Внутренняя клеточная масса

Ранняя эмбриональная масса, дающая начало плоду

Внутренняя клеточная масса ( ICM ) или эмбриобласт (известный как плюробласт у сумчатых ) представляет собой структуру на ранних стадиях развития эмбриона . Именно масса клеток внутри бластоцисты в конечном итоге даст начало дефинитивным структурам плода . Внутренняя клеточная масса формируется на самых ранних стадиях эмбрионального развития , до имплантации в эндометрий матки . ^[1] ICM полностью окружен одним слоем клеток трофобласта трофэктодермы .

Дальнейшее развитие

Физическое и функциональное отделение внутренней клеточной массы от трофэктодермы (TE) является особенностью развития млекопитающих и первой спецификацией клеточных линий у этих эмбрионов. После оплодотворения в яйцеводе эмбрион млекопитающих подвергается относительно медленному дроблению с образованием восьмиклеточной морулы . Каждая клетка морулы, называемая бластомером, увеличивает поверхностный контакт со своими соседями в процессе, называемом уплотнением. Это приводит к поляризации клеток внутри морулы, и в результате дальнейшего расщепления образуется бластоциста, состоящая примерно из 32 клеток. ^[2] У мышей около 12 внутренних клеток составляют новую внутреннюю клеточную массу, а 20–24 клетки составляют окружающую трофэктодерму. ^{[3] [4]} Между видами млекопитающих существуют различия в количестве клеток при уплотнении: у бычьих эмбрионов различия, связанные с уплотнением, наблюдаются уже на 9-15 клетках, а у кроликов - только после 32 клеток. ^[5] Существуют также межвидовые различия в характере экспрессии генов у ранних эмбрионов. ^[6]

ICM и TE будут генерировать совершенно разные типы клеток по мере начала имплантации и продолжения эмбриогенеза. Клетки трофэктодермы образуют внеэмбриональные ткани, которые выполняют вспомогательную роль для самого эмбриона. Более того, эти клетки перекачивают жидкость внутрь бластоцисты, вызывая образование поляризованной бластоцисты с ICM, прикрепленным к трофэктодерме на одном конце (см. Рисунок). Эта разница в клеточной локализации приводит к тому, что клетки ICM, находящиеся в полости с жидкостью, принимают судьбу примитивной энтодермы (или гипобласта), в то время как оставшиеся клетки принимают судьбу примитивной эктодермы (или эпибласта). Гипобласт вносит вклад во внеэмбриональные мембраны, а эпибласт дает начало собственно эмбриону, а также некоторым внеэмбриональным тканям . ^[2]

Регулирование клеточной спецификации

Поскольку сегрегация плюрипотентных клеток внутренней клеточной массы от остальной части бластоцисты является неотъемлемой частью развития млекопитающих, были проведены значительные исследования для выяснения соответствующих клеточных и молекулярных механизмов этого процесса. Основной интерес представляет то, какие транскрипционные факторы и сигнальные молекулы управляют асимметричными делениями бластомеров, приводящими к так называемым внутренним и внешним клеткам и, таким образом, к спецификации клеточных клонов. Однако из-за изменчивости и регулятивной природы эмбрионов млекопитающих экспериментальные доказательства установления этих ранних судеб остаются неполными. ^[3]

На уровне транскрипции все транскрипционные факторы Oct4, Nanog, Cdx2 и Tead4 участвуют в установлении и усилении спецификации ICM и TE у ранних эмбрионов мышей. ^[3]

Апикальная и базолатеральная поляризация раннего эмбриона устанавливается на стадии 8-16 клеток после уплотнения. Это первоначальное различие в окружающей среде усиливает петлю транскрипционной обратной связи либо во внутреннем, либо во внешнем направлении. Внутри клеток экспрессируются высокие уровни Oct4 , который поддерживает плюрипотентность и подавляет Cdx2 . Внешние клетки экспрессируют высокие уровни Cdx2 , который вызывает дифференцировку TE и подавляет Oct4 .

