Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Клетка делится.
Наверное, самое ответственное событие в жизненном цикле клетки – момент, когда она дает начало дочерним клеткам. Не все клетки умеют воспроизводиться; некоторые, такие как нейроны, подвергаются окончательному делению и больше никогда не делятся. Но каждая клетка рождена другой клеткой – Omnis cellula e cellula. Как однажды заметил французский биолог Франсуа Жакоб, “мечта каждой клетки – стать двумя клетками”2 (за исключением, конечно, тех, которые отказались от мечты вовсе).
В концептуальном плане деление клеток животных можно рассматривать в качестве решения двух задач – производства и воспроизводства. Под производством я подразумеваю создание новых клеток для строительства, роста или лечения организма. Клетки кожи делятся для заживления ран, Т-клетки делятся для обеспечения иммунного ответа – клетки дают жизнь новым клеткам, чтобы произвести ткань или орган или выполнить свою функцию.
Совсем другое дело, когда в человеческом теле формируются сперматозоиды или яйцеклетки. Эти клетки нужны для воспроизводства – они делятся не для создания нового органа или выполнения своей функции, а для построения нового организма.
В организме человека и прочих многоклеточных существ процесс производства новых клеток для создания органов и тканей называется митозом – от греческого слова mitos, что означает “нить”. А рождение новых клеток – сперматозоидов и яйцеклеток – для целей воспроизводства (производства нового организма) называется мейозом, от греческого слова meion, означающего “уменьшение”.
Митоз был открыт немецким ученым – разочарованным близоруким военным врачом, искавшим новых путей в биологии. Сын психиатра Вальтер Флемминг учился на врача в 1860-е годы3. Как и Рудольф Вирхов, он посещал военную медицинскую школу и, опять-таки как и Вирхов, нашел эту область косной и негибкой – и вскоре занялся изучением клеток. Человек, как и любой многоклеточный организм, состоит из клеток, но процесс построения целого организма из клеток (из одной до нескольких миллиардов) оставался загадкой. В 1870-е годы Флемминга особенно заинтересовала анатомия клетки, и он стал окрашивать ткани организма анилиновыми красителями и их производными, надеясь обнаружить внутриклеточные структуры.
Поначалу он видел очень мало. Окрашивалось лишь туманное волокнистое вещество, сосредоточенное по большей части в ядре – сферической, окруженной мембраной внутриклеточной структуре, впервые обнаруженной шотландским ботаником Робертом Брауном в 1830-е годы.
Вслед за своим коллегой Вильгельмом фон Вальдейером-Гарцем Флемминг называл нитевидные структуры в ядре нейтральным словом “хромосомы”, что означает буквально “цветные тела”. Его интересовала их функция и поведение в процессе клеточного деления. И поэтому он смотрел на делящиеся клетки под микроскопом. Но смотреть – не означает видеть. Видение – настоящее видение – подразумевает понимание. Другие ученые, такие как Моль и Ремак, уже видели делящиеся клетки, но не сделали почти никаких заключений по поводу регуляции этого процесса или его стадий. Флемминг понимал, что они смотрели на клетки, но не внутрь клеток. В 1878 году он сделал важнейшее открытие: он проследил за процессом деления клеток с помощью микроскопа, окрашивая хромосомы синим красителем и наблюдая за поведением хромосом и ядра.
Что делали хромосомы? И как ядро или содержащиеся в нем хромосомы связаны с делением клетки? “Какие силы действуют при делении клетки?” – такой вопрос ставил он в статье из двух частей, написанных в 1878 и 1880 годах. “Следуют ли изменения положения видимых оформленных структур клетки [ядра и хромосом в процессе деления клетки] какой-то схеме и, если да, что это за схема[50]?4
Флемминг нашел эту схему, и она оказалась удивительно последовательной[51]. Она состоит из строго определенных этапов, как военная тренировка. Флемминг обнаружил одинаковый ритм деления клеток фактически во всех видах организмов: в личинках саламандры, в делящихся клетках млекопитающих, земноводных и рыб. Это был потрясающий результат: никто до него не мог даже вообразить, что деление клеток столь разных организмов происходит по практически идентичной ритмичной схеме.
Как установил Флемминг, на первом этапе деления происходила конденсация нитевидных хромосом с образованием плотных пучков (он называл их “мотками”). Краситель прочно связывался с ними, и хромосомы выглядели под микроскопом как катушки ниток, окрашенных густым индиго. Затем конденсированные хромосомы удваивались и разделялись вдоль клеточной оси с образованием структур, которые Флемминг сравнивал с парой взорвавшихся звезд. “На последовательных стадиях в процессе деления формируются ядерные фигуры”, – писал он5. Ядерная мембрана распадалась, и ядро тоже начинало расщепляться. Наконец, делилась сама клетка, ее мембрана распадалась на фрагменты, и возникали две дочерние клетки.
Последовательные стадии митоза, или клеточного деления, изображенные Вальтером Флеммингом. Сначала хромосомы присутствуют в ядре в виде размотанных нитей. На первом рисунке показаны две соседние клетки – в каждой есть ядро с деконденсированными хромосомами. Затем нити уплотняются с образованием тугих пучков. Ядерная мембрана распадается, и хромосомы расходятся в две стороны клетки, словно движимые какой-то силой. Потом они полностью разъединяются (предпоследний рисунок), и клетка расщепляется, давая начало двум новым клеткам.
Оказавшись в ядрах дочерних клеток, хромосомы медленно переходили из конденсированной формы обратно в аморфную “покоящуюся” форму, как бы возвращаясь к исходной точке клеточного деления. Поскольку поначалу хромосомы удваивались, а затем в процессе деления клетки попарно разделялись, число хромосом в клетках оставалось прежним. Сначала из сорока шести хромосом образовывались девяносто две, а потом в результате деления клетки надвое их число возвращалось к сорока шести. Флемминг назвал этот процесс “гомотопическим”, или “консервативным”, делением: родительские клетки и дочерние клетки в конечном итоге имели одинаковое, “консервативное” число хромосом[52]. В период с 1880-х и до начала 1900-х годов биологи Теодор Бовери, Оскар Хертвиг и Эдмунд Уилсон прояснили многочисленные детали этой основной схемы клеточного деления, проанализировав отдельные этапы описанного Флеммингом процесса.
Флемминг описал весь процесс в виде цикла: нитевидные хромосомы конденсируются в пучки, расщепляются, а затем возвращаются в состояние покоя. А затем они вновь принимают компактную форму и расходятся опять, когда клетка готова к следующему циклу деления. Конденсация, расщепление и рассредоточение – как будто дыхание жизни.
Но должен существовать и какой-то другой тип клеточного деления – тот, который приводит к воспроизводству. Задним числом легко понять, что динамика этого способа деления не может быть такой же, как при митозе, – элементарная арифметика. Как мы знаем, в результате митоза дочерние клетки получают такое же количество хромосом, как у родительской клетки. Скажем, все начинается с сорока шести хромосом (столько их в человеческих клетках), потом число хромосом удваивается до девяноста двух, а затем каждая дочерняя клетка получает половину (опять сорок шесть).
Но ведь при воспроизводстве расчет не
