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: 5 (всего у книги 17 страниц)

Разобравшись со своим идеализированным кольцом клеток, Тьюринг возвращается к бластуле и рассматривает химические волны на сферах. «При определенных не очень строгих условиях... паттерн нарушения однородности имеет осевую симметрию». Это может «во многих случаях привести к гаструляции», в результате чего эмбрион превращается в трехслойную структуру, которую мы обсудим позже.

Тьюринг показал, что для создания природных закономерностей не нужен никакой витализм. К сожалению, Тьюрингу не суждено было и дальше развивать свои новаторские идеи о морфогенезе: через два года после выхода статьи он умер от отравления цианидом. Теория Тьюринга предложила возможное объяснение для широкого спектра природных узоров, от зебр до морских раковин [6].

Эмбриологи десятилетиями сопротивлялись тьюринговской схеме создания паттернов: биологи сторонились математических моделей как грубых упрощений. Но не больше. В 2006 году было обнаружено, что расположение волосяных фолликулов мышей обусловлено процессами активации и ингибирования [7]. Недавние исследования предполагают, что системы Тьюринга могут быть гораздо более гибкими генераторами паттернов, чем считалось ранее; например, пальцы рук и ног формируются механизмом Тьюринга, в котором участвуют белки Nodal и Lefty [8]. Когда дело дошло до разработки цифровых технологий, эта статья Тьюринга вызвала новый интерес.

Кухонная эмбриология

В наших с Каролиной поисках ответа на вопрос, что нарушает симметрию раннего эмбриона, нам требовалось много места, чтобы рассмотреть все полученные изображения, сравнить их и наконец-то разобраться, что происходит со всеми нашими маркерами и метками, когда сперматозоид состыковывается с яйцеклеткой. Вся эта выставка меченых мышиных эмбрионов не помещалась в моем крошечном кабинете в Институте Гёрдона, поэтому мы устроили ее на деревянном полу в моих апартаментах в Сидни-Сассекс-колледже.

На выходные выставка перекочевывала в дом, купленный мною и Дэвидом Гловером. В том году Дэвид переехал из Шотландии в Кембридж, чтобы стать шестым руководителем именной кафедры генетики Артура Бальфура и быть вместе со мной. Мы поженились в следующем году, первого апреля 2000-го.

У Дэвида не было иного выбора, кроме как присоединиться к изучению фотографий меченых эмбрионов. Они были по-своему красивы, но нас притягивало не это, а заключенный в них смысл. Когда мой отец приезжал в гости, он тоже не мог оторваться от цветных эмбрионов. Быть может, у него, как и у Дэвида, не было особого выбора: как только прием пищи заканчивался, кухонный стол – единственное достаточно большое место в доме – немедленно превращался в подиум для нашей кочевой эмбриологической выставки.

На данном этапе мы решили провести еще больше контрольных экспериментов. Например, измерив расстояние между полярным тельцем и гранулой, мы убедились в его неизменности, позволяющей предположить, что ни гранула, ни полярное тельце не соскальзывают со своего места. Лишь изредка гранула действительно отсоединялась. Когда Каролина с помощью своего метода вставки аккуратно переместила две-три гранулы в разные места на поверхности оплодотворенной яйцеклетки, она обнаружила, что их относительное положение не изменилось. Это придало нам уверенность в том, что гранулы (как минимум те, с которыми поработала Каролина) «помнили» точку проникновения сперматозоида в яйцеклетку.

Мы были обеспокоены, и не важно, сколько раз Каролина повторяла эксперимент, – наблюдался один и тот же сюжет: по-видимому, сперматозоид оказывает неожиданное влияние на развитие, выходящее за рамки простого представления об отцовской ДНК. Точка проникновения сперматозоида в яйцеклетку, похоже, предсказывает будущую симметрию эмбриона. Когда эмбрион впервые дробился на две части, точка проникновения соотносилась с плоскостью, вдоль которой проходило первое деление. Сначала я со скептицизмом решила, что гранула просто «проваливается» в борозду дробления. Чтобы проверить это, Каролина ночами просиживала в лаборатории, отлавливая момент деления эмбриона.

Порой гранула лежала прямо между двумя половинами дробящейся яйцеклетки, но если она оказывалась прикрепленной к одной из двух клеток, то меченая клетка обычно делилась раньше сестринской и вносила больше клеток в ту часть, которая впоследствии превращалась в собственно эмбрион.

