Клетки-родоначальницы половых клеток, или примордиальные половые клетки часто обособляются на самых ранних этапах эмбрионального развития.
Например у животных, входящих в состав группы типов Ecdysozoa, различия между клетками полового пути и соматическими клетками обычно обнаруживаются уже в ходе первых делений оплодотворенного яйца.
У некоторых животных в ходе делений дробления в соматических клетках происходит отбрасывание части материала хромосом, или диминуция хроматина (от лат. diminuo — расщеплять). Это явление впервые наблюдал Т. Бовери у нематоды Ascaris megalocephala (1887) Уже в самом начале развития, когда зародыш находится на стадии двух бластомеров, хромосомы одного из них фрагментируются, и концевые их части отбрасываются. Как показал дальнейший анализ, из бластомера, где произошла диминуция, возникают соматические клетки. При следующем делении бластомера с неповрежденными хромосомами вновь обнаруживается диминуция хроматина в одном из его потомков. И в этом случае клетка с неполными хромосомами дает начало лишь соматическим тканям. Диминуция повторяется еще в двух клеточных генерациях, после чего возникает клетка-родоначальница клона половых клеток, которые отличаются от соматических набором полноценных хромосом. Учитывая сказанное, можно предположить, что информация, содержащаяся в отбрасываемых частях хромосом, важна исключительно для гаметогенеза, но не затрагивает дифференциации и функционирования клеток сомы. Аналогичные данные были получены и в отношении некоторых других аскарид. Диминуция хроматина описана также у плавунца Dytiscus, а среди позвоночных у некоторых миксин.
У нематоды Caenorhabditis elegans диминуции хроматина не происходит. Тем не менее обособление клеток половой линии прослеживается начиная с первого деления дробления. В яйце С. elegans имеются полярные, или Р-гранулы, которые содержат специфический антиген и поэтому легко выявляются иммуноцитохимически. Перед началом дробления Р-гранулы, которые до оплодотворения равномерно распределены по ооциту, концентрируются на одном полюсе яйца, маркируя будущий задний конец зародыша. В ходе первых делений дробления Р-гранулы последовательно сегрегируются в примордиальных половых клетках и в конце концов попадают в клетки-предшественницы первичных половых клеток. Прямое участие этих гранул в дифференциации половых клеток не доказано. Установлено, однако, что все выявленные к настоящему времени белки Р-гранул обладают способностью связывать РНК. В связи с этим высказывается предположение, что материал Р-гранул влияет на регуляцию метаболизма иРНК в цитоплазме клеток половой линии, который имеет иной характер по сравнению с соматическими клетками. Оказалось, что у С. elegans бластомеры половой линии в отличие от бластомеров, дающих соматические зачатки, не синтезируют иРНК вплоть до стоклеточной стадии, когда обособляются две первичные половые клетки Z2 и Z3. Подавление экспрессии генов в клетках половой линии объясняется действием материнских факторов, в том числе действием белка PIE-1. Действительно, при мутации материнского гена pie-1 у зародышей вместо бластомера половой линии Р3 после третьего деления дробления образуется соматическая клетка.
Нечто подобное описано у ракообразных. Например, у некоторых копепод в период дробления при митотических делениях происходит асимметричное распределение особых телец, эктосом, которые маркируют клетки половой линии вплоть до образования первичных половых клеток.
У многих насекомых в процессе гаметогенеза ооцит дифференцируется таким образом, что цитоплазма той области яйца, где впоследствии возникнут задние структуры зародыша приобретает свойства, предопределяющие формирование первичных половых клеток. Эту цитоплазму называют полярной плазмой. Например, у некоторых галлиц в период дробления в ядрах будущих соматических клеток происходит элиминация большинства хромосом. В линии половых клеток элиминация предотвращается специфическими факторами, сосредоточенными в полярной плазме задней области ооцита.
Полярная плазма ооцита насекомых играет роль в первичном программировании пути развития (спецификации) первичных половых клеток и в тех случаях, когда хромосомы не элиминируются. Уже в начале XX столетия было известно, что разрушение задней области яйца приводит к дефектам развития половых клеток и стерильности насекомых. Наиболее подробно формирование клеток полового пути было изучено у дрозофилы. Оказалось, что полярная плазма ооцитов дрозофилы содержит особые, выявляемые с помощью электронного микроскопа, состоящие из РНК и белка гранулы, которых нет в других областях яйца. Ультрафиолетовое облучение задней области яйца вызывает стерилизацию животных. Однако инъекция полярной плазмы из необлученного яйца в облученное восстанавливает способность зародыша формировать нормальные половые клетки. Доказательство того, что в полярной плазме яйца дрозофилы локализованы факторы, необходимые для дифференциации половых клеток, вытекает из экспериментов по трансплантации полярной плазмы (Ilmensee, Mahowald, 1974).
К. Ильменей и А. Маховолд инъецировали полярную плазму яйца дрозофилы дикого типа в переднюю область яйца генетически маркированной формы В, имеющей мутации multiple wing hair и ebony (mwh, e). В этом случае закладка половых клеток под влиянием полярной плазмы происходила не только в задней области, как обычно, но и в передней области зародыша. Для того чтобы эти половые клетки попали в гонады и превратились в зрелые гаметы, их пересаживали из передней в заднюю область зародышей генетической формы С (например, yellow или white). Часть прооперированных зародышей завершила развитие и дала фертильных животных, гаметы которых имели не только ожидаемый генотип С, но и генотип В. Таким образом, эти опыты отчетливо показали, что полярная плазма яйца дрозофилы формы А инициировала образование половых клеток на переднем конце яйца дрозофилы формы В.
