Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком

В дополнение к лабораторным исследованиям я решила выяснить, не сказано ли в знаменитой статье Тьюринга что-нибудь о способности единственной клетки размножаться и дифференцироваться в клетки с определенной судьбой, чтобы сравнить это с нынешними представлениями. На этот раз я работала вместе с блестящим коллегой Ци Чэнем, постдоком из его команды Цзюньчао Ши, который теперь в Калифорнийском университете в Риверсайде, а также И Тао из Центра вычислительной и эволюционной биологии в Китае [25].

Мы знаем, что на третий день после оплодотворения неизбежно появляются две отдельные группы клеток: одна представляет собой внутреннюю клеточную массу, развивающуюся в собственно эмбрион, а вторая — трофоэктодерма, формирующая плаценту. Но что, по мнению Тьюринга, запускает эти изменения? Тьюринг показал, что даже крошечное возмущение в уровнях транскриптов или белков из-за внешнего сигнала либо небольшие различия между клетками в способе считывания генов потенциально могут усиливаться в паттерн. Шум или ошибки могут быть одной из причин. Наши результаты предполагали, что эти изменения присутствуют на ранней стадии, когда есть всего две или четыре клетки, и могут быть основаны на внутренних различиях между этими клетками.

У клеток тоже есть анатомия. Заглянув внутрь одной из них, можно увидеть различные компоненты, такие как ядро, где находится ДНК; лепешкообразные митохондрии — клеточные силовые станции; эндоплазматический ретикулум, где происходит укладка новых белков; и пероксисомы, внутри которых расщепляются жирные кислоты.

Нам пришла в голову новая идея: может ли анатомия клеток быть окончательным источником нарушения симметрии [26]? Может ли, например, одностороннее распределение органелл наподобие митохондрий повлиять на судьбу дочерних клеток? В самом деле, некоторые депонированные материнские белки, необходимые для жизнеспособности эмбрионов млекопитающих, такие как группа под названием «подкорковый материнский комплекс», смещены от центра клетки не только у мышей, но и у ранних человеческих эмбрионов. Предметом исследований, опубликованных нами в 2018 году в журнале Cell, был фермент CARM1 (связанный с коактиватором аргининметилтрансфераза, широко влияющий на экспрессию генов и количество производимого ими белка). Мы обнаружили, что в эмбрионе мыши он накапливается в основном в параспеклах (частицах, расположенных в ядре клетки) между двух- и четырехклеточной стадиями [27]. Параспеклы могли бы посылать химические сигналы, которые, согласно теории реакции-диффузии Тьюринга, после усиления способны влиять на судьбу клетки, причем не обязательно при следующем делении, а позже.

Я расскажу в следующей главе о том, как в течение десятилетия, последовавшего за нашим спорным открытием, другие научные команды подтвердили наши результаты и зашли еще дальше. Моя же команда продолжила отслеживать развитие сотен эмбрионов, чтобы выяснить, как решается судьба клеток классического эмбриона млекопитающих — эмбриона мыши. В итоге мы получили еще больше свидетельств существования легкого, но важного уклона, раскрыв новые необыкновенные детали нарушения симметрии на заре жизни.

Глава 5Рождение плана тела

Как многие эмбриологи, я в долгу перед свирепыми отпрысками Тифона и Ехидны, этой парочки чудовищ, наводнивших кошмарами сны древних греков. Согласно мифологии, верхняя часть Ехидны была телом молодой нимфы, а нижняя — хвостом огромной змеи. Ее супруг Тифон был леденящим душу монстром с сотней драконьих голов.

Союз этих смешанных созданий подарил греческой мифологии многих фантастических чудищ, таких как трехглавый пес Цербер, охраняющий врата Аида, многоголовая змея Гидра или Сфинкс с головой женщины и телом крылатого льва (смотря какому источнику верить). Сегодня Цербером вполне уместно называют ген, принимающий участие в формировании головы. Это один из генов, который я отслеживала долгие годы, и до сих пор отслеживаю с помощью GFP, чтобы понять, как развивается ось голова—хвост [1]. Но из всего этого странного и страшноватого потомства неожиданно значимым и полезным существом оказалась Химера.

Ее именем названа мощная концепция гетерогенного существа, получившая огромный резонанс не только среди ученых, но и среди обычных людей. Гомер описывал Химеру как «существо бессмертное, не человеческое, спереди лев, сзади змея и коза посередине» [2]. Среди ученых термин «химера» был впервые использован в 1907 году ботаником Гансом Винклером в контексте селекции растений.

Сама идея химеры бросает вызов представлениям об идентичности, видовой принадлежности и личности, и такая провокация просто бесценна для понимания устройства нашего тела. В современной эмбриологии этот пластичный и модульный взгляд позволяет экспериментировать с онтогенетическим развитием плана тела, смешивая и перетасовывая клетки раннего эмбриона.