प्रारंभिक भ्रूण में कोशिकाएं विशिष्ट तंत्रों के माध्यम से अलग-अलग भाग्य कैसे प्राप्त करती हैं?

यह ब्लॉग पोस्ट इस बात पर प्रकाश डालती है कि प्रारंभिक भ्रूण अवस्था में कोशिकाएं OCT4 और CDX2 जैसे प्रमुख कारकों के बीच परस्पर क्रिया के आधार पर अलग-अलग भाग्य का चयन कैसे करती हैं, साथ ही द्विध्रुवीयता-निर्धारण पदार्थों के वितरण में अंतर भी बताती है।

हमारे शरीर की असंख्य कोशिकाएँ युग्मनज से उत्पन्न होती हैं, जो शुक्राणु और अंडाणु के निषेचन से बार-बार कोशिका विभाजन द्वारा निर्मित एक एकल कोशिका है। स्तनधारियों में, युग्मनज कोशिका विभाजन से निर्मित प्रारंभिक ब्लास्टोसिस्ट अवस्था के दौरान, ट्रॉफोएक्टोडर्म कोशिकाएँ—जो बाद में गर्भनाल का हिस्सा बनती हैं—अपने चारों ओर मौजूद आंतरिक कोशिका समूह (आईसीएम) से अलग हो जाती हैं। इस आईसीएम में बहुक्षमता होती है, यानी भ्रूण की सभी प्रकार की कोशिकाओं में विभेदित होने की क्षमता। तो, यह आंतरिक कोशिका समूह कैसे बनता है?
युग्मनज लगभग तीन बार कोशिका विभाजन से गुजरता है और आठ गोलाकार कोशिकाओं से युक्त आठ-कोशिका अवस्था तक पहुँचता है। इसके बाद, इसमें संकुचन की प्रक्रिया होती है, जिसके साथ-साथ आकारिकीय परिवर्तन भी होते हैं, और यह आठ-कोशिका मोरूला में परिवर्तित हो जाता है। अगले चरण में, आठ-कोशिका ब्लास्टुला समसूत्री विभाजन और विभेदक विभाजन दोनों के माध्यम से सोलह-कोशिका ब्लास्टुला में परिवर्तित हो जाता है। समसूत्री विभाजन वह विभाजन है जिसमें बनने वाली दोनों कोशिकाएँ एक समान होती हैं, जबकि विभेदक विभाजन वह विभाजन है जिसमें बनने वाली दोनों कोशिकाएँ भिन्न होती हैं। आठ-कोशिका ब्लास्टोसिस्ट की कुछ कोशिकाएँ संरक्षण विभाजन के माध्यम से सोलह-कोशिका ब्लास्टोसिस्ट की बाहरी परत का निर्माण करती हैं। शेष कोशिकाएँ विभेदक विभाजन से गुजरती हैं, और बाहरी परत के लिए एक कोशिका और आंतरिक भाग के लिए एक कोशिका में विभाजित हो जाती हैं। इस प्रकार, सोलह-कोशिका ब्लास्टोसिस्ट पहले एक ऐसा रूप धारण करता है जो बाहरी परत की कोशिकाओं और आंतरिक कोशिकाओं द्वारा विशिष्ट होता है।
इस बीच, यह द्वि-कोशिका विभाजन पैटर्न 16-कोशिका ब्लास्टोसिस्ट के भीतर दोहराया जाता है, जिससे 32-कोशिका ब्लास्टोसिस्ट का निर्माण होता है। इस अवस्था में, बाहरी परत की कोशिकाएँ ट्रोफोएक्टोडर्म कोशिकाओं में विभेदित हो जाती हैं जो बाद में प्रारंभिक ब्लास्टोसिस्ट का निर्माण करती हैं, जबकि आंतरिक कोशिकाएँ उन कोशिकाओं में विभेदित हो जाती हैं जो आंतरिक कोशिका द्रव्यमान का निर्माण करती हैं। यहाँ मुख्य प्रश्न यह है कि 16-कोशिका और 32-कोशिका ब्लास्टोसिस्ट अवस्थाओं में कोशिकाएँ अलग-अलग प्रकार की कोशिकाओं में कैसे विभेदित होती हैं।
दो प्रमुख परिकल्पनाएँ प्रस्तावित की गई हैं। पहली, 'आंतरिक-बाह्य परिकल्पना' यह बताती है कि एक ही कोशिका अपने पड़ोसी कोशिकाओं के साथ संपर्क की मात्रा और बाहरी वातावरण के संपर्क में अंतर के आधार पर अलग-अलग तरीकों से विभेदित होती है। अर्थात्, ब्लास्टोसिस्ट के भीतर गहराई में स्थित कोशिकाओं का पड़ोसी कोशिकाओं के साथ संपर्क सतह की कोशिकाओं की तुलना में अधिक होता है और वे सीधे बाहरी वातावरण के संपर्क में नहीं आती हैं। ऐसा माना जाता है कि इसी अंतर के कारण भीतरी कोशिकाएँ और सतह की कोशिकाएँ अलग-अलग प्रकार की कोशिकाओं में विभेदित होती हैं।
