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

Более того, Сэм помогла клетке с меньшей тотипотентностью генерировать больше плюрипотентных клеток. Она использовала для этого специальный препарат, воздействующий на два семейства сигнальных белков: факторы роста фибробластов (FGFs) и белки Wnt. Этот трюк позволил Сэм создать мышей-близнецов из двух отдельных клеток двухклеточного эмбриона. Ее исследование было опубликовано в 2012 году [30]. Сэм была одним из лучших участников моей команды и вложила всю свою душу во многие наши проекты, но эта работа была, наверное, ее наивысшим достижением. Так полвека спустя догма, настаивающая на одинаковости клеток двухклеточного эмбриона, была окончательно опровергнута.

Репликация

В 2004 году, в самом начале потасовки с Хиираги и Сольтером, Джон Гёрдон предупредил меня, что с учетом осторожного темпа научного прогресса пройдут десятилетия, прежде чем споры так или иначе улягутся. Он оказался совершенно прав, хотя скептики попадаются до сих пор. Через десять лет мы действительно обнаружили механизм, лежащий в основе паттернов, которые запускаются на гораздо более ранних этапах развития. Более того, другие ученые, устоявшие перед бурей и натиском дебатов, воспользовались мощными новейшими технологиями и получили те же результаты.

Несмотря на оппозицию, наши исследования были независимо воспроизведены коллегами по научной области. Например, команда физика Скотта Фрейзера (одного из наиболее выдающихся ученых, занимающихся эмбриональной визуализацией) из Калифорнийского технологического института продемонстрировала динамику транскрипционного фактора ОСТ4, контролирующего развитие мышиного эмбриона. Их превосходные эксперименты показали, что индивидуальные клетки четырехклеточного эмбриона имеют разную скорость перемещения ОСТ4 между ядром и цитоплазмой. Выяснилось, что чем дольше ОСТ4 задерживается в клеточном ядре, тем больше растет плюрипотентность данной клетки [31]. Или, говоря другими словами, чем медленнее ОСТ4 перемещается по клетке, тем выше вероятность того, что эта клетка разовьется в собственно эмбрион, в то время как клетки с более подвижным ОСТ4 больше вкладываются в развитие трофэктодермы.

Уже упомянутый мною Нико Плахта, первый автор этого исследования, вместе со своей командой продвинулся еще дальше. Используя метод визуализации взаимодействий факторов транскрипции и ДНК, он обнаружил, что критически важный для клеточной плюрипотентности SOX2 дольше всего остается связанным с ДНК в тех клетках четырехклеточного эмбриона, которые склонны формировать собственно эмбрион [32]. Команда Нико также выяснила, что эта разница обусловлена активностью фермента CARM1.

Еще одно доказательство ранних эмбриональных паттернов поступило от группы Кевина Эггана, получателя «Гранта для гениев» от Фонда Макартуров, чья команда использовала генетически маркированные клетки «радужных» мышей, где разные клеточные линии помечены разными цветами. Отслеживая судьбу клеток, группа Кевина подтвердила, что клетки четырехклеточного эмбриона не одинаковы и приобретают предрасположенность к определенному пути развития гораздо раньше, чем принято считать [33]. Эта работа была опубликована в журнале Current Biology, и я помню слова Кевина о том, как трудно ему пришлось из-за критики анонимных рецензентов, хотя результаты эксперимента были ясны как божий день.

Кроме того, они сделали важный шаг вперед и показали, что судьба клеток различается как на стадии бластоцисты, так и после имплантации эмбриона. Они заключили, что «уклон, наблюдаемый в бластоцисте, сохраняется на постимплантационных стадиях, а следовательно, имеет значение для всего последующего развития» [34]. Вместе с работами Скотта Фрейзера и Нико Плахты мы получаем превосходный пример непротиворечивости, когда независимые и несвязанные между собой исследователи приходят к одному и тому же выводу.

