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

Потребовались еще два года усердной работы, чтобы прояснить каждый шаг морфогенеза эмбриона на стадии имплантации. Тем временем два члена моей команды, Иван Беджов и Сай Люнг, усовершенствовали химию питательной среды. Наш метод культивирования позволил нам обнаружить, что во время имплантации архитектура эмбрионов меняется радикальным и неожиданным образом [13]. Три типа клеток, составляющих бластоцисту, перестраиваются в новую конфигурацию. Меняя форму шара на форму чаши, эпибласт превращается в красивую трехмерную розетку из клинообразных клеток. Затем в центре розетки образуется отверстие (или люмен) и расширяется с образованием полости, в которой позже будет находиться развивающийся плод. Могло ли это быть искусственным последствием метода культивирования in vitro? Анализируя эмбрионы, развивающиеся in vivo, Иван подтвердил, что аналогичная клеточная хореография происходит во время реального имплантационного эмбриогенеза в теле мыши.
По результатам экспериментов, выполненных в прошлом на моделях из стволовых клеток (когда культивирование эмбрионов было невозможно), отверстие эпибласта образуется путем апоптоза — клеточного самоубийства. Прямо как Микеланджело, обтесывающий мраморную глыбу, чтобы создать скульптуру Давида, апоптоз придает форму частям тела и органам. Когда клетка проходит через апоптоз, ее ядро конденсируется, а набор специальных ферментов режет ДНК на куски.
Но, как ни странно, вовсе не апоптоз открывает просвет в мышином эмбрионе. Вместо него на стадии имплантации мы видим потрясающий пример самоорганизации (in vitro и in vivo), при которой клетки благодаря контакту с внеклеточным матриксом приобретают полярность. Вследствие асимметричного перераспределения клеточного содержимого (включая среди прочего уже знакомые PAR-белки) каждая клетка приобретает разные концы — апикальный и базальный. Все клетки сходятся своими апикальными концами, а затем расслабляются, секретируя специфические белки, из-за которых отверстие расширяется в целый просвет.
Как я уже говорила, моя коллега по лаборатории Анна Хупаловская не только ученый, но и художник, поэтому я попросила ее проиллюстрировать формирование этой 3D-розеточной структуры, чтобы я могла показывать ее на лекциях. Анна придумала прекрасную 2D-аналогию, уподобив ее синхронному плаванию, где случайно распределенные пловцы (символизирующие клетки эпибласта) собираются вместе (поляризуются) с образованием розетки. При таком расположении клеток конкретные субклеточные структуры обращаются внутрь и секретируют жидкость, чтобы затопить полость и расширить розетку до появления так называемой проамниотической полости — это похоже на пончик с отверстием в центре. Процесс имеет прелестное название «люменогенез». Без люменогенеза эмбрион абортируется.
 Самоорганизация человеческого эмбриона 
Следующий шаг мог показаться очевидным — воспользоваться методом культивирования эмбрионов на стадии имплантации, чтобы выяснить, что происходит на этой стадии во время нашего собственного онтогенеза. Выглядим ли мы на седьмой день развития как живая розетка из клеток-лепестков, окружающих отверстие, которое в будущем станет временным домом для проточеловека? Похожи ли мы в начале жизни на крошечные «цветы»?
Человеческим эмбрионам требуется особое внимание и забота, о чем я подробнее расскажу в главе 10. На работу с человеческим материалом необходимы лицензии, получение которых — дело серьезное, и по понятным причинам. Чтобы установить, стоит ли вкладывать такие крупные инвестиции, а также проверить, есть ли у нас хоть какой-то шанс на успех, мы провели пилотное исследование в другой лаборатории, у которой имелось необходимое разрешение.
Наша первая попытка культивировать человеческий эмбрион за пределами стадии имплантации произошла в мае 2013 года с использованием всего двух эмбрионов. Поразительно, но метод сработал, и один из эмбрионов начал расти и развиваться.
Новости о нашем успехе пришли в один из тех изумительных дней, которые случаются нечасто. Агнешка позвонила мне, когда я готовила с Дэвидом и Саймоном на кухне, и спросила, можем ли мы прекратить эксперимент — шел одиннадцатый день. Мы решили продлить его еще на сутки. Я была так возбуждена, что в ту ночь не сомкнула глаз.
