Текст книги "Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком"
Автор книги: Роджер Хайфилд
Соавторы: Магдалена Зерницка-Гетц
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 17 страниц)
Первая вылазка за пределы имплантации
На фоне всего происходящего в личной жизни я не переставала думать о том, что если действительно существует связь между клетками раннего эмбриона и их судьбой на стадии бластоцисты, что происходит с этими клетками после имплантации, когда очерчивается план будущего организма? Серьезный вопрос, ответить на который не так просто. Чтобы хоть что-то понять, надо было пометить маленькие клетки бластоцисты и отследить их потомков вплоть до стадии гаструляции – критического момента в развитии, когда клетки перегруппировываются и превращаются в форму, из которой и будет развиваться животное. Как любил повторять онтогенетик Льюис Уолперт, «не рождение, свадьба или смерть, а гаструляция является самым важным событием в жизни» [15].
Проблема в том, что в лаборатории Мартина не было подходящего оборудования для того, чтобы поместить GFP в такие маленькие клетки (хотя зигота достигает 90 микрон в поперечнике, размер клеток бластоцисты равен примерно 10 микронам). Мы хотели изменить электрические свойства клеточной мембраны, чтобы ввести GFP внутрь клетки, не повреждая ее иглой. Для изучения развития бластоцисты я обратилась к Ричарду Гарднеру из Оксфорда, у которого были схожие идеи наряду с нужными навыками и оборудованием.
Я ездила на автобусе туда-сюда между университетскими городами (по три часа в каждом направлении), таская с собой большой белый ящик с сухим льдом, охлаждающим мРНК моего модифицированного GFP (мРНК очень нестабильна и должна храниться в холоде). Когда я приезжала в лабораторию Ричарда, он вводил MmGFP в качестве маркера в клетки, которые выбирал точно на обоих концах оси симметрии бластоцисты, определяя анимальный полюс по второму полярному тельцу – прочной связи между яйцеклеткой и бластоцистой, которую сам же и обнаружил [16].
Промаркировав бластоцисты, Ричард переносил их в приемных матерей, позволяя там развиваться, а через несколько дней извлекал. Эти эмбрионы я забирала в Кембридж и проверяла под конфокальным микроскопом расположение MmGFP-меченых клеток относительно передне-задней оси эмбриона прямо на входе в стадию гаструляции.
Результат деликатного труда по созданию многих десятков эмбрионов нас разочаровал. Мой MmGFP-маркер не работал. По мере деления клеток он «разбавлялся» из-за высокой скорости роста эмбриона между стадиями бластулы и гаструлы. К моменту гаструляции ни одна клетка уже не светилась зеленым. Ричард потерял надежду, да и я тоже. Но не окончательно.
Я вернулась к этой проблеме, когда случайно познакомилась с Роджером Педерсеном на конференции в Юте, где представляла свои первые результаты отслеживания клеток. Роджеру понравилась моя мечта подсмотреть за клетками на протяжении всей стадии имплантации, потому что он сам когда-то исследовал клеточные линии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Ему настолько понравилась идея, что он одолжил мне недостающую часть оборудования из своей лаборатории и, что примечательно, пожелал взять творческий отпуск и поработать вместе со мной в моей недавно сформированной группе в Кембридже.
После многих неудачных недель мы наконец-то добились успеха. Секрет состоял в том, чтобы вводить маркер в строго определенном количестве – не слишком мало, чтобы он не «разбавился» на заключительном этапе эксперимента (гаструляции), и не слишком много, чтобы он не перегрузил клетку и не привел к ее гибели. Так, благодаря принципу Златовласки[6] мы смогли проследить, где оказались помеченные нами клетки.
Интерпретировать результаты было нелегко, поскольку у меченых клеток было множество потомков, которые не всегда выполняли те же функции. Нас так и подмывало сделать вывод о том, что клетки растут случайным образом, и прекратить дальнейшие поиски доказательств. Но мы решили продолжить. В тот момент Роджер внес еще один значимый вклад в наш проект. Он убедил Роберту Вебер, занимавшую штатную должность в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, поработать техником в моей лаборатории.
