Hvernig myndast kynfrumur?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig myndast kynfrumur?
Upphaflega spurningin var eftirfarandi:

Hvernig skapar líkami okkar sáðfrumur?

Kynfrumur þroskast í kynkirtlum frá upphafi kynþroska og halda áfram að þroskast fram að tíðahvörfum hjá konum en nokkurn veginn út ævina hjá körlum. Tilurð kynfruma má þó rekja allt til fyrstu vikna fósturþroska rétt eftir hreiðrun fósturvísis í legi móður. Þá skynja örfáar frumur í fóstrinu boð um að sérhæfast í svokallaðar frumkímfrumur. Frumkímfrumur eru forverar þeirra fruma sem síðar verða kynfrumur, það er egg- og sæðisfrumur. Líkaminn getur ekki framleitt frumkímfrumur út frá öðrum líkamsfrumum síðar í þroska eða á fullorðinsárum og því er mikilvægt að sérhæfing frumkímfruma eigi sér stað á hárréttum tíma í fósturþroska. Gerist það ekki þroskast frumurnar sem annars hefðu orðið frumkímfrumur yfir í aðrar starfsfrumur líkamans og einstaklingurinn verður því ófrjór.

Tilurð frumkímfruma og þroskun þeirra

Fóstrið er að mörgu leyti fremur frumstætt þegar frumkímfrumurnar sérhæfast og formþroskun þess rétt að hefjast. Rétt eftir sérhæfingu ferðast frumurnar yfir í þvagbelg og bíða, en á þriðju viku eftir frjóvgun taka þær að skríða áfram og ferðast í átt að kynkömbum sem þá eru í myndun. Kynkambarnir eru forstigið að kynkirtlum og þroskast síðar í eggjastokka og eistu. Það er svolítið merkilegt að frumkímfrumurnar verði ekki til í kynkömbunum, heldur löngu fyrir tilurð þeirra og þurfi að leita þá uppi til þess að halda áfram að þroskast eðlilega í kynfrumur. Ef þær villast af leið og finna ekki kambana deyja þær venjulega, en þó gerist það einstaka sinnum að frumkímfrumurnar fjölgi sér utan kynkirtla og verða að svokölluðu furðuæxli: Góðkynja æxli sem inniheldur frumur sem samsvara öllum kímlögunum þremur, það er innlagi, útlagi og miðlagi.

Í kynkömbunum fjölga frumkímfrumurnar sér fyrst töluvert og er þá enginn munur á kynkömbum og frumkímfrumum kven- og karlkynsfóstra. Upp úr sjöttu viku hefst undirbúningur kynfrumuþroska. Frumkímfrumurnar og frumur kynkambsins senda boð sín á milli, kynkambar kvenfósturs taka að þroskast í eggjastokka og örva frumkímfrumur til eggfrumuþroska en kynkambar karlfósturs þroskast í eistu og örva þroska frumkímfruma í sæðisfrumur. Það er því ekki frumufræðilegt kyn frumkímfrumanna heldur frumanna í kynkambi sem stjórnar því hvort af stað fari eggfrumu- eða sæðisfrumuþroski. Þetta ferli er upphaf kynákvörðunar fósturvísis og felur í sér myndun bæði kynfruma og kynkirtla en einnig annarra líkamseinkenna sem einkenna annaðhvort karla eða konur.

Í karlkynskynkambi fara frumur kambsins að tjá genið SRY. Við það sérhæfast þær í svonefndar Sertoli-frumur, sem eru stoðfrumur í kynkambinum sem örva umbreytingu kynkambs í eista fremur en eggjastokk og örva sérhæfingu frumkímfrumanna í sæðisfrumur fremur en eggfrumur. Þær hvetja líka til sérhæfingar Leydig-fruma sem framleiða testósterón sem síðan virkar hvetjandi á myndun karlkynfæra. Á fjórða mánuði fósturþroska hafa Sertoli-, Leydig- og frumkímfrumurnar raðað sér upp í sáðpíplur í eistanu. Þær bíða nú í eistanu og frumkímfrumurnar skipta sér ekki eða sérhæfast frekar fram að kynþroska.

