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

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.