Примордиальные зародышевые клетки являются высоко специализированными клетками, которые являются предшественниками гамет, которые после мейоза развиваются как гаплоидные спермии и яйцеклетки, чтобы создавать новый организм поле оплодотворения. Они передают генетическую и эпигенетическую информацию между поколениями и гарантируют жизнеспособность вида. Хотя зародышевые клетки закладываются вне во время раннего развития почти у всех животных, механизм спецификации зародышевых клеток не законсервирован среди животных. Обычно спецификация зародышевых клеток происходит или благодаря наследованию предварительно сформированной зародышевой плазмы (Weissmann, 1885), или индуцируются среди эквипотентных клеток за счет инструктивных сигналов. Напр., спецификация зародышевых клеток у Xenopus и C. elegans осуществляется благодаря наследованию зародышевой плазмы, тогда как у аксолотля спецификация зародышевых клеток происходит в клетках анимальной шапочки в ответ на сигналы (Johnson et al., 2011;Niewkoop, 1979). В принципе, оба эти механизма гарантируют супрессию соматической судьбы, в то же время способствуют началу программы зародышевых клеток. У мышей primordial germ cells (PGCs) возникают из ранних послеимплантационных клеток эпибласта, которые также дают все соматические клетки в ответ на сигналы от внеэмбриональных тканей.

Спермии и яйцеклетки млекопитающих вносят одинаковый генетический вклад в новый организм, но их эпигенетические вклады уникальны и комплементарны. Геном и самца и самки необходим для развития в срок, поскольку оно зависит от вклада родительского 'импринтинга' генома в зародышевой линии (McGrath and Solter, 1984; Surani et al., 1984). Исследования зародышевых клеток млекопитающих предоставили уникальные данные о том, как эпигенетическая информация, связанная с 'импринтами' сначала стирается, а затем повторно инициируется и становится наследуемой от зародышевой линии ко взрослым. Импринтинг приводит к зависимой от родительсткого происхождения моноаллельной экспрессии импринтируемых генов во время развития. Несовершенные импринты могут приводить к онтогенетическим, физиологическим и поведенческим аномалиям у мышей и вызывать болезни у людей (rev. Grossniklaus et al., 2013). Процесс тщательного стирания и повторной переделки эпигенома в ранних PGCs также гарантирует, что аберрантная эпигенетическая информация не будет передана потомству. Несмотря на это имеются сообщения, подтверждающие, что факторы окружающей среды могут вызывать эпигенетические изменения, которые могут быть переданы через зародышевую линию следующим генерациям с вредными последствиями (rev. Tomizawa and Sasaki, 2012). Исследования на клонах зародышевых клеток могут проверить законность этих требований или предоставить механистическую основу для них.

Восстановление эпигенома зародышевой линии также является критическим для становления тотипотентного состояния после оплодотворения. Лежащие в основе механизмы могут быть приложимы к экспериментальному перепрограммированию эпигенома и к манипуляциям с судьбами клеток in vitro и в принципе, к репрограммированию эндогенных клеток больной ткани. Это важно для регенеративной медицины и болезней человека, включая опухоли зародышевых клеток. Зародышевые клетки также предоставляют возможности открытия механизмов модификации хроматина, а также метилирования/деметилирования ДНК. Как факторы, участвующие в индукции важных эпигенетических изменений, могут быть использованы в др. контекстах во время нормального и аберрантного развития и могут приводить к разработке новых терапевтических агентов.

Недавно исследования зародышевых клеток привели к успехам в репродуктивной медицине. Напр., дефектные митохондрии, передаваемые с помощью ооцитов, оказывают существенное влияние на здоровье; как они накапливаются и передаются после этого, представляет особый интерес, т.к. являются ещё одной причиной бесплодия. Успехи биологии зародышевых клеток и редактирования генома вместе со способностью генерировать зародышевые клетки из плюрипотентных стволовых клеток, могут привести к успехам в разведении некоторых млекопитающих. &

