Zárodečná buňka je jakákoli biologická buňka, která dává vzniknout gametám organismu, který se pohlavně rozmnožuje. U mnoha zvířat vznikají zárodečné buňky v blízkosti střeva embrya a migrují do vyvíjejících se pohlavních žláz. Tam procházejí buněčným dělením dvou typů, mitózou a meiózou, následovaným buněčnou diferenciací na dospělé gamety, buď vajíčka nebo spermie.
Vícebuněčné eukaryoty se skládají ze dvou základních typů buněk. Zárodečné buňky produkují gamety a jsou jedinými buňkami, které mohou podstoupit meiózu i mitózu. O těchto buňkách se někdy říká, že jsou nesmrtelné, protože jsou pojítkem mezi generacemi. Somatické buňky jsou všechny ostatní buňky, které tvoří stavební kameny těla a dělí se pouze mitózou. Rodokmen zárodečných buněk se nazývá zárodečná linie. Specifikace zárodečných buněk začíná během štěpení u mnoha zvířat nebo v epiblastu během gastrulace u ptáků a savců. Po transportu, zahrnujícím pasivní pohyby a aktivní migraci, dorazí zárodečné buňky k vyvíjejícím se pohlavním žlázám. U lidí začíná pohlavní diferenciace přibližně 6 týdnů po početí. Konečnými produkty zárodečného buněčného cyklu jsou vajíčko nebo spermie.
Za zvláštních podmínek mohou zárodečné buňky in vitro získat vlastnosti podobné vlastnostem embryonálních kmenových buněk (ES). Základní mechanismus této změny není dosud znám. Tyto změněné buňky se pak nazývají embryonální zárodečné buňky (EG). Jak EG, tak ES jsou pluripotentní in vitro, ale pouze ES prokázalo pluripotenci in vivo. Nedávné studie prokázaly, že je možné dát vzniknout prvotním zárodečným buňkám z ES.
Existují dva mechanismy, jak stanovit linii zárodečných buněk v zárodečných buňkách embrya. První způsob se nazývá preformistický a spočívá v tom, že buňky určené k tomu, aby se staly zárodečnými buňkami, zdědí specifické determinanty zárodečných buněk přítomné v zárodečné plazmě (specifické oblasti cytoplazmy) vajíčka (vajíčka). Oplodněné vajíčko většiny zvířat je asymetrické: různé oblasti cytoplazmy obsahují různá množství mRNA a bílkovin. Tímto způsobem jsou zárodečné buňky získané prvním dělením oplodněného vajíčka charakterizovány specifickými molekulami určité oblasti vajíčkové cytoplazmy. Druhý způsob se nachází u ptáků a savců, kde zárodečné buňky nejsou specifikovány takovými determinanty, ale signály řízenými zygotickými geny. U savců je několik buněk raného embrya indukováno signály sousedních buněk, aby se staly prvotními zárodečnými buňkami. Savčí vajíčka jsou poněkud symetrická a po prvním dělení oplodněného vajíčka jsou všechny vyprodukované buňky totipotentní. To znamená, že se mohou diferencovat v jakémkoli typu buněk v těle a tedy zárodečných buněk. Specifikace prvotních zárodečných buněk u laboratorní myši je iniciována vysokou úrovní signalizace kostního morfogenetického proteinu (BMP), která aktivuje expresi transkripčních faktorů Blimp-1/Prdm1 a Prdm14.
Primordiální zárodečné buňky, zárodečné buňky, které se ještě musí dostat do pohlavních žláz, známé také jako PGC, prekurzorové zárodečné buňky nebo gonocyty, se na své migrační cestě střevem a do vyvíjejících se pohlavních žláz dělí opakovaně.
V modelovém organismu Drosophila se pólové buňky pasivně přesouvají ze zadního konce embrya do zadního středního střeva, protože se do nich dostává blastoderm. Poté se aktivně přesouvají střevem do mezodermu. Endodermální buňky se diferencují a společně s Wunenovými proteiny vyvolávají migraci střevem. Wunenovy proteiny jsou chemorepellenty, které vedou zárodečné buňky pryč od endodermu a do mezodermu. Po rozdělení na dvě populace pokračují zárodečné buňky v migraci laterálně a paralelně, dokud nedosáhnou pohlavních žláz. Kolumbovy proteiny, chemoattraktanty, stimulují migraci v gonadálním mezodermu.
