Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком - Зерницка-Гетц Магдалена

Короче говоря, Сольтер был очень влиятельной фигурой с твердым мнением и большой командой восхищенных людей. Когда я впервые разработала GFP в качестве маркера клеточной линии, я была лишь едва знакома с ним; мы виделись в летней школе, которую он организовал на юго-западе Германии во Фрайбурге, где сам работал. В течение многих лет после вручения премии мы по разным причинам не встретились на наставнической сессии, так что у меня не было шанса воспользоваться его мудростью.

В 2004 году, через три года после того как Сольтер стал моим наставником, он и его постдок Такаши Хиираги опубликовали статью, где заявили, что выводы, сделанные Каролиной, мной и Ричардом Гарднером, ошибочны. Они утверждали, что второе полярное тельце не остается прикрепленным к яйцеклетке и что эмбрионы «вертятся как йо-йо», что затрудняет отслеживание отдельных клеток. В этой статье, опубликованной в Nature, куда мы впервые представили свои результаты, они заключили, что плоскость первого деления яйцеклетки случайна, и придерживались традиционного мнения о том, что между клетками раннего эмбриона нет никакой разницы [18].

Подробно изучив их статью, мы осознали, что, если в их экспериментах полярное тельце отсоединилось от яйцеклетки, они не могли сделать никаких заключений (в поддержку полярности яйцеклетки или против нее) без надежного маркера. Но почему они сами не пришли к подобному выводу?

Желая разобраться в этих отличиях, мы пригласили Хиираги в нашу лабораторию, чтобы показать ему, что мы обнаружили, и узнать о подробностях его экспериментов. Мне казалось, что важно вести открытый и дружелюбный научный диалог, чтобы добраться до сути разногласий. И думаю, очень плохо, что эта встреча не состоялась. Меж тем другие ошибочно интерпретировали наши результаты и дискредитировали их.

Были ли мы расстроены? Разумеется. Мы хотели, чтобы наши результаты были представлены так, как есть — ни больше ни меньше. Наш вывод состоял не в том, что направление развития фиксируется с первого дня и тогда же определяется судьба клеток, а в том, что клетки могут отличаться друг от друга, и это отличие может влиять на нарушение симметрии и судьбу клеток [19]. В наших экспериментах полярное тельце оставалось прикрепленным к одной из клеток эмбриона и могло служить маркером для отслеживания клеточных линий.

Мы так и не смогли обменяться с критиками опытом наблюдений под микроскопом. Хотя через год они действительно пожелали встретиться и обсудить разногласия. Это был небольшой симпозиум под названием «Преимплантационные паттерны мышиного эмбриона», организованный Хиираги и Сольтером в сентябре 2005 года во Фрайбурге. Ричард Гарднер благоразумно отказался, но, даже будучи в меньшинстве, мы посчитали своим долгом принять приглашение. «Надежный ответ не получен» — так сказано в отчете, где критики подробно изложили свою точку зрения [20]. Мой муж Дэвид, к тому времени тоже ставший участником проекта, побывал с нами на этом симпозиуме. Он парировал короткой статьей под заголовком «Нечестные дебаты» [21]. Эта поддержка была очень трогательной, но я чувствовала — нужно идти дальше, чтобы дальнейшими экспериментами показать, кто из нас прав.

Из-за невероятного давления иногда я почти раскаивалась в публикации наших открытий, несмотря на твердую уверенность в правоте, — ведь мы проверяли и перепроверяли каждый результат так много раз и такими разными способами, ценой усилий стольких разных членов команды, что вероятность ошибки была почти ничтожной. Долгие годы при вбивании моей фамилии в поисковик первым всплывавшим словом было «противоречие». Я ощущала себя аутсайдером, «раскрашенной птицей» [22]. Оглядываясь назад, я понимаю, что не пошла ко дну, утащив за собой всю команду, только благодаря поддержке Дэвида, моих друзей и коллег, которые собственными глазами видели весь непомерный труд, вложенный в наше открытие. Этот эпизод поведал мне многое о людях и политике научного мира. Если я когда-нибудь найду время и силы рассказать всю историю целиком, она будет важным уроком для каждой молодой женщины, пробивающей себе дорогу в науку.