Годами нам твердили, что клетки двухклеточного эмбриона идентичны друг другу. И все же наши эксперименты со сперматозоидной точкой проникновения опровергали эту идею и подтверждали мои ранние эксперименты с GFP. Учитывая господствующую догму, нам требовалось больше экспериментов, чтобы полностью убедиться в реальности увиденного.

Работа велась в беспощадном темпе; для наблюдения отдельных экспериментов мы оставались в лаборатории на всю ночь, чтобы не упустить ни одну деталь и ни один момент. На фотографии, где мы с Каролиной стоим рядом в саду колледжа после целой ночи особенно сложных экспериментов, она светится от возбуждения, а я еле выдавливаю из себя улыбку, – радуясь, но все-таки отчаянно желая спать. Мы молоды, но я уже беременна моей первой дочкой Наташей (названной в честь Наташи Ростовой из романа Льва Толстого «Война и мир»).

Для продолжения исследований требовалась финансовая поддержка; деньги нужны были для самих экспериментов, для моей команды и для нового микроскопа с камерой, позволяющей снимать процесс развития, пока мы спим. Большую часть года я провела за написанием исследовательских предложений в фонд Wellcome Trust, чтобы получить стипендию для старших научных сотрудников. Во время проведения последнего этапа собеседования я была на четвертом месяце; пришлось спрятать живот под одеждой, поскольку я опасалась, что беременность снизит мои шансы. Странно, но с этой комиссией я снова встречусь через пять лет – и снова беременной, хотя в тот момент еще и не зная о том, что идет второй месяц жизни моего сына Саймона.

Первое окрашивание раннего эмбриона

С учетом неожиданности наших результатов я захотела выяснить, получится ли то же самое, если проследить судьбу клеток неинвазивным методом, то есть не помещая в клетку GFP или гранулу. Идея состояла в том, чтобы снять фильм, однако в то время еще не было технологии, благодаря которой можно зафиксировать на видео многодневное развитие эмбрионов, не беспокоя их извлечением из инкубатора.

Однажды я озвучила эту проблему в институтской столовой, сидя за чашкой кофе с моим коллегой Ником Брауном, который проделал поразительную работу, продемонстрировав то, как клеточная адгезия определяет развитие эмбрионов дрозофил. Ник предложил мне простую альтернативу. Почему бы не взять маслорастворимый краситель и не растворить его в клеточных мембранах, ведь они сами маслянистые?

Какая изящная мысль! Наполняем пипетку маслом и одним нежным касанием масло окрашивает клетку флуоресцентной краской, светящейся под ультрафиолетом. Я попросила Каролину попробовать. И все получилось.

Перед нами предстала знакомая картина: одна из клеток двухклеточного эмбриона наделяется склонностью порождать клетки, которые в будущем станут частью собственно эмбриона, в то время как остальные будут строить внеэмбриональные вспомогательные структуры [9]. Это не детерминированное правило, а склонность, которая статистически не случайна.

Неважно, окрашивали мы место проникновения сперматозоида или сами клетки, исход был один: судьба первых клеток мышиного эмбриона была не случайна, как считали долгое время. Однако понадобились годы дополнительных исследований, чтобы понять причину этого легкого уклона в развитии, который так рано начинает определять судьбу эмбриона.

Угри, лягушки и люди

Предполагалось, что мышиным эмбрионам будет безразлично место стыковки сперматозоида с яйцеклеткой или расположение полярного тельца, которое зависело от клеточных (мейотических) делений, образующих яйцеклетку. Но, что интересно, наши находки в некоторых отношениях совпадали с тем, что наблюдалось у эмбрионов многих других животных, от нематод до лягушек. Возможно, эмбрионы млекопитающих не такие особенные.

Свидетельства раннего нарушения симметрии у других существ были найдены больше ста лет назад. Например, биолог Эрнест Джаст в 1912 году выяснил, что происходит, когда сперматозоид нереиса соединяется с яйцеклеткой в морской воде, окрашенной индийскими чернилами [10]. «Полоска чернил, словно кинжал или восклицательный знак, указывает на воспринимающий бугорок, над которым – присоединенный к мембране сперматозоид... Этот “восклицательный знак” помогает быстро установить, в какую из огромного множества яйцеклеток проник сперматозоид».

