W tym wpisie na blogu zagłębiamy się w to, jak komórki na wczesnym etapie embrionalnym wybierają różne losy w oparciu o interakcje między kluczowymi czynnikami, takimi jak OCT4 i CDX2, a także różnice w rozmieszczeniu substancji determinujących bipolarność.
Niezliczone komórki w naszym ciele pochodzą z zygoty, pojedynczej komórki powstałej w wyniku zapłodnienia plemnika i komórki jajowej, poprzez powtarzające się podziały komórkowe. U ssaków, we wczesnym stadium blastocysty, powstałej w wyniku podziału komórek zygoty, komórki trofoektodermy – które później stają się częścią łożyska – oddzielają się od otaczającej je masy komórek wewnętrznych (ICM). Ta ICM charakteryzuje się pluripotencją, czyli zdolnością do różnicowania się we wszystkie typy komórek płodu. Jak zatem powstaje ta masa komórek wewnętrznych?
Zygota przechodzi około trzech rund podziału komórkowego, aby osiągnąć stadium 8-komórkowe, składające się z ośmiu kulistych komórek. Następnie przechodzi proces kompakcji, któremu towarzyszą zmiany morfologiczne, stając się 8-komórkową morulą. W następnym etapie 8-komórkowa blastula staje się 16-komórkową blastulą zarówno poprzez podział mitotyczny, jak i podział różnicowy. Podział mitotyczny odnosi się do podziału, w którym dwie powstałe komórki są identyczne, podczas gdy podział różnicowy odnosi się do podziału, w którym dwie powstałe komórki stają się różne. Niektóre komórki 8-komórkowej blastocysty stają się komórkami tworzącymi zewnętrzną warstwę 16-komórkowej blastocysty poprzez podział konserwatywny. Pozostałe komórki przechodzą podział różnicowy, dzieląc się na jedną komórkę dla warstwy zewnętrznej i jedną komórkę dla wnętrza, wypełniając wnętrze. W ten sposób 16-komórkowa blastocysta najpierw nabywa formę rozróżnialną przez komórki warstwy zewnętrznej i komórki wewnętrzne.
Tymczasem ten podwójny schemat podziału komórek powtarza się w obrębie 16-komórkowej blastocysty, prowadząc do powstania 32-komórkowej blastocysty. Na tym etapie komórki warstwy zewnętrznej różnicują się w komórki trofoektodermy, które później utworzą wczesną blastocystę, podczas gdy komórki warstwy wewnętrznej różnicują się w komórki, które utworzą wewnętrzną masę komórkową. Kluczowym pytaniem jest to, jak komórki różnicują się w różne typy komórek w stadium 16- i 32-komórkowej blastocysty.
Zaproponowano dwie główne hipotezy. Po pierwsze, hipoteza „wewnętrzno-zewnętrzna” wyjaśnia, że pojedyncza komórka różnicuje się na różne sposoby w zależności od stopnia kontaktu z sąsiednimi komórkami oraz różnic w ekspozycji na środowisko zewnętrzne. Oznacza to, że komórki znajdujące się głęboko w blastocyście mają większy kontakt z sąsiednimi komórkami niż komórki powierzchniowe i nie są bezpośrednio narażone na działanie środowiska zewnętrznego. Uważa się, że ta różnica powoduje, że komórki znajdujące się głęboko w blastocyście i komórki powierzchniowe różnicują się w odrębne typy komórek.
Jednak odkrycie, że specyficzne substancje ulegają asymetrycznemu rozmieszczeniu w komórkach podczas procesu kompakcji w stadium blastocysty 8-komórkowej, doprowadziło do zaproponowania nowej „hipotezy bipolarnej”. Substancje początkowo równomiernie rozłożone w komórkach ulegają redystrybucji w kierunku obszarów zewnętrznych lub wewnętrznych po kompakcji. W konsekwencji każda komórka w blastocyście 8-komórkowej nabywa strukturę bipolarną. Substancje te nazywane są „substancjami determinującymi bipolarnie”, a sednem hipotezy bipolarnej jest to, że komórki różnicują się w odrębne typy na podstawie wzoru rozmieszczenia tych substancji. Zgodnie z tą hipotezą, gdy komórki w blastocyście 8-komórkowej przechodzą podział mitotyczny, komórki powierzchniowe zachowują rozkład materiału polaryzującego, który posiadały przed podziałem. Jednak nowo utworzone komórki wewnętrzne nie posiadają materiału polaryzującego, który pierwotnie był skoncentrowany na stronie zewnętrznej. Ta różnica między komórkami powierzchniowymi a wewnętrznymi jest tłumaczona jako przyczyna prowadząca do ich różnicowania w odrębne typy komórek.
Naukowcy skupili się na białku OCT4, odpowiedzialnym za utrzymanie pluripotencji, oraz na białku CDX2, zaangażowanym w formowanie grzebienia nerwowego, podczas procesu różnicowania komórek zewnętrznych i wewnętrznych blastocysty. W stadium 8-komórkowym blastocysty, białko OCT4 jest równomiernie rozłożone we wszystkich komórkach, podczas gdy białko CDX2 nie. Dzieje się tak, ponieważ część dwubiegunowego materiału krystalicznego występuje tylko w zewnętrznych obszarach komórek, koncentrując CDX2 w ich zewnętrznej części. Następnie, w stadium 16-komórkowym, białko OCT4 stopniowo zanika z komórek zewnętrznych, podczas gdy resztkowe białko CDX2 w komórkach wewnętrznych stopniowo zanika. Dzieje się tak, ponieważ białko CDX2 hamuje ekspresję białka OCT4 w komórkach zewnętrznych, a białko OCT4 hamuje ekspresję białka CDX2 w komórkach wewnętrznych.
Tymczasem szlak sygnałowy „Hippo”, który hamuje działanie substancji promujących ekspresję CDX2, został również zbadany jako kluczowe zjawisko związane z tym procesem. Zgodnie z tym mechanizmem, sygnalizacja Hippo, obecna we wszystkich komórkach zarodka w stadium embrionalnym 16 komórek, aktywuje się, gdy zwiększa się powierzchnia kontaktu z otaczającymi komórkami, tym samym zmniejszając poziom CDX2. Odkrycia te dowodzą, że interakcja między CDX2 i OCT4 jest kluczowym czynnikiem determinującym odmienne losy dwóch komórek powstające w wyniku różnicowania i podziału. Najnowsze badania ujawniły, że ten złożony mechanizm jest również organicznie powiązany z różnicami w wewnątrzkomórkowych siłach mechanicznych, regulacji epigenetycznej i sygnalizacji fosforylacji białek. Potwierdza to, że proces determinacji losu komórki we wczesnym rozwoju embrionalnym jest wynikiem wysoce złożonych interakcji.
