Текст книги "Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир"

Автор книги: Рагувир Партасарати

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 21 страниц) [доступный отрывок для чтения: 8 страниц]

Если вы повернете свою левую руку ладонью к себе и пальцами вверх, ваш большой палец окажется слева, а мизинец – справа. Хотя мы с вами не встречались, я могу уверенно сказать, что ваши пальцы расположены именно так, а не наоборот и не в случайном порядке. Их расстановка определяется градиентом Sonic hedgehog: там, где белка больше всего, формируется мизинец, а там, где меньше, – большой палец. У других животных процесс аналогичен. В зачатке крыла цыпленка градиент Sonic hedgehog определяет порядок трех костных пальцев, которые формируются по схеме 3-2-1 в соответствии с профилем концентрации диффундирующего белка (см. верхнюю часть рисунка: размытием темного пятна обозначен градиент Sonic hedgehog, а кости показаны так, как они формируются у четырехдневного эмбриона). Пересадка ткани из места синтеза белка в одном зачатке крыла в область низкой его концентрации в другом зачатке создает два зеркальных профиля концентрации, располагающих шесть пальцев в порядке 3-2-1-1-2-3 (нижняя часть рисунка)⁵. Клетки просто считывают локальную концентрацию Sonic hedgehog, не ведая о странных манипуляциях, которые ее создали. В эксперименте Шэрил Тикл и ее коллег из британского Университета Бата закономерности развития куриных крыльев использовали, чтобы отследить процессы, определяющие судьбу каждого пальца позвоночных животных, и заодно установить, от каких динозавров произошли птицы. Концентрацию Hedgehog зародышевые клетки оценивают испокон веков. Его градиенты определяют, например, последовательность пальцев на вашей руке и последовательность присосок на щупальце каракатицы⁶, хотя последний общий предок человека и каракатицы жил более полумиллиарда лет назад. (Напомню, каракатицы – это головоногие моллюски, состоящие в близком родстве с кальмарами и осьминогами.)

Градиенты Sonic hedgehog руководят организацией и других частей тела, не только конечностей: они играют важную роль в формировании нервной системы, легких, зубов, черт лица и многого другого. Кроме того, этот белок проявляет себя при раке: развитие злокачественных опухолей часто сопряжено с активацией эмбриональных генетических процессов, подстегивающих стремительный, но в этом случае нежелательный рост⁷.

Sonic hedgehog – один из многих морфогенов, веществ, которые управляют формообразованием посредством разницы их концентраций. Существование морфогенов в 1952 году, за несколько десятилетий до обнаружения реальных примеров, предсказал математик и пионер информатики Алан Тьюринг; он даже дал им название в своей провидческой статье о теоретической возможности существования таких систем⁸. В каждом развивающемся эмбрионе сосуществуют и взаимодействуют многочисленные морфогенные градиенты.

Что же делают морфогены? Чаще всего они либо напрямую, либо через посредников регулируют транскрипцию, включая и выключая разные гены, как описано в главе 4. Эффективность фактора транскрипции зависит от его концентрации. Это тоже вытекает из физики: связывание любой молекулы с любой другой происходит в постоянной суматохе прикреплений и откреплений, и вероятность того, что какой-то фактор транскрипции свяжется с ДНК-мишенью, тем выше, чем больше его копий плавает в среде. Функция отклика – вероятности того, что ген экспрессируется, или изменения уровня синтеза его белка – может быть гладкой, отражающей его зависимость от концентрации активатора или репрессора транскрипции, или с резким изломом, как при переключении тумблера – когда отклик может быть почти нулевым при низкой концентрации активатора и высоким («включенным») после превышения какого-то его порогового уровня.

Зависимость экспрессии генов от концентрации регуляторов может порождать удивительно замысловатые паттерны распределения их продуктов. Давайте рассмотрим упрощенный пример, а затем и реальность. Представьте эмбрион в форме удлиненной пилюли. Пока все соответствует действительности: на ранних стадиях развития почти все организмы представляют собой шары или эллипсоиды – поначалу все мы пузыревидны. Допустим, источник морфогенов находится в левой части эмбриона и сформирован из особых клеток или материалов, предоставленных матерью. Морфоген А распространяется путем диффузии и формирует градиент концентрации, которая постепенно снижается к другому полюсу эмбриона (левое изображение в верхнем ряду). Если отклик на морфоген А осуществляется переключением – ген включается, когда А много, и выключается, когда А мало, – профиль производства продукта этого гена будет ступенчатым (верхний ряд, справа).

