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

Из всего операционного материала врачи проанализировали тот, что был получен от двухсот одиннадцати пациенток с 1938 по 1954 год, и обнаружили тридцать четыре ранних эмбриона (они назвали их ova). Среди них двадцать шесть оказались имплантированными. Из всех эмбрионов был двадцать один нормальный и тринадцать аномальных. После погружения в воскообразный материал эмбрионы были послойно разрезаны и сфотографированы: это был «первый полный обзор всех серий ova... от двухдневной двухклеточной трубной яйцеклетки до семнадцатидневной имплантированной яйцеклетки с ветвящимися хорионическими ворсинками и четко определяемой эмбриональной осью».
На иллюстрации 27 к данной статье изображен двенадцатидневный эмбрион, зарывшийся в поверхность матки. На иллюстрации 43 с тринадцатидневным эмбрионом можно различить сгусток свернувшейся крови, указывающий на то, что имплантация больше похожа на вторжение. Во время имплантации эмбрион разрушает кровеносные сосуды стенки матки, вызывая небольшое кровотечение.
В процессе адаптации виды млекопитающих придумали различные стратегии имплантации в матку, происходящей после сбрасывания оболочки zona pellucida. Мышиные и крысиные эмбрионы разрушают стенку матки. Эмбрионы морских свинок проскальзывают между клетками. Эмбрионы кроликов сливаются с клетками эндометрия. Эмбрионы людей и других приматов проделывают в стенке матки отверстие.
Все эмбрионы стараются «решить» одну и ту же задачу: создать с матерью совместное предприятие, называемое плацентой. Во всех случаях внедряющийся эмбрион запускает ремоделирование прилегающей выстилки матки, чтобы сформировать ткань под названием «децидуальная оболочка» (от лат. decidua, то есть «отпадающий»). У мышей эта прилегающая ткань более губчатая в сравнении с остальной частью матки, где больше мышечной ткани.
Децидуальная оболочка защищает эмбрион от атаки со стороны защитных иммунных клеток матери и обеспечивает питанием до формирования плаценты. Часть этой поддержки исходит от материнских иммунных клеток, натуральных киллеров, которые вырабатывают стимулирующие рост факторы, участвующие в широком спектре процессов развития [7].
Роза Венто-Тормо из команды Сары Тейхманн (Институт Сенгера в Хинкстоне) изучала генетический код РНК примерно семидесяти тысяч клеток, взятых из плаценты в первом триместре, чтобы показать, как иммунная система матери ослабляется и адаптируется к поддержке плаценты, пока та внедряется в стенку матки и развивает кровеносные сосуды и прочие структуры [8]. Красота этого исследования нашла отражение в рисунке, созданном моей бывшей коллегой по лаборатории Анной Хупаловской и размещенном на обложке журнала Nature за 2018 год, где было опубликовано данное исследование.
История о том, как эмбрион вторгается в матку, имеет отношение к исследованиям раковых заболеваний. Клетки имплантирующегося эмбриона способны к пролиферации, дифференциации, миграции, ангиогенезу (созданию кровеносных сосудов) и уклонению от атаки иммунной системы матери, что делает его полезной моделью для онкологических исследований. Взять, к примеру, преэклампсию, ведущую к серьезным осложнениям беременности, когда плацента не может правильно развиваться из-за проблем с ее кровеносными сосудами. Большинство генов, связанных с развитием преэклампсии, тесно вовлечены в рост опухолей [9].
Но в самом ли деле эмбрион нуждается во взаимодействии с телом матери, чтобы развиваться за пределы преимплантационной стадии бластоцисты? Может ли он нормально расти без поддержки со стороны матки?
 Эмбрион во время имплантации 
Когда мы, наконец, решили, что должны попытаться создать подходящие условия вне матки и исследовать развитие эмбриона в период имплантации, мы, как обычно, начали с мышиных эмбрионов. Я думала, что основной помехой будет симуляция эффекта матки. Я ошибалась. Решение этой задачи не составило труда.
Чтобы подготовиться, мы изучили методы, которые в прошлом использовались для культивирования эмбрионов, и выяснили, что важно добавлять сыворотку из пуповины человека. Врачи, два раза принимавшие у меня роды, любезно помогли нам получить свежую человеческую плаценту, пожертвованную для научных исследований.