Ve vajíčku Xenopus se determinanty zárodečných buněk nacházejí ve většině rostlinných blastomer. Tyto předpokládané PGC jsou přeneseny do endodermu blastokola gastrulací. Po dokončení gastrulace jsou určeny jako zárodečné buňky. Poté dochází k migraci ze zadního střeva podél střeva a přes hřbetní mezenterii. Zárodečné buňky se rozdělí na dvě populace a přesunou se na párové gonadální hřebeny. Migrace začíná u 3-4 buněk, které podstoupí tři kola dělení buněk tak, aby do gonád dorazilo asi 30 PGC. Na migrační cestě PGC hraje důležitou roli orientace podkladových buněk a jejich vylučovaných molekul, jako je fibronektin.
Savci mají migrační cestu srovnatelnou s Xenopem. Migrace začíná s 50 gonocyty a kolem 5000 PGC dorazí do gonád. Proliferace nastává také během migrace a u lidí trvá 3-4 týdny.
PGC pocházejí z epiblastu a následně migrují do mezodermu, endodermu a zadní části žloutkového váčku. Migrace pak probíhá od zadního střeva podél střeva a přes hřbetní okruží až k gonádám (u lidí 4,5 týdne). Fibronectin zde také mapuje polarizovanou síť společně s dalšími molekulami. Somatické buňky na cestě zárodečných buněk jim poskytují atraktivní, odpudivé a signály o přežití. Zárodečné buňky si ale také navzájem vysílají signály.
U plazů a ptáků používají zárodečné buňky jinou cestu. PGCs pocházejí z epiblastu a přesouvají se do hypoblastu, kde tvoří zárodečný půlměsíc (přední mimoembryonální struktura). Gonocyty se pak vmáčknou do krevních cév a používají oběhový systém k transportu. Vytlačují se z cév, když jsou ve výšce gonadálních hřebenů. Buněčná adheze na endotelu krevních cév a molekuly, jako jsou chemoattraktanty, se pravděpodobně podílejí na pomoci PGCs migrovat.
Pohlaví určující oblast Y (Sry) genu
Pohlaví savčího jedince je určeno genem Sry na chromozomu Y. Ten indukuje vývoj somatických buněk gonádového hřebene ve varle. Sry je exprimován v malé skupině somatických buněk vyvíjející se gonády a ovlivňuje tyto buňky, aby se staly Sertoliho buňkami (podpůrnými buňkami ve varlatech). Sertoliho buňky jsou v mnoha ohledech zodpovědné za pohlavní vývoj podél mužské dráhy. Jeden z těchto způsobů zahrnuje stimulaci přicházejících prvotních buněk, aby se diferencovaly ve spermie. V nepřítomnosti genu Sry se prvotní zárodečné buňky diferencují ve vajíčka. Odstranění pohlavních hřebenů předtím, než se začaly vyvíjet ve varlata nebo vaječníky, vede k vývoji samice, nezávisle na neseném pohlavním chromozomu.
Gametogeneze, vývoj diploidních zárodečných buněk buď do haploidních vajíček nebo spermií, (respektive oogeneze a spermatogeneze) je u každého druhu jiný, ale obecná stádia jsou podobná. Oogeneze a spermatogeneze mají mnoho společných rysů, oba zahrnují:
Po migraci se z prvotních zárodečných buněk stanou oogonie v tvořící se gonádě (vaječníku). oogonie se extenzivně množí mitotickým dělením, u lidí až na 5-7 milionů buněk. Pak ale mnoho z těchto oogonií odumírá a asi 50 000 jich zůstává. Tyto buňky se diferencují do primárních oocytů. V 11.-12. týdnu po pohlavním styku začíná první meiotické dělení (u většiny savců před narozením) a v profáze I zůstává zastaveno od několika dnů až po mnoho let v závislosti na druhu. Právě v tomto období nebo v některých případech na začátku pohlavní zralosti primární oocyty vylučují proteiny za vzniku srsti zvané zona pellucida a produkují také kortikální granule obsahující enzymy a proteiny potřebné pro oplodnění. Meióza stojí stranou kvůli buňkám folikulární granulózy, které vysílají inhibiční signály přes mezerové spoje a zona pellucida. Sexuální zrání je počátkem periodické ovulace. Ovulace je pravidelným uvolňováním jednoho oocytu z vaječníku do reprodukčního traktu a předchází mu růst folikulů. K růstu je stimulováno několik málo buněk folikulu, ovulován je však pouze jeden oocyt. Prvotní folikul se skládá z epiteliální vrstvy buněk