Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком - Магдалена Зерницка-Гетц
Оплодотворение
По прибытии Каролины в Кембридж мы начали с изучения зарождения — Большого взрыва[8] индивидуального развития, момента встречи сперматозоида и яйцеклетки. Последняя — не заурядная клетка, а та, что преисполнена потенциалом и уникально экипирована для создания новой жизни. Это клетка, которая может расти и делиться, чтобы создавать историю, записывать ее и даже менять.
Когда на одном конце развивающейся клетки раннего эмбриона накапливается конкретный набор белков (PAR-белков, о которых я уже упоминала), делающий его непохожим на другой конец, клетка приобретает полярность. К моменту имплантации эмбриона в теле матери в нем уже сформированы из клеток с разной судьбой первые три ткани, значительно отличающиеся друг от друга. Образуются новые оси, вроде тех, что идут в трех взаимно перпендикулярных направлениях: передне-задняя (голова-хвост), дорсально-вентральная (спина-живот) и саггитальная (право-лево) оси. После почти двух десятков лет исследований мы по-прежнему удивительно мало разбираемся в том, как решается судьба клеток и как закладываются оси, самые ранние признаки ключевых изменений, а также в том, как они определяют наше будущее.
Некоторые элементы жизненной истории оказываются более симметричными, чем принято считать.
После изучения старых учебников по биологии может сложиться сильное впечатление, что яйцеклетка сидит на месте, словно высокомерная принцесса, и ждет, когда ее оплодотворят, а в это время сперматозоиды расталкивают друг друга в борьбе за ее руку и сердце.
Однако чтобы получить шанс на оплодотворение, яйцеклетка, зеркально отражая тяжелую участь сперматозоидов, вынуждена сначала соревноваться с множеством других яйцеклеток. К моменту рождения девочки в ее яичниках есть все яйцеклетки, которые будут высвобождаться на протяжении репродуктивного периода. Таких клеток примерно четыреста тысяч. Некоторые из них могут не созревать сорок лет, другие — дегенерировать, так и не созрев. Яйцеклетки находятся в спящем состоянии вплоть до овуляции, когда клетка получает от жизни первый приз и высвобождается под давлением из заполненной жидкостью структуры яичника.
Другие же аспекты первого танца жизни не так симметричны, как их описывают. Многие считают яйцеклетку и сперматозоид равными партнерами в деле создания новой жизни. По одному очень важному пункту — вкладу генетического материала матери и отца — они действительно равны. Но в подобном восприятии недооценивается человеческая яйцеклетка как мощный генератор потенциала, трансформации и перемен.
Крошечный сперматозоид и могучая яйцеклетка
Яйцеклетка — это могучая биохимическая вселенная, уникально оснащенная ДНК, РНК и белками, а также митохондриями (клеточными аккумуляторами) и многими другими органеллами. У нее даже есть «скорлупа» — умный защитный барьер под названием zona pellucida, избирательно проницаемый для сперматозоидов.
Хотя яйцеклетка — самая крупная клетка человеческого организма, она невидима глазу и составляет у человека всего одну десятую миллиметра в поперечнике. Тем не менее она является чудесной машиной сотворения, которая миллионы лет совершенствовала свои навыки моделирования нового индивидуума из генов матери и отца.
После оплодотворения в яйцеклетке закипает активность. Она освобождает ДНК сперматозоида от молекулярных меток — метильных групп, контролирующих включение и отключение генов. Эти паттерны метилирования (эпигенетические модификации) — одна из причин того, почему все клетки организма имеют одинаковый набор генов, но отличаются друг от друга, как, например, нервная клетка от мышечной. Молекулярные метки гарантируют, что клеточный оркестр будет играть одну конкретную мелодию, где каждая нота — это ген, ответственный за синтез белка. Без этих меток онтогенетический таймер обнуляется. Закладывая новые мелодии (онтогенетические паттерны), ранний эмбрион способен создать любую клетку организма.
Механизм яйцеклетки настолько всесилен, что можно поместить в нее ядро зрелой клетки и создать нового полноценного индивидуума. При этом яйцеклетка, словно машина времени, уберет с ядерной ДНКвсе химические модификации, произошедшие в течение жизни, и возвратит ее в эмбриональное состояние. Вот в чем фокус, позволивший Джону Гёрдону клонировать лягушек (а также позволивший команде Яна Вилмута из Рослинского института в Шотландии клонировать овечку Долли из зрелых клеток овечьего вымени).
Сперматозоиды более динамичны. У них есть хвост, который благодаря динеиновому белковому мотору может извиваться. Динеин, как все белки, состоит из аминокислотных цепочек, уложенных в слои, спирали и прочие сложные фигуры, которые в данном случае образуют молекулярный мотор, способный превращать химическую энергию в кинетическую, прямо как автомобильный двигатель. Это и приводит сперматозоид в движение.
Будучи в этом отношении эффектным, в остальном сперматозоид не такой примечательный и является самой мелкой человеческой клеткой — в 50 раз меньше яйцеклетки. Так себе размер. Другое дело — плодовая мушка Drosophila bifurca. Когда самец мушки продуцирует сперматозоиды, каждая клетка свернута в клубок, при разматывании которого получается почти 6 сантиметров — в 20 раз длиннее самого самца [1]. У человека длина сперматозоидов всего 0,005 сантиметра. Они содержат лишь программное обеспечение ДНК, привязанное к динеиновому молекулярному мотору, наряду с дополнительным и более древним генетическим материалом в форме РНК, а также центриоль — крошечное тельце, которое помогает организовать веретенообразный скелет из нитей, обеспечивающих сегрегацию хромосом при клеточных делениях после оплодотворения.
Инструкции РНК охватывают оплодотворенную яйцеклетку раньше ДНК, чтобы заставить нового индивидуума действовать, а не ждать, словно компьютер во время загрузки операционной системы, и тем самым внести изменения в следующее поколение. Например, повышенное количество одного из многочисленных типов маленьких РНК в сперматозоидах мышей, подвергнутых стрессу, может привести к изменению стрессовой реакции у взрослого потомства. Более того, на PHК сперматозоидов влияет характер питания, который может изменить регуляцию генов у потомства и вызвать нарушение обмена веществ [2].
Когда появляется индивидуум
Многие думают, что жизнь начинается со встречи сперматозоида и яйцеклетки. Это не совсем так, если представить индивидуума как смесь ДНК матери и отца, ведь окончательное смешение родительских генов происходит не в момент оплодотворения, а через несколько часов, во время первого клеточного деления.
До него мужская и женская ДНК лежат отдельно в двух сферических структурах — пронуклеусах. Оба генетических набора мигрируют к центру яйцеклетки, но не собираются вместе до тех пор, пока молекулы ДНК, общая длина которых в районе двух метров, не сконденсируются[9] в хромосомы, которые можно перемещать с помощью так называемого веретена — нитей из микротрубочек.
Запертый внутри оболочки zona pellucida, эмбрион первоначально создает все больше и больше