Основным успехом последнего времени стала идентификация ключевых регуляторов спецификации PGC (rev. Leitch et al., 2013a), как же генетическая сеть функционирует во время спецификации PGC и при запуске уникальной эпигенетической программы (Magn?sd?ttir et al., 2013), и становлении эпигенетического основного состояния и инициации цикла импринтинга (Hackett et al., 2012; Hayashi et al., 2007). Мы сконцентрируемся на механизме спецификации PGC у мышей. Его характеризация привела к разработке экспериментальных систем, которые могут быть использованы для генерации PGC-подобных клеток из плюрипотентных стволовых клеток и потенциально из любой соматической клетки посредством induced pluripotent stem cells (iPSCs), которые в свою очередь могут давать жизнеспособные гаметы in vivo, способные генерировать живой организм (Hayashi and Surani, 2009; Hayashi et al., 2011; Hayashi et al., 2012). Недавно мы оказались способны генерировать ранние зародышевые клетки и рудиментарные ооцит-подобные структуры in vitro (Hayashi and Surani, 2009), дальнейшие успехи могут привести к способности индуцировать мейоз и к успешному развитию гамет in vitro.

The instructive nature of PGC specification in mice

Классическая работа по клональному анализу Lawson and Hage показала, что предшественники PGCs локализуются в наиболее проксимальном регионе послеимплантационного эпибласта, вблизи к внеэмбриональной ткани (Fig. 1). Эти предшественники PGC обнаруживаются здесь на день эмбриогенеза (E) 6.0-6.5, и в конечном счете, генерируют популяцию основателей из примерно 40 PGCs на ст. ~E7.25 (Chiquoine, 1954; Ginsburg et al., 1990; Lawson and Hage, 1994). Fig. 1.

Ключевыми инструктивными сигналами спецификации PGC являются bone morphogenetic proteins (BMP2, BMP4 и BMP8B), которые происходят из внеэмбриональной ткани и действуют посредством SMAD1 и SMAD5 (Hayashi et al., 2002; Lawson et al., 1999; Tam and Snow, 1981; Ying and Zhao, 2001; Ying et al., 2000). Реакция клеток эпибласта, чтобы специфицироваться в PGC , зависит от дозы BMPin vivo (Lawson et al., 1999), поскольку количество PGCs снижается пропорционально потере аллелей BMP2 и BMP4. In vitro, BMP4 достаточен для индукции PGC, тогда как WNT3 необходим для индукции компетентности к судьбе PGC в клетках эпибласта и для предоставления возможности соотв. их реакции на передачу сигналов BMP в направлении спецификации PGC (Ohinata et al., 2009). В принципе любая клетка эпибласта в это время развития может потенциально приобретать судьбу PGC при соотв. условиях, хотя эта реакция обычно ограничена in vivo отличиями в градиенте передачи сигналов, не только индуктивных BMP сигналов, но и также отличиями в градиентах ингибирующих сигналов от дистальной и передней висцеральной энтодермы, таких как cerberus 1 (CER1), dickkopf 1 (DKK1) и LEFTY1 (Ohinata et al., 2009; Tam and Zhou, 1996) (Fig. 1).

Intrinsic regulators of mouse PGC fate

Генетическая основа спецификации PGC стала очевидной только в последнюю декаду после попыток открыть открыть ключевые регуляторы выбора судьбы PGC при анализе одиночных клеток. Среди первых идентифицированных генов стал developmental pluripotency-associated 3 [Dppa3 (ранее Stella)] в качестве определяющего маркера основателя PGCs (Saitou et al., 2002; Sato et al., 2002), сопровождаемый Prdm1, кодирующим BLIMP1, PR доменовый белок цинковые пальчики, который является ключевым регулятором спецификации PGC (Chang et al., 2002; Hayashi et al., 2007; Ohinata et al., 2005; Vincent et al., 2005). Экспрессия BLIMP1 в немногих случайно распределенных наиболее проксимальных клетках эпибласта на ст. ~E6.25 маркирует начало спецификации PGC, это согласуется с происхождением PGCs при клональном анализе (Lawson and Hage, 1994). Экспрессия BLIMP1 отделяет зародышевые клетки от соседних соматических клеток посредством репрессии зарождающейся мезодермальной программы (Hayashi et al., 2007; Kurimoto et al., 2008; Ohinata et al., 2005). Мутация в BLIMP1 приводит к образованию небольшого кластера аберрантных PGC-подбных клеток на ст. ~E8.5? которые больше похожи на соседние соматические клетки из-за неспособности репрессировать экспрессию соматических генов и индуцировать специфичные для PGC гены (Ohinata et al., 2005).

