У людей все иначе?

Хорошо известно, что более «примитивные» лабораторные животные (лягушки, дрозофилы, круглые черви) начинают свою жизнь по плану: говоря простыми словами, яйцеклетки этих существ определяют судьбу отдельных клеток организма. Все потому, что яйцеклетка полярна (имеет разные «концы») и при расщеплении надвое каждая клетка наследует разный конец материнской клетки, а значит, и разную информацию — «адрес», определяющий судьбу. У таких организмов потеря одной клетки приводит к потере структуры, вырастающей из этой клетки. Подобное развитие называют мозаичным. Но если потомки оставшейся клетки по-прежнему могут дать начало тем структурам, за которые отвечала потерянная клетка, эмбрион называют регуляционным.

Есть множество примеров полярных яйцеклеток. Яйца дрозофил имеют градиент белков, обусловленный генами Bicoid и Hunchback и помогающий создать шаблон будущих головы и груди эмбриона дрозофилы, в то время как задняя часть насекомого формируется генами Nanos и Caudal. Как ясно из названия, ген Hunchback (горбатая спина) важен для развития туловища (груди) дрозофилы. Изящные исследования Христианы (Янни) Нюслайн-Фольхард и Эрика Вишауса продемонстрировали то, как гены закладывают ось и части тела дрозофилы. В 1995 году они получили за эту работу Нобелевскую премию, разделив ее с Эдом Льюисом из Калифорнийского технологического института (Калтеха), который десятки лет исследовал генетические мутации дрозофил, трансформирующие их жужжальца в дополнительную пару крыльев. Поразительно, но гены, ответственные за эти метаморфозы, очень консервативны и присутствуют у нас с вами; разница в том, что у млекопитающих развитие идет гибким путем, а у насекомых — ригидным путем. Полярность яйцеклеток мух такова, что еще до оплодотворения задается четкое направление будущего развития, зато у млекопитающих нет такой жесткой детерминированности.

Сперматозоиды тоже играют важную роль в формировании плана тела. Развитие яйцеклеток лягушек и круглых червей зависит от точки проникновения в них сперматозоида [3]. При оплодотворении яйцеклетки червя происходит неравномерное распределение так называемых РAR-белков. Они помечают те клетки, которым суждено стать передом червя, или передним отделом, и те, которым суждено стать задним [4]. PAR-белки регулируют полярность клеток во многих контекстах и у самых разных животных, включая (как мы увидим дальше) эмбрионы млекопитающих. Их универсальность позволяет предположить, что они являются потомками древнего «расцветочного» механизма.

Мартин Джонсон вместе со своей командой из Кембриджского университета выяснил, что на восьмиклеточной стадии все клетки мышиного эмбриона приобретают наружно-внутреннюю полярность. Тем самым закладывается фундамент для двух клеточных линий, когда от дочерней клетки, унаследовавшей наружную часть материнской клетки, получаются клетки трофоэктодермы, формирующие плаценту, а дочерние клетки, наследующие внутреннюю часть материнской клетки, создают эпибласт — слой прогениторных клеток, строящих будущий организм [5]. В самые первые дни моего пребывания в Кембридже мы обнаружили, что эта полярность вызвана неравномерным распределением РAR-белков [6].

Когда-то в конце 1950-х было выдвинуто предположение, что развитие млекопитающего тоже начинается с полярной яйцеклетки [7]. Затем эта идея была похоронена. Одна из причин состояла в том, что, в отличие от лягушек, яйцеклетки мыши и человека выглядят более однородными. Но главной причиной является онтогенетическая пластичность. Она наделяет эмбрион млекопитающего способностью к уже упомянутому регуляционному, гибкому развитию, в противоположность мозаичному, негибкому. Считалось, что эта пластичность вызвана идентичностью всех клеток, не имеющих предрасположенности к конкретному пути развития.

Именно поэтому в конце 1990-х меня шокировало обнаруженное мною доказательство того, что клетки эмбриона млекопитающего не идентичны друг другу. Сначала я не могла согласиться с собственным открытием, но чувствовала, что не должна о нем забывать, даже если оно противоречит существующим представлениям. Без этого случайного открытия моя жизнь сложилась бы иначе.

Цветные клетки

На ранних этапах обучения в 1980-х я с удивлением узнала, что судьба эмбриональных клеток не предопределена. Меня это заинтриговало, ведь природа, антропоморфно выражаясь, рисковала, отдавая начало жизни на волю случая и не направляя ключевые онтогенетические события в конкретную сторону. Учитывая, что специфические стадии эмбрионального развития приурочены к определенному периоду беременности, я не могла понять, как путь индивидуальной клетки может быть таким непредсказуемым.

На заре своей исследовательской деятельности я хотела выяснить, откуда берется онтогенетическая пластичность. Мне хотелось раскрыть детали этой экстраординарной самоорганизации. У меня не было никаких практических целей. Это было просто страстное желание разобраться, на чем клетки основывают свой выбор. Я чувствовала, что лучше начать с отслеживания судьбы отдельных клеток, с момента их появления и на протяжении всего периода делений, пока они не станут собственно клетками эмбриона (ребенка) или клетками плаценты или не исчезнут в процессе. Я хотела придумать специальную краску, подчеркивающую все захватывающие подробности танца жизни, которые так долго оставались невидимыми.

Глава 3

Раскрашивая клетки

Чтобы проследить судьбу каждой клетки развивающегося эмбриона, я обратилась было к распространенной медузе, дрейфующей в холодных водах западного побережья Северной Америки. Хотя диаметр этой медузы не превышает десяти сантиметров, ее способность к биолюминесценции — самая выдающаяся в Мировом океане.

Потревоженная, она генерирует световые вспышки по краям колокола. Изначально они выглядят как голубые искры, созданные люминесцентным белком экворином. Но мы не видим их, потому что внутри медузы они проникают в белок с маленькой структурой в центре под названием «хромофор», который поглощает синий свет и переходит в возбужденное состояние, а по мере выхода из него светится зеленым. Осаму Симомура из Принстона выделил этот белок в 1960-х, назвав его зеленым флуоресцентным белком (green fluorescence protein, GFP) [1]. Поскольку этот белок важен для проведения широкого спектра исследований, Симомура в 2008 году получил за его открытие Нобелевскую премию.

Сегодня этот белок можно использовать для самых разных целей, например, чтобы отследить распространение вирусных инфекций в организме, понаблюдать за регенерацией поврежденных тканей в организме аксолотля (амфибии) или в подробностях увидеть, как переплетаются нервные пути в мозге мыши. С помощью генетических трюков и флуоресцентных белков можно покрасить сотни нервных клеток в десятки различных оттенков и создать мозговую радугу (brainbow), проявляя калейдоскопом цвета всю красоту нейронных связей [2].

С помощью множества флуоресцентных меток можно представить разные стадии жизни в форме яркой мозаики синего, розового, зеленого и других цветов. Значимость подобных исследований сопоставима с их красотой.

Однако оригинальный белок медузы, выделенный Симомурой, не работал в теплокровном организме. Мне нужен был мощный флуоресцентный маркер, чтобы проследить, как активируются гены в клетках живых эмбрионов млекопитающих по мере развития или установить время рождения отдельных клеток и окончательного решения их судьбы.

GFP начали использовать в качестве маркера еще в 1994 году, когда Мартин Чалфи из Колумбийского университета в Нью-Йорке сообщил, что с помощью флуоресцентного белка можно продемонстрировать активацию гена, за что и разделил Нобелевскую премию с Симомурой [3].

Мне тоже хотелось побаловаться этой светящейся зеленой краской. Это был год, когда Мартин Эванс и я получили стипендию Европейской организации молекулярной биологии, что привело меня в Кембридж, где я могла доработать GFP, чтобы проследить действия генов в живом эмбрионе млекопитающего и в стволовых клетках. Ген GFP можно было встроить в ДНК млекопитающего и тем самым пометить белок флуоресцентным маркером. Если бы клетка использовала ген для производства этого белкового компонента, то под ультрафиолетом, благодаря GFP, она светилась бы зеленым.

В то время меня глубоко интересовало нарушение симметрии, полярность и структурные детали развития эмбриона. Именно поэтому я загорелась концепцией самоорганизации и идеями великого английского математика Алана Тьюринга, который в 1936 году создал теорию алгоритмов, а во Вторую мировую войну взломал код нацистской шифровальной машины Enigma [4]. Тьюринга интересовали узоры, созданные самой природой: он хотел опровергнуть представление о том, что только Бог способен творить чудеса. Мне нравилась его идея, что в природных узорах нет ничего сверхъестественного.