Ссылаясь на работу Вильгельма Ру 1885 года, раскрывшую влияние проникновения сперматозоида в яйцеклетку лягушки, а также на исследования ядовитых морских ежей и асцидий, Джаст пришел к следующему выводу: «Плоскость первого дробления яйцеклетки, чьи деления имеют разное значение и разное отношение к будущим продольным осям симметрии эмбриона, определяется проникновением сперматозоида». Мы с Каролиной подумали, что обнаружили что-то похожее в яйцеклетках млекопитающих, но только менее детерминированное.

Вы спросите, разве не странно полагать, что эмбрионы млекопитающих отличаются от эмбрионов других существ и не нарушают свою симметрию как минимум до поздней (относительно говоря) стадии развития? Однако в те годы, когда мы проводили свои эксперименты, подобный вопрос назвали бы ересью.

Тем не менее, покопавшись в научной литературе, мы нашли более ранние исследования эмбрионов млекопитающих, результаты которых совпадали с нашими. Их авторами были два замечательных ученых, и первое из этих исследований провела в Великобритании Энн Макларен [11], второе – Джинни Папайоану в США [12]. Независимо друг от друга, они обе обнаружили, что если клетки двухклеточного мышиного эмбриона отделить друг от друга или одну удалить, то примерно в 90% случаев только одна из клеток будет развиваться в течение всей беременности. Трудно было произвести на свет однояйцевых близнецов. По этим результатам уже можно было предположить, что клетки на двухклеточной стадии не идентичны друг другу не только по своей судьбе, но и по возможностям развития.

К счастью, наши результаты соответствовали работам Ричарда Гарднера в Оксфорде; он доказал асимметричность мышиного эмбриона относительно полярного тельца, о чем я говорила ранее [13]. Я не понаслышке знала, что Ричард был очень уважаемым и скрупулезным эмбриологом, воспитавшим нескольких замечательных женщин-ученых, включая моих кумиров Джинни Папайоану, Джанет Россант и Розу Беддингтон.

Вдохновленные коллегами, мы с Каролиной представили в журнал Nature исследование роли сперматозоида в нарушении симметрии и были в восторге, когда в 2001 году вышла наша статья [14]. Экспериментов было слишком много, чтобы вместить все в статью для Nature, поэтому вторая статья, подробно описывающая эксперименты с раскрашиванием клеток, была опубликована в том же году в Development [15].

Научные статьи описывают лишь методы и результаты; они не могут передать, каково это – долго блуждать в темноте, пока не увидишь яркий свет открытия. Жаль, что я не могу описать, как изначально сама скептически восприняла наши результаты, как от эксперимента к эксперименту запутывалась еще сильнее и как в моем сознании забрезжила мысль о том, что симметрия в эмбрионе может нарушаться гораздо раньше, чем принято считать. Научные журналы не содержат подробное описание того, как наши личные сомнения шаг за шагом перерастают в уверенность.

Да, мы сделали достаточно, чтобы убедить не только себя, но и наших рецензентов. Но после публикации наших исследований первоначальное удивление коллег испарилось, оставив лишь недоверие, которое в ряде случаях переходило в полное несогласие.

Кто-то может предположить, что у нас был союзник в лице Ричарда Гарднера, который в то время был единственным приверженцем нашей революционной идеи. Но Ричард сам раскритиковал нас за то, что мы промаркировали место входа сперматозоида микросферами (гранулами), поскольку полагал, что они могут смещаться. Это заставило нас задуматься. Весь следующий год мы изобретали альтернативу гранулам – зеленый флуоресцентный краситель, который химически связывался с некоторыми компонентами хвоста сперматозоида. К нашему облегчению, этот новый метод маркировки подтвердил то, что впервые показали гранулы [16].

Вся эта тяжелая работа по сбору доказательств, опровергающих прописные истины, требовала времени, а до тех пор, пока мы не провели множество других подтверждающих экспериментов, наши выводы часто искажались или утрировались, словно мы с Каролиной заявляли, что эмбрион с первого дня приговаривается к своей судьбе, а не приобретает склонность (о чем мы на самом деле говорили). Через несколько лет наше открытие подвергнется нападкам одной из крупнейших фигур в эмбриологии.

