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

Нам пришла в голову новая идея: может ли анатомия клеток быть окончательным источником нарушения симметрии [26]? Может ли, например, одностороннее распределение органелл наподобие митохондрий повлиять на судьбу дочерних клеток? В самом деле, некоторые депонированные материнские белки, необходимые для жизнеспособности эмбрионов млекопитающих, такие как группа под названием «подкорковый материнский комплекс», смещены от центра клетки не только у мышей, но и у ранних человеческих эмбрионов. Предметом исследований, опубликованных нами в 2018 году в журнале Cell, был фермент CARM1 (связанный с коактиватором аргининметилтрансфераза, широко влияющий на экспрессию генов и количество производимого ими белка). Мы обнаружили, что в эмбрионе мыши он накапливается в основном в параспеклах (частицах, расположенных в ядре клетки) между двух- и четырехклеточной стадиями [27]. Параспеклы могли бы посылать химические сигналы, которые, согласно теории реакции-диффузии Тьюринга, после усиления способны влиять на судьбу клетки, причем не обязательно при следующем делении, а позже.

Я расскажу в следующей главе о том, как в течение десятилетия, последовавшего за нашим спорным открытием, другие научные команды подтвердили наши результаты и зашли еще дальше. Моя же команда продолжила отслеживать развитие сотен эмбрионов, чтобы выяснить, как решается судьба клеток классического эмбриона млекопитающих — эмбриона мыши. В итоге мы получили еще больше свидетельств существования легкого, но важного уклона, раскрыв новые необыкновенные детали нарушения симметрии на заре жизни.

Глава 5

Рождение плана тела

Как многие эмбриологи, я в долгу перед свирепыми отпрысками Тифона и Ехидны, этой парочки чудовищ, наводнивших кошмарами сны древних греков. Согласно мифологии, верхняя часть Ехидны была телом молодой нимфы, а нижняя — хвостом огромной змеи. Ее супруг Тифон был леденящим душу монстром с сотней драконьих голов.

Союз этих смешанных созданий подарил греческой мифологии многих фантастических чудищ, таких как трехглавый пес Цербер, охраняющий врата Аида, многоголовая змея Гидра или Сфинкс с головой женщины и телом крылатого льва (смотря какому источнику верить). Сегодня Цербером вполне уместно называют ген, принимающий участие в формировании головы. Это один из генов, который я отслеживала долгие годы, и до сих пор отслеживаю с помощью GFP, чтобы понять, как развивается ось голова—хвост [1]. Но из всего этого странного и страшноватого потомства неожиданно значимым и полезным существом оказалась Химера.

Ее именем названа мощная концепция гетерогенного существа, получившая огромный резонанс не только среди ученых, но и среди обычных людей. Гомер описывал Химеру как «существо бессмертное, не человеческое, спереди лев, сзади змея и коза посередине» [2]. Среди ученых термин «химера» был впервые использован в 1907 году ботаником Гансом Винклером в контексте селекции растений.

Сама идея химеры бросает вызов представлениям об идентичности, видовой принадлежности и личности, и такая провокация просто бесценна для понимания устройства нашего тела. В современной эмбриологии этот пластичный и модульный взгляд позволяет экспериментировать с онтогенетическим развитием плана тела, смешивая и перетасовывая клетки раннего эмбриона.

В наш век клеточной алхимии, когда мы можем прочитать ДНК отдельных клеток и трансформировать их в любой желаемый тип, химерами являются и эмбрионы, ведь они состоят из смеси тонко различающихся клеток. Но различия не обязательно должны быть настолько тонкими. На самом деле строительные блоки химер могут принадлежать разным видам животных. Более того, подобные существа знаменуют начало долгого пути к созданию искусственных эмбрионов (тема, к которой я вернусь в главе 9).