Теперь допустим, что в той же области образуется и морфоген B. Возможно, из-за большего размера его молекулы случайные блуждания B не столь интенсивны, следовательно, градиент его концентрации компактнее, резче и зона того же переключательного отклика ограничена меньшим пространством (средний ряд).

Как вы помните из четвертой главы, клетки могут создавать из генов схемы, отклик которых зависит от входящих сигналов. Следовательно, схема, которая включается, когда A много, а B мало, и выключается при любой другой комбинации, даст профиль экспрессии в форме полосы, чуть смещенной влево от центра. Схема, чувствительная к комбинации «мало А и мало B», откликнется лишь в правой половине эмбриона (нижний ряд).

Градиенты концентраций всего двух факторов транскрипции могут породить более двух пространственных паттернов генной экспрессии. Активированный ген может кодировать белок, ответственный за онтогенетический процесс со строго определенным «адресом», либо другой фактор транскрипции, способный взаимодействовать с первыми двумя. Допустим, фактор C управляется схемой «много А и мало B» и распространяется путем диффузии (см. следующий рисунок). Тогда схема «много C и мало A» будет активна в узкой полосе сразу за правой границей области синтеза C – там, где А уже мало, а диффундирующего C еще достаточно, чтобы считать его концентрацию высокой.

Узкая полоса иллюстрирует точность организации, обеспечиваемую небольшим числом морфогенов. Когда факторов транскрипции с характерными для них градиентами становится больше, спектр возможностей резко расширяется. Несложно представить, как можно задать специфические паттерны экспрессии генов, точно соответствующие назначению клеток, из которых формируются те или иные органы и ткани.

В теории это кажется убедительным, и организмы действительно применяют этот подход на практике. Процесс формирования паттернов мы уже несколько десятилетий приблизительно представляем и наблюдаем размытие концентраций факторов транскрипции и соответствующее профилирование экспрессии генов. В последние годы удается детальнее изучать эти процессы у все большего спектра организмов и с возрастающим числом вовлеченных генов. Лучше всего мы разбираемся в пространственной организации эмбрионов дрозофил, которых изначально исследовали уже знакомые нам Нюслайн-Фольхард и Вишаус. На ранних стадиях развития – задолго до появления ног, крыльев и даже головы – эмбрион мушки представляет собой тот самый удлиненный эллипс, что мы изображали чуть выше. У одного из полюсов внутри своей яйцеклетки (условно переднего, головного) мушка-мать оставляет наследство в виде мРНК, благодаря трансляции которой в зиготе создается стартовый градиент фактора транскрипции Bicoid, подобный градиенту нашего гипотетического морфогена B. Этот градиент задает передне-заднюю ось формирующегося тела. Bicoid связывается с промотором гена hunchback и активирует его экспрессию. Градиент концентрации белка Hunchback тоже ориентирован спереди назад. Далее широкими полосами экспрессируются еще полдюжины генов, комбинированные эффекты которых приводят к появлению более узких профилей экспрессии – например, семи полосок активности гена even-skipped[36]36
  Название even-skipped («четные пропущены») указывает на то, что этот ген экспрессируется только в нечетных сегментах мушиного эмбриона, в отличие от гена odd-skipped («нечетные пропущены»). Оба гена входят в группу pair-rule genes («гены парного правила»), с активации которой и начинается сегментация зародыша.


[Закрыть], которые появляются всего через три часа после оплодотворения яйцеклетки.

Паттерны экспрессии even-skipped и других генов предопределяют разделение тела мушки на 14 сегментов. Из разных сегментов формируются разные структуры. Три сегмента, например, образуют грудной отдел, и на каждом из них при участии гена hedgehog вырастает по паре ног.