 
Маленький шарик из клеток успешно развивался до двенадцатого дня. Это было в два раза дольше, чем обычно, и, насколько я знаю, это был самый первый человеческий эмбрион, который так долго развивался в лабораторных условиях. Он вселил надежду на то, что однажды мы сможем с помощью нашего метода получить новую информацию и углубить наше представление о начале человеческой жизни, а также решить проблему выкидышей. Многим интересно, праздновали ли мы это событие. Нет, на данном этапе это было бы слишком преждевременно. Для успеха нам требовалось не только сделать метод воспроизводимым, но и найти с его помощью что-нибудь значительное. Тем не менее я была так счастлива, что несколько дней не могла думать ни о чем другом.
Для проведения следующих необходимых экспериментов мы подали заявление на получение лицензии в Управление по оплодотворению и эмбриологии человека — регулирующий орган Великобритании. В то время я увязла в куче проблем прикладного и бюрократического плана. Так получилось, что мне пришлось заняться переездом из нашей лаборатории в Институте Гёрдона в сам Кембриджский университет, на кафедру физиологии, биологии развития и нейробиологии, где я в 2010 году получила штатную должность профессора.
Переезд целой лаборатории — тяжелая работа, особенно когда речь идет о сложном и дорогостоящем оборудовании, которое надо тщательно упаковать, перевезти, настроить, протестировать и откалибровать. По-своему трудно передать из одной лаборатории в другую и разрешения на проведение исследований. В довершение ко всему наше постоянное рабочее место на кафедре было не готово. Директор Института Гёрдона хотел, чтобы лабораторию расширили для размещения еще одной группы, поэтому сначала нам пришлось довольствоваться временным пространством, в котором даже не было комнаты для микроскопов или культивируемых тканей. В итоге за восемнадцать месяцев наша лаборатория переезжала дважды.
Переезд моей группы застопорил всю работу, и наши исследования человеческих эмбрионов пришлось приостановить на год. Это был сложный период, но он заставил меня задуматься о том, что я хочу сделать со своей жизнью и что для меня действительно важно. Я сосредоточилась на новых идеях и на тех людях, которые доверили мне свою карьеру. Я хотела, чтобы они были счастливы, мотивированы и оставались со мной, несмотря на ограничения по проведению экспериментов. К счастью, в тот критический период из группы ушел лишь один человек, а несколько блестящих коллег к ней присоединились. Мы воспользовались паузой, чтобы подать заявку на расширенный грант от Европейского исследовательского совета (European Research Council, ERC) и профинансировать наши исследования на пять лет, что было бы идеально для проверки нестандартных идей. Я удостоилась чести его получить — он прибыл как раз вовремя, когда наша лаборатория только-только переехала на новое постоянное место. Этот грант наполнил наши паруса ветром.
В 2015 году наша постоянная лаборатория была готова. Впервые в жизни у нас было достаточно места для проведения всех наших экспериментов и изучения человеческих эмбрионов и эмбриональных стволовых клеток, включая нашу самую первую комнату для культивирования тканей (ура!), а также комнату для микроскопов, оборудованную должным образом, просторную и темную, где можно было снимать фильмы о живых эмбрионах и изучать танец жизни во всех подробностях. Я была на седьмом небе от счастья. Не могу выразить словами свою благодарность руководителю кафедры Биллу Харрису за его веру в меня и его поддержку, а также за гранты от ERC и фонда Wellcome Trust, позволившие мне сделать этот важный шаг.
Передав лицензию на исследование человеческих эмбрионов в нашу новую лабораторию, мы расширили свои возможности. Мы получили информированное согласие от пар, проходящих лечение от бесплодия, на использование оставшихся после ЭКО лишних эмбрионов. Мы работали с двумя организациями — клиникой по лечению бесплодия CARE (особенно мне помогли Саймон Фишель и Элисон Кэмпбелл) и Лондонской больницей Гая в сотрудничестве с Питером Брауде, Якубом Халафом и Душко Иличем, каждый из которых был невероятно полезным и проницательным. Они и трое коллег из моей команды — Марта Шахбази, Санна Вуористо и Агнешка Едрусик — помогли нам приступить к культивированию человеческих эмбрионов на стадии имплантации, чтобы посмотреть на главные трансформационные события, критически важные для всего последующего развития.