Í kvenkynsfóstri verður hliðstæð atburðarás, þar sem stoðfrumur kynkambsins tjá genið WNT4 og við það þroskast þær í eggbúsfrumur sem örva frumkímfrumurnar til þess að verða að eggfrumum. Á sama tíma hvetur estrógen til myndunar kvenkynfæra. Eggbúsfrumur ásamt frumkímfrumum sem nú kallast eggstofnfrumur raða sér upp í frumeggbú á þriðja til fjórða mánuði fósturþroska, þar sem eggbúsfrumurnar umlykja eggstofnfrumurnar. Ólíkt frumkímfrumum í karkynskynkirtli sem hefja ekki rýriskiptingu (meiósu) fyrr en við kynþroska, fara eggstofnfrumur í gegnum fyrsta stig rýriskiptingu strax á fósturskeiði og kallast eftir það foreggfrumur. Þær bíða síðan fram að kynþroska áður en rýriskiptingin heldur áfram. Eftir kynþroska fer aðeins örsmár hluti foreggfrumanna áfram í þroska í hverjum tíðahring og halda áfram rýriskiptingunni. Þannig geta foreggfrumur beðið á fyrstu stigum rýriskiptingar í meira en fjörutíu ár, eða allt frá þriðja til sjöunda mánuði meðgöngu og fram að tíðahvörfum.

Kynfrumumyndun

Við kynþroska drengja hefst eiginleg sæðisfrumumyndun, sem er ferlið þar sem sáðstofnfrumur þroskast yfir í sæðisfrumur. Rétt fyrir kynþroska fjölga frumkímfrumur sér með jafnskiptingu (mítósu) og þroskast í sáðstofnfrumur. Eftir það þroskast hluti sáðstofnfrumanna með reglulegu millibili í forsáðfrumur sem hefja rýriskiptingu. Hver tvílitna forsáðfruma tvöfaldar erfðaefni sitt og skiptir sér að lokum tvisvar og gefur af sér fjórar einlitna forsæðisfrumur. Það eru svo forsæðisfrumurnar sem fara í gegnum sæðisfrumuþroska. Hann felur í sér umbreytingu úr nokkurn veginn kúlulaga frumu yfir í sæðisfrumu með haus, háls og hala. Hausinn inniheldur lítinn kjarna þar sem erfðaefninu er pakkað mjög þétt saman í litni og fremst á hausnum er endahetta sem sæðisfruman nýtir til að bora sér inn í eggfrumu við frjóvgun. Hálsinn inniheldur mikinn fjölda hvatbera sem framkalla orku þegar sæðisfruman syndir, en halinn er sérhæfð frumusvipa sem knýr sæðisfrumurnar áfram. Sæðisfrumuþroskun tekur um tvo og hálfan mánuð og að meðaltali klára um 300 milljón sæðisfrumur þroskaferlið á dag.

Á svipaðan hátt hefst eggmyndun við kynþroska stúlkna, þar sem 8-12 frumeggbú fara af stað í áframhaldandi þroska í hverjum tíðahring og verða fyrst að síðeggbúum og síðan að lokaeggbúum. Aðeins eitt eggbú nær þó fullum þroska í hverjum mánuði og losar egg við egglos, en hin eggbúin hrörna og verða að skorpinbúum. Á miðjum tíðahring gefur heiladingullinn frá sér háan púls af gulbúsörvandi hormóni, sem veldur því að fyrri hluta rýriskiptingar eggfumunnar lýkur með myndun tveggja dótturfruma. Önnur dótturfruman myndar þó aðeins skautfrumu, sem er kjarni án umfrymis, en hin dótturfruman myndar síðeggfrumu sem hefur síðari hluta rýriskiptingu sem stöðvar nokkrum klukkustundum fyrir egglos og klárast ekki fyrr en eggið er frjóvgað.