Менторство мужчин

На фоне всего происходящего в декабре 2001 года родилась Наташа. Это один из счастливейших моментов в моей жизни. В том же году я получила стипендию для старших научных сотрудников от фонда Wellcome Trust, и теперь у меня была зарплата для себя и команды, а также финансовое обеспечение экспериментов на пять лет. Наконец-то я могла превратиться из постдока в «настоящего» руководителя группы, три года пробыв между этими двумя мирами. Мы могли расширить свои исследования.

Наташа появилась именно тогда, когда я привыкала к новой роли руководителя. Сначала было сложно, потому что она ничего не ела, и нам пришлось несколько раз возвращаться в больницу под наблюдение врачей. Но едва ее режим питания наладился, я снова смогла заниматься работой. Дочка мне совсем не мешала, ведь любовь к ней заряжала меня дополнительной энергией. Помню, как проводила собеседование с кандидатом на должность в моей команде, а новорожденная малышка спала под столом в детском автокресле. Я удивлялась своей работоспособности в условиях недостатка сна. Я выяснила, что могу кормить ребенка и одновременно читать или даже писать статьи. Я могла брать ее в поездки. Практически везде она была рядом со мной. Несмотря на недосып, Наташа была чудесным компаньоном.

В начале следующего года я повезла Наташу в Польшу повидаться с моим отцом в первый и последний раз. Когда он приезжал полюбоваться моей кочевой выставкой эмбрионов, он не сказал, что его рак, который считался вошедшим в ремиссию, вернулся. Он откладывал эту жуткую новость и ждал, пока я рожу ребенка и закончу кормить грудью. Я узнала только тогда, когда у нас осталось совсем мало времени побыть вместе. Пока я вникала в хореографию клеточного танца на заре жизни, координация его собственных клеток ухудшалась.

У меня есть фото, где он улыбается с двухмесячной Наташей на руках. Прошло уже немало лет, а я по-прежнему не могу на него смотреть. От человека, в котором было так много сил и энтузиазма, чье лицо всегда излучало энергию, почти ничего не осталось. Даже сейчас, когда я пишу эти строки, мое сердце словно сжимает детская рука. Когда он сдался раку, я потеряла отца, лучшего друга и самого значимого наставника.

Перед смертью он сделал подарок – попросил маму помочь мне, поэтому она приехала к нам на полгода. И я была очень благодарна за возможность воссоединиться с ней и снова стать близкими.

В научном отношении в тот год я вышла на новый уровень, удостоившись премии Молодого исследователя от Европейской организации молекулярной биологии. Эту честь оказал мне наставник Давор Сольтер – выдающийся ученый из Югославии (ныне Хорватии), который стал директором престижного Института иммунобиологии Макса Планка в Германии. Сольтера почитали за исследования геномного импринтинга, суть которого в том, что экспрессия гена зависит от того, наследуется он от матери или от отца. Он также был известен статьей, опубликованной в 1984 году в журнале Science, где заключил, что клонирование млекопитающих путем ядерного переноса невозможно (клонирование овцы более десяти лет спустя докажет ошибочность его выводов) [17].

Короче говоря, Сольтер был очень влиятельной фигурой с твердым мнением и большой командой восхищенных людей. Когда я впервые разработала GFP в качестве маркера клеточной линии, я была лишь едва знакома с ним; мы виделись в летней школе, которую он организовал на юго-западе Германии во Фрайбурге, где сам работал. В течение многих лет после вручения премии мы по разным причинам не встретились на наставнической сессии, так что у меня не было шанса воспользоваться его мудростью.

В 2004 году, через три года после того как Сольтер стал моим наставником, он и его постдок Такаши Хиираги опубликовали статью, где заявили, что выводы, сделанные Каролиной, мной и Ричардом Гарднером, ошибочны. Они утверждали, что второе полярное тельце не остается прикрепленным к яйцеклетке и что эмбрионы «вертятся как йо-йо», что затрудняет отслеживание отдельных клеток. В этой статье, опубликованной в Nature, куда мы впервые представили свои результаты, они заключили, что плоскость первого деления яйцеклетки случайна, и придерживались традиционного мнения о том, что между клетками раннего эмбриона нет никакой разницы [18].