folikulární granulózy uzavírající oocyt. Hypofýza vylučuje folikuly stimulující hormony (FSH), které stimulují růst folikulů a zrání oocytů. Tekální buňky kolem každého folikulu vylučují estrogen. Tento hormon stimuluje produkci FSH receptorů na buňkách folikulární granulózy a zároveň má negativní zpětnou vazbu na sekreci FSH. To má za následek soutěž mezi folikuly a přežívá a ovuluje pouze folikul s největším počtem FSH receptorů. Meiotické dělení I probíhá v ovulovaném oocytu stimulovaném luteinizačními hormony (LH) produkovanými hypofýzou. FSH a LH blokují mezerové spoje mezi buňkami folikulu a oocytem, a tím inhibují komunikaci mezi nimi. Většina buněk folikulární granulózy se drží kolem oocytu, a tak tvoří kupovitou vrstvu. Velké oocyty nepocházející ze savců akumulují vaječný žloutek, glykogen, lipidy, ribozomy a mRNA potřebnou pro syntézu bílkovin během časného embryonálního růstu. Tyto intenzivní RNA biosyntézy se zrcadlí ve struktuře chromozomů, které se dekontaminují a vytvářejí boční smyčky, které jim dávají vzhled lampového kartáčku (viz Lampbrush chromozom). Zrání oocytů je následující fází vývoje oocytů. Dochází k němu v pohlavní zralosti, kdy hormony stimulují oocyt k dokončení meiotického dělení I. Meiotické dělení I vytváří 2 buňky lišící se velikostí: malé polární tělo a velký sekundární oocyt. Sekundární oocyt prochází meiotickým dělením II a výsledkem je vznik druhého malého polárního těla a velkého zralého vajíčka, přičemž obě jsou haploidní buňky. Polární těla degenerují. Zrání oocytů je u většiny obratlovců v metafázi II. Během ovulace zastavený sekundární oocyt opustí vaječník a rychle zraje do vajíčka připraveného k oplodnění. Hnojení způsobí, že vajíčko dokončí meiózu II. U lidských samic dochází k proliferaci oogonie v plodu, meióza začíná pak před narozením a je u meiotického dělení I. až 50 let, ovulace začíná v pubertě.
Savčí spermatogeneze je reprezentativní pro většinu zvířat. U lidských samců začíná spermatogeneze v pubertě v semenotvorných tubulech ve varlatech a pokračuje kontinuálně. Spermatogonie jsou nezralé zárodečné buňky. Množí se kontinuálně mitotickým dělením kolem vnějšího okraje semenotvorných tubulů, vedle bazální laminy. Některé z těchto buněk zastavují proliferaci a diferencují se na primární spermatocyty. Poté, co projdou prvním meiotickým dělením, vznikají dva sekundární spermatocyty. Dva sekundární spermatocyty procházejí druhým meiotickým dělením a vytvářejí čtyři haploidní spermie. Tyto spermie se morfologicky diferencují na spermie jadernou kondenzací, vymrštěním cytoplazmy a vznikem akrofómu a flagellu.
Vyvíjející se mužské zárodečné buňky během spermatogeneze cytokinezi nedokončí. Následně cytoplazmatické můstky zajišťují spojení mezi klony diferencujících se dceřiných buněk za vzniku syncytia. Tímto způsobem jsou haploidní buňky zásobovány všemi produkty kompletního diploidního genomu. Spermie, které nesou například chromozom Y, jsou zásobovány esenciálními molekulami, které jsou kódovány geny na chromozomu X.
Nádor ze zárodečných buněk je vzácné nádorové onemocnění, které může postihnout lidi ve všech věkových kategoriích. 2,4 dítěte z 1 milionu trpí tímto onemocněním a u dětí a dospívajících mladších 20 let představuje 4% všech nádorových onemocnění.
Nádory ze zárodečných buněk jsou obvykle umístěny v pohlavních žlázách, ale mohou se objevit také v břiše, pánvi, mezihrudí nebo mozku. Zárodečné buňky migrující do pohlavních žláz nemusí dosáhnout zamýšleného cíle a nádor může růst všude tam, kde skončí, ale přesná příčina je stále neznámá. Tyto nádory mohou být benigní nebo maligní.
Indukovaná diferenciace z kmenových buněk
Kultivace lidských embryonálních kmenových buněk v mitoticky inaktivovaných prasečích ovariálních fibroblastech (POF) způsobuje diferenciaci na zárodečné buňky, o čemž svědčí analýza genové exprese.