Myndun kynfruma úr stofnfrumum í vefjarækt

Ein af byltingum lífvísindanna undanfarin ár er geta okkar til þess að snúa við frumuþroska fullorðinsfruma og gera þær aftur fjölhæfar með svokallaðri iPS-aðferð í vefjarækt. iPS-frumur hafa hæfileikann til þess að mynda allar tegundir líkamsfruma auk kynfruma, svo framarlega sem þeim er beint í rétta átt með þar til gerðum boðefnum og ræktunaraðferðum. Þannig er unnt að sérhæfa fjölda mismunandi fruma í vefjarækt, en það er þó miserfitt. Fyrir stuttu síðan tókst vísindamönnum að framkalla sérhæfingu frumkímfruma manna úr iPS-frumum. Í dag er því mögulegt að taka til dæmis húðfrumur úr manneskju og búa til úr þeim frumkímfrumur með því að snúa fyrst sérhæfingunni við og gera þær að fjölhæfum iPS-frumum, og síðan beina þeim með réttum boðefnum í sérhæfingu frumkímfruma.

Í músum hefur tekist að taka skrefið til fulls og búa til bæði starfhæfar eggfrumur og sæðisfrumur úr iPS-frumum. Þannig voru teknar húðfrumur úr kvenkynsmús og þeim breytt í eggfrumur og þær frjóvgaðar með sæðisfrumum við glasafrjóvgun. Fósturvísunum sem urðu til á þennan hátt var komið fyrir í legi músar til hreiðrunar. Nokkrum vikum síðar fæddust heilbrigðir músarungar sem urðu að heilbrigðum og frjóum fullorðnum músum. Það sama tókst með húðfrumum úr karlkynsmús sem þroskaðar voru yfir í sæðisfrumur í glasi og notaðar í glasafrjóvgun.

Þar sem sérhæfing frumkímfruma í annaðhvort eggfrumur eða sæðisfrumur fer ekki eftir því hvort frumkímfrumurnar innihaldi XX- eða XY-kynlitninga, heldur hvaða kynlitninga stoðfrumur kynkambsins innihalda er því fræðilega hægt að búa til eggfrumur úr húðfrumum karlkynsmúsa og sæðisfrumur úr húðfrumum kvenkynsmúsa. Þannig gætu tvær kvenmýs getið saman af sér afkvæmi sem væri erfðafræðilegur afkomandi beggja, og einnig tvær karlmýs ef þriðja músin ljáir leg sitt til meðgöngu.

Ekki hefur enn tekist að búa til fullþroska kynfrumur úr frumkímfrumum mannfólks í tilraunaglasi, en þó er þess eflaust ekki langt að bíða, þar sem framfarir í frumuræktun mannafruma hafa verið nokkuð samstíga framförum og sérhæfingu músafruma.

Heimildir:

• Eguizabal, C., Montserrat, N., Vassena, R., Barragan, M., Garreta, E., Garcia-Quevedo, L., Vidal, F., Giorgetti, A., Veiga, A., and Izpisua Belmonte, J.C. (2011). Complete meiosis from human induced pluripotent stem cells. Stem Cells 29, 1186–1195.
• Hikabe, O., Hamazaki, N., Nagamatsu, G., Obata, Y., Hirao, Y., Hamada, N., Shimamoto, S., Imamura, T., Nakashima, K., Saitou, M., et al. (2016). Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line. Nature 539, 299–303.
• Irie, N., Weinberger, L., Tang, W.W.C., Kobayashi, T., Viukov, S., Manor, Y.S., Dietmann, S., Hanna, J.H., and Surani, M.A. (2015). SOX17 Is a Critical Specifier of Human Primordial Germ Cell Fate. Cell 160, 253–268.
• Magnúsdóttir, E. (2015). Kímfrumur manna – framfarir í frumurækt og vonir um meðferðarúrræði. Læknablaðið 461–468.
• Sadler, T.W. (2014). Langman’s Medical Embryology (LWW).

Myndir:

• Egg Cell - Wikipedia. Myndrétthafi er Henry Vandyke Carter (1831–1897). (Sótt 09.06.2017).
• Sperm - Wikimedia Commons. Myndrétthafi er Earthdirt. Myndin er birt undir Creative Commons-leyfi, henni lítillega breytt og var texti íslenskaður af ritstjórn Vísindavefsins. (Sótt 09.06.2017).
• Laboratory mouse - Wikipedia. Myndrétthafi er Rama. Myndin er birt undir Creative Commons-leyfi. (Sótt 09.06.2017).

...