Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Нёрс – выходец из рабочей семьи. “Мой отец был рабочим, – рассказывал он журналисту в 2014 году. – Мама была уборщицей. Все братья и сестры закончили учебу в пятнадцать лет. Я был не таким. Я сдал экзамены, как-то попал в университет, получил стипендию, защитился”7. Через несколько десятков лет после окончания университета Нёрс узнал, что его “сестра” на самом деле приходилась ему матерью. Он был внебрачным ребенком, и его воспитала бабушка, игравшая роль матери до тех пор, пока секрет не раскрылся много лет спустя, когда Нёрсу уже перевалило за шестьдесят. Он невозмутимо рассказывал мне все это, когда мы подъезжали к Утрехту. Глаза его блестели. “Воспроизводство не такой простой процесс, как может показаться”, – сухо добавил он.
Руководитель Нёрса в Эдинбургском университете Мёрдок Митчисон исследовал клеточный цикл определенного штамма дрожжей, называемых делящимися дрожжами, которые размножаются, как человеческие клетки, расщепляясь посредине. Более распространенный способ размножения дрожжей заключается в почковании, когда дочерняя клетка нарастает на родительской, как маленькая почка.
В 1980-е годы Нёрс начал выращивать мутантные дрожжи, которые делятся неправильно. Примерно в шести тысячах километров от него, в Сиэтле, клеточный биолог Лиланд Хартвелл использовал ту же стратегию; он тоже охотился за генами, которые управляли клеточным циклом и делением клетки, и производил мутантов почкующихся пекарских дрожжей.
Хартвелл и Нёрс надеялись, что мутанты подскажут им, как найти нормальные гены, контролирующие клеточное деление. Это старый прием в биологии: чтобы понять нормальный физиологический механизм, нужно повредить физиологическую функцию. Анатом может перерезать или перевязать животному артерию, чтобы увидеть, какая часть тела перестанет снабжаться кровью, и в результате понять функцию артерии. А генетик может вызвать мутацию гена, чтобы нарушить генетический процесс, например деление клетки, и в результате найти гены, отвечающие за управление процессом митоза.
Летом 1982 года клеточный биолог Тим Хант из Кембриджского университета отправился в Морскую биологическую лабораторию в Вудс-Хоуле в Массачусетсе, на живописном полуострове Кейп-Код, чтобы помогать вести там курс эмбриологии. Туристы в шортах с изображением китов и в льняных рубашках съезжаются на Кейп-Код, чтобы поесть жареных моллюсков и полежать в шезлонгах на широких песчаных пляжах. А ученые – чтобы искать мелкие каменистые заливы, где водятся моллюски и еще чаще – морские ежи.
Икра морских ежей – весьма ценный материал, поскольку представляет собой очень хорошую и крупную экспериментальную модель. Если ввести самке морского ежа простой солевой раствор, она очень быстро произведет дюжины оранжевых икринок. Оплодотворите их спермой морского ежа, и образуется зигота, которая начнет развиваться как по часам, формируя новое многоклеточное животное. Многие ученые, такие как Флемминг в 1870-е, эмбриолог Эрнест Эверетт Джаст в начале 1900-х и Хант в 1980-е годы, использовали этих округлых игольчатых существ с их чувственными лоскутами плоти (кому вообще пришло в голову их есть?) в качестве модели для изучения оплодотворения, деления клеток и эмбрионального развития. Морские ежи сыграли в изучении клеточного цикла такую же роль, как дрозофилы в ранних генетических исследованиях.
Хант хотел понять, как контролируется синтез белков после оплодотворения, но это была медленная и скучная работа. “К 1982 году работа по анализу синтеза белков в яйцеклетке морских ежей почти остановилась; все идеи, проверенные мной и моими студентами, оказались ложными, и само основание системы, по сути, было ошибочным”, – писал он8.
Но в сумерках 22 июля 1982 года Хант заметил нечто удивительное: ровно за десять минут до начала деления оплодотворенной яйцеклетки морского ежа увеличилась, а потом снизилась концентрация одного белка. Это было ритмичное и систематическое явление, как оборот лопастей ветряной мельницы. В тот же вечер на семинаре, закончившемся ужином с вином и сыром, Хант узнал, что другие ученые, в том числе Марк Киршнер из Гарварда, тоже ломали голову над тем, как клетки переходят из одной фазы в другую в процессе образования сперматозоидов и яйцеклеток, т. е. при мейозе. Хант подумал, что появление и исчезновение белка могло свидетельствовать о переходе из одной фазы цикла в следующую. Он едва успел допить свой бокал вина и тут же вновь оказался в лаборатории.
В последующие десять лет Хант каждый год приезжал на Кейп-Код со своей переносной лабораторией: “с пробирками, наконечниками для пипеток, пластинками с гелем и даже с перистальтическим насосом”9, пытаясь понять механизмы, обеспечивающие переходы между фазами клеточного цикла. К зиме 1986 года Хант и его студенты нашли еще несколько белков, концентрация которых увеличивалась и уменьшалась точно в соответствии с фазами митотического деления. Один нарастал и снижался точно в период фазы S (когда удваиваются хромосомы). Другой – в фазе G2 (вторая контрольная точка перед началом деления). Хант назвал эти белки циклинами, поскольку любил ездить на велосипеде[56]. Вскоре он обнаружил, что это название весьма точно: белки находились в постоянной координации с фазами цикла клеточного деления. И название прижилось.
Тем временем Нёрс и Хартвелл подбирались к генам, контролирующим клеточный цикл, с помощью мутантных дрожжевых клеток. Они тоже обнаружили несколько генов, связанных с разными фазами клеточного деления. В конце 1980-х годов они назвали их генами cdc, а позднее – cdk[57]. Белки, кодируемые этими генами, также получили в названии приставку CDK.
Но в этих двух направлениях исследований оставалась загадка. Несмотря на очевидную сходимость результатов, две исследовательские группы нашли разные белки – за одним важным исключением: в одном штамме Нёрса мутация действительно произошла в гене, напоминающем ген циклина.
Почему? Почему Хант в поисках регуляторов клеточного цикла обнаружил белки семейства Cyclin, а Хартвелл и Нёрс идентифицировали совсем другой (почти совсем другой) набор белков, координирующих деление клетки? Как будто две группы математиков, решавших одно и то же уравнение, пришли к двум разным ответам, которые как минимум методически оба выглядят правильными. Короче говоря, какая связь между белками семейства Cyclin и белками CDK?
В 1980-е и 1990-е годы группы Ханта, Хартвелла и Нёрса нашли связь между всеми этими данными, в частности, соотнесли роль белков Cyclin и CDK в клеточном цикле. В регуляции фаз клеточного цикла эти белки действуют сообща. Они являются партнерами и коллегами и связаны в функциональном, генетическом и даже физическом плане. Это “инь и ян” клеточного цикла.
Теперь мы знаем, что конкретный белок Cyclin связывается с конкретным белком CDK и активирует его. Активация приводит к каскаду молекулярных событий в клетке – от одной активированной молекулы к другой, заставляя клетку
