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

Глава 4

Нарушение симметрии

История любой новой жизни — это история роста, развития и преобразования. Оплодотворенная яйцеклетка имеет необыкновенную способность делиться на множество клеток, самостоятельно выстраивающихся в уникально организованную материю — эмбрион, который со временем создаст организм человека. Каким образом некоторые клетки эмбриона становятся настолько непохожими на соседние, что создают организм, пока другие формируют плаценту? Все дело в нарушении симметрии.

Как только симметрия развивающегося эмбриона нарушается, клетки делают выбор, развиваясь в разных направлениях. Но почему? Из какой клетки раннего эмбриона появится плацента? Какая клетка проложит путь ребенку? У человеческого эмбриона есть и питающий его желток — так какая же клетка превратится в желточный мешок, внутри которого будет расти эмбрион?

Ко времени имплантации эмбриона все эти решения должны быть приняты. И каждое сопровождается событием, нарушающим симметрию.

Дальше предстоит еще больше таких событий. Например, из какой клетки эмбриона вырастет голова, а из какой сердце? Где будет верх, а где низ? Как отличить правую часть от левой? Заднюю от передней? Нарушение симметрии эмбриона является одним из важнейших процессов ранней жизни и основополагающих процессов для создания плана тела. Большая часть моих исследований в той или иной степени посвящена попыткам понять, когда и как по мере развития новой жизни эмбрион нарушает свою симметрию. Мне это кажется волшебством.

В этом великом деле партнерство и сотрудничество были моими помощниками. На пороге нового тысячелетия к нашей команде в качестве постдока[7] присоединилась Каролина Пиотровска из Польши. Каролина была необыкновенно одаренной в отношении манипуляций с эмбрионами, эдакий эмбриологический вариант тех, кого в Великобритании называют green fingers, или зеленые пальцы (возможно, они и вправду флуоресцировали зеленым свечением GFP). Для выполнения серии сложных экспериментов нужны легкая рука и ловкость. У Каролины были все эти навыки, а еще правильный ментальный настрой, ведь такая утомительная работа легко могла привести к ошибке.

Большинство аспирантов оказываются шокированы переходом от той мизерной информации, что преподается на курсе, к настоящей научной работе в лаборатории, где важна ловкость рук и где приходится осваивать новые навыки. Для многих является сюрпризом тот факт, что большая часть новаторских экспериментов, проводимых для подтверждения новых фактов и проверки новых идей, никогда не проходит гладко, по крайней мере, не сразу — понадобится терпение, чтобы создать правильные условия. Провал для исследовательских работ в порядке вещей. Мы учимся на ошибках и идем дальше. У Каролины было идеальное сочетание терпения, выдержки, целеустремленности и неиссякаемого оптимизма, позволявшее ей не сдаваться, если эксперимент не показывал ничего путного, и работать до тех пор, пока она не убеждалась, что все сделано правильно и что все контрольные эксперименты указывают на то, что результаты не являются артефактом (следствием эксперимента как такового) и потому заслуживают доверия.

Идеи, возникшие в результате нашей совместной работы, привели к моей первой публикации в Nature. Поскольку это престижный журнал, коллеги по-настоящему обратили на мою группу внимание. Наша работа произвела фурор. Но не в том смысле, в котором я ожидала.

Симметрия стала центром отвратительных дискуссий. Оглядываясь на прошлое с научной точки зрения, могу сказать, что это был самый тяжелый этап моей научной жизни, казавшийся бесконечным. Джон Гёрдон помог мне своей спасительной дружбой и поддержкой. В свое время он предупреждал, что, если мы обнаружим нечто действительно важное, но противоречащее существующей догме, пройдет десять лет, прежде чем наше открытие будет подтверждено и принято другими группами, и еще десять, прежде чем оно получит признание. Я оказалась просто еще одним человеком, пострадавшим в долгой борьбе за понимание премудростей симметрии. Это событие на годы стало моим тяжким бременем.

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.