Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком - Магдалена Зерницка-Гетц
Во время дробления эмбрион не растет. Тем самым он откладывает стимулирующее рост питание, пока не станет многоклеточным и не сможет выделить для приема пищи отдельные части. В ходе этой важной прелюдии он вкладывает ресурсы в одну из самых существенных задач, поручая своим клеткам превратиться в три разные группы стволовых клеток, необходимых для формирования зачатков всех типов клеток, что будут развиваться в дальнейшем.
Первая группа стволовых клеток (эпибласт) может показаться самой ценной, поскольку из нее будет формироваться ребенок. Вторая группа стволовых клеток (трофэктодерма) будет создавать плаценту — орган, через который ребенок получает от матери питательные вещества. Третья группа (примитивная энтодерма) сформирует мешок, в котором ребенок будет расти. Больше вкладываясь в нарушение симметрии, ведущее к дифференциации, а не увеличению размера, эмбрион, к счастью, может отложить ускоряющее рост питание, пока не сформирует у себя отдельные части, которым и отведет функцию «закупки продовольствия».
Генерация трех типов стволовых клеток из одной оплодотворенной яйцеклетки обозначает ключевой этап нарушения симметрии, начало клеточной специализации. В ходе онтогенеза судьба клеток будет решаться еще не раз, пока не сформируется взрослый организм, состоящий из сотен типов клеток, которые выполняют самые разные функции, чтобы сохранить нам жизнь и сделать нас теми, кто мы есть.
Когда в процессе работы с GFP у меня сложилось заманчивое предположение о возможном источнике нарушения симметрии, прокладывающем путь для клеточной специализации, я удивилась, насколько рано это путешествие начинается. Мы с Каролиной решили глубже исследовать наше открытие, задав себе один простой вопрос: зависит ли хоть как-то первое нарушение симметрии в эмбрионе от места проникновения сперматозоида в яйцеклетку? У других животных зависит, например у лягушек и нематод, но как обстоят дела у млекопитающих вроде мышей?
Искусство симметрии
Описывая зарождение жизни, обычно рисуют картину, где сперматозоид устремляется вперед, чтобы прикрепиться, а затем слиться с ровной округлой яйцеклеткой. Если все верно, то было бы бессмысленно спрашивать о том, влияет ли на будущее развитие место проникновения сперматозоида. Все места на поверхности такой идеализированной яйцеклетки были бы одинаковы. Однако, безусловно, существует точка отсчета, эквивалент знака «проход здесь» в виде полярного тельца.
Полярное тельце образуется в результате асимметричного процесса мейоза, когда клеточный «скелет» (веретено), сформировавшийся для содействия делению, движется от центра клетки к ее краю, чтобы получилось большое яйцо и маленькое полярное (направительное) тельце. Можно предположить, что симметрию яйцеклетки нарушает именно миграция веретена с хромосомами, помогающая выделению полярного тельца. И действительно, многие замечали, что оно располагается в плоскости деления оплодотворенной яйцеклетки. Уже знакомый нам Ричард Гарднер обнаружил, что полярное тельце остается привязанным к яйцеклетке и не только намечает плоскость первого дробления, где яйцеклетка расщепляется надвое, но и через несколько дней определяет ось симметрии бластоцисты [3]. Его открытие вдохновило нас. Может ли информация о расположении оси сохраняться в яйцеклетке вплоть до стадии бластоцисты и есть ли другие факторы, влияющие на онтогенетическую симметрию? На этом этапе мы с Каролиной решили посмотреть, является ли место проникновения сперматозоида второй позиционной подсказкой.
Точно так же, как локализация на земной поверхности относительно Северного полюса определяет так называемую линию долготы, место проникновения сперматозоида могло бы служить еще одной точкой относительно положения полярного тельца, что мы с Каролиной и захотели выяснить. Если это правда, то плоскость первого дробления была бы определена еще точнее. Это казалось разумным, поскольку и образование полярного тельца, и проникновение сперматозоида перестраивают клеточный скелет, который позже будет использоваться при дроблении яйцеклетки. Если мы ошибались, то плоскость первого дробления закладывается как попало по отношению к месту, через которое проник сперматозоид.
Современные технологии значительно упростили бы нам задачу. Мы могли бы заснять весь процесс и посмотреть, что происходит между проникновением сперматозоида и последующими клеточными делениями. Однако в то время такой технологии не существовало. Нельзя было и заснять развитие мышиного эмбриона с момента оплодотворения до наступающей через несколько дней стадии бластоцисты. Вместо этого нам пришлось придумывать способ маркировки места проникновения сперматозоида, чтобы потом отследить, как оно соотносится с плоскостью, вдоль которой оплодотворенная яйцеклетка будет делиться несколькими часами позже.
Сначала я подумала о том, чтобы прилепить что-нибудь естественное и крохотное (вроде эмбриональной стволовой клетки) к месту проникновения сперматозоида сразу после оплодотворения, пока это место еще заметно, но затем мне пришла в голову простая идея использовать малюсенькие флуоресцентные гранулы, невидимые невооруженным глазом. Это сработало, но жаль, что я не дала им какое-нибудь затейливое научное название, например, «микросферы». Конечно, порицание со стороны коллег волновало меня больше, чем присвоение названий, но дело в том, что слово «гранулы» уж очень невзрачное, и этим, как мы с грустью обнаружили, не преминули воспользоваться критики, чтобы принизить нашу работу.
Поначалу место проникновения сперматозоида легко можно различить. Он оставляет за собой небольшой бугорок под названием «конус оплодотворения». Построенный из цитоскелета яйцеклетки и состоящий из нитей белка актина, этот бугорок сохраняется примерно полчаса. Этого хватит, чтобы вставить одну-две гранулы и промаркировать место. Чтобы прилепить гранулы, мы окунали их в смесь белков фитогемагглютининов, которые обычно используют для склеивания клеток друг с другом. Руки человека не вполне устойчивы, поэтому Каролина подбирала липкую гранулу с помощью робота-манипулятора и помещала ее на поверхность свежеоплодотворенной яйцеклетки, которая лежала совершенно неподвижно благодаря другой роботизированной «руке».
Хотя гранула и крошечная, всего 1-2 микрона в поперечнике, под ультрафиолетом она выглядит гораздо более крупным зеленым пятном, по которому ее легко отследить. Наблюдая развитие оплодотворенной яйцеклетки, мы обнаружили, что после первого дробления гранула оказывается на границе между двумя клетками или очень близко от нее.
Мы всегда должны подвергать сомнению наши мысли и открытия. Могло быть так, что гранула, помещенная на любую точку поверхности яйцеклетки, впоследствии просто проваливается в борозду дробления. Для проверки мы сделали контрольные эксперименты, в ходе которых Каролина помещала похожую гранулу на точку поверхности яйцеклетки, выбранную в случайном порядке. Результат обнадеживал: гранула не проваливалась в борозду, возникавшую при клеточном делении. Это позволяло предположить, что место проникновения сперматозоида каким-то образом «запоминалось» и становилось предпочитаемым местом деления оплодотворенной яйцеклетки. Другими словами, если мы правы, то яйцеклетка склонна дробиться вдоль определенной плоскости, а не как попало.
Догадки осеняли нас одна за другой. При переходе от двухклеточной стадии к четырехклеточной клетка, унаследовавшая маркер входа сперматозоида, была склонна делиться первой. Могло ли