• Oct4: Oct4 экспрессируется в ICM и участвует в поддержании его плюрипотентности, роль, которая была повторена в эмбриональных стволовых клетках мыши, полученных из ICM. ^[7] Клетки с генетическим нокаутом Oct4 как in vivo, так и в культуре демонстрируют морфологические характеристики TE. Было показано, что одной из мишеней транскрипции Oct4 является ген Fgf4 . Этот ген обычно кодирует лиганд, секретируемый ICM, который индуцирует пролиферацию соседнего полярного TE. ^[7]
• Nanog: Nanog также экспрессируется в ICM и участвует в поддержании его плюрипотентности. В отличие от Oct4 , исследования на мышах Nanog -null не показывают реверсию ICM к TE-подобной морфологии, но демонстрируют, что потеря Nanog предотвращает образование ICM примитивной эндодермы. ^[8]
• Cdx2: Cdx2 сильно выражен в TE и необходим для поддержания его спецификации. Мыши, нокаутные по гену Cdx2 , подвергаются уплотнению, но теряют целостность эпителия TE на поздней стадии бластоцисты. Более того, экспрессия Oct4 впоследствии повышается в этих клетках TE, что указывает на то, что Cdx2 играет роль в подавлении Oct4 в этой клеточной линии. Более того, эмбриональные стволовые клетки могут быть получены из мышей с нулевым Cdx2 , демонстрируя, что Cdx2 не является существенным для спецификации ICM. ^[9]
• Tead4: Как и Cdx2 , Tead4 необходим для функции TE, хотя фактор транскрипции экспрессируется повсеместно. Мыши с Tead4 -null аналогичным образом подвергаются уплотнению, но не способны образовывать полость бластоцеля. Подобно Cdx2 -нулевым эмбрионам, Tead4-нулевые эмбрионы могут давать эмбриональные стволовые клетки, указывая на то, что Tead4 необязателен для спецификации ICM. ^[10] Недавняя работа показала, что Tead4 может способствовать усилению регуляции Cdx2 в TE, а его транскрипционная активность зависит от коактиватора Yap. Ядерная локализация Yap во внешних клетках позволяет ему вносить вклад в специфичность TE, тогда как внутренние клетки изолируют Yap в цитоплазме посредством процесса фосфорилирования. ^[11]

Вместе эти факторы транскрипции функционируют в петле положительной обратной связи , которая усиливает клеточное распределение ICM в TE. Начальная поляризация бластомеров происходит на стадии 8-16 клеток. Апикально-базолатеральная полярность видна благодаря визуализации апикальных маркеров, таких как Par3, Par6 и aPKC, а также базального маркера E-кадгерина. ^[3] Считается, что установление такой полярности во время уплотнения создает идентичность окружающей среды для внутренних и внешних клеток эмбриона. Следовательно, стохастическая экспрессия вышеупомянутых факторов транскрипции усиливается в петлю обратной связи, которая определяет судьбу внешних клеток на судьбу TE, а внутри клеток - судьбу ICM. В модели апикальная среда включает Cdx2 , который усиливает свою собственную экспрессию посредством нижестоящего транскрипционного фактора Elf5. Вместе с третьим фактором транскрипции, Eomes, эти гены подавляют гены плюрипотентности, такие как Oct4 и Nanog , во внешних клетках. ^{[3] [9]} Таким образом, ТЕ уточняется и дифференцируется. Однако внутри клеток ген Cdx2 не включается и экспрессируются высокие уровни Oct4 , Nanog и Sox2 . ^{[3] [4]} Эти гены подавляют Cdx2 , а внутренние клетки сохраняют плюрипотентность, генерируя ICM и, в конечном итоге, остальную часть самого эмбриона.

Хотя эта дихотомия генетических взаимодействий явно необходима для разделения бластомеров мышиного эмбриона как на ICM, так и на TE идентичности, инициация этих петель обратной связи остается дискуссионной. Неясно, устанавливаются ли они стохастически или посредством еще более ранней асимметрии, и текущие исследования направлены на выявление более ранних маркеров асимметрии. Например, некоторые исследования коррелируют первые два расщепления во время эмбриогенеза относительно предполагаемых животных и растительных полюсов с окончательной спецификацией. Асимметричное разделение эпигенетической информации во время этих первых двух расщеплений, а также ориентация и порядок, в котором они происходят, могут способствовать положению клетки либо внутри, либо снаружи морулы. ^{[12] [13]}

Стволовые клетки

Бластомеры, выделенные из ICM эмбрионов млекопитающих и выращенные в культуре, известны как эмбриональные стволовые (ЭС) клетки. Эти плюрипотентные клетки при выращивании в тщательно скоординированной среде могут дать начало всем трем зародышевым слоям (эктодерме, энтодерме и мезодерме) взрослого организма. ^[14] Например, транскрипционный фактор LIF4 необходим для поддержания ES клеток мыши in vitro. ^[15] Бластомеры диссоциируются от изолированного ICM в ранней бластоцисте, и их транскрипционный код, управляемый Oct4 , Sox2 и Nanog , помогает поддерживать недифференцированное состояние.