Сравнение между дикого типа и мутантными BLIMP1 PGC-подобными клетками оказалось впоследствии центральным для идентификации Prdm14 (члена семейства Prdm) (Grabole et al., 2013;Kurimoto et al., 2008; Yamaji et al., 2008). Мутация в Prdm14 приводит к образованию аберрантных PGCs, которые теряются на ст. ~E11.5. Клетки обладают дефектной эпигенетической программой, на это указывает неспособность к характерному глобальному стиранию H3K9me2 гистоновых модификаций на ст. ~E8.5, частично из-за репрессии, обеспечиваемой с помощью Ehmt1-Ehmt2 метилазной активности в H3K9. Клетки также неспособны обнаруживать индукцию по всему геному polycomb энзимом EZH2 обусловленную модификацию H3K27me3. Это показывает, что PRDM14 является важным, по крайней мере, для эпигенетической программы в ранних зародышевых клетках (Hajkova et al., 2008;Hajkova et al., 2010; Yamaji et al., 2008; Seki et al., 2007). Более того, экспрессия BLIMP1 поддерживается с помощью PRDM14, это может объяснить индукцию соматических генов в мутантных клетках (Grabole et al., 2013; Magn?sd?ttir et al., 2012; Magn?sd?ttir et al., 2013). PRDM14 индуцирует также Dppa3 и Sox2 на ст. ~E8.5. Т.о., ни специфическая для PGC экспрессия генов, ни повторная инициация экспрессии генов плюрипотентности, не происходит в Prdm14-нулевых клетках (Grabole et al., 2013; Yamaji et al., 2008).

Наконец, Tcfap2c, который кодирует AP2γ (непосредственную мишень для BLIMP1), также является критическим для спецификации PGC (Kurimoto et al., 2008; Magn?sd?ttir et al., 2013; Weber et al., 2010), поскольку мутации в этом гене вызывают очень раннюю потерю PGCs. Хотя эти клетки остаются до конца не охарактеризованными, возможно, что AP2γ может также участвовать в репрессии соматических генов, включая ранний мезодермальный маркер Hoxb1 (Weber et al., 2010). Т.о., BLIMP1, PRDM14 и AP2γ вместе составляют взаимозависимую транскрипционную сеть для спецификации PGC (Magn?sd?ttir et al., 2013; Nakaki et al., 2013).

PGCs versus soma: the underlying pluripotency of the unipotent germ cell lineage

Доказательства подтверждают, что в начале спецификации PGC, в послеимплантационных клетках эпибласта, предназначенных стать соматическими, за счет увеличения метилирования ДНК и H3K9me2 гистоновых модификаций, включая начало инактивации X (Hackett et al., 2013); репрессируются гены плюрипотентности, такие как Nanog, Rex1 и Dppa3. BLIMP1 арестовывает эту склонность в направлении выбора соматической судьбы в начале спецификации PGC, и инициирует возвращение в прежнее состояние некоторых из этих свойств, включая инициацию реактивации X и возобновление экспрессии ключевых генов плюрипотентности, таких как Sox2 и Nanog.

Всеобъемлющая повторная экспрессия генов плюрипотентности является уникальной для клеток, которые выбирают судьбу PGC, это подтверждается лишь ограничением протяженности соматических клонов, как в нейральных предшественниках, где Sox2 усиливает клеточные характеристики (Graham et al., 2003). Экспрессия генов плюрипотентности в PGCs, скорее всего, делает возможной инициацию эпигенетической программы, такой как деметилирвоание ДНК (Hackett et al., 2013; Leitch et al., 2013b; Seisenberger et al., 2012). Несмотря на сходство с внутренней клеточной массой (ICM) и эмбриональными стволовыми клетками (ESCs) относительно экспрессии генов плюрипотентности, PGCs являются уникальными, поскольку они облдают циклом импринтинга и обладают потенциалом мейоза (rev. Surani et al., 2007). Гены, такие как Nanog, безусловно необходимы для поддержания ранних зародышевых клеток, поскольку мутантные клетки, подвергаются апоптозу во время миграции (Chambers et al., 2007; Yamaguchi et al., 2009). OCT4 может играть роль в становлении компетентности к принятию судьбы PGC и после этого, вообще-то за счет активации соотв. энхансеров (Kehler et al., 2004; Soufi et al., 2012). Экспрессия OCT4 в PGCs зависит от активации его дистального энхансера (Bao et al., 2009; Chen et al., 2008; Yeom et al., 1996), отражая ключевые признаки, лежащие в основе плюрипотентности в PGCs, хотя они развиваются только в гаметы, спермии и яйцеклетки.

