Она смеётся, как мать. Могущество и причуды наследственности

Мэри Лайон сделала гораздо больше, чем просто показала, как женщины живут с двумя X-хромосомами. Она дала нам представление о том, какими способами наследственность работает внутри нашего организма. Ее теория объясняет, каким образом клетки могут зафиксировать состояние, в котором работают одни гены и не работают другие, и передать его своим потомкам. Оказывается, это позволяет клеткам на начальных этапах развития эмбриона превращаться в различные ткани и органы. За те десятилетия, что прошли со времени новаторской работы Лайон, ученые выяснили и дополнительные этапы этого процесса[788]. Путешествие, которое начинается с зачатия, продолжается через эмбриональное развитие и длится до конца наших дней.

В момент оплодотворения, когда сперматозоид сливается с яйцеклеткой и загружает в нее свой набор хромосом и других молекул, включаются определенные гены и зигота становится тотипотентной клеткой. Это значит, что она имеет возможность развиваться по-разному. Одна-единственная клетка зиготы способна стать любой клеткой организма и даже плаценты. Когда зигота делится, получаются две новые тотипотентные клетки, затем четыре. Если врач извлечет одну из этих тотипотентных клеток и поместит в чашку Петри, она сможет развиться в целый эмбрион с плацентой.

Другими словами, данные клетки унаследовали от материнских не только ДНК, но и их тотипотентность. Это состояние передается от одного поколения клеток к другому благодаря молекулам, плавающим вокруг ДНК и определяющим, какие гены клетка использует, а какие подавляет. Несколько главных генов (олигогенов) создают мощные белки, каждый из которых удерживает сотни других генов во включенном или выключенном состоянии. Главные гены также поддерживают работу друг друга с помощью петель обратной связи[789]. Один ген активизирует второй, который включает третий, а тот, в свою очередь, поддерживает работу первого. Когда тотипотентная клетка делится, ее дочерние клетки наследуют ту же сбалансированную систему белков. Эти молекулы продолжают управлять ДНК в двух новых клетках, поэтому новая клетка наследует родительскую тотипотентность[790].

Тотипотентные клетки могут поддерживать этот тонкий баланс в течение нескольких делений. Но затем каждая новая клетка теряет свою тотипотентность, диапазон ее будущих возможностей сужается. Клетки внешнего слоя стремятся образовать плаценту. Другие клетки, образующие скопление внутри внешнего слоя, могут стать только частью самого эмбриона. Теперь они не тотипотентные, а плюрипотентные, но перед ними все еще несколько разных вариантов будущего.

Эти клетки меняют свои свойства, потому что у них перестраивается система, состоящая из генов и белков. Синтез белков с главных генов в тотипотентной клетке не идет так гладко, как на конвейере. Иногда эта молекулярная машинерия застопоривается, и создание белков замедляется. Иногда она ускоряется, и происходит резкое увеличение содержания этих молекул.

Такие колебания могут выводить из строя петли обратной связи в клетке[791].

Nanog – один из главных генов в тотипотентной клетке – удерживает многие гены выключенными. Если клетка не произведет достаточного количества белка NANOG, подавленные гены активируются и выключат сам ген nanog. Когда эти генетические сети перестроятся, они уже не смогут вернуться в прежнее состояние. Клетка превратится из тотипотентной в плюрипотентную.

Плюрипотентные клетки продвигаются дальше по ландшафту Уоддингтона, попадая в еще более глубокие канавки и сужая еще сильнее свои возможности. Случайные колебания синтеза белков вместе с сигналами от соседних клеток помогают им двигаться вперед. Плюрипотентные клетки оказываются в одном из трех зародышевых слоев. После того как клетка превратится в часть мезодермы, она потеряет шанс стать фрагментом одного из других зародышевых листков, чтобы участвовать в создании глаза или легкого. И с каждым новым сужением возможностей все сильнее работает долгосрочная регуляция ДНК с помощью метилирования генов. Клетки выключают многие свои гены настолько глубоко, что те более не имеют шансов стать включенными снова. Генетические сети, которые определяют характерные свойства клетки кости, мышцы или кишечника, становятся надежнее и противостоят случайным колебаниям содержания белков. Когда такие клетки делятся, их потомство гарантированно относится к тому же типу, с тем же метилированием и теми же участками ДНК, намотанными на белковые катушки.

__________

Самое очевидное, что при делении передается по наследству дочерним клеткам, – это форма. В нервной системе эмбриона многие нейроны имеют вытянутую веретенообразную форму с двумя тонкими отростками (биполярные нейроны). Отростки отходят от крошечного тела клетки, в котором хранится ДНК. И когда нейрон делится, дочерние клетки получаются такими же вытянутыми и похожими на веретено.