Но даже с помощью Роберты и подходящего оборудования понадобился год, чтобы произвести достаточное количество меченых эмбрионов для распознавания связи между полярностью бластоцисты и полярностью эмбриона после имплантации. Эта связь не была детерминированной и поэтому всегда похожей, но все-таки мы добыли много информации. Мы с Роджером написали статью и опубликовали ее в 1999 году все в том же Development [17]. В дальнейшем эти результаты подтвердили мою гипотезу о том, что причины нарушения симметрии возникают в процессе развития раньше, чем предполагалось.
Эмбриологическое искусство
У меня по-прежнему польский акцент, и мне нравится думать о том, что я его сохраняю ради Джона Гёрдона, который просил меня никогда его не терять. Из-за дислексии я долго осваивала английский язык, чтобы знать его в совершенстве. Может, поэтому я до сих пор люблю открывать мир искусства, от живописи и фотографии до дизайна, театра и кино. Художественное мышление по-разному отразилось на моих исследованиях, от раскрашивания клеток, позволяющего разобраться в сложных клеточных узорах эмбриона, до создания из стволовых клеток эмбрионоподобных структур.
Этот вид искусства подарил мне не только завораживающие рисунки, но и новые идеи, а также раскрыл детали онтогенеза, превратив молекулярные процессы в яркие цвета, видимые невооруженным глазом.
Оттачиваемое моей командой искусство маркировки и перемещения клеток изменило мое представление о танце жизни. Увидев, что клетки в четырехклеточном эмбрионе и, вероятно, в двухклеточном не идентичны друг другу (как утверждают учебники), я поняла, что придется приложить много усилий, чтобы убедить себя в реальности увиденного, и еще больше усилий, чтобы убедить в этом своих коллег. Мне надо было довести до совершенства свою работу и свое эмбриологическое искусство.
Глава 4
Нарушение симметрии
История любой новой жизни – это история роста, развития и преобразования. Оплодотворенная яйцеклетка имеет необыкновенную способность делиться на множество клеток, самостоятельно выстраивающихся в уникально организованную материю – эмбрион, который со временем создаст организм человека. Каким образом некоторые клетки эмбриона становятся настолько непохожими на соседние, что создают организм, пока другие формируют плаценту? Все дело в нарушении симметрии.
Как только симметрия развивающегося эмбриона нарушается, клетки делают выбор, развиваясь в разных направлениях. Но почему? Из какой клетки раннего эмбриона появится плацента? Какая клетка проложит путь ребенку? У человеческого эмбриона есть и питающий его желток – так какая же клетка превратится в желточный мешок, внутри которого будет расти эмбрион?
Ко времени имплантации эмбриона все эти решения должны быть приняты. И каждое сопровождается событием, нарушающим симметрию.
Дальше предстоит еще больше таких событий. Например, из какой клетки эмбриона вырастет голова, а из какой сердце? Где будет верх, а где низ? Как отличить правую часть от левой? Заднюю от передней? Нарушение симметрии эмбриона является одним из важнейших процессов ранней жизни и основополагающих процессов для создания плана тела. Большая часть моих исследований в той или иной степени посвящена попыткам понять, когда и как по мере развития новой жизни эмбрион нарушает свою симметрию. Мне это кажется волшебством.
В этом великом деле партнерство и сотрудничество были моими помощниками. На пороге нового тысячелетия к нашей команде в качестве постдока[7] присоединилась Каролина Пиотровска из Польши. Каролина была необыкновенно одаренной в отношении манипуляций с эмбрионами, эдакий эмбриологический вариант тех, кого в Великобритании называют green fingers, или зеленые пальцы (возможно, они и вправду флуоресцировали зеленым свечением GFP). Для выполнения серии сложных экспериментов нужны легкая рука и ловкость. У Каролины были все эти навыки, а еще правильный ментальный настрой, ведь такая утомительная работа легко могла привести к ошибке.
Большинство аспирантов оказываются шокированы переходом от той мизерной информации, что преподается на курсе, к настоящей научной работе в лаборатории, где важна ловкость рук и где приходится осваивать новые навыки. Для многих является сюрпризом тот факт, что большая часть новаторских экспериментов, проводимых для подтверждения новых фактов и проверки новых идей, никогда не проходит гладко, по крайней мере, не сразу – понадобится терпение, чтобы создать правильные условия. Провал для исследовательских работ в порядке вещей. Мы учимся на ошибках и идем дальше. У Каролины было идеальное сочетание терпения, выдержки, целеустремленности и неиссякаемого оптимизма, позволявшее ей не сдаваться, если эксперимент не показывал ничего путного, и работать до тех пор, пока она не убеждалась, что все сделано правильно и что все контрольные эксперименты указывают на то, что результаты не являются артефактом (следствием эксперимента как такового) и потому заслуживают доверия.