Одним из преимуществ регуляторной природы развития эмбрионов млекопитающих является манипулирование бластомерами ICM для создания нокаутных мышей . У мышей мутации интересующего гена могут быть ретровирусно введены в культивируемые ES-клетки, и они могут быть повторно введены в ICM интактного эмбриона. В результате получается химерная мышь, часть клеток которой содержит геном ES-клеток. Целью такой процедуры является включение мутировавшего гена в зародышевую линию мыши таким образом, чтобы в ее потомстве отсутствовала одна или обе аллели интересующего гена. Генетики широко используют эту технику манипуляции ICM при изучении функции генов в системе млекопитающих. ^{[2] [14]}

Дополнительные изображения

• 
  Бластодермический везикула Vespertilio murinus.
• 
  Срез эмбрионального диска Vespertilio murinus.

Смотрите также

• Гены гомеобокса

Рекомендации

1. Гилберт, Скотт Ф. (2000). «Раннее развитие млекопитающих». Биология развития. 6-е издание . Проверено 13 мая 2022 г.
2. Вулперт, Льюис (2006). Принципы развития (3-е изд.). Нью-Йорк: ISBN Oxford University Press Inc. 978-0199275373.
3. Марикава, Юсуке и др. Установление линий трофэктодермы и внутренней клеточной массы в эмбрионе мыши. Молекулярное воспроизведение и развитие 76: 1019–1032 (2009).
4. Сувинска А, Чоловска Р, Оздзенский В, Тарковский АК. 2008. Бластомеры эмбрионов мыши теряют тотипотентность после пятого деления дробления: экспрессия Cdx2 и Oct4 и потенциал развития внутренних и внешних бластомеров 16- и 32-клеточных эмбрионов. Дев Биол 322:133–144.
5. Кояма и др. Анализ полярности эмбрионов крупного рогатого скота и кролика с помощью сканирующей электронной микроскопии. Архивировано 23 сентября 2015 г. в Wayback Machine Biol of Reproduction, 50, 163-170, 1994 г.
6. Kuijk, et al . Проверка эталонных генов для количественных исследований RT-PCR в ооцитах свиней и предимплантационных эмбрионах BMC Developmental Biology 2007, 7:58 doi:10.1186/1471-213X-7-58
7. Николс Дж., Зевник Б., Анастасиадис К., Нива Х., Клеве-Небениус Д., Чемберс И., Шолер Х., Смит А. 1998. Формирование плюрипотентных стволовых клеток в эмбрионе млекопитающих зависит от транскрипционного фактора POU Oct4. Ячейка 95: 379–391.
8. Родда DJ, Чу Дж.Л., Лим Л.Х., Ло Й.Х., Ван Б., Нг Х.Х., Робсон П. 2005. Регуляция транскрипции nanog с помощью OCT4 и SOX2. J Biol Chem 280: 24731–24737.
9. Strumpf D, Mao CA, Yamanaka Y, Ralston A, Chawengsaksophak K, Beck F, Rossant J. 2005. Cdx2 необходим для правильной спецификации судьбы клеток и дифференцировки трофэктодермы в бластоцистах мыши. Разработка 132:2093–2102.
10. Нисиока Н., Ямамото С., Кийонари Х., Сато Х., Савада А., Ота М., Накао К., Сасаки Х. 2008. Tead4 необходим для спецификации трофэктодермы в предимплантационных эмбрионах мыши. Мех Дев 125: 270–283.
11. Нишиока Н. и др. 2009. Компоненты сигнального пути Hippo Lats и Yap моделируют активность Tead4, позволяющую отличать трофэктодерму мыши от внутренней клеточной массы. Ячейка разработки 16: 398–410.
12. Бишофф, Маркус и др. Формирование эмбрионально-абэмбриональной оси бластоцисты мыши: взаимосвязь между ориентацией ранних делений дробления и характером симметричных/асимметричных делений. Развитие 135, 953-962 (2008)
13. Едрусик, Агнешка и др. Роль Cdx2 и полярности клеток в распределении клеток и спецификации трофэктодермы и внутренней клеточной массы эмбриона мыши. Генс Дев. 2008 22: 2692-2706
14. Робертсон, Элизабет и др. Передача генов по зародышевой линии, введенных в культивируемые плюрипотентные клетки ретровирусным вектором. Природа 323, 445–448 (2 октября 1986 г.)
15. Смит А.Г., Хит Дж.К., Дональдсон Д.Д., Вонг Г.Г., Моро Дж., Шталь М. и Роджерс Д. (1988)Ингибирование плюрипотентной дифференцировки эмбриональных стволовых клеток очищенными полипептидами. Природа, 336, 688–690.