Особенно приятно, что наши биофизические знания позволяют измерять и предсказывать эти специфические паттерны полосок и сегментов, играющие важнейшую роль в определении плана тела любой зарождающейся дрозофилы. Что касается измерений, можно в живых эмбрионах исследовать транскрипцию интересующего гена, обеспечивая взаимодействие его РНК с фрагментами ДНК или РНК-связывающими белками, меченными флуоресцентным белком вроде GFP (см. главу 2): его легко локализовать по свечению. Если пришить ДНК флуоресцентного белка прямо к последовательности интересующего гена, можно по интенсивности свечения отслеживать количество его белкового продукта. В любом случае свечение служит точным, количественно измеримым показателем, позволяющим понять, что, где и когда происходит в онтогенезе⁹. Что касается прогнозирования, можно с помощью уравнений броуновского движения и функций генетического отклика рассчитать паттерны распределения белков и активности генов¹⁰. Эти расчетные данные пока не идеально отражают природные закономерности, но определяемые ими размеры и время появления полосок и зазоров довольно точно согласуются с реальной картиной мушиного эмбриогенеза.

Вообще плодовая мушка способна на гораздо более тонкую настройку в организации зародыша. В гипотетическом примере мы рассматривали лишь два уровня чтения гена – при низкой и при высокой концентрации морфогена. Но клетки могут обладать более утонченной чувствительностью и давать три разных ответа на три уровня морфогена (низкий, средний, высокий), а то и на четыре, пять и более. Казалось бы, неплохо различать больше уровней, ведь тогда организм станет высокоструктурированным за счет меньшего количества ингредиентов. Что же ограничивает точность эмбриона? Может ли плодовая мушка распознавать тысячу разных концентраций Bicoid в тысяче разных точек тела, формируя тысячу разных анатомических черт на базе единственного пространственного градиента?

Это тоже вопрос биофизики. Пределы точности такого структурирования задаются беспорядочностью диффузионного движения (см. главу 6) и хаотичностью молекулярного связывания, которую мы пока не рассматривали в деталях, но которая в основе своей схожа с броуновским движением. Несложно сказать, где в среднем окажется облако молекул в процессе диффузии, но насколько хорошо это среднее представляет все облако, зависит от количества движущихся молекул. Я совершенно уверен, что если подброшу миллион монеток, то получу примерно половину выпавших решек. Если же я подброшу шесть монеток, то ничуть не удивлюсь, увидев четыре решки и два орла. Подобным образом эмбрион может создавать обилие молекул морфогена, формируя плавный и четко очерченный градиент, который действительно позволяет вычленять множество разных уровней концентрации. Зародыш может производить и всего несколько молекул, тратя меньше сил и энергии, но это приводит к построению сильнее «зашумленных» градиентов, которые можно считывать лишь грубо – как области с высокой или низкой концентрацией. Судя по экспериментам, эмбрионы предпочитают скорее близкую ко второй стратегию: молекул морфогена не миллионы, и нечеткость градиентов существенна.

Пока неясно, как эта статистическая вариативность соотносится с точностью эмбрионального развития, но мы уже можем задаться вопросом, какие ограничения она накладывает на структурирование. В прекрасной статье 2013 года Уильям Бялек и его коллеги из Принстонского университета связали морфогенные измерения с теорией информации, чтобы выяснить, сколько битов закодировано в эмбрионе дрозофилы¹¹. Если концентрация фактора транскрипции оценивается только как «высокая» или «низкая», ее можно закодировать в одном бите информации: мы отметили в первой главе, что один бит имеет два состояния. Если концентрация оценивается как «высокая», «средне-высокая», «средне-низкая» и «низкая», для кодирования четырех возможных состояний нам понадобится два бита. Неизвестно, сколько состояний активности каждого гена может различить регуляторная сеть мушки, и потому напрямую подсчитать число необходимых битов мы не можем. Бялек с коллегами, однако, поняли, что вариативность положений полосок и границ при сравнении разных эмбрионов отражает количество битов, используемых в структурировании. По сути, чем больше битов, тем выше точность и ниже вариативность, и наоборот. Анализ визуализаций эмбрионального развития дрозофилы, в частности паттернов экспрессии четырех генов, которые появляются вслед за паттерном bicoid и контролируют организацию тканей, показал, что на один ген приходится примерно два бита информации. Вместе четыре гена способны определять структуру с пространственной точностью около 1 %.