Идеи, возникшие в результате нашей совместной работы, привели к моей первой публикации в Nature. Поскольку это престижный журнал, коллеги по-настоящему обратили на мою группу внимание. Наша работа произвела фурор. Но не в том смысле, в котором я ожидала.
Симметрия стала центром отвратительных дискуссий. Оглядываясь на прошлое с научной точки зрения, могу сказать, что это был самый тяжелый этап моей научной жизни, казавшийся бесконечным. Джон Гёрдон помог мне своей спасительной дружбой и поддержкой. В свое время он предупреждал, что, если мы обнаружим нечто действительно важное, но противоречащее существующей догме, пройдет десять лет, прежде чем наше открытие будет подтверждено и принято другими группами, и еще десять, прежде чем оно получит признание. Я оказалась просто еще одним человеком, пострадавшим в долгой борьбе за понимание премудростей симметрии. Это событие на годы стало моим тяжким бременем.
Оплодотворение
По прибытии Каролины в Кембридж мы начали с изучения зарождения – Большого взрыва[8] индивидуального развития, момента встречи сперматозоида и яйцеклетки. Последняя – не заурядная клетка, а та, что преисполнена потенциалом и уникально экипирована для создания новой жизни. Это клетка, которая может расти и делиться, чтобы создавать историю, записывать ее и даже менять.
Когда на одном конце развивающейся клетки раннего эмбриона накапливается конкретный набор белков (PAR-белков, о которых я уже упоминала), делающий его непохожим на другой конец, клетка приобретает полярность. К моменту имплантации эмбриона в теле матери в нем уже сформированы из клеток с разной судьбой первые три ткани, значительно отличающиеся друг от друга. Образуются новые оси, вроде тех, что идут в трех взаимно перпендикулярных направлениях: передне-задняя (голова-хвост), дорсально-вентральная (спина-живот) и саггитальная (право-лево) оси. После почти двух десятков лет исследований мы по-прежнему удивительно мало разбираемся в том, как решается судьба клеток и как закладываются оси, самые ранние признаки ключевых изменений, а также в том, как они определяют наше будущее.
Некоторые элементы жизненной истории оказываются более симметричными, чем принято считать.
После изучения старых учебников по биологии может сложиться сильное впечатление, что яйцеклетка сидит на месте, словно высокомерная принцесса, и ждет, когда ее оплодотворят, а в это время сперматозоиды расталкивают друг друга в борьбе за ее руку и сердце.
Однако чтобы получить шанс на оплодотворение, яйцеклетка, зеркально отражая тяжелую участь сперматозоидов, вынуждена сначала соревноваться с множеством других яйцеклеток. К моменту рождения девочки в ее яичниках есть все яйцеклетки, которые будут высвобождаться на протяжении репродуктивного периода. Таких клеток примерно четыреста тысяч. Некоторые из них могут не созревать сорок лет, другие – дегенерировать, так и не созрев. Яйцеклетки находятся в спящем состоянии вплоть до овуляции, когда клетка получает от жизни первый приз и высвобождается под давлением из заполненной жидкостью структуры яичника.
Другие же аспекты первого танца жизни не так симметричны, как их описывают. Многие считают яйцеклетку и сперматозоид равными партнерами в деле создания новой жизни. По одному очень важному пункту – вкладу генетического материала матери и отца – они действительно равны. Но в подобном восприятии недооценивается человеческая яйцеклетка как мощный генератор потенциала, трансформации и перемен.
Крошечный сперматозоид и могучая яйцеклетка
Яйцеклетка – это могучая биохимическая вселенная, уникально оснащенная ДНК, РНК и белками, а также митохондриями (клеточными аккумуляторами) и многими другими органеллами. У нее даже есть «скорлупа» – умный защитный барьер под названием zona pellucida, избирательно проницаемый для сперматозоидов.
