Dette blogindlæg dykker ned i, hvordan celler i det tidlige embryonale stadie vælger forskellige skæbner baseret på interaktioner mellem nøglefaktorer som OCT4 og CDX2, samt forskelle i fordelingen af bipolaritetsbestemmende stoffer.
De utallige celler i vores kroppe stammer fra zygoten, en enkelt celle dannet ved befrugtning af sædcelle og æg gennem gentagen celledeling. Hos pattedyr adskiller trofoektodermcellerne – som senere bliver en del af moderkagen – sig fra den indre cellemasse (ICM), de omgiver, i det tidlige blastocyststadium, der dannes ved zygotecelledeling. Denne indre cellemasse besidder pluripotens, evnen til at differentiere til alle celletyper i fosteret. Så hvordan dannes denne indre cellemasse?
Zygoten gennemgår cirka tre runder celledeling for at nå 8-cellestadiet, der består af otte sfæriske celler. Den gennemgår derefter en komprimeringsproces, ledsaget af morfologiske ændringer, og bliver til en 8-cellet morula. I det næste trin bliver 8-celle blastulaen til en 16-celle blastula gennem både mitotisk deling og differentiel deling. Mitotisk deling refererer til den deling, hvor de to resulterende celler er identiske, mens differentiel deling refererer til den deling, hvor de to resulterende celler bliver forskellige. Nogle celler i 8-celle blastocysten bliver til de celler, der danner det ydre lag af 16-celle blastocysten gennem konserveringsdeling. De resterende celler gennemgår differentieringsdeling, hvor de opdeles i én celle til det ydre lag og én celle til det indre, der fylder det indre. Således får 16-celle blastocysten først en form, der adskiller sig fra ydre lagceller og indre celler.
I mellemtiden gentages dette dobbelte celledelingsmønster i den 16-cellede blastocyst, hvilket fører til dannelsen af en 32-cellet blastocyst. På dette stadie differentierer cellerne i det ydre lag til trofoektodermceller, som senere vil danne den tidlige blastocyst, mens de indre celler differentierer til de celler, der vil udgøre den indre cellemasse. Det centrale spørgsmål her er, hvordan celler differentierer til forskellige celletyper i 16-celle- og 32-celle-blastocyststadierne.
To hovedhypoteser er blevet fremsat. For det første forklarer den 'indre-ydre hypotese', at en enkelt celle differentierer på forskellige måder baseret på graden af kontakt med naboceller og forskelle i eksponering for det ydre miljø. Det vil sige, at celler dybt inde i blastocysten har større kontakt med naboceller end overfladeceller og ikke er direkte udsat for det ydre miljø. Denne forskel menes at forårsage, at de dybe celler og overfladeceller differentierer til forskellige celletyper.
Opdagelsen af, at specifikke stoffer bliver asymmetrisk fordelt i cellerne under komprimeringsprocessen i 8-celle blastocyststadiet, førte imidlertid til forslaget om en ny 'bipolar hypotese'. Stoffer, der oprindeligt er jævnt fordelt i cellerne, bliver omfordelt mod de ydre eller indre områder efter komprimering. Følgelig får hver celle i 8-celle blastocysten en bipolar struktur. Disse stoffer kaldes 'bipolare bestemmelsesstoffer', og kernen i den bipolare hypotese er, at celler differentierer til forskellige typer baseret på fordelingsmønsteret for disse stoffer. Ifølge denne hypotese bevarer overfladecellerne, når celler i 8-celle blastocysten gennemgår mitotisk deling, den fordeling af polariserende materiale, de havde før delingen. De nydannede indre celler mangler imidlertid det polariserende materiale, der oprindeligt var koncentreret på ydersiden. Denne forskel mellem overflade- og indre celler forklares som årsagen til deres differentiering til forskellige celletyper.
Forskere fokuserede på OCT4, der er involveret i at opretholde pluripotens, og CDX2, der er involveret i dannelsen af neurale kamre, under differentieringsprocessen af de ydre celler og indre celler i blastocysten. I 8-celle-stadiet af blastocysten er OCT4 jævnt fordelt i alle celler, men det er CDX2 ikke. Dette skyldes, at noget af det bipolære krystallinske materiale kun findes i de ydre områder af cellerne, hvilket koncentrerer CDX2 mod ydersiden. Efterfølgende, i 16-celle-stadiet, forsvinder OCT4 gradvist fra de ydre celler, mens den resterende CDX2 i de indre celler gradvist forsvinder. Dette sker, fordi CDX2 undertrykker OCT4-ekspression i de ydre celler, og OCT4 undertrykker CDX2-ekspression i de indre celler.
I mellemtiden er 'Hippo'-signalvejen, som undertrykker funktionen af stoffer, der fremmer CDX2-ekspression, også blevet undersøgt som et afgørende fænomen relateret til denne proces. Ifølge denne mekanisme aktiveres Hippo-signalering, som er til stede i alle celler i 16-celle-embryoet, når kontaktarealet med omgivende celler øges, hvorved CDX2-niveauerne reduceres. Disse fund viser, at interaktionen mellem CDX2 og OCT4 er en nøglefaktor, der bestemmer de divergerende skæbner for de to celler, der genereres ved differentiering og deling. Nylige undersøgelser har vist, at denne komplekse mekanisme også er organisk forbundet med forskelle i intracellulære mekaniske kræfter, epigenetisk regulering og proteinfosforyleringssignalering. Dette bekræfter, at processen med cellebestemmelse under tidlig embryonal udvikling er et produkt af meget sofistikerede interaktioner.