Подробно изучив их статью, мы осознали, что, если в их экспериментах полярное тельце отсоединилось от яйцеклетки, они не могли сделать никаких заключений (в поддержку полярности яйцеклетки или против нее) без надежного маркера. Но почему они сами не пришли к подобному выводу?

Желая разобраться в этих отличиях, мы пригласили Хиираги в нашу лабораторию, чтобы показать ему, что мы обнаружили, и узнать о подробностях его экспериментов. Мне казалось, что важно вести открытый и дружелюбный научный диалог, чтобы добраться до сути разногласий. И думаю, очень плохо, что эта встреча не состоялась. Меж тем другие ошибочно интерпретировали наши результаты и дискредитировали их.

Были ли мы расстроены? Разумеется. Мы хотели, чтобы наши результаты были представлены так, как есть – ни больше ни меньше. Наш вывод состоял не в том, что направление развития фиксируется с первого дня и тогда же определяется судьба клеток, а в том, что клетки могут отличаться друг от друга, и это отличие может влиять на нарушение симметрии и судьбу клеток [19]. В наших экспериментах полярное тельце оставалось прикрепленным к одной из клеток эмбриона и могло служить маркером для отслеживания клеточных линий.

Мы так и не смогли обменяться с критиками опытом наблюдений под микроскопом. Хотя через год они действительно пожелали встретиться и обсудить разногласия. Это был небольшой симпозиум под названием «Преимплантационные паттерны мышиного эмбриона», организованный Хиираги и Сольтером в сентябре 2005 года во Фрайбурге. Ричард Гарднер благоразумно отказался, но, даже будучи в меньшинстве, мы посчитали своим долгом принять приглашение. «Надежный ответ не получен» – так сказано в отчете, где критики подробно изложили свою точку зрения [20]. Мой муж Дэвид, к тому времени тоже ставший участником проекта, побывал с нами на этом симпозиуме. Он парировал короткой статьей под заголовком «Нечестные дебаты» [21]. Эта поддержка была очень трогательной, но я чувствовала – нужно идти дальше, чтобы дальнейшими экспериментами показать, кто из нас прав.

Из-за невероятного давления иногда я почти раскаивалась в публикации наших открытий, несмотря на твердую уверенность в правоте, – ведь мы проверяли и перепроверяли каждый результат так много раз и такими разными способами, ценой усилий стольких разных членов команды, что вероятность ошибки была почти ничтожной. Долгие годы при вбивании моей фамилии в поисковик первым всплывавшим словом было «противоречие». Я ощущала себя аутсайдером, «раскрашенной птицей» [22]. Оглядываясь назад, я понимаю, что не пошла ко дну, утащив за собой всю команду, только благодаря поддержке Дэвида, моих друзей и коллег, которые собственными глазами видели весь непомерный труд, вложенный в наше открытие. Этот эпизод поведал мне многое о людях и политике научного мира. Если я когда-нибудь найду время и силы рассказать всю историю целиком, она будет важным уроком для каждой молодой женщины, пробивающей себе дорогу в науку.

Без преувеличения скажу, что именно скептицизм подхлестнул меня вложиться в создание правильных условий и приобретение оборудования для съемки подробностей онтогенетического развития. Это не делается в одночасье, ведь мышиные эмбрионы, как и человеческие, крайне чувствительны к условиям окружающей среды. Но затраты того стоили. Как говорится, лучше один раз увидеть.

Наши первые фильмы были короткими таймлапсами^[11], отснятыми за сутки. Однако они были достаточными, чтобы подтвердить наши результаты и, что еще важнее, предоставить новый материал для исследований. Они продемонстрировали механизм, с помощью которого сперматозоид может влиять на первое дробление оплодотворенной им яйцеклетки [23]. Оказалось, что первая встреча сперматозоида и яйцеклетки физически влияет – но, опять же, не окончательно, – на судьбу клеток. Мы обнаружили, что при проникновении сперматозоида яйцеклетка меняет форму и становится чуть более плоской. Место входа сперматозоида лежит на одном конце короткой оси, и именно там мы наблюдали деление яйцеклетки. Напрашивался очевидный вопрос: если мы искусственно изменим форму оплодотворенной яйцеклетки, изменится ли плоскость деления?

