniu. Przykładowo, u człowieka pierwsze z nich powstają pod koniec 30 dnia rozwoju i dzielą się jedynie do końca 4 miesiąca życia płodowego. W tym okresie ustala się ich definitywna, i maksymalna liczba wynosząca około 9 milionów. Pula tych komórek już później się nie zwiększa i te z nich, które nie ulegną apoptozie, jeszcze w życiu płodowym rozpoczynają podziały mejotyczne. W powstającym jądrze spermatogonie w okresie życia płodowego praktycznie się nie dzielą a rozpoczynają i kontynuują szybkie mitozy trwające przez cały okres aktywności płciowej osobnika. Odpowiedzi na pytanie dlaczego i w jaki sposób powstają takie różnice w zachowaniu się komórek linii płciowej mogą dostarczyć badania nad nieprawidłowo migrującymi komórkami prapłciowymi, które po powstaniu mogą nie trafić do zawiązka gonady a ulokować się w nietypowym, ektopicznym, miejscu organizmu jakim może być jelito, krezka jelitowa lub najczęściej nadnercza. Badania nad tego typu komórkami przeprowadza się wśród ssaków przede wszystkim na zarodkach, noworodkach i młodych osobnikach kilku szczepów myszy laboratoryjnych.

Chociaż ektopiczne położone komórki, wywodzące się z pierwotnych komórek płciowych, zaobserwowano już stosunkowo dawno, jednak początkowo nie przypisywano temu odkryciu istotnego znaczenia. Pierwszy dokładny opis tego zjawiska i próbę jego interpretacji oraz wyciągania wniosków rozwojowych stanowiła praca Upadhyaya i Zamboniego z roku 1982 (9). Autorzy tej pracy opisują i analizują obecność komórek prapłciowych w rdzeniu jak i wyjątkowo w części korowej nadnerczy u myszy. Analizie zostały poddane zarówno samce jak i samice myszy w okresie życia płodowego od 12 do 19 dnia rozwoju oraz noworodki pomiędzy 2 a 12 dniem po urodzeniu. Obecność ektopicznie położonych komórek prapłciowych stwierdzono już w 12 dniu rozwoju zarodkowego u płodu o niemożliwej, w tym momencie, do jednoznacznej identyfikacji, na podstawie cech morfologicznych, płci. W dalszych okresach rozwoju ektopiczne komórki stwierdzano w nadnerczach zarówno u samic jak i samców, przy czym generalnie częściej występowały one u płodów i noworodków płci żeńskiej. Obecność tego typu komórek potwierdzono jeszcze w 12 dniu po urodzeniu, jednak w późniejszym okresie dorastania młodych myszy nie udało się autorom odnaleźć lub zidentyfikować zastosowanymi metodami komórek należących do linii płciowej poza gonadami. Wydaje się, że w miarę rozwoju komórki tego typu leżące poza gruczołami rozrodczymi ulegają zanikowi lub przekształcają się w komórki podobne do normalnie występujących w obrębie tkanki, do której trafiły w przypadkowy sposób.

Bardzo prawdopodobna wydaje się interpretacja faktu zaniku komórek ektopicznych na drodze ich eliminacji przez oddziaływanie z różnicującymi się komórkami otaczającej je tkanki. Stwierdzono, że u myszy zamieranie i tym samym zanikanie ektopicznych komórek prapłciowych w okresie ich migracji w kierunku zawiązka gonady odbywa się na drodze apoptozy. (10) Do wywołania tego procesu konieczna jest aktywność w komórkach proapoptotycznego genu Bax przy jednoczesnym ograniczeniu aktywności hamującego ten proces genu antyapoptotycznego genu Bcl21. W trakcie migracji jak również, jak się wydaje, w komórkach ektopicznych, ich przeżycie lub apoptoza zależy również od labilnego oddziaływania czynników STEEL/KIT (11), przy czym czynnik STEEL obniża przeżywalność komórek wzmagając ich apoptozę (12). Działanie bezpośrednie receptorów KIT nie jest jeszcze w tym procesie całkowicie jasne. Jednocześnie trzeba stwierdzić, że w procesie zamierania i eliminacji ektopicznych komórek może być zaangażowanych dodatkowo jeszcze wiele czynników wydzielanych lokalnie przez tkanki rozwijających się narządów, między innymi w mogą w nim być zaangażowane czynniki LIF (13) oraz IL4 (14).