Хотя яйцеклетка – самая крупная клетка человеческого организма, она невидима глазу и составляет у человека всего одну десятую миллиметра в поперечнике. Тем не менее она является чудесной машиной сотворения, которая миллионы лет совершенствовала свои навыки моделирования нового индивидуума из генов матери и отца.
После оплодотворения в яйцеклетке закипает активность. Она освобождает ДНК сперматозоида от молекулярных меток – метильных групп, контролирующих включение и отключение генов. Эти паттерны метилирования (эпигенетические модификации) – одна из причин того, почему все клетки организма имеют одинаковый набор генов, но отличаются друг от друга, как, например, нервная клетка от мышечной. Молекулярные метки гарантируют, что клеточный оркестр будет играть одну конкретную мелодию, где каждая нота – это ген, ответственный за синтез белка. Без этих меток онтогенетический таймер обнуляется. Закладывая новые мелодии (онтогенетические паттерны), ранний эмбрион способен создать любую клетку организма.
Механизм яйцеклетки настолько всесилен, что можно поместить в нее ядро зрелой клетки и создать нового полноценного индивидуума. При этом яйцеклетка, словно машина времени, уберет с ядерной ДНКвсе химические модификации, произошедшие в течение жизни, и возвратит ее в эмбриональное состояние. Вот в чем фокус, позволивший Джону Гёрдону клонировать лягушек (а также позволивший команде Яна Вилмута из Рослинского института в Шотландии клонировать овечку Долли из зрелых клеток овечьего вымени).
Сперматозоиды более динамичны. У них есть хвост, который благодаря динеиновому белковому мотору может извиваться. Динеин, как все белки, состоит из аминокислотных цепочек, уложенных в слои, спирали и прочие сложные фигуры, которые в данном случае образуют молекулярный мотор, способный превращать химическую энергию в кинетическую, прямо как автомобильный двигатель. Это и приводит сперматозоид в движение.
Будучи в этом отношении эффектным, в остальном сперматозоид не такой примечательный и является самой мелкой человеческой клеткой – в 50 раз меньше яйцеклетки. Так себе размер. Другое дело – плодовая мушка Drosophila bifurca. Когда самец мушки продуцирует сперматозоиды, каждая клетка свернута в клубок, при разматывании которого получается почти 6 сантиметров – в 20 раз длиннее самого самца [1]. У человека длина сперматозоидов всего 0,005 сантиметра. Они содержат лишь программное обеспечение ДНК, привязанное к динеиновому молекулярному мотору, наряду с дополнительным и более древним генетическим материалом в форме РНК, а также центриоль – крошечное тельце, которое помогает организовать веретенообразный скелет из нитей, обеспечивающих сегрегацию хромосом при клеточных делениях после оплодотворения.
Инструкции РНК охватывают оплодотворенную яйцеклетку раньше ДНК, чтобы заставить нового индивидуума действовать, а не ждать, словно компьютер во время загрузки операционной системы, и тем самым внести изменения в следующее поколение. Например, повышенное количество одного из многочисленных типов маленьких РНК в сперматозоидах мышей, подвергнутых стрессу, может привести к изменению стрессовой реакции у взрослого потомства. Более того, на PHК сперматозоидов влияет характер питания, который может изменить регуляцию генов у потомства и вызвать нарушение обмена веществ [2].
Когда появляется индивидуум
Многие думают, что жизнь начинается со встречи сперматозоида и яйцеклетки. Это не совсем так, если представить индивидуума как смесь ДНК матери и отца, ведь окончательное смешение родительских генов происходит не в момент оплодотворения, а через несколько часов, во время первого клеточного деления.
До него мужская и женская ДНК лежат отдельно в двух сферических структурах – пронуклеусах. Оба генетических набора мигрируют к центру яйцеклетки, но не собираются вместе до тех пор, пока молекулы ДНК, общая длина которых в районе двух метров, не сконденсируются[9] в хромосомы, которые можно перемещать с помощью так называемого веретена – нитей из микротрубочек.
Запертый внутри оболочки zona pellucida, эмбрион первоначально создает все больше и больше клеток путем дробления – простого деления на две, потом четыре, потом восемь клеток и так далее. Скорость деления совпадает не у всех дочерних клеток. Кто-то вырывается вперед, а кто-то отстает.
