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

Всплыло множество удивительных подробностей. Хотя при имплантации в матку эмбрионы теоретически могут принять любую ориентацию, мы обнаружили, что они прикрепляются стороной, содержащей скопление клеток, которые в будущем превратятся в собственно эмбрион. Мышиные эмбрионы имплантируются с точностью наоборот. Как упоминалось ранее, хотя бластоцисты человека и мыши изначально кажутся одинаковыми, через несколько дней их архитектура отличается кардинальным образом.
Сначала мы сосредоточились на группе клеток, имеющей критическое значение для развития человека. Эта группа формирует два типа тканей: гипобласт, который позже разовьется в поддерживающий желточный мешок, и эпибласт, который станет собственно эмбрионом, образовав три основных типа тканей — эктодерму, мезодерму и энтодерму (экто-, мезо- и энто- в переводе с греческого означают «внешний», «средний» и «внутренний», а «дерма» означает «кожа»).
Мы увидели, что приблизительно через восемь дней после оплодотворения эпибласт формирует ту же розетку, которая впечатлила нас во время экспериментов с мышиными эмбрионами. Как и у мышей, розетка эпибласта расширяется с образованием амниотической полости.
Еще один шаг в реорганизации человеческого эмбриона приводит к развитию второй, более крупной полости на гипобластной стороне диска. Это первичный желточный мешок, который в условиях естественного развития снабжает плод кровью. У человеческого эмбриона формирование этой второй полости, по-видимому, начинается на одиннадцатый день.
Чтобы получить первые представления о молекулярных механизмах, мы покрасили человеческие эмбрионы флуоресцентными антителами, позволяющими увидеть, какие гены и какими клетками используются. Данная методика предоставила молекулярную картину клеточной идентичности. Антитела помогли обнаружить, в каких клетках присутствовали гены транскрипционных факторов ОСТ4 и NANOG (такие клетки находятся в эпибласте, превращающемся в собственно эмбрион), а в каких — GATA3, что указывает на трофэктодерму, формирующую плаценту. Изображения, полученные в результате экспрессии перечисленных генов, обладали какой-то сверхъестественной красотой и раскрывали новые подробности истории человеческой жизни.
Клетки эпибласта ожидаемо имели только одно ядро, тогда как клетки на периферии эмбриона имели одно или несколько ядер — типичная черта трофэктодермы, которая прокладывает путь отверстиям (лакунам), используемым для кровