Tento blogový príspevok sa ponára do toho, ako si bunky v ranom embryonálnom štádiu vyberajú rôzne osudy na základe interakcií medzi kľúčovými faktormi, ako sú OCT4 a CDX2, ako aj rozdielov v distribúcii látok určujúcich bipolaritu.
Nespočetné množstvo buniek v našom tele pochádza zo zygoty, jednej bunky vytvorenej oplodnením spermie a vajíčka prostredníctvom opakovaného bunkového delenia. U cicavcov sa počas raného štádia blastocysty, ktoré vzniká delením buniek zygoty, trofoektodermové bunky – ktoré sa neskôr stanú súčasťou placenty – oddelia od vnútornej bunkovej hmoty (VBM), ktorú obklopujú. Táto VBM má pluripotenciu, schopnosť diferencovať sa na všetky typy buniek plodu. Ako sa teda táto vnútorná bunková masa tvorí?
Zygota prechádza približne tromi kolami bunkového delenia, aby dosiahla štádium 8 buniek, ktoré pozostáva z ôsmich guľovitých buniek. Potom prechádza procesom zhutnenia, sprevádzaným morfologickými zmenami, a stáva sa 8-bunkovou morulou. V ďalšom štádiu sa 8-bunková blastula stáva 16-bunkovou blastulou prostredníctvom mitotického aj diferenciálneho delenia. Mitotické delenie označuje delenie, pri ktorom sú dve výsledné bunky identické, zatiaľ čo diferenciálne delenie označuje delenie, pri ktorom sa dve výsledné bunky stávajú odlišnými. Niektoré bunky 8-bunkovej blastocysty sa stanú bunkami tvoriacimi vonkajšiu vrstvu 16-bunkovej blastocysty prostredníctvom konzervačného delenia. Zvyšné bunky prechádzajú diferenciačným delením, pričom sa rozdelia na jednu bunku pre vonkajšiu vrstvu a jednu bunku pre vnútro, ktorá vyplní vnútro. 16-bunková blastocysta tak najprv nadobudne tvar, ktorý sa vyznačuje bunkami vonkajšej vrstvy a vnútornými bunkami.
Medzitým sa tento vzorec dvojitého bunkového delenia opakuje aj v 16-bunkovej blastocyste, čo vedie k vytvoreniu 32-bunkovej blastocysty. V tomto štádiu sa bunky vonkajšej vrstvy diferencujú na bunky trofoektodermu, ktoré neskôr vytvoria skorú blastocystu, zatiaľ čo vnútorné bunky sa diferencujú na bunky, ktoré budú tvoriť vnútornú bunkovú hmotu. Kľúčovou otázkou je, ako sa bunky diferencujú na odlišné typy buniek v štádiách 16-bunkovej a 32-bunkovej blastocysty.
Boli navrhnuté dve hlavné hypotézy. Po prvé, „vnútorno-vonkajšia hypotéza“ vysvetľuje, že jedna bunka sa diferencuje rôznymi spôsobmi na základe stupňa kontaktu so susednými bunkami a rozdielov v expozícii vonkajšiemu prostrediu. To znamená, že bunky hlboko vo vnútri blastocysty majú väčší kontakt so susednými bunkami ako povrchové bunky a nie sú priamo vystavené vonkajšiemu prostrediu. Predpokladá sa, že tento rozdiel spôsobuje diferenciáciu hlbokých a povrchových buniek na odlišné typy buniek.
Objav, že špecifické látky sa počas procesu zhutňovania v štádiu 8-bunkovej blastocysty asymetricky rozložia v bunkách, však viedol k návrhu novej „bipolárnej hypotézy“. Látky, ktoré boli pôvodne rovnomerne rozložené v bunkách, sa po zhutnení prerozdelia smerom k vonkajším alebo vnútorným oblastiam. V dôsledku toho každá bunka v 8-bunkovej blastocyste získa bipolárnu štruktúru. Tieto látky sa nazývajú „bipolárne určujúce látky“ a jadrom bipolárnej hypotézy je, že bunky sa diferencujú na odlišné typy na základe distribučného vzoru týchto látok. Podľa tejto hypotézy si pri mitotickom delení buniek v 8-bunkovej blastocyste povrchové bunky zachovávajú rozloženie polarizačného materiálu, ktoré mali pred delením. Novovytvoreným vnútorným bunkám však chýba polarizačný materiál, ktorý bol pôvodne koncentrovaný na vonkajšej strane. Tento rozdiel medzi povrchovými a vnútornými bunkami sa vysvetľuje ako príčina vedúca k ich diferenciácii na odlišné typy buniek.
Vedci sa zamerali na OCT4, ktorý sa podieľa na udržiavaní pluripotencie, a CDX2, ktorý sa podieľa na tvorbe neurálneho hrebeňa, počas procesu diferenciácie vonkajších a vnútorných buniek blastocysty. V 8-bunkovom štádiu blastocysty je OCT4 rovnomerne rozložený vo všetkých bunkách, ale CDX2 nie. Je to preto, že časť bipolárneho kryštalického materiálu existuje iba vo vonkajších oblastiach buniek, pričom CDX2 sa koncentruje smerom k vonkajšej strane. Následne, v 16-bunkovom štádiu, OCT4 postupne mizne z vonkajších buniek, zatiaľ čo zvyškový CDX2 vo vnútorných bunkách postupne mizne. Deje sa to preto, lebo CDX2 potláča expresiu OCT4 vo vonkajších bunkách a OCT4 potláča expresiu CDX2 vo vnútorných bunkách.
Medzitým bola ako kľúčový jav súvisiaci s týmto procesom študovaná aj signálna dráha „Hippo“, ktorá potláča funkciu látok podporujúcich expresiu CDX2. Podľa tohto mechanizmu sa signalizácia Hippo, prítomná vo všetkých bunkách 16-bunkového embrya, aktivuje, keď sa zvýši kontaktná plocha s okolitými bunkami, čím sa znížia hladiny CDX2. Tieto zistenia ukazujú, že interakcia medzi CDX2 a OCT4 je kľúčovým faktorom určujúcim odlišné osudy dvoch buniek vznikajúcich diferenciáciou a delením. Nedávne štúdie ukázali, že tento komplexný mechanizmus je tiež organicky spojený s rozdielmi vo vnútrobunkových mechanických silách, epigenetickej regulácii a signalizácii fosforylácie proteínov. To potvrdzuje, že proces určovania osudu buniek počas raného embryonálneho vývoja je výsledkom vysoko sofistikovaných interakcií.