Во время дробления эмбрион не растет. Тем самым он откладывает стимулирующее рост питание, пока не станет многоклеточным и не сможет выделить для приема пищи отдельные части. В ходе этой важной прелюдии он вкладывает ресурсы в одну из самых существенных задач, поручая своим клеткам превратиться в три разные группы стволовых клеток, необходимых для формирования зачатков всех типов клеток, что будут развиваться в дальнейшем.
Первая группа стволовых клеток (эпибласт) может показаться самой ценной, поскольку из нее будет формироваться ребенок. Вторая группа стволовых клеток (трофэктодерма) будет создавать плаценту – орган, через который ребенок получает от матери питательные вещества. Третья группа (примитивная энтодерма) сформирует мешок, в котором ребенок будет расти. Больше вкладываясь в нарушение симметрии, ведущее к дифференциации, а не увеличению размера, эмбрион, к счастью, может отложить ускоряющее рост питание, пока не сформирует у себя отдельные части, которым и отведет функцию «закупки продовольствия».
Генерация трех типов стволовых клеток из одной оплодотворенной яйцеклетки обозначает ключевой этап нарушения симметрии, начало клеточной специализации. В ходе онтогенеза судьба клеток будет решаться еще не раз, пока не сформируется взрослый организм, состоящий из сотен типов клеток, которые выполняют самые разные функции, чтобы сохранить нам жизнь и сделать нас теми, кто мы есть.
Когда в процессе работы с GFP у меня сложилось заманчивое предположение о возможном источнике нарушения симметрии, прокладывающем путь для клеточной специализации, я удивилась, насколько рано это путешествие начинается. Мы с Каролиной решили глубже исследовать наше открытие, задав себе один простой вопрос: зависит ли хоть как-то первое нарушение симметрии в эмбрионе от места проникновения сперматозоида в яйцеклетку? У других животных зависит, например у лягушек и нематод, но как обстоят дела у млекопитающих вроде мышей?
Искусство симметрии
Описывая зарождение жизни, обычно рисуют картину, где сперматозоид устремляется вперед, чтобы прикрепиться, а затем слиться с ровной округлой яйцеклеткой. Если все верно, то было бы бессмысленно спрашивать о том, влияет ли на будущее развитие место проникновения сперматозоида. Все места на поверхности такой идеализированной яйцеклетки были бы одинаковы. Однако, безусловно, существует точка отсчета, эквивалент знака «проход здесь» в виде полярного тельца.
Полярное тельце образуется в результате асимметричного процесса мейоза, когда клеточный «скелет» (веретено), сформировавшийся для содействия делению, движется от центра клетки к ее краю, чтобы получилось большое яйцо и маленькое полярное (направительное) тельце. Можно предположить, что симметрию яйцеклетки нарушает именно миграция веретена с хромосомами, помогающая выделению полярного тельца. И действительно, многие замечали, что оно располагается в плоскости деления оплодотворенной яйцеклетки. Уже знакомый нам Ричард Гарднер обнаружил, что полярное тельце остается привязанным к яйцеклетке и не только намечает плоскость первого дробления, где яйцеклетка расщепляется надвое, но и через несколько дней определяет ось симметрии бластоцисты [3]. Его открытие вдохновило нас. Может ли информация о расположении оси сохраняться в яйцеклетке вплоть до стадии бластоцисты и есть ли другие факторы, влияющие на онтогенетическую симметрию? На этом этапе мы с Каролиной решили посмотреть, является ли место проникновения сперматозоида второй позиционной подсказкой.
Точно так же, как локализация на земной поверхности относительно Северного полюса определяет так называемую линию долготы, место проникновения сперматозоида могло бы служить еще одной точкой относительно положения полярного тельца, что мы с Каролиной и захотели выяснить. Если это правда, то плоскость первого дробления была бы определена еще точнее. Это казалось разумным, поскольку и образование полярного тельца, и проникновение сперматозоида перестраивают клеточный скелет, который позже будет использоваться при дроблении яйцеклетки. Если мы ошибались, то плоскость первого дробления закладывается как попало по отношению к месту, через которое проник сперматозоид.
Современные технологии значительно упростили бы нам задачу. Мы могли бы заснять весь процесс и посмотреть, что происходит между проникновением сперматозоида и последующими клеточными делениями. Однако в то время такой технологии не существовало. Нельзя было и заснять развитие мышиного эмбриона с момента оплодотворения до наступающей через несколько дней стадии бластоцисты. Вместо этого нам пришлось придумывать способ маркировки места проникновения сперматозоида, чтобы потом отследить, как оно соотносится с плоскостью, вдоль которой оплодотворенная яйцеклетка будет делиться несколькими часами позже.