Ранние PGCs могут однако подергаться дедифференцировке в плюрипотентные эмбриональные зародышевые клетки (EGCs) в ответ на передачу сигналов fibroblast growth factor (FGF)/leukaemia inhibitory factor (LIF) в культуре (Matsui et al., 1992). EGCs напоминают ESCs, возможно благодаря 'стиранию' эпигенетической памяти, полученной от источника, от постимплантационного эпибласта. Дедифференцировка PGCs в EGCs влечет за собой быструю репрессию BLIMP1 (Durcova-Hills et al., 2008; Leitch et al., 2010), подтверждая, что BLIMP1 может играть роль в клональном ограничении PGCs; его репрессия важна для повторной экспрессии Myc и Klf4, которые репрессированы в PGCs, но важны для самообновления EGCs и ESCs (Durcova-Hills et al., 2008).

The tripartite transcriptional network for PGC specification

Трехсоставная сеть из BLIMP1, AP2γ и PRDM14 важна не только для инициации спецификации PGC, но и также для разворачивания эпигенетической программы, которая возникает в результате. Чтобы идентифицировать непосредственные мишени для BLIMP1 и AP2γ, линия клеток эмбриональной карциномы P19 (P19EC) была использована в качестве заместительной системы, поскольку PGCs ограничены в количестве и трудны для культивирования и манипулирования. P19EC клетки подходят, поскольку они возникли из послеимплантационных клеток эпибласта, предшественников PGCs (McBurney, 1993; Spivakov and Fisher, 2007). Заметим, что экспрессия BLIMP1, PRDM14 и AP2γ в P19EC клетках, как по отдельности, так и в разных комбинациях, выявляет экспрессию нескольких PGC генов и индуцирует репрессию соматических генов (Magn?sd?ttir et al., 2013).

Биоинформационный анализ предоставил важную информацию о потенциальных мишенях для трехсоставной транскрипционной сети. Данные по транскриптому единичной клетки нормальных и мутантных PGCs, в комбинации с информацией по мишеням для BLIMP1 и AP2γ в P19EC, также как и для PRDM14 в ESCs (Ma et al., 2011), показали, что программа зародышевых клеток осуществляется за счет высокой степени кооперативной активности между тремя факторами. Это делает возможной инициацию нескольких программ в ранних PGCs, включая репрессию соматических генов. Напр., программа миграции, а также экспрессия специфичных для PGC генов, осуществляется главным образом с помощью PRDM14 и AP2γ, тогда как PRDM14 и BLIMP1 сотрудничают в индукции и репрессии эпигенетических модификаторов.

Большинство связанных с AP2γ генов, также соединяется с BLIMP1 и PRDM14 (Fig. 2), чтобы способствовать изменениям в генной экспрессии (Fig. 3). AP2γ обогащен как на дистальных элементах, так и на промоторах, в отличие от BLIMP1, который преимущественно соединяется с промоторами, тогда как PRDM14 соединяется главным образом в дистальными регуляторными регионами (Ma et al., 2011). Возможно, что PRDM14 и BLIMP1 обеспечивают инициальное соединение с геномным сайтом связывания, чтобы инициировать транскрипционные изменения, которые затем 'закрепляются' с помощью AP2γ (Fig. 2C). BLIMP1 также связан с клеточным циклом и множественными транскрипционными регуляторами, включая все 4 локуса Hox генов (HoxA, HoxB, HoxC и HoxD), возможно,чтобы 'защитить' PGCs с их плюрипотентностью от реакции на различные внешние сигналы, когда они мигрируют в гонады. Fig. 2, Fig. 3.

