内部細胞塊が胚盤葉上層と原始内胚葉に分化するメカニズム

哺乳類の発生において最初の（形態的に明らかな）分化は、桑実胚から、栄養層（栄養外肺葉）と内部細胞塊の2種類の細胞へと変化する過程です。

その次に起こる明らかな分化は、内部細胞塊の細胞が、胚盤葉上層 epiblast (転写因子Nanogを発現)と原始内胚葉 hypoblast/primitive endoderm (転写因子Gata6を発現) の二種類に分かれる過程です。この2番目の分化の仕組みはどのようなものでしょうか。

内部細胞塊の細胞は最初はNanogとGATA6の両方の遺伝子を発現しています。それがしばらくすると、NanogかGATA6のどちらかを発現する細胞が入り混じった状態（いわゆる”salt and pepper”な状態）になります。

  1. The salt-and-pepper pattern in mouse blastocysts is compatible with signaling beyond the nearest neighbors iScience Volume 26, Issue 11, 17 November 2023, 108106 (sciencedirect.com)
  2. The molecular logic of Nanog-induced self-renewal in mouse embryonic stem cells Nature Communications volume 10, Article number: 1109 (2019) Published: 07 March 2019 https://www.nature.com/articles/s41467-019-09041-z

どうしてこのようなことが起きるのかに関しては、最初に存在していた確率的なシグナルの差（ばらつき）が、FGFシグナリングを介して増幅された結果だという考え方が提唱されています。

GATA6 Levels Modulate Primitive Endoderm Cell Fate Choice and Timing in the Mouse Blastocyst Developmental Cell Volume 29, Issue 4, 27 May 2014, Pages 454-467 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1534580714002317

ではどのような増幅機構が、小さな差を大きくしていくのでしょうか。この増幅に関わるのが、FGFシグナリングです。

転写因子NANOGはFGF4遺伝子を発現させます。FGFは分泌され細胞外シグナルとして働き、近隣の細胞のFGF受容体に結合してその細胞のFGF受容体シグナリング経路を活性化します。FGF受容体シグナリング経路の終点ではNANOG遺伝子の発現を抑制します。また、GATA6はFGF受容体遺伝子の発現を亢進します。つまり隣の細胞がNANOG優勢だと、GATA6が優勢の細胞はNANOGを減らす方向に向かうわけです。

  1. NANOG initiates epiblast fate through the coordination of pluripotency genes expression Nat Commun. 2022; 13: 3550; 2022 Jun 21.  https://www.nature.com/articles/s41467-022-30858-8

NANOG細胞とGATA6細胞の分離

Salt-and-papperの状態だった細胞は、どうやって、それぞれで集合するのでしょうか？Primitive endodermの細胞はblastocoelに面するところに集まらなければなりません。

文献検索をした限り、例えば両者で異なる細胞接着因子を発現しているといった報告はないようです。となるとどうして分離するのかははっきりしないようです。また、どうして分離したときにGata6細胞がBlastocoelに面する場所に移動できるのかも、文献が見当たらないようです。

  1. NANOG helps cancer cells escape NK cell attack by downregulating ICAM1 during tumorigenesis Journal of Experimental & Clinical Cancer Research volume 38, Article number: 416 (2019) Published: 16 October 2019  https://jeccr.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13046-019-1429-z
  2. FGF signal-dependent segregation of primitive endoderm and epiblast in the mouse blastocyst　Development (2010) 137 (5): 715–724. https://doi.org/10.1242/dev.043471　 01 March 2010

primitive endodermからparietal endodermおよびvisceral endodermへの分化

  1. GATA-6 promotes cell survival by up-regulating BMP-2 expression during embryonic stem cell differentiation　Mol Biol Cell. 2012 Sep 15; 23(18): 3754–3763. doi: 10.1091/mbc.E12-04-0313 PMCID: PMC3442421