Сначала я подумала о том, чтобы прилепить что-нибудь естественное и крохотное (вроде эмбриональной стволовой клетки) к месту проникновения сперматозоида сразу после оплодотворения, пока это место еще заметно, но затем мне пришла в голову простая идея использовать малюсенькие флуоресцентные гранулы, невидимые невооруженным глазом. Это сработало, но жаль, что я не дала им какое-нибудь затейливое научное название, например, «микросферы». Конечно, порицание со стороны коллег волновало меня больше, чем присвоение названий, но дело в том, что слово «гранулы» уж очень невзрачное, и этим, как мы с грустью обнаружили, не преминули воспользоваться критики, чтобы принизить нашу работу.
Поначалу место проникновения сперматозоида легко можно различить. Он оставляет за собой небольшой бугорок под названием «конус оплодотворения». Построенный из цитоскелета яйцеклетки и состоящий из нитей белка актина, этот бугорок сохраняется примерно полчаса. Этого хватит, чтобы вставить одну-две гранулы и промаркировать место. Чтобы прилепить гранулы, мы окунали их в смесь белков фитогемагглютининов, которые обычно используют для склеивания клеток друг с другом. Руки человека не вполне устойчивы, поэтому Каролина подбирала липкую гранулу с помощью робота-манипулятора и помещала ее на поверхность свежеоплодотворенной яйцеклетки, которая лежала совершенно неподвижно благодаря другой роботизированной «руке».
Хотя гранула и крошечная, всего 1-2 микрона в поперечнике, под ультрафиолетом она выглядит гораздо более крупным зеленым пятном, по которому ее легко отследить. Наблюдая развитие оплодотворенной яйцеклетки, мы обнаружили, что после первого дробления гранула оказывается на границе между двумя клетками или очень близко от нее.
Мы всегда должны подвергать сомнению наши мысли и открытия. Могло быть так, что гранула, помещенная на любую точку поверхности яйцеклетки, впоследствии просто проваливается в борозду дробления. Для проверки мы сделали контрольные эксперименты, в ходе которых Каролина помещала похожую гранулу на точку поверхности яйцеклетки, выбранную в случайном порядке. Результат обнадеживал: гранула не проваливалась в борозду, возникавшую при клеточном делении. Это позволяло предположить, что место проникновения сперматозоида каким-то образом «запоминалось» и становилось предпочитаемым местом деления оплодотворенной яйцеклетки. Другими словами, если мы правы, то яйцеклетка склонна дробиться вдоль определенной плоскости, а не как попало.
Догадки осеняли нас одна за другой. При переходе от двухклеточной стадии к четырехклеточной клетка, унаследовавшая маркер входа сперматозоида, была склонна делиться первой. Могло ли быть так, что полученный от сперматозоида молекулярный груз менял судьбу этой клетки? Через три дня после оплодотворения маркер входа сперматозоида находится на границе между двумя частями бластоцисты: эмбриональной частью, состоящей из стволовых клеток, которые будут формировать эмбрион, и внеэмбриональной. Это наводило на мысль о том, что одна из клеток двухклеточного эмбриона склонна превращаться в эмбриональную часть, а вторая – во внеэмбриональную. Мы были ошеломлены. В течение нескольких дней мы часами всматривались в изображения. Сначала я не могла поверить результатам и потому снова и снова просила Каролину повторить эксперимент. Доказательство раннего нарушения симметрии было таким простым, даже слишком.
Скептик вполне оправданно придрался бы и сказал, что не место проникновения сперматозоида определяет плоскость дробления, а сам акт введения гранулы через конкретное место. Чтобы проверить это, мы проводили множество контрольных экспериментов, о которых я расскажу позже. Мы уже выяснили, что для определения плоскости дробления мало просто поместить гранулу в любое место, кроме конуса оплодотворения. Но надо было проверить и перепроверить многие другие факторы. Мы должны были исключить все сомнения.