Создание химер может выглядеть неестественным. Однако я, вы и все остальные люди в каком-то смысле являемся химерами: все клетки нашего организма считаются результатом слияния неродственных и более примитивных древних клеток — слияния, которое произошло 1,5 миллиарда лет назад [3]. Среди нас разгуливают и другие виды химер. Когда женщина беременеет, в ее крови и внутренних органах обнаруживается небольшое количество клеток ее нерожденного малыша. Подобный микрохимеризм можно рассматривать как символ прочной связи между матерью и ребенком. Человек может считаться химерой, если ему пересадили костный мозг, из-за чего клетки его крови генетически идентичны клеткам донора. Есть еще более редкие случаи, когда эмбрион в процессе развития сливается со своим братом, возникшим из другой оплодотворенной яйцеклетки.

Химеры могут выглядеть странными и фантастическими, но они ни в коем случае не противоречат природе. И если первопроходцы механики развития[12] XIX века сделали множество открытий, разделяя эмбрионы на части, мы тоже можем узнать много нового, собирая их из отдельных клеток. Химеры могли бы предоставить важную информацию о нарушении симметрии эмбриона. Мне повезло, что искусство создания химерных эмбрионов я постигала под руководством ученого, который одним из первых проделал этот трюк на млекопитающих.

Героические мыши

Систематическое изучение химер млекопитающих началось с экспериментов моего покойного наставника Анджея Тарковского, создавшего в 1960 году в Уэльсе свою первую химерную мышь [4]. Защитив в Польше докторскую диссертацию на стипендию Фонда Рокфеллера, Тарковский несколько недель спустя отправился в Уэльс, чтобы работать в лаборатории Фрэнсиса Брамбела на кафедре зоологии Университета Бангора. Через сорок лет он написал: «В те годы идея создания млекопитающего путем объединения двух дробящихся эмбрионов наверняка выглядела абсурдной» [5].

Эксперимент Тарковского показал, что после слияния клеток ранних эмбрионов они продолжают развиваться в химерный эмбрион [6]. Пересадив такой эмбрион в самку, он получил новорожденных с явными признаками химеризма, а именно — мозаичностью внешнего слоя сетчатки, где каждый «лоскуток» был потомком клеток разных эмбрионов [7]. Тарковский признал, что таким образом экспериментальная эмбриология отплатила древней мифологии, создавшей чудовищ из двух, трех и даже множества разных существ.

Тем временем другие ученые проводили собственные версии экспериментов. Беатрис Минц из онкологического центра Фокс Чейз в Филадельфии тоже была пионером создания химер млекопитающих. А позже Ричард Гарднер в Кембриджском университете и Ральф Бринстер в Пенсильванском университете придумали новый способ их конструирования — инъекции клеток в бластоцисту [8].

В 1976 году Энн Макларен отметила, что лишь несколько десятков человек во всем мире, работающих с экспериментальными химерами, «разделяют мое восхищение их красотой, способностью преподносить сюрпризы и давать ответы на старые вопросы, но прежде всего теми новыми вопросами, которые они непрерывно поднимают, вопросами, что и во сне не привидятся в мире, где индивидуум имеет только двух родителей» [9].

В то время все химеры млекопитающих были помесью разных индивидуумов, принадлежащих к одному виду. В 1984 году Макларен опубликовала книгу «Chimeras in Developmental Biology» («Химеры в биологии развития») в соавторстве с великим французским биологом Николь Де Дуарен, которая в 1970-х создавала химеры курицы и перепелки [10]. Обнаружив, что перепелиные клетки имеют уникальную маркировку, легко отличающую их от куриных, она отслеживала перемещение и судьбу клеток внутри перепелино-куриных химерных эмбрионов.

Следующим шагом было смешивание клеток разных видов млекопитающих. Эта задача удалась Стину Вилладсену и его команде, работавшим в лаборатории Криса Полжа в подразделении Совета по сельскохозяйственным исследованиям в Кембридже (Англия). В 1984 году Вилладсен создал химеру овцы и козы, ГИП (geep[13]), состоящую из мозаики козьих и овечьих тканей [11]. Части химеры можно было отличить по шерсти: кучерявые участки были сформированы из овечьего эмбриона, а прямоволосые — из козьего. Этот эксперимент имел и практическую ценность, поскольку позволял понять механизм вынашиваемое™ плода во время беременности. Хотя овца не может выносить эмбрион козы, и наоборот, обе способны выносить ГИП-эмбрион.