Ранние эмбрионы млекопитающих - это само-организующая система - различающиеся клоны клеток автономно определяются и стереотипически располагаются по ходу развития. Механизм, лежащий в основе образования таких клонов, долго не был известен. Maitre et al.1 установили, что координация между контрактильностью, полярностью и позицией клетки предопределяет её качественные особенности, предопределяя тем самым первый клональный выбор у эмбрионов мышей.

Во время первых стадий развития млекопитающих оплодотворенное яйцо подвергается серии делений, которые продуцируют клетки, наз. бластомерами. Во время перехода от 8- к 16-клеточной стадии, возникают разные клоны клеток. Некоторые бластомеры приспосабливаются к внутреннему расположению и образуют внутреннюю клеточную массу (ICM), из которой собственно и возникает эмбрион, тогда как клетки, приспосабливающиеся к наружному расположению, становятся слоем трофэктодермы^{2, 3} и начинают формировать плаценту.

Предложено несколько моделей регуляции этих первых выборов судьбы клетками⁴. Впервые предложенная⁵ в 1967 и, позднее подтвержденная экспериментально⁶, модель постулирует, что клоны детерминируются расположением бластомеров внутри эмбриона - контактируют ли они или нет с внешней средой. Когда клеточная полярность стала главным свойством процесса спецификации клонов, был предложен альтернативный механизм³. На 8-клеточной стадии бластомеры становятся поляризованными вдоль своей апикально-базальной оси, при этом определенные белки оказываются ограниченными апикальным доменом^{2, 7} (сторона клеток, обращенная за пределы эмбриона). Эта гипотеза утверждает, что клетки, которые наследуют апикальный регион при клеточном делении приобретают полярность, приспосабливаются к расположению снаружи и становятся трофэктодермой, тогда как те клетки, которые не наследуют апикальный регион интернализуются и становятся ICM.

Молекулярные механизмы, связанные с клеточной полярностью, при первом выборе клетками судеб, оставались неизвестными долгие годы. Но недавно была обнаружена дифференциальная активность пути передачи сигналов Hippo, которая оказалась критической для принятия решений⁸. Однако, как в точности сигналы о положении и полярности транслируются в различия активности пути Hippo оставалось неясным. Кроме того, накапливаются доказательства^{9, 10}, указывающие, что положение клеток зависит от их контрактильности. Maitre с колл.¹ объединили теорию и эксперименты, чтобы унифицировать существующую модель выбора между ICM и трофэктодермой, и предоставили механическую связь между клеточной полярностью, положением и активностью пути Hippo (Fig. 1).

Figure 1: A fateful decision.

At the 8-cell stage of mouse development, the cells become polarized, with certain proteins becoming enriched on the apical side of the cell and forming an apical domain. As cells divide asymmetrically, one daughter inherits the apical domain and remains polarized (blue) and has low contractility, whereas the other inherits an abundance of the scaffold protein actomyosin and is apolar and highly contractile (red). Maitre et al.1 report that these differences in contractility confer different fates at the 16-cell stage. In the less-contractile polar cells, the transcriptional activator protein Yap enters the nucleus and activates a gene-expression program that instructs the cell to become trophectoderm at the 32-cell stage, eventually giving rise to the placenta. Highly contractile cells do not have nuclear Yap, and adopt an inside position to become the inner cell mass, from which the embryo will form.

Авт. показали, что асимметричное расхождение поляризованного апикального домена при делении клеток дает два дочерних бластомера с разным уровнем контрактильности. Дочерние клетки, которые получают апикальный домен оказываются менее контрактильными, чем их аполярные сестры. Было установлено, что аполярные бластомеры обладают высокими уровнями каркасного белка actomyosin, чем их поляризованные аналоги, что непосредственно сказывается на повышенной контрактильности. Эти различия в сокращаемости запускают процесс сортировки клеток относительно внутреннего и внешнего положения, поскольку менее контрактильные поляризованные клетки обнаруживают тенденцию располагаться над аполярными клетками, которые интернализуются.

Подтверждение этой модели получено в серии экспериментов, в которых Maitre et al. измеряли поверхностное натяжение индивидуальных бластомеров и затем отслеживали эти клетки в эмбрионах, чтобы определить, в каком клоне они окажутся. Для этого потребовалась разработка технически сложного метода для определения механических сил индивидуальных клеток и их отслеживания в эмбрионе. Более того, авт. установили, что изменение клеточной контрактильности клеток нарушает их судьбу.

Наконец, они продемонстрировали, что контрактильность контролирует субклеточное расположение белка ко-активатора транскрипции Yap, центрального компонента пути Hippo. В лишенных контрактильности, поляризованных клетках Yap транслоцируется в ядро, приводя к активации генов, специфичных для трофэктодермы. В аполярных, высоко контрактильных клетках Yap остается вне ядра. Связь активности Yap с различиями в клеточной контрактильности соединяет механические свойства бластомеров с выбором ими клеточной судьбы, это подтверждает, что механочувствительность может влиять на ранний выбор клона.

Эмбрионы млекопитающих известны своей способностью развиваться нормально после альтераций во внутренней архитектуре или после потери, или добавления клеток. Было предположено¹¹, что активация дремлющих механизмов может помочь эмбрионам успешно выполнять развитие после пертурбаций. В самом деле, Maitre et al. показали, что механизм, ответственный за спецификацию ICM или трофэктодермы, также, по-видимому, используется, чтобы компенсировать пертурбации и тем самым поддерживает регулятивную природу эмбрионов млекопитающих. Путем смешивания клеток разной контрактильности, авт. продемонстрировали, что клетки с повышенной контрактильностью занимают внутреннюю позицию внутри эмбриона, тогда как клетки с редуцированной контрактильностью занимают внешнее положение. Механическая связь между положением клетки, её контрактильности и профиля её генной экспрессии объясняет, как клетка может 'ощущать, и в результате 'приспосабливать' свое положение в эмбрионе, изменяя соответственно экспрессию генов.

Хотя данное исследование представляет собой существенный прорыв в нашем понимании раннего развития млекопитающих, но вопросы остаются. Напр., всё ещё неясно, что запускает инициальную поляризацию бластомеров и дифференциальную контрактильность. Показано, что модулирующие ключевые транскрипционные факторы, контролирующие клеточную судьбу, могут влиять на положение клетки внутри эмбриона и что механизм обратной связи вообще-то передает изменения в экспрессии генов в изменения контрактильности. Кроме того, необходимо определить механизм, с помощью которого актомиозин влияет на субклеточное расположение Yap.

Пока неясно, является ли механочувствительность посредством клеточной контрактильности повторно используемой для регуляции склонности и др. клеток выбирать альтернативные судьбы. Ответ безусловно предоставит ценную информацию о том, как осуществляется выбор клонов в эмбрионах млекопитающих.