Участие полярной плазмы в детерминации половых клеток дрозофилы подтверждается и данными анализа ряда мутаций, при которых образуется стерильное потомство. Так, у гомозиготных мутантных самок grandchildless, скрещенных с нормальными самцами, потомство стерильное. У этих мутантов ядра дробления не мигрируют в заднюю область яйца, в результате чего формирование половых клеток становится невозможным. При мутации agametic наблюдается быстрый распад гранул полярной плазмы и резкое уменьшение числа половых клеток.
Состав полярной плазмы ооцита дрозофилы довольно сложен. Он отличается большим количеством митохондрий, фибрилл и гранул. Важными составными элементами полярной плазмы служат белки GCL (Germ cell-less), Oskar, Nanos и Vasa, митохондриальная РНК. Непосредственное участие в спецификации половых клеток дрозофилы принимает белок GCL. Соответствующая иРНК синтезируется под контролем гена gel в период гаметогенеза в цистоцитах, транспортируется в ооцит и концентрируется в его задней области. Транспортировка иРНКgcl, иPHKoskar, а также белка Staufen в заднюю область ооцита блокируется при мутации генов cappuccino и spire. Синтез белка GCL происходит вскоре после оплодотворения. В спецификации половых клеток каким-то образом участвует и белок Oskar. Ro всяком случае, эктопическая инъекция иPHKoskar вызывает появление половых клеток в несвойственных для них местах.
Интригующие данные были получены японскими исследователями С. Кобаяши и М. Окада (1989), которые установили, что компонентом полярной плазмы дрозофилы является также рибосомальная РНК митохондрий (мтрРНК), которая входит в состав полярных гранул. Если зародышам после ультрафиолетового облучения в дозах, подавляющих гаметогенез, инъецировать мтрРНК, то формирование половых клеток восстанавливается. В составе полярных гранул дрозофилы и других животных сравнительно недавно обнаружены модуляторы трансляции — микроРНК (miRNA; Ambros, 2001). Таким образом, возможно, полярные гранулы участвуют в образовании микроРНК или же способствуют их объединению с иРНК, трансляция которых контролируется.
Характерной морфологической особенностью первичных половых клеток многих животных является наличие так называемых перинуклеарных телец. Они описаны у кишечнополостных, нематод, полихет, щетинкочелюстных, асцидий, ланцетника, практически у всех позвоночных. Функции этих образований в настоящее время не известны. В большинстве случаев они, скорее, могут служить лишь маркерами клеток половой линии. В отношении некоторых животных имеются лишь косвенные свидетельства возможной роли цитоплазматических факторов в спецификации клеток половой линии. Например, у бесхвостых амфибий ультрафиолетовое облучение вегетативной области яйца, где сосредоточены половые гранулы, ведет к развитию стерильного животного.
Раннее обособление клеток половой линии не является универсальным правилом. Часто линия половых клеток возникает на сравнительно поздних стадиях дробления или даже в период гаструляции. Первичные половые клетки на стадии дробления были выявлены среди позвоночных лишь у бесхвостых амфибий, у которых они образуются в тесной связи с энтодермой. ППК у хвостатых амфибий, как полагают, возникают в период гаструляции благодаря индуцирующим воздействиям энтодермы, т. е. эпигенегически. Эпигенетический характер формирования ППК описан и у млекопитающих. У мыши возникновение половых клеток, которые маркируются высоким содержанием щелочной фосфатазы (Everett, 1945), обнаружено на стадии 6,5 суток после спаривания. ППК появляются в эпибласте задней области зародыша в результате индуцирующего действия факторов BMP.
У зародыша человека ППК возникают на стадии 16 сомитов. При некоторых экспериментальных условиях ППК можно получить и из зачатка нейроэктодермы, из которого при нормальном развитии они никогда не образуются. По-видимому, у млекопитающих спецификация ППК также осуществляется в результате индуцирующих влияний факторов внутренней среды.
Первичные половые клетки обычно обладают амебоидной подвижностью. Благодаря этому ППК мигрируют от места своего возникновения до зачатка гонады, который они заселяют. Миграция половых клеток обычно носит активный характер. Продолжая митотически делиться, первичные половые клетки преодолевают значительные расстояния, выбирая направление движения на основе контактного ориентирования. Например, у млекопитающих ППК перемещаются в период миграции от основания аллантоиса по дорсальному мезентерию в область половых гребней и, заселяя их, способствуют образованию гонад. В период миграции ППК активно делятся, благодаря чему численность популяции ППК возрастает примерно от ста клеток до пяти тысяч.
У амфибий ППК, которые образуются в энтодерме (Anura) или в мезодерме (Urodela), движутся в область половых валиков по внеклеточному матриксу мезентерия. Направление их миграции предопределяется предварительной разметкой пути движения, который устанавливается благодаря ориентированному расположению нитей фибронектина. Действительно, обработка мезентерия антителами против фибронектина препятствует миграции ППК.
У рептилий и птиц ППК, возникающие из клеток эпибласта, мигрируют в гипобласт на переднем крае area pellucida и образуют здесь скопление в виде полумесяца. Из этой области ППК пассивно перемещаются в составе гипобласта в переднем направлении, а акт ем по кровеносным сосудам зародыша с током крови к зачатку половой железы. В области зачатка гонад наблюдается активное выселение ППК из кровеносных сосудов — диапедез. Причину этого локализованного выселения связывают с особыми свойствами эндотелия кровеносных сосудов в области зачатка половой железы или же с хемотаксическим действием каких-то факторов, вырабатываемых в этом зачатке.