Celdifferentiatie

Tijdens de embryogenese worden cellen naar verschillende bestemmingen gestuurd door middel van een tweestaps proces: specificatie gevolgd door bepaling. Specificatie was aangetoond door een segment van een vroeg embryo te verwijderen, het weefsel in vitro ‘neutraal’ te kweken – bijvoorbeeld in een petrischaal met een eenvoudig medium – en vervolgens de afgeleiden te observeren. Als het gekweekte gebied aanleiding geeft tot celtypen die het normaal in het embryo zou genereren, betekent dit dat het is gespecificeerd. Daarentegen vindt bepaling plaats als een gebied van het embryo wordt verwijderd en in een 'niet-neutrale' omgeving wordt geplaatst – zoals in een petrischaal met een complex medium en met een verscheidenheid aan eiwitten, of zelfs een ander gebied van het embryo zelf – en het genereert nog steeds de verwachte derivaten. Specificatie en bepaling zijn twee opeenvolgende stappen in het ontwikkelingspad van een cel, die voorafgaan aan het laatste stadium van differentiatie, waarin rijpe weefsels met unieke morfologieën en functies worden geproduceerd.

In vitro demonstratie van specificatie

Om specificatie te bestuderen, moeten onderzoekers eerst de normale afgeleiden van verschillende regio's van een embryo begrijpen. Om dit te bereiken, worden vaak bestemmingskaarten gebruikt, die worden gegenereerd door cellen vroeg in de embryonale ontwikkeling te kleuren of labelen. Hele embryo's worden vervolgens gekweekt en er wordt gekeken waar de gemarkeerde cellen terechtkomen. Dergelijke technieken die bij de kip worden gebruikt, hebben bijvoorbeeld aangetoond dat verschillende gebieden die niet in het midden van het embryo zijn gelegen (op ongeveer de posities van 9 uur en 3 uur) aanleiding geven tot neurale topcellen, die in staat zijn om te migreren en het perifere zenuwstelsel te genereren.

De gebieden die bestemd zijn voor neurale topcellen kunnen tijdens de vroege stadia van gastrulatie (wanneer het embryo wordt getransformeerd in een drielaagse structuur) worden weggesneden – voordat ze eiwitmarkers of andere onderscheidende kenmerken van the celtype bezitten. Wanneer onderliggend weefsel dat een bron van signaalfactoren kan zijn, wordt weggeschraapt, en deze explantaten worden gekweekt in collageendruppels in een eenvoudig medium, genereren ze cellen die typische transcriptiefactoren van neurale topcellen tot expressie brengen. Sommige cellen worden zelfs waargenomen die weg migreren van het weefselfragment, wat een ander kenmerk is van de bestemming van de cel. Deze experimenten hebben aangetoond dat specificatie van de neurale top plaatsvindt in een vroeg stadium van de embryonale ontwikkeling, en hoewel veel van dit werk is verricht bij de kip, suggereert recenter bewijs een vergelijkbaar specificatiepatroon bij het konijn; beide organismen worden gebruikt als modellen voor menselijke embryonale ontwikkeling.

Inzicht in de signalering achter specificatie

Zodra de specificatie van een gebied van een embryo is aangetoond, zijn onderzoekers ook geïnteresseerd in het bepalen hoe eiwitsignalen – en de positie van het weefsel in het embryo zelf – resulteren in een cel die een bepaald ontwikkelingspad volgt. Voor de neurale top hebben onderzoekers vastgesteld dat een combinatie van eiwitten, waaronder morfogenetische boteiwitten en groeifactoren van fibroblasten, afkomstig van weefsel dat grenst aan de toekomstige neurale top, het lot van de cel induceren. Dergelijke signalen lokken op hun beurt de expressie uit van specifieke eiwitten in deze cellen, die ze naar de neurale top brengen.