Występują jednak sytuacje, w których nie wszystkie komórki ektopiczne ulegają apoptozie lecz hamują swój rozwój i pozostają niezróżnicowane. Zjawisko to jest bardzo niekorzystne dla organizmu gdyż zakłóca jego naturalną równowagę pomiędzy powstającymi, różnicującymi się i apoptotycznymi komórkami w tkankach. Nietypowo zachowujące się komórki są często przyczyną powstawania i rozwoju nowotworów zaburzających pracę narządów a nawet mogących być niebezpiecznymi dla życia osobników. Zagadnienie pochodzenia niektórych form nowotworów od ektopicznych i przetrwałych okres płodowy pierwotnych komórek prapłciowych jest intensywnie badane i analizowane u człowieka (15). Na podstawie badań statystycznych stwierdzono, że około 3% złośliwych pediatrycznych nowotworów występujących u dzieci wywodzi się z nieprawidłowo różnicujących się komórek szlaku płciowego. Jednocześnie aż 50% wśród nich, jak również 18% guzów nowotworowych wywodzących się z dojrzałych komórek prapłciowych lokalizuje się i rozwija się poza gruczołami rozrodczymi w różnych narządach wewnętrznych niekoniecznie powiązanych rozwojowo z jądrami lub jajnikami. (15) Sugeruje się, że wyjściowe komórki zapoczątkowujące nowotworzenie pochodzą w tym przypadku z ektopicznych komórek prapłciowych, jednak nie udało się wyjaśnić jednoznacznie związku pomiędzy zaburzeniami migracji komórek szlaku płciowego, ich nietypową lokalizacją i predyspozycją do nowotworzenia. Jednak częstość chorób o tak potwierdzonym podłożu wskazuje na istnienie takiego wyraźnego związku. (16) Dodatkową przesłanką wspierającą powyższą hipotezę są obserwacje potwierdzające zmniejszanie się odsetka nowotworów wywodzących się z komórek prapłciowych i lokalizujących się pierwotnie poza gonadami wraz z wiekiem pacjentów, tak że u dorosłych tego typu guzy, w przeciwieństwie do dzieci, są stosunkowo rzadkie. Podczas powstawania guzów poprzez nietypowy rozwój komórek prapłciowych istotnym jest stwierdzenie istotnej roli komórek właściwych dla narządu i tworzących w tkankach ich środowisko. W gonadach mezodermalne komórki somatyczne decydują o uzyskaniu zdolności i zapoczątkowaniu w komórkach szlaku płciowego podziałów mejotycznych, będących ostatnimi podziałami w cyklu życiowym i prowadzących po redukcji materiału genetycznego co jest konieczne do ostatecznego i właściwego wykształcenia się gamet. Inna sytuacja panuje w miejscach ektopicznej lokalizacji, w których komórki nie produkują sygnałów promejotycznych. Jeżeli nie mogą spowodować apoptozy komórek szlaku płciowego, może doprowadzić do wzmożenia ich mitotycznej proliferacji nie połączonej z różnicowaniem a tym samym wyzwolić w nich aktywność prowadzącą do szybkiego przyrostu masy guza uzyskującego charakter nowotworu. Gdy jednocześnie dojdzie w namnażających się komórkach do aktywacji lub mutacji innych, specyficznych rozwojowych genów, określanych mianem onkogenów, to takie komórki mogą uzyskać inne właściwości jak np. tracić zdolność do przylegania, uzyskiwać możliwość migracji i osiadania w innych miejscach co w prostej linii może prowadzić do powstawania przerzutów i lokalizowania się wtórnych guzów nowotworowych w innych, nawet oddalonych od ich pierwotnego miejsca narządach ciała. Dalszy rozwój tych struktur niesie już ze sobą duże niebezpieczeństwo dla zdrowia a nawet życia i wymaga szybkiej interwencji lekarza onkologa. (17, 18) Ta ostatnia przesłanka jest już wystarczającą do badań możliwości rozwojowych i nietypowego zachowania się komórek prapłciowych, ich lokalizowania a następnie przetrwania i patologicznego różnicowania się w ektopicznych miejscach organizmu. Być może poznanie i zrozumienie procesów kierujących takim stanem różnicowania komórkowego będzie istotnym przyczynkiem wykorzystywanym w przyszłości w diagnostyce i terapii nowotworów u ludzi.