Activation of the PGC programme

Жизненно важная роль BLIMP1 заключается в непосредственной индукции экспрессии Tcfap2c (Kurimoto et al., 2008;Magn?sd?ttir et al., 2013; Weber et al., 2010). Как BLIMP1 может репрессировать и индуцировать разные мишени, неизвестно, но он может рекрутировать транскрипционные корепрессоры и коактиваторы при определенных специфических условиях (Ancelin et al., 2006; Ren et al., 1999; Su et al., 2009; Yu et al., 2000). Заметим, что у рыбок данио BLIMP1 непосредственно активирует Tfap2a (кодирующий AP2α), критический для спецификации клеток нервного гребня (Powell et al., 2013). Индукция AP2γ с помощью BLIMP1 является критической для комбинаторной роли PRDM14 и AP2γ в индукции специфичных для PGC генов, таких как Dnd1, а также Nanos3 (Fig. 3B). Они также соединяются с дистальным энхансером Pou5f1 (ранее Oct4), чтобы поддерживать его экспрессию в PGCs. В целом, PRDM14, по-видимому, вносит вклад в эпигенетическое репрограммирование в PGCs, как было установлено, по его потенциалу репрограммировать стволовые клетки эпибласта (EpiSCs) до невинных (naive) ESCs (Gillich et al., 2012). PRDM14 сам по себе и в содружестве с AP2γ регулирует множественные гены, участвующие в межклеточной адгезии миграции (Magn?sd?ttir et al., 2013; Ma et al., 2011).

The genetic network for PGC specification initiates the epigenetic programme

Эпигенетическая программа индуцируется первоначально с помощью BLIMP1 и PRDM14 приводя к глобальному деметилированию ДНК в направлении эпигенетического основного состояния у ранних PGCs (Hackett et al., 2013;Hajkova et al., 2008; Hajkova et al., 2010; Ohno et al., 2013; Seisenberger et al., 2012) (Fig. 4). Напр., репрессия Uhrf1 (Bostick et al., 2007) и Dnmt3b с помощью BLIMP1 и PRDM14 способствует деметилированию ДНК, связанной с репликацией ДНК, в PGCs. Кроме того, TET1 и TET2, которые связываются с помощью PRDM14, катализируют гидроксилирование 5-methyl-cytosine, это добавляет дополнительную параллель резервного механизма для деметилирования ДНК в PGCs (Hackett et al., 2013; Ma et al., 2011; Ohno et al., 2013; Seisenberger et al., 2012). Существует потенциальная роль механизма репарации за счет эксцизии оснований (Hajkova et al., 2008) , который может вносить вклад в стирание импринтов. Хотя PRDM14 вносит вклад в гипометилирование ДНК в наивных плюрипотентных ESCs, импринты в этих клетках сохраняются (Leitch et al., 2013b). Fig. 4.

Транскрипционная сеть для спецификации PGC также регулирует гистоновые модификации, т.к. PRDM14 индуцирует H3K9 гистоновую деметилазу Kdm3a и Kdm4b. Эта индукция вместе с репрессией Ehmt1, гарантирует быструю и глобальную потерю H3K9me2, и может объяснить повторную экспрессию генов плюрипотентности и осуществление деметилирования ДНК (Liu et al., 2013; Rothbart et al., 2012). Репрессия деметилазы Kdm6b с помощью PRDM14 и BLIMP1 вносит вклад в глобальное увеличение H3K27me, которое наблюдается также во внутренней клеточной массе бластоцистов. Более того, PRDM14 индуцирует Hdac6, который, в отличие от своих ортологов, по-видимому, не участвует в регуляции транскрипции, но способствует подвижности клеток, важному аспекту биологии PGC (Li et al., 2013). Повторная активация неактивной Х хромосомы в PGCs может облегчаться за счет соединения PRDM14 с интроном 1 в Xist и в Rnf12 (Rlim - Mouse Genome Informatics), в активаторе Xist (Barakat et al., 2011; Ma et al., 2011; Shin et al., 2010).