И снова мы сталкиваемся с поразительным свойством живого мира – созданием замечательных форм на основе скудного набора инструкций. Возможно, личинка не особо вписывается в ваши представления о «замечательном», но если мушки и не производят на вас впечатления, не забывайте, что эти податливые и удобные для изучения организмы позволили нам открыть и описать явления, которые оказались широко распространены. Вероятно, и вам сначала хватало нескольких битов.

Знай своих соседей

В примерах построения структурных паттернов, которые мы рассматривали в этой главе, нам не приходилось думать о клетках. Мы можем представлять себе поля морфогенов и пласты тканей без учета отдельных единиц, которые реагируют на них или из которых они состоят. В случае с ранним эмбрионом мушки это даже нельзя считать упрощением: эллипсовидный зародыш состоит не из отдельных клеток, а из множества ядер, плавающих в общем цитоплазматическом море. Позже формируются мембраны, которые отделяют ядра друг от друга и ограничивают клетки. В эмбрионах позвоночных, включая человека, отдельные клетки есть с самого начала. В любом случае стоит клеткам возникнуть, как у них появляются дополнительные инструменты для структурирования.

Клетки могут передавать и получать сигналы, контактируя с другими клетками. Мы уже видели, как сигналами обмениваются иммунные клетки: мембранные белки преодолевают зазор между клетками, чтобы узнавать партнеров и запускать специфические реакции. Межклеточные контакты крайне важны и в онтогенезе, особенно в мелкомасштабном структурировании. Представьте слой клеток, каждая из которых может экспрессировать гены А и B. Эти гены могут служить факторами определения типа клеток – A или B. Допустим, любая клетка, вступающая в контакт с клеткой A, получает инструкцию не экспрессировать ген A; в итоге она экспрессирует ген B и становится клеткой типа B. Любая клетка, не вступающая в контакт с клеткой A, экспрессирует ген A и становится клеткой типа A. При таких правилах можно ожидать, что сложится показанная на рисунке мозаика, напоминающая пчелиные соты, где каждую из клеток А (они темные) окружает кольцо из B-соседок (они светлые).

Такой способ построения паттернов вполне типичен. Так, например, вы слышите благодаря тысячам волосковых клеток в вашем внутреннем ухе; они обязаны своим названием пучкам нитей, торчащим из их мембран и напоминающим крошечные ирокезы. Каждая волосковая клетка окружена когортой вспомогательных клеток, расстановка которых определяется как раз по описанной схеме, называемой латеральным торможением¹².

Латеральное (боковое) торможение определяет расположение клеток в фасеточных глазах насекомых, особенности гладкомышечных клеток в стенках артерий, формирование гормон-секретирующих клеток в поджелудочной железе и многое другое. Существование этого механизма предсказали еще в 1970-х, но наглядно продемонстрировали его работу в развивающемся животном лишь в следующем десятилетии. В середине 1980-х Кори Гудман и Крис Доу (теперь он работает вместе со мной в Орегонском университете) провели серию хитроумных экспериментов, в которых разрушали лазером особые клетки дрозофил, чтобы их соседки, не подавляемые более окружением, получили возможность экспрессировать гены, превращающие их в нейроны¹³.