Без преувеличения скажу, что именно скептицизм подхлестнул меня вложиться в создание правильных условий и приобретение оборудования для съемки подробностей онтогенетического развития. Это не делается в одночасье, ведь мышиные эмбрионы, как и человеческие, крайне чувствительны к условиям окружающей среды. Но затраты того стоили. Как говорится, лучше один раз увидеть.

Наши первые фильмы были короткими таймлапсами[11], отснятыми за сутки. Однако они были достаточными, чтобы подтвердить наши результаты и, что еще важнее, предоставить новый материал для исследований. Они продемонстрировали механизм, с помощью которого сперматозоид может влиять на первое дробление оплодотворенной им яйцеклетки [23]. Оказалось, что первая встреча сперматозоида и яйцеклетки физически влияет — но, опять же, не окончательно, — на судьбу клеток. Мы обнаружили, что при проникновении сперматозоида яйцеклетка меняет форму и становится чуть более плоской. Место входа сперматозоида лежит на одном конце короткой оси, и именно там мы наблюдали деление яйцеклетки. Напрашивался очевидный вопрос: если мы искусственно изменим форму оплодотворенной яйцеклетки, изменится ли плоскость деления?

Для эксперимента мы осторожно сжимали яйцеклетки, засасывая их пипеткой, а затем выпускали в гель альгината натрия, чтобы зафиксировать их форму. Таким образом мы могли пренебречь местом проникновения сперматозоида и заставить яйцеклетку делиться вдоль искусственно сформированной короткой оси. Считается, что нарушение симметрии вызвано в основном химическими процессами, но этот процесс был механическим.

В 2005 году в статье для Nature и в 2004 году в статье для Current Biology мы ответили на критику Хиираги и Сольтера, опираясь на сделанные фильмы, которые показывали механизм деления эмбриона, в частности асимметричное распределение PAR-белков и регуляцию белка актина, формирующего клеточный «скелет» [24]. Но прежде всего эти фильмы подтвердили, что клетка двухклеточного эмбриона может порождать либо эмбриональную, либо внеэмбриональную часть бластоцисты, и поэтому первое деление не случайно и способствует нарушению симметрии эмбриона. Разумеется, важна не личная убежденность, а подтверждающие результаты экспериментов других ученых. Придется ждать долгие годы, но это произойдет.

Истоки перемен

В дополнение к лабораторным исследованиям я решила выяснить, не сказано ли в знаменитой статье Тьюринга что-нибудь о способности единственной клетки размножаться и дифференцироваться в клетки с определенной судьбой, чтобы сравнить это с нынешними представлениями. На этот раз я работала вместе с блестящим коллегой Ци Чэнем, постдоком из его команды Цзюньчао Ши, который теперь в Калифорнийском университете в Риверсайде, а также И Тао из Центра вычислительной и эволюционной биологии в Китае [25].

Мы знаем, что на третий день после оплодотворения неизбежно появляются две отдельные группы клеток: одна представляет собой внутреннюю клеточную массу, развивающуюся в собственно эмбрион, а вторая — трофоэктодерма, формирующая плаценту. Но что, по мнению Тьюринга, запускает эти изменения? Тьюринг показал, что даже крошечное возмущение в уровнях транскриптов или белков из-за внешнего сигнала либо небольшие различия между клетками в способе считывания генов потенциально могут усиливаться в паттерн. Шум или ошибки могут быть одной из причин. Наши результаты предполагали, что эти изменения присутствуют на ранней стадии, когда есть всего две или четыре клетки, и могут быть основаны на внутренних различиях между этими клетками.

У клеток тоже есть анатомия. Заглянув внутрь одной из них, можно увидеть различные компоненты, такие как ядро, где находится ДНК; лепешкообразные митохондрии — клеточные силовые станции; эндоплазматический ретикулум, где происходит укладка новых белков; и пероксисомы, внутри которых расщепляются жирные кислоты.