Тази публикация в блога разглежда как клетките в ранния ембрионален стадий избират различна съдба въз основа на взаимодействията между ключови фактори като OCT4 и CDX2, както и разликите в разпределението на веществата, определящи биполярността.
Безбройните клетки в телата ни произхождат от зиготата, единична клетка, образувана чрез оплождане на сперматозоид и яйцеклетка, чрез многократно клетъчно делене. При бозайниците, по време на ранния стадий на бластоциста, образуван чрез клетъчно делене на зиготата, трофоектодермалните клетки, които по-късно стават част от плацентата, се отделят от вътрешната клетъчна маса (ВКМ), която обграждат. Тази ВКМ притежава плурипотентност, способността да се диференцира във всички клетъчни типове на плода. И така, как се образува тази вътрешна клетъчна маса?
Зиготата претърпява приблизително три кръга на клетъчно делене, за да достигне 8-клетъчен стадий, състоящ се от осем сферични клетки. След това тя претърпява процес на уплътняване, съпроводен с морфологични промени, превръщайки се в 8-клетъчна морула. В следващия етап 8-клетъчната бластула се превръща в 16-клетъчна бластула чрез митотично и диференциално делене. Митотичното делене се отнася до деленето, при което двете получени клетки са идентични, докато диференциалното делене се отнася до деленето, при което двете получени клетки стават различни. Някои клетки от 8-клетъчната бластоциста се превръщат в клетки, образуващи външния слой на 16-клетъчната бластоциста чрез консервативно делене. Останалите клетки претърпяват диференциационно делене, разделяйки се на една клетка за външния слой и една клетка за вътрешния слой, запълвайки вътрешността. По този начин 16-клетъчната бластоциста първо придобива форма, отличаваща се с клетки от външния слой и вътрешни клетки.
Междувременно, този модел на двойно клетъчно делене се повтаря в рамките на 16-клетъчната бластоциста, което води до образуването на 32-клетъчна бластоциста. На този етап клетките на външния слой се диференцират в трофоектодермални клетки, които по-късно ще формират ранната бластоциста, докато вътрешните клетки се диференцират в клетките, които ще съставляват вътрешната клетъчна маса. Ключовият въпрос тук е как клетките се диференцират в различни клетъчни типове на етапите на 16-клетъчна и 32-клетъчна бластоциста.
Предложени са две основни хипотези. Първата, „вътрешно-външната хипотеза“, обяснява, че една клетка се диференцира по различни начини въз основа на степента на контакт със съседните клетки и разликите в излагането на външната среда. Тоест, клетките дълбоко в бластоцистата имат по-голям контакт със съседните клетки, отколкото повърхностните клетки, и не са директно изложени на външната среда. Смята се, че тази разлика кара дълбоките и повърхностните клетки да се диференцират в различни клетъчни типове.
Откритието, че специфични вещества се разпределят асиметрично в клетките по време на процеса на компактиране на етапа на 8-клетъчната бластоциста, доведе до предложението за нова „биполярна хипотеза“. Веществата, първоначално разпределени равномерно в клетките, се преразпределят към външните или вътрешните области след компактирането. Следователно, всяка клетка в 8-клетъчната бластоциста придобива биполярна структура. Тези вещества се наричат „биполярни определящи вещества“ и ядрото на биполярната хипотеза е, че клетките се диференцират в различни типове въз основа на модела на разпределение на тези вещества. Според тази хипотеза, когато клетките в 8-клетъчната бластоциста претърпяват митотично делене, повърхностните клетки запазват разпределението на поляризиращия материал, което са притежавали преди деленето. Новообразуваните вътрешни клетки обаче нямат поляризиращия материал, който първоначално е бил концентриран от външната страна. Тази разлика между повърхностните и вътрешните клетки се обяснява като причина, водеща до тяхната диференциация в различни клетъчни типове.
Учените се фокусираха върху OCT4, участващ в поддържането на плурипотентност, и CDX2, участващ във формирането на невралния гребен, по време на процеса на диференциация на външните и вътрешните клетки на бластоциста. В бластоцистата на 8-клетъчен стадий, OCT4 е равномерно разпределен във всички клетки, но CDX2 не е. Това е така, защото част от биполярния кристален материал съществува само във външните области на клетките, концентрирайки CDX2 към външната страна. Впоследствие, до 16-клетъчния стадий, OCT4 постепенно изчезва от външните клетки, докато остатъчният CDX2 във вътрешните клетки постепенно изчезва. Това се случва, защото CDX2 потиска експресията на OCT4 във външните клетки, а OCT4 потиска експресията на CDX2 във вътрешните клетки.
Междувременно, сигналният път „Hippo“, който потиска функцията на веществата, насърчаващи експресията на CDX2, също е изследван като ключов феномен, свързан с този процес. Според този механизъм, Hippo сигнализацията, присъстваща във всички клетки на 16-клетъчния ембрион, се активира, когато контактната площ с околните клетки се увеличи, като по този начин намалява нивата на CDX2. Тези открития показват, че взаимодействието между CDX2 и OCT4 е ключов фактор, определящ различните съдби на двете клетки, генерирани от диференциацията и деленето. Последните проучвания разкриха, че този сложен механизъм е органично свързан и с разликите във вътреклетъчните механични сили, епигенетичната регулация и сигнализацията за фосфорилиране на протеини. Това потвърждава, че процесът на определяне на клетъчната съдба по време на ранното ембрионално развитие е продукт на високо сложни взаимодействия.
