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

Однако создать успешный союз между разными типами стволовых клеток in vitro проще на словах, чем на деле. Поначалу мы, коротко говоря, не смогли заставить все клетки расти в одной среде и «договариваться» между собой. Но позже нам действительно удалось подтолкнуть ЭС-клетки к сотрудничеству с ГС-клетками, поместив их во внеклеточный матрикс из матригеля. Этот матрикс важен, поскольку заменяет собой третий недостающий тип ткани, примитивную энтодерму, ведь именно она индуцирует первый критический шаг самоорганизации — поляризацию клеток.

Пошаговая сборка эмбриона

Если бы мы занимались настоящей клеточной инженерией, мы бы складывали эмбрион из отдельных клеток, как ребенок по кирпичику собирает конструктор Лего. Мы смешали в чашке Петри два типа ткани в разных концентрациях и позволили клеткам взаимодействовать в случайном порядке. На второй день проверка под микроскопом показала, что некоторые клетки и в самом деле начали взаимодействовать и собираться в структуры. Их было немного, так как они формировались за счет непредсказуемых встреч, но когда эти ЭС- и ГС-клетки объединялись, их самоорганизация была изумительной — они как будто знали, что им делать, и преследовали конкретную цель.

Глядя в микроскоп во мраке лабораторной комнаты, мы стали свидетелями многих фундаментальных процессов развития. Первым делом мы увидели поляризацию клеток. Следуя ей, стволовые клетки организовывали себя таким образом, чтобы ЭС-клетки скапливались на одном конце, а ГС-клетки на другом. Затем в пределах каждого скопления открывалась полость и, благодаря диалогу между эмбриональными (производными ЭС-клеток) и внеэмбриональными (производными ГС-клеток) компартментами, получалась трехмерная структура в виде восьмерки. Мы выяснили, что при этом происходит передача сигнала с помощью белка Nodal[19]. Две полости в итоге сливались в одну с образованием крупной, так называемой проамниотической полости, существенной для развития эмбриона. Казалось, что этот люминогенез был идентичен таковому в естественном эмбрионе вскоре после имплантации. Мы стали свидетелями потрясающего подвига самоорганизации.

Но, как всегда, нам захотелось пойти дальше и сделать так, чтобы идентичные клетки в ЭС-производной части эмбриона нарушили свою симметрию должным образом. Я имею в виду попытку гаструляции — критический шаг, закладывающий основы будущего плана тела.

Мы обнаружили, что, если позволить структурам из ЭС- и ГС-клеток развиваться чуть дольше, они действительно нарушают свою симметрию. Как и в естественных эмбрионах, на границе между эмбриональными и внеэмбриональными компартментами начинается экспрессия генов, таких как Brachyury. Ген Brachyury очень важен, поскольку играет роль в формировании мезодермы и передне-задней оси симметрии [13]. Увиденное заставило замереть мое сердце и повергло в трепет всю лабораторию.

Архитектура этих эмбрионоподобных структур была достаточно близка к естественному эмбриону, чтобы приоткрыть тайны его развития на стадии имплантации в теле матери. Было очевидно, что эти ЭС-плюс-ГС-структуры имитировали морфологию и паттерны эмбриона намного точнее, чем одни только ЭС-клетки, и служили гораздо более правдивой моделью развития.

В каком-то смысле эти два вида стволовых клеток напоминали танцоров, сообщающих друг другу, где им расположиться в пределах эмбриона. Без этого па-де-де правильное развитие очертаний и форм и своевременное задействование ключевых биологических механизмов было бы невозможным. Мы также обнаружили, что, как и при естественном развитии, эти паттерны контролируются сигнальными путями Wnt и BMP, Bone Morphogenetic Protein (костного морфогенетического белка).

Когда мы с Сарой увидели формирование первых структур, странноватых, но кажущихся совершенными, мы не поверили своим глазам. Я восхищалась ими тогда и восхищаюсь теперь, когда пишу эти строки. Той осенью я поставила большую часть своей личной жизни на паузу, сопоставляя полученные результаты и описывая их для статьи. Темп моей работы, наверное, сводил Сару с ума, ведь я требовала от нее больше экспериментов, больше проверок и так далее и тому подобное, чтобы убедиться, что мы ничего не упустили и верно истолковали все данные.

Сара была очень преданной и организованной. Но возникла одна чисто практическая проблема. Согласно одному из условий ее докторской программы, она должна была несколько месяцев поработать с промышленным партнером. Чтобы помочь Саре закончить работу, я попросила еще одну аспирантку из Университета Акдениз в Анталии (Турция) приехать ко мне в лабораторию.

Так к Саре присоединилась Берна Созен. Я думаю, что поступила правильно. Поначалу Берна собиралась пробыть в моей лаборатории всего один год, но этот опыт изменил ее жизнь, и Берна осталась с нами заниматься своими постдокторскими исследованиями.