какой именно механизм запускает первую клеточную дифференцировку после n делений?

Первая дифференциация в эмбриогенезе человека происходит из ранних бластомеров в трофобласт, который образует внешний слой бластоцисты, и внутреннюю клеточную массу (ВКМ). Тогда неудивительно, что клетки внутри морулы на стадии 8-16 клеток дифференцируются в ICM, тогда как клетки снаружи дифференцируются в трофобласт. Однако в настоящее время неясно, является ли это причинно-следственной связью (модель внутри-снаружи), или формирование паттерна бластоцисты происходит раньше при дроблении (например, в модели апикобазальной полярности), или это некоторая комбинация этих двух факторов.

Вы были правы, предполагая, что паттернирование тканей определяется химическими веществами: очень широким классом, называемым морфогенами. Клетки не обязательно подсчитывают, сколько раз они делились, но деление клеток определенно может влиять на концентрацию и локализацию морфогена. Я полагаю, в некотором смысле вы могли бы описать это как часы. Я бы не стал, особенно потому, что дробление млекопитающих асинхронно.

Одно направление исследований показало, что фактор транскрипции под названием Tead4 определяет трофобласт.$^{ref}$. Затем было показано, что Tead4 может регулироваться межклеточным контактом (опосредованным передачей сигналов Hippo).$^{ref}$. Они предположили, что величина межклеточного контакта может обеспечить механизм, с помощью которого локализация Tead4 может контролироваться в презумптивном трофобласте и ICM. Это может объяснить, почему клетки имеют разные судьбы, потому что внутренние клетки полностью окружены (больше клеточных соединений), тогда как внешние клетки в значительной степени подвержены воздействию среды. Обратите внимание, что я предоставил это только в качестве примера возможного механизма. Это не подтверждено, и, как и в случае с любой другой моделью, реальная картина невероятно сложнее и, вероятно, включает в себя множество факторов.

Я не хочу вдаваться в подробности, потому что вы спрашиваете о сложном процессе, который все еще активно изучается, и мне неясно, сколько информации вам действительно нужно. Только на эту тему можно было бы написать книгу, и было опубликовано много обзорных статей. Вот недавний:

Разработка: играют ли мышиные эмбрионы в кости?

Я предлагаю вам прочитать это, а затем, если у вас есть дополнительные, более конкретные вопросы, мы можем попытаться ответить на них для вас.

Почему клетки дифференцируются или специализируются — эфемерный вопрос. Я попытаюсь ответить: чем больше специализированных клеток в организме, тем лучше он приспособлен к функционированию.

В данном организме дифференцировка после n делений или после t времени развития обусловлена ​​изменениями, которые являются как внутренними (генетическими), так и внешними (средовыми). Вот два примера того, как взаимодействуют внутренние и внешние детерминанты:

«Развертывание программы развития хордовых, по одной клетке за раз: инвариантные клеточные линии, короткодействующие индукции и эволюционная пластичность у асцидий».

а также

«Формирование клеточного паттерна»

Если клетка изменяется после n делений за время t, это может быть связано с ее местным клеточным окружением или, в случае некоторых животных, с гормональной регуляцией, на которую каждая клетка может реагировать по-разному.

Таким образом, почему клетки дифференцируются? Потому что в организмах, представляющих собой большие скопления клеток, выживание полностью зависит от сегрегации клеточной функции.

Richard и Natalie Gordon предположили, что механически чувствительные бистабильные органеллы находятся на апикальных концах клеток в клеточных слоях, готовых к дифференцировке (компетентных), и они находятся под механическим напряжением. В зависимости от того, где находится клетка на листе, натяжение будет решаться либо за счет сокращения апикального конца, либо за счет расширения апикального конца. Это приведет к биомеханическому преобразованию сигнала от цитоскелета, который будет передан ядру, которое затем изменяет экспрессию гена. Если клетка испытала сокращение, посылается один сигнал, а если ячейка испытала расширение, то посылается другой сигнал. Сигнал представляет собой определение клеточной судьбы и осуществляется цитоскелетом. Они подробно изложили свои исследования и свою теорию волн дифференцировки в своей книге «Объяснение эмбриогенеза».. В вашем конкретном примере первая дифференциация происходит во время уплотнения млекопитающих. Клетки снаружи расширяются и становятся трофобластами, клетки внутри сжимаются и становятся внутренней клеточной массой. Все остальное, изменения экспрессии генов, сигнальные белки и прочее — вторично, результат дифференцировки после цитоскелета определяет судьбу клетки механическими сигналами. Обратите внимание, что эта гипотеза очень подробная и конкретная, относительно простая в целом и основана на механике и физике. Это очень легко проверить без «махания рукой». Вы можете прочитать краткую версию теории бесплатно в https://link.springer.com/article/10.1186/s12976-016-0037-2