Generating PGCs in vitro: recapitulating development

Увеличение знания о спецификации PGC in vivo привело к попытке воспроизвести процесс in vitro (Hayashi and Surani, 2009; Hayashi et al., 2011; Magn?sd?ttir et al., 2013;Matsui et al., 1992; Nakaki et al., 2013; Ohinata et al., 2009; Tam and Zhou, 1996). Первые попытки были проделаны с целым постимплантационным эпибластом, с или без висцеральной энтодермы (VE), а также с или без внеэмбриональной эктодермы (ExE), который культивировали в присутствии цитокинов (Lawson et al., 1999). Эти исследования были затем пересмотрены с использованием Prdm1, Prdm14 и Dppa3 промоторов в качестве репортеров (Ohinata et al., 2009), это показало, что большинство, если не все, клетки эпибласта компетентны воспринимать судьбу PGC в присутствии BMP4. Эффективность возрастала с stem cell factor (SCF), epidermal growth factor (EGF), LIF и BMP8B, частично благодаря увеличению жизнеспособности клеток in vitro? поскольку некоторые факторы, такие как LIF, не участвуют в спецификации PGC in vivo. Эффективность возрастала, когда VE и ExE были удалены. Подобная реакция на цитокины для спецификации PGC предсказуемо устранялась в отсутствие SMAD1 и SMAD5, устраняя возможность косвенных эффектов молекул передачи сигналов BMP в индукции PGC. Сгенерированные in vitro PGCs могли развиваться в жизнеспособные гаметы in vivo, которые были способны давать жизнеспособное потомство (Ohinata et al., 2009).

Важно, что PGC-подобные клетки могли также быть генерированы, начиная с наивных плюрипотентных ESCs, которые были сначала культивированы в течение двух дней в basic FGF (bFGF) и activin A, сопровождаемы добавлением др. цитокинов, включая BMP4, BMP8B, SCF, EGF и LIF, чтобы получить PGC-подобные клетки (Hayashi et al., 2011). BMP4, по-видимому, наиболее важный цитокин для индукции PGCs, тогда как др. факторы, такие как LIF и SCF, повышают жизнеспособность PGCs, которые сегодня возможно поддерживать в течение 5-6 дней in vitro. Инициальная культура ESCs в присутствии сигнальных молекул bFGF и activin A управляется ими в направлении появления послеимплантационных характеристик эпибласта (Guo et al., 2009). Эти эпибласт-подобные клетки (EpiLCs) образуют эмбриоидные тела, будучи культивируемые в виде клеточных агрегатов на не слипчивых поверхностях. Эмбриоидные тела отвечают на BMP4 и др. цитокины и начинают развиваться как PGC-подобные клетки со второго дня, давая в результате 40-60% клеток, становящимися PGCs спустя примерно 6 дней (Fig. 1). Эти in vitro сгенерированные PGCs могут развиваться в жизнеспосбные спермии и ооциты (Hayashi et al., 2011; Hayashi et al., 2012). Хотя этот in vitro метод подходит для изучения спецификации PGC, эти клетки не обнаруживают стирания импринтов вступления в мейоз in vitro, тогда как они могут подвергаться гаметогенезу in vivo, если вносятся обратно в гонады полностью взрослых животных (Hayashi et al., 2011; Hayashi et al., 2012).

Культуральная система PGC in vitro позволяет исследовать некоторые ключевые регуляторы спецификации PGC. В недавнем исследовании две независимые группы вызывали экспрессию BLIMP1, AP2γ и PRDM14, и установили, что эти белки могут непосредственно индуцировать PGC-подобную судьбу in vitro в отсутствие цитокинов (Magn?sd?ttir et al., 2013; Nakaki et al., 2013). Это согласуется с ролью этих белков in vivo (summarised in Fig. 3). Важно, что соматическая программа не активируется в отсутствие цитокинов во время прямой индукции PGC-подобных клеток (Magn?sd?ttir et al., 2013; Nakaki et al., 2013). Хотя PRDM14 сам по себе способен также индуцировать PGC-подобные клетки с низкой частотой in vitro (Nakaki et al., 2013), это, по-видимому, происходит из-за загрязнения эндогенными Prdm1 и Tfap2c (ген, кодирующий AP2γ). Это не исключает возможности, что все три фактора необходимы для выбора судьбы PGC. Отсутствие активации соматических генов во время прямой индукции PGC-подобной судьбы не избавляет от необходимости в BLIMP1 для спецификации PGC in vitro, частично из-за того, то он непосредственно индуцирует AP2γ, а также индуцирует эпигенетическую программу вместе с PRDM14. Т.о., роль BLIMP1 распространяется за пределы репресссии соматических генов per se. Напр., BLIMP1 и PRDM14 вместе существенны для репрессии Uhrf1, который является критическим для деметилирования ДНК в PGCs и для повторной экспрессии генов плюрипотентности (Magn?sd?ttir et al., 2013) (Fig. 4B). Более того, BLIMP1 репрессирует Myc, который делает возможным выход из плюрипотентности и развитие ограниченной, но динамической природы клонов ранних зародышевых клеток (Lin et al., 2012).