Математика жизни
Едва биологам начали открываться молекулярные подробности чуда нарушения симметрии (и не в последнюю очередь усилиями моей лаборатории), как математики тоже обратили взор на эту проблему. Возможно, самая знаменитая модель возникновения формы из бесформенного была предложена в прошлом веке Аланом Тьюрингом.
Хотя Тьюринг больше известен созданием основ современных компьютерных вычислений и не был ни биологом, ни химиком, он сильно повлиял на мои исследования своей статьей, которую опубликовал еще в 1952 году, работая в Массачусетском университете. Статья «Химические основы морфогенеза» предлагала глубокий взгляд на самоорганизацию живой материи в пространстве и времени, а также являлась, насколько я знаю, первым примером использования математической модели для описания того, как два взаимодействующих химических вещества, имеющих разную скорость диффузии, создают стабильный паттерн, хотя в начале Тьюринг подчеркнул: «Эта модель будет упрощением и идеализацией, а значит, фальсификацией» [4].
Тьюринг предполагает, что развитие клетки или ткани по определенному пути запускают соединения под названием «морфогены». Невероятно, чтобы такой человек вдруг заинтересовался, каким образом случайные флуктуации вызывают паттерны биологической симметрии. Но учитывая его гениальность, не стоит удивляться.
В четвертом разделе статьи Тьюринг рассматривает нарушение симметрии на примере стадии развития бластулы (бластоцисты, если говорить об эмбрионах млекопитающих вроде людей или мышей), которая двадцать лет была в центре внимания моей лаборатории. Но учитывая идеализированное представление об эмбрионе как о сферическом образовании, Тьюринг понял, что столкнулся с проблемой. Ведь можно подумать, что постоянная диффузия наружу через сферу входе биохимических реакций, направляющих развитие, сохранит симметрию, а потому каждый из нас должен быть круглым, как пузырь.
Поднятый Тьюрингом базовый вопрос был таким же, который не давал покоя мне самой. Что является источником нарушения симметрии? Выдвигая гипотезу об источнике нарушения симметрии, необходимом для развития бластоцисты, Тьюринг обращается к аналогии в виде мыши, карабкающейся по стержню маятника. Крохотные флуктуации (вызванные тепловой энергией, или броуновским движением) могут решить судьбу эмбриона, определив его путь. Можно, например, подбросить монетку – выпадет орел или решка. Эмбрион получает сигнал нарушить свойственную ему монотонность.
В следующем разделе Тьюринг обсуждает еще одну нестыковку в своей схеме симметрии: поскольку физические и химические законы, лежащие в основе его теории реакции-диффузии, не имеют никаких предпочтений касательно правой и левой сторон, то правши и левши должны появляться с одинаковой долей вероятности. Однако в биологии есть много примеров хиральности[10]. Даже сегодня ведутся разговоры, например, о том, почему у всех организмов двойная спираль ДНК закручена в правую сторону [5]. Тьюринг признает, что хиральность, преобладающая у данного биологического вида, создает проблему для его модели. И предлагает единственное объяснение: на нарушение симметрии может влиять хиральность морфогенов эмбриона.
Используя идеализированный пример кольца из клеток, тьюринговская схема создания паттернов показывает, как два вещества с разной скоростью диффузии могут взаимодействовать и создавать стационарные химические паттерны, что впоследствии стало называться теорией реакции-диффузии.
Одно соединение – это автокаталитический «активатор», обеспечивающий положительную обратную связь; другое – «ингибитор», подавляющий автокатализ активатора. Важно, чтобы они имели разную скорость диффузии, которая у ингибитора должна быть быстрее. По сути это значит, что самоусиливающийся активатор концентрируется в пределах «пятна», в то время как ингибитор не позволяет вырасти рядом еще одному «пятну».
Важный вывод из теории Тьюринга состоит в том, что, если несколько веществ разного цвета и скорости диффузии реагируют друг с другом в жидкой среде, их концентрации будут варьировать и образовывать устойчивые пространственные паттерны.
Идея о том, что различия в скоростях диффузии могут привести к неравномерному распределению компонентов, довольно нелогична, поскольку диффузия обычно уменьшает различия в концентрации. Однако в реакционно-диффузионном механизме Тьюринга все иначе. Система всего из двух молекул может, по крайней мере, теоретически, создать пятнистые или полосатые узоры, если они диффундируют и химически реагируют правильным образом.
