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.
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
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.