Как клетка может управлять судьбой своих соседей? У множества разных клеточных пар во множестве разных организмов ключевой молекулой выступает белок Notch, пронизывающий поверхностную мембрану производящих его клеток. Его наружный сегмент может прикрепляться к мишеням вроде Delta, другого трансмембранного белка, выходящего из соседней клетки. Межклеточное рукопожатие этих двух белков подталкивает Notch изменить форму так, чтобы у него обнажился обычно скрытый участок, который распознают белки, разрезающие аминокислотные цепочки. (Наверное, страшно представить, что по клетке бродят вооруженные топорами белки, готовые разрубить своих товарищей надвое, стоит лишь их спровоцировать, но спровоцированное разрушение встречается в биологии сплошь и рядом.) Notch сначала разрезается над местом его выхода на поверхность, в результате чего высвобождается крупный внешний домен белка, который диффундирует и участвует в других событиях. Второй разрез внутри мембраны отделяет внутренний домен Notch от мембранного якоря. Этот фрагмент перемещается в ядро, где взаимодействует с другими белками, меняя характер их связывания с ДНК, – иными словами, он корректирует активность ряда факторов транскрипции и тем самым регулирует экспрессию генов. Внутриклеточный домен Notch в числе прочих эффектов подавляет экспрессию гена delta, чтобы клетка, контактирующая с белком Delta, не была клеткой, производящей его же, то есть экспрессирующей ген delta. Следовательно, в нашей A-B-схеме delta выступает в роли гена A.

Итак, Notch и Delta в паре координируют латеральное торможение. Notch, однако, может взаимодействовать и с другими белковыми партнерами, сидящими на других клетках, запуская другие сценарии разрезаний и генетической регуляции¹⁴. Некоторые из них могут подталкивать контактирующую клетку, наоборот, к выбору судьбы клетки A, тем самым распространяя этот тип по ткани. Помимо Notch и Delta в зонах межклеточных контактов встречается множество белков, участвующих в образовании тканевых паттернов, и их параметры связывания и функции отклика генов сильно разнятся. Подобно тому как в мозаике замысловатая картина постепенно складывается из маленьких соседних фрагментов, контактные сигналы могут организовывать сложные и устойчивые структуры по простым локальным правилам. И снова мы видим самосборку в действии, поскольку инструкции по более масштабной, межклеточной организации содержатся в самих клетках.

Знай время

Группы клеток могут организовываться не только в пространстве, но и во времени. Более того, с помощью временны́х сигналов они могут создавать пространственные паттерны – рисовать трехмерные орнаменты, образно говоря. Рассмотрим пример, в котором хронометрирование обеспечивает повторяемость формы. Полоски на шкуре тигра, ноги многоножки и позвонки вашего позвоночника – все они демонстрируют регулярную повторяемость черт и следуют друг за другом, не идентичные, но сильно схожие. Возьмем позвоночник. Внешне его упорядоченная костная структура напоминает полосы в эмбрионе дрозофилы, поэтому можно ожидать, что развивается она тоже под действием перекрывающихся градиентов морфогенов. Однако на ранних стадиях формирования мушки размер животного не меняется, пока гены строят схемы взаимодействий. Позвоночник же развивается из сегментов, которые появляются в ходе вашего стремительного роста, и это характерно для всех позвоночных. Человеческий эмбрион начинает удлиняться примерно с третьей недели после зачатия. Развивающееся тело – это не гладкая трубка: оно содержит равновеликие образования, называемые сомитами, которые попарно повторяются вдоль его передне-задней оси.

У человека формируется 42–44 пары сомитов (но некоторые из них исчезают в процессе дальнейшего развития), у рыбы данио-рерио – 30–32, у мыши – около 65, у некоторых змей – более 400¹⁵. Эмбрионы позвоночных достигают устойчивой регулярности в расположении десятков и сотен сомитов благодаря прекрасной способности к хронометрированию.

В главе 4 мы говорили, что клетки способны создавать осцилляторы и часы на основе генетических схем, поскольку гены экспрессируются ритмически. Эмбрионы часто пользуются такими часами. Первые несколько делений после оплодотворения, как правило, синхронизированы: обе клетки в двухклеточном эмбрионе делятся одновременно, и клеток становится четыре, затем они делятся все вместе, и клеток становится восемь – и так продолжается еще какое-то время, пока клеточное разнообразие не разваливает координацию.

У клеток удлиняющегося эмбриона, формирующих сомиты, тоже есть часы. В изолированных клетках происходят регулярные подъемы и спады экспрессии генов, и у клеток в составе ткани эти колебания синхронизированы. Как же эмбрион превращает такие временны́е ритмы в пространственные паттерны? В 1976 году Джонатан Кук и Эрик Кристофер Зиман описали изящную биофизическую стратегию¹⁶, и последующие эксперименты, особенно группы Оливье Пуркье из Института медицинских исследований Стоуэрса в Канзас-Сити, показали, что именно ее человек в числе прочих позвоночных использует для формирования сомитов: это привязывание генетических часов к градиенту морфогена.