Conclusions

Investigations from over a decade of research have led to major advances in mouse germ cell biology, which will provide the basis for studies on germ cells of other mammalian species, including humans. The identification of the key regulators of PGC specification, BLIMP1, PRDM14 and AP2γ, which together constitute the tripartite genetic network for specification PGCs, represents an important advance. There is also a greater and precise understanding of their combinatorial roles in the repression of genes of the somatic programme, induction of the germ cell genes and in the initiation of epigenetic modifications in early germ cells. BLIMP1 is expressed first and it is the key regulator of PGC specification, not least because it induces AP2γ, and together with PRDM14, they control all the major aspects of PGC specification and the key attributes of early germ cells, such as the epigenetic programme (Magn?sd?ttir et al., 2013; Nakaki et al., 2013; Ohinata et al., 2005; Weber et al., 2010; Yamaji et al., 2008). The germline also represents an elegant system combining an underlying pluripotency and lineage restriction that is critically balanced by the co-expression of the appropriate transcriptional regulators.

The major advances in mammalian germ cell biology have led to the exploration of PGC specification from pluripotent stem cells. These PGC-like cells can progress towards the formation of rudimentary oocyte-like structures (Hayashi and Surani, 2009). Starting with na?ve ESCs, such PGC-like cells are formed, although they do not exhibit some key properties such as the erasure of imprints or meiosis, but can undergo gametogenesis under appropriate conditions in vivo to form viable gametes that are capable of generating a live organism (Hayashi et al., 2011; Hayashi et al., 2012). Notably, the three key regulators of PGC specification can directly induce PGC-like fate in vitro in the absence of cytokines (Magn?sd?ttir et al., 2013; Nakaki et al., 2013), although such direct induction of PGC-like cells occurs only from the appropriately primed epiblast cells but not from the na?ve ESCs. This suggests the importance of appropriate priming of cells for PGC fate. Indeed, loss of competence also occurs in the pluripotent EpiSC, which is due to the increase in DNA methylation and includes the promoters of PGC genes (Bao et al., 2009; Gillich et al., 2012). These in vitro models might be useful for investigating the molecular prerequisites of competence for PGC-like fate and its counterpart, the somatic fate. It is also possible to induce PGC-like fate in iPSCs derived from somatic cells. This might make it possible to generate viable gametes from somatic cells, perhaps by direct transdifferentiation of somatic cells into germ cells with the three key regulators of PGCs.

Further studies will show how some mutations, both naturally occurring and introduced, influence the development and properties of the germ cell lineage. This may allow investigation into the long-term consequences of transgenerational inheritance of genetic and epigenetic information. The causes of some forms of infertility might also be uncovered, as well as the factors implicated in germ cell tumours such that amelioration of these diseases may one day be possible.

Finally, the comprehensive epigenetic programming, including global DNA demethylation, observed in early germ cells provides a unique opportunity with which to gain knowledge of key enzymes and epigenetic modifiers that promote the epigenetic ground state (Hackett et al., 2013; Hajkova et al., 2008; Hajkova et al., 2010; Ng et al., 2013). These mechanisms might be applicable more widely for the experimental manipulation of the epigenome and cell fates of normal and diseased tissues, through the erasure and re-initiation of novel epigenetic information.

How to make a primordial germ cell Erna Magnusdottir, M. Azim Surani Development. 2014 Jan;141(2):245-52.

How to make a primordial germ cell
Erna Magnusdottir, M. Azim Surani
Development. 2014 Jan;141(2):245-52.