Для эксперимента мы осторожно сжимали яйцеклетки, засасывая их пипеткой, а затем выпускали в гель альгината натрия, чтобы зафиксировать их форму. Таким образом мы могли пренебречь местом проникновения сперматозоида и заставить яйцеклетку делиться вдоль искусственно сформированной короткой оси. Считается, что нарушение симметрии вызвано в основном химическими процессами, но этот процесс был механическим.

В 2005 году в статье для Nature и в 2004 году в статье для Current Biology мы ответили на критику Хиираги и Сольтера, опираясь на сделанные фильмы, которые показывали механизм деления эмбриона, в частности асимметричное распределение PAR-белков и регуляцию белка актина, формирующего клеточный «скелет» [24]. Но прежде всего эти фильмы подтвердили, что клетка двухклеточного эмбриона может порождать либо эмбриональную, либо внеэмбриональную часть бластоцисты, и поэтому первое деление не случайно и способствует нарушению симметрии эмбриона. Разумеется, важна не личная убежденность, а подтверждающие результаты экспериментов других ученых. Придется ждать долгие годы, но это произойдет.

Истоки перемен

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 5

Рождение 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.

В наш век клеточной алхимии, когда мы можем прочитать ДНК отдельных клеток и трансформировать их в любой желаемый тип, химерами являются и эмбрионы, ведь они состоят из смеси тонко различающихся клеток. Но различия не обязательно должны быть настолько тонкими. На самом деле строительные блоки химер могут принадлежать разным видам животных. Более того, подобные существа знаменуют начало долгого пути к созданию искусственных эмбрионов (тема, к которой я вернусь в главе 9).

Создание химер может выглядеть неестественным. Однако я, вы и все остальные люди в каком-то смысле являемся химерами: все клетки нашего организма считаются результатом слияния неродственных и более примитивных древних клеток – слияния, которое произошло 1,5 миллиарда лет назад [3]. Среди нас разгуливают и другие виды химер. Когда женщина беременеет, в ее крови и внутренних органах обнаруживается небольшое количество клеток ее нерожденного малыша. Подобный микрохимеризм можно рассматривать как символ прочной связи между матерью и ребенком. Человек может считаться химерой, если ему пересадили костный мозг, из-за чего клетки его крови генетически идентичны клеткам донора. Есть еще более редкие случаи, когда эмбрион в процессе развития сливается со своим братом, возникшим из другой оплодотворенной яйцеклетки.

Химеры могут выглядеть странными и фантастическими, но они ни в коем случае не противоречат природе. И если первопроходцы механики развития^[12] XIX века сделали множество открытий, разделяя эмбрионы на части, мы тоже можем узнать много нового, собирая их из отдельных клеток. Химеры могли бы предоставить важную информацию о нарушении симметрии эмбриона. Мне повезло, что искусство создания химерных эмбрионов я постигала под руководством ученого, который одним из первых проделал этот трюк на млекопитающих.

Героические мыши

Систематическое изучение химер млекопитающих началось с экспериментов моего покойного наставника Анджея Тарковского, создавшего в 1960 году в Уэльсе свою первую химерную мышь [4]. Защитив в Польше докторскую диссертацию на стипендию Фонда Рокфеллера, Тарковский несколько недель спустя отправился в Уэльс, чтобы работать в лаборатории Фрэнсиса Брамбела на кафедре зоологии Университета Бангора. Через сорок лет он написал: «В те годы идея создания млекопитающего путем объединения двух дробящихся эмбрионов наверняка выглядела абсурдной» [5].

Эксперимент Тарковского показал, что после слияния клеток ранних эмбрионов они продолжают развиваться в химерный эмбрион [6]. Пересадив такой эмбрион в самку, он получил новорожденных с явными признаками химеризма, а именно – мозаичностью внешнего слоя сетчатки, где каждый «лоскуток» был потомком клеток разных эмбрионов [7]. Тарковский признал, что таким образом экспериментальная эмбриология отплатила древней мифологии, создавшей чудовищ из двух, трех и даже множества разных существ.

Тем временем другие ученые проводили собственные версии экспериментов. Беатрис Минц из онкологического центра Фокс Чейз в Филадельфии тоже была пионером создания химер млекопитающих. А позже Ричард Гарднер в Кембриджском университете и Ральф Бринстер в Пенсильванском университете придумали новый способ их конструирования – инъекции клеток в бластоцисту [8].