Представьте группу клеток, где экспрессия генов колеблется синхронно. Допустим, уровень транскрипции гена в каждой клетке возрастает с 0 до 1, 2 и 3, затем снова падает до 0, и все повторяется. Выделив эти уровни на рисунке белым, светло-серым, темно-серым и черным соответственно, мы увидим синхронную коллективную осцилляцию.

Сначала все клетки белые:

Затем все светло-серые:

И так далее:

Теперь представим, что часы каждой клетки снабжены переключателем: отсчет времени ведется лишь тогда, когда локальная концентрация какой-то молекулы выше порогового уровня. Если же она падает ниже, часы останавливаются. Допустим, контролирующая молекула – это морфоген, вырабатываемый в хвостовой части животного, который распространяется путем диффузии и формирует градиент концентрации от хвоста к голове. Часы тогда будут работать у хвоста и останавливаться на некотором расстоянии от него. По мере роста эмбриона хвост все больше отдаляется от головы, и местоположение пороговой концентрации морфогена постоянно отодвигается назад. Клетки фиксируют уровни экспрессии генов, характерные для момента прохождения пороговой концентрации – иными словами, для момента остановки часов. Если в одной точке эмбриона уровень экспрессии какого-то гена равен 2, то далее он достигает 3, потом падает до 0, а затем уровни 1, 2 и 3 повторяются в периоде. Можно добавить на наш рисунок темную черту – границу, левее которой клеточные часы стоят, правее – идут, и хвост животного находится справа. Временной паттерн «замораживается» в виде пространственного паттерна экспрессии генов.

Если при высоких уровнях любой управляемой часами транскрипции будут создаваться границы сомитов, где клетки плотно прижаты друг к другу, а при низких – их выпуклые серединки, то осцилляция наших часов превратится в повторяющиеся структурные паттерны (сегменты), на базе которых можно конструировать регулярные элементы вроде позвонков. Более того, управляя скоростью хода часов, природа может регулировать периодичность паттернов и размер сомитов. У разных животных часы идут с разной скоростью. Например, быстрые клеточные часы позволяют змеям формировать множество позвонков.

Теперь нам многое известно о конкретных участниках создания часов и градиентов морфогенов¹⁷. В этих процессах, особенно в схеме осцилляции, задействовано сразу несколько генов, и часть из них кодирует белки, взаимодействующие с регулятором латерального торможения Notch. Активность Notch то возрастает, то снижается; к тому же этот белок помогает соседним клеткам поддерживать синхронность. Notch – ярчайший символ склонности природы к использованию удивительно узкого набора молекул в самых разных контекстах. (Шутка, известная уже не один десяток лет, утверждает, что существует два типа исследователей биологии развития: те, которые изучают сигнализацию Notch, и те, которые не знают, что изучают сигнализацию Notch¹⁸.)

Градиенты и пороги, контактные сигналы и останавливающиеся часы – далеко не единственные физические мотивы, лежащие в основе эмбрионального развития. Клетки мигрируют, растягиваются, удлиняются, складываются друг на друга, меняют способность к адгезии и делают еще много чего другого, без устали придавая форму живой глине растущего эмбриона. Открывая новые стратегии эмбриогенеза, мы все больше восхищаемся трансформациями, которые каждый из нас претерпевает на пути от одной клетки к сложному животному, но заодно и расширяем наши возможности влиять на трансформации, идущие не так и вызывающие врожденные дефекты и рак.

Убеждать Ханса Дриша в том, что биология все же поддается научному познанию, слишком поздно, но можно хотя бы убедить друг друга не отказываться от исследований в этой области. Пусть мы пока и не знаем всего, но можем с полной уверенностью утверждать, что эмбриогенез не противоречит законам физики, а служит прекрасным примером того, как физические свойства и процессы порождают жизненные формы.