Хотя нам удалось мельком взглянуть на хронологию и механизм нарушения симметрии, многие вопросы остались без ответа. Один из них касается поляризации клеток на восьмиклеточной стадии: что является триггером и какой механизм гарантирует, что это случится именно на восьмиклеточной стадии, когда развитие эмбриона настолько гибкое? Есть ли у клеток какой-нибудь часовой механизм, говорящий им, что делать? Природа этого эмбрионального таймера — нынешняя страсть моей коллеги Мэн Чжу.

Но важнее всего то, что мы до сих пор ищем источник асимметрии, возникающей на четырехклеточной стадии. Похоже, на него влияет асимметрия на двухклеточной стадии, но откуда берется она? Имеет ли отношение ко всему этому асимметрия яйцеклетки вдоль анимально-вегетативной оси? Связана ли она с проникновением сперматозоида? Имеет ли значение переносимый сперматозоидом генетический груз в форме маленьких РНК? Или все перечисленные факторы оказывают влияние в различной степени, и именно поэтому источник асимметрии так трудно установить?

Во время перерыва в наших исследованиях развития четырехклеточных эмбрионов и до того, как мы занялись изучением молекулярных свойств отдельных клеток, я переключила интерес своей команды на более поздние стадии развития — те, что всегда были покрыты мраком тайны из-за невозможности наблюдать и экспериментировать с имплантированными эмбрионами, так называемым черным ящиком онтогенеза млекопитающих.

Раз мы затеяли эту научную авантюру, единственный способ отследить клеточную судьбу состоял в том, чтобы имплантировать приемной самке эмбрион с клеткой, помеченной GFP, а через несколько дней извлечь его и посмотреть, где окажутся потомки промаркированной клетки. Продолжает ли первый акт нарушения симметрии воздействовать на развитие эмбриона после имплантации, как предполагало исследование Кевина Эггана? Или вся память об этом событии стирается при создании плана тела?

Решением этого вопроса я занималась в середине 1990-х, однако в процессе интенсивного роста эмбриона после имплантации маркеры в большинстве случаев не сохранялись. Чтобы получить достаточное количество информации, эксперименты приходилось повторять снова и снова. Мне не хотелось возвращаться к этому расточительному методу. Более того, для понимания процесса важно непосредственное наблюдение, которое невозможно, когда эмбрион спрятан в теле матери.

Но если бы нам удалось это проследить, мы смогли бы понять, почему некоторые эмбрионы процветают, несмотря на клетки с аномальным набором хромосом. В том, что касается Саймона и обнаружения аномалий в пробах ворсинок хориона (CVS), взятых с соединяющей нас плаценты, в ходе экспериментов я могла бы найти им объяснение. Для изучения этой стадии развития надо было придумать такой способ, который позволил бы эмбрионам развиваться в лабораторных условиях дольше, чем когда-либо, в течение того периода, который они обычно проводят в теле матери.

Глава 6

Вскрытие черного ящика

Читая лекции, Скотт Фрейзер любит озадачить свою аудиторию следующим вопросом: насколько легко разгадать правила игры, которую никогда не видел и в которую никогда не играл? Чтобы проиллюстрировать сложность проблемы, он показывает фотоснимки игры в американский футбол — серию картинок с изображением всяких хадлов, тэклов, скрамов и, для пущей драматичности, пирамиды из черлидерш. Последовательно рассматривая варианты человеческих поз, трудно понять суть игры в целом [1].

По словам моего друга Скотта, отснявшего замечательные кадры развития эмбриона и в настоящее время являющегося директором по научным проектам в Университете Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе, есть много способов заполнить пробелы в понимании того, что происходит при столкновении двух футбольных команд. Так много, что трудно установить взаимосвязь последовательностей формаций и гарантировать верное объяснение. Аналогично, когда клеточные игроки эмбриональной команды сталкиваются с игроками материнской, тяжело разобраться в том, что произошло в интервале между одним снимком нагромождения клеток и другим. Это если вы вообще делали хоть какие-то снимки. Разумеется, выходом является непрерывная съемка эмбрионального развития, вроде той, что мы выполняли для более «молодых», преимплантационных эмбрионов. Из всех пробелов в понимании человеческого онтогенеза момент имплантации эмбриона в матку является одним из самых загадочных и одновременно критически важных.