हालांकि, आठ-कोशिका वाले ब्लास्टोसिस्ट चरण में संघनन प्रक्रिया के दौरान कोशिकाओं के भीतर विशिष्ट पदार्थों के असममित वितरण की खोज ने एक नई 'द्विध्रुवीय परिकल्पना' के प्रस्ताव को जन्म दिया। कोशिकाओं के भीतर प्रारंभ में समान रूप से वितरित पदार्थ संघनन के बाद बाहरी या आंतरिक क्षेत्रों की ओर पुनर्वितरित हो जाते हैं। परिणामस्वरूप, आठ-कोशिका वाले ब्लास्टोसिस्ट की प्रत्येक कोशिका द्विध्रुवीय संरचना प्राप्त कर लेती है। इन पदार्थों को 'द्विध्रुवीय निर्धारण पदार्थ' कहा जाता है, और द्विध्रुवीय परिकल्पना का मूल यह है कि कोशिकाएं इन पदार्थों के वितरण पैटर्न के आधार पर विभिन्न प्रकारों में विभेदित होती हैं। इस परिकल्पना के अनुसार, जब आठ-कोशिका वाले ब्लास्टोसिस्ट में कोशिकाएं समसूत्री विभाजन से गुजरती हैं, तो सतही कोशिकाएं विभाजन से पहले उनके पास मौजूद ध्रुवीकरण पदार्थ के वितरण को बनाए रखती हैं। हालांकि, नवगठित आंतरिक कोशिकाओं में ध्रुवीकरण पदार्थ की कमी होती है जो मूल रूप से बाहरी तरफ केंद्रित था। सतही और आंतरिक कोशिकाओं के बीच इस अंतर को उनके विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं में विभेदित होने का कारण बताया गया है।
वैज्ञानिकों ने ब्लास्टोसिस्ट की बाहरी और आंतरिक कोशिकाओं के विभेदन की प्रक्रिया के दौरान, बहुक्षमता बनाए रखने में शामिल OCT4 और तंत्रिका शिखा निर्माण में शामिल CDX2 पर ध्यान केंद्रित किया। 8-कोशिका अवस्था वाले ब्लास्टोसिस्ट में, OCT4 सभी कोशिकाओं में समान रूप से वितरित होता है, लेकिन CDX2 नहीं। इसका कारण यह है कि कुछ द्विध्रुवीय क्रिस्टलीय पदार्थ केवल कोशिकाओं के बाहरी क्षेत्रों में मौजूद होते हैं, जिससे CDX2 बाहरी तरफ केंद्रित हो जाता है। इसके बाद, 16-कोशिका अवस्था तक, OCT4 धीरे-धीरे बाहरी कोशिकाओं से गायब हो जाता है, जबकि आंतरिक कोशिकाओं में बचा हुआ CDX2 भी धीरे-धीरे लुप्त हो जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि CDX2 बाहरी कोशिकाओं में OCT4 की अभिव्यक्ति को दबाता है, और OCT4 आंतरिक कोशिकाओं में CDX2 की अभिव्यक्ति को दबाता है।
इस बीच, CDX2 अभिव्यक्ति को बढ़ावा देने वाले पदार्थों के कार्य को दबाने वाले 'हिप्पो' सिग्नलिंग मार्ग का भी इस प्रक्रिया से संबंधित एक महत्वपूर्ण घटनाक्रम के रूप में अध्ययन किया गया है। इस तंत्र के अनुसार, 16-कोशिका अवस्था वाले भ्रूण की सभी कोशिकाओं में मौजूद हिप्पो सिग्नलिंग, आसपास की कोशिकाओं के साथ संपर्क क्षेत्र बढ़ने पर सक्रिय हो जाती है, जिससे CDX2 का स्तर कम हो जाता है। ये निष्कर्ष दर्शाते हैं कि CDX2 और OCT4 के बीच की परस्पर क्रिया, विभेदन और विभाजन द्वारा उत्पन्न दो कोशिकाओं के भिन्न-भिन्न भाग्य को निर्धारित करने वाला एक प्रमुख कारक है। हाल के अध्ययनों से पता चला है कि यह जटिल तंत्र आंतरिक कोशिकीय यांत्रिक बलों, एपिजेनेटिक विनियमन और प्रोटीन फॉस्फोरिलेशन सिग्नलिंग में अंतर से भी जैविक रूप से जुड़ा हुआ है। यह पुष्टि करता है कि प्रारंभिक भ्रूण विकास के दौरान कोशिका भाग्य निर्धारण की प्रक्रिया अत्यंत परिष्कृत अंतःक्रियाओं का परिणाम है।