 
Я подумала, что было бы неплохо смоделировать эластичную маточную поверхность. Для этого мы начали сотрудничать с Кевином Шейкшеффом, тканевым инженером из Ноттингемского университета, и его командой. Казалось интуитивно правильным позволить бластоцисте во что-нибудь зарыться. Мы попробовали созданные командой Кевина гидрогели — синтетические материалы, которые своей эластичностью напоминали маточные ткани.
С помощью моих коллег по лаборатории Симы Гревола, Сэма Морриса и Флоренс Барриос, а также Самира Патанкара и Ли Баттери из команды Кевина (фармацевтическая школа Ноттингемского университета) у нас получилось создать такие условия среды, которые каким-то образом «убеждали» эмбрион, что имплантация прошла успешно. Он продолжал развиваться и начинал увеличиваться в размерах.
Когда уже имеются знания, процесс кажется легким, но изначально на подбор правильной комбинации факторов для культивирования мышиных эмбрионов после стадии имплантации у Симы ушли месяцы ежедневных попыток. И даже когда у нас получилось, нам надо было сделать метод воспроизводимым, что, разумеется, вышло не сразу. Сегодня эксперимент работал, завтра нет. Это наводило на мысль, что условия среды были недостаточно стабильными. Работа по поиску причин и исправлению ошибок занимала много времени.
Проблему создавал и гидрогель, покрывающий дно чашки Петри. Он мешал снимать фильм в высоком разрешении. Это подрывало весь замысел проекта, состоящий в том, чтобы следить за прогрессом клеток, пока те сотрудничают друг с другом ради осуществления морфогенеза.
Со временем мы поняли, что гель нам не нужен. Достаточно было установить правильную среду, побуждающую эмбрионы расти in vitro[17], и они прикреплялись к самой пластиковой чашке. Мы использовали особые чашки, прозрачные и с оптическими свойствами, позволяющими делать сквозь них высококачественные снимки эмбрионов. В первую очередь мы хотели установить, как эмбрион закладывает свою передне-заднюю ось (голова — хвост). Многие ученые из моей области, включая меня саму, пытались разобраться в развитии данной оси, и вот впервые в жизни мы могли непосредственно наблюдать за тем, как это происходит.
Более ранняя работа Розы Беддингтон показала, что формирование передней части тела контролируется сигналом, поступающим от специализированной популяции клеток, потомков примитивной энтодермы [10]. Эта группа клеток называется передней висцеральной энтодермой (anterior visceral endoderm), или просто AVE, и если у нее не получится выработать сигнальный белок, эмбрион останется без головы. Развитие AVE происходит тогда, когда бластоциста превращается в цилиндрическую структуру, и мы первый раз в жизни могли наблюдать за этим процессом. Для образования головы нужен белок-ингибитор Cerberus (Цербер), поэтому мы использовали трансгенный эмбрион, у которого активность Cerberus сопровождалась свечением GFP (созданным еще в те годы, когда я была постдоком у Мартина Эванса).
Мы обнаружили интересный факт: по мере развития эмбриона некоторым клеткам суждено сформировать AVE, в то время как другие лишь индуцированы на то, чтобы превратиться в нее позже. Обе группы клеток собираются вместе на дне эмбриона и мигрируют на одну сторону. Перемещаясь, они сигнализируют соседнему эпибласту стать той частью эмбриона, где в будущем появится голова. Согласно нашим результатам, AVE, вероятно, происходит из двух наборов предшественников, один из которых обнаруживается уже во время нарушения симметрии на стадии бластоцисты [11]. Полученный результат подчеркивает важность событий до имплантации эмбриона, способных влиять на формирование организма на более поздних стадиях.
С противоположной от AVE стороны активируется ген Brachyury и приступает к созданию белка. Активность этого гена символизирует появление задней части эмбриона, образование мезодермы и гаструляцию. Взглянув на скрытые процессы имплантации в культуре, мы смогли проследить, какие из генов и в какой последовательности активировались на этапе, когда эмбрион создает свою передне-заднюю ось. У нас получилось сделать фильмы, которые демонстрировали хореографию клеток, ведущую к гаструляции. Эта информация была для меня чрезвычайно важна — казалось, будто каждая клеточка в моем теле улыбалась. К нашему удивлению, эту первую в мире визуализацию развития имплантирующегося эмбриона в культуре, отражающую ранние этапы формирования AVE, рецензенты Nature публиковать отказались (и, как водится, один из них выступил против идеи о том, что раннее нарушение симметрии влияет на формирование AVE). Зато журнал Nature Communications оценил наше открытие и опубликовал исследование в 2012 году [12].