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

Миллионам людей, которые не появились бы на свет без научного понимания танца жизни. Миллионам тех, кто только собирается его начать.

Нашим родителям — у нас ничего бы не вышло без вашей поддержки и ДНК. И нашим любимым. Как же вы нас терпели?

Введение

Концепция

Что в жизни может сравниться с интригующим процессом создания тела и разума, который происходит сам по себе? Зарождение и развитие новой жизни — одна из величайших биологических тайн, хотя каждый из нас является ее воплощением.

Начало истории всем известно: одна-единственная клетка (оплодотворенное яйцо) делится и превращается в сплоченное семейство внешне похожих клеток. Но если рассматривать процесс с точки зрения гена и клетки, можно увидеть множество путей развития тканей и органов, которые стремительно меняют форму и усложняются; пытаясь понять истоки человеческой жизни, парадоксально обнаруживаешь себя вглядывающимся в неизвестное будущее.

Если смотреть на историю сотворения с точки зрения человека, которому сложно даже спланировать встречу с друзьями на выходные, то способность клетки, не имеющей мозга, делиться и развиваться в самое сложное из известных нам живых существ кажется просто исключительной.

Развитие человеческого эмбриона выглядит еще более странным в сравнении с повседневностью, которая обычно состоит из неизменных, простых элементов, от кубиков Лето до микрочипов и прочих структурных единиц. Эти базовые элементы бывают разных типов: доски, штыри и двери, как правило, деревянные; гвозди, шарниры и гайки сделаны из металла и так далее. Однако наше тело — не просто комбинация фрагментов и деталей. Его базовые элементы обладают пластичностью. Они могут менять свои характеристики, дифференцируясь из родительских клеток (называемых стволовыми) в клетки костей, мышц, мозга и другие типы клеток.

Для построения человеческого тела нужно примерно 37,2 триллиона клеток — в триста раз больше, чем звезд в нашей галактике, и когда-то считалось, что существует примерно двести базовых типов, от нейронов до клеток кожи [1]. Все клетки имеют одинаковую дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), но отличаются тем, какие ее участки (гены) экспрессируются, то есть какие синтезируются белки для построения и функционирования клетки. В зависимости от конкретной «мелодии», сыгранной на геноме, получаются разные наборы белков и разные типы клеток.

Из двадцати тысяч генов нейроны используют один «репертуар», клетки кишечника — другой и так далее. Благодаря новым технологиям, позволяющим прочитать генетический код клетки, мы узнали, что в человеческом организме на самом деле многие сотни разных типов клеток [2]. Поразительно, но это многообразие происходит всего из нескольких внешне идентичных клеток. Чтобы обнаружить всю примечательность нашего появления и необычайность процесса самоорганизации эмбриона, давайте представим дом, который строится точно так же, как наш организм строит самого себя.

Во-первых, нет никаких строительных планов. Как нет и архитектурного проекта, чертежей или рисунков. Инструкций тоже нет, но если бы они были и работали как двадцать тысяч генов, используемых для постройки нашего организма, то между ними и финальным обликом дома не было бы прямой связи, как нет ее между рецептом и внешним видом пирога.

Во-вторых, нет проектного менеджера или прораба, который бы руководил процессом. Нет никаких рабочих. Нет даже намека на молотки, мастерки или малярные кисточки. Потому что этот дом — самоорганизующийся, и все его компоненты вместе отвечают за свое строительство.

Если мысль о компонентах, несущих коллективную ответственность за свою сборку, не выглядит достаточно странной, как насчет того, что все начинается с единственного кирпича, который трансформируется во всевозможные типы строительных материалов, от дерева до металла, стекла и пластика.

Это автономное строительство должно длиться девять месяцев — не больше и не меньше. Сроки и координация во времени имеют решающее значение, однако под рукой нет ни часов, ни хронометра. К концу первых семи дней один тип строительного элемента превращается в три базовых типа, поскольку молекулярная структура самоорганизуется различными путями. Через неделю наш дом-эмбрион начнет возводить собственный фундамент, зарываясь в землю (в реальности — в стенку матки), где присоединится к местной инфраструктуре.

На этой стадии эмбриональный дом совсем не похож на готовое здание. Некоторые типы его строительных компонентов самоликвидируются, возможно, выполнив свое предназначение, пока другие трансформируются во множество разных типов. Это своего рода автооригами, элементы которого формируются и упорядочиваются в зависимости от индивидуальных обстоятельств. В отличие от строящегося дома, вся конструкция находится в рабочем состоянии (иными словами, остается живой) от начала и до конца строительства.

Короче говоря, способ, которым организм создает самого себя, является своеобразным, странным и совершенно ни на что не похожим.

Моя наука

Моя попытка понять истоки нашего появления сосредоточена не на эволюционной истории, а на индивидуальной жизни, начиная с момента, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, и этот альянс приступает к делению. Долгие годы я мечтала проследить путь каждой клетки живого эмбриона, со дня ее рождения и во всех сложных подробностях ее жизни, пока она не определится или не умрет, как делают некоторые клетки, словно освобождая место для других, чтобы те смогли преуспеть.

В своей лаборатории мы фокусируемся на самом начале жизни. Мы наблюдаем, как яйцеклетка оплодотворяется и делится, создавая сообщество клеток, которые меняют форму, дробятся, перемещаются в новых направлениях и коммуницируют друг с другом при помощи химических и механических сигналов. Чтобы разобраться в путешествиях каждой клетки и в том, как она согласовывает свои действия с окружающими ее клетками для создания организма и новой жизни, мы пользуемся специальными методами, раскрывающими невидимый мир эмбриона.

Когда мы еще не могли снимать эмбриогенез на пленку, как делаем сейчас, мы придумали способ «покраски» клеток специальными красителями, способ маркировки микроскопическими гранулами, превращающими клетки в мерцающие разноцветные точки, что помогло отличить их друг от друга и проследить путь каждой клетки в процессе создания эмбриона. Сегодня для идентификации клеток можно использовать молекулярные маркеры и анализировать работу клеток вплоть до уровня генов, белков и других молекулярных компонентов. Мы пытаемся определить, каким образом эмбрион строит самого себя, чтобы однажды понять механизм создания организма и появления дефектов развития и в итоге разработать корректирующие меры для восстановления функций.

Во время первой стадии развития крошечное семейство клеток из шаровидной массы внешне похожих элементов превращается в структуру с оформленными передней, задней, верхней и нижней частями. Происходящие процессы имеют фундаментальное значение, хотя это только начало жизни. Уже различимы все механизмы, которые будут определять развитие тела и разума.

Пока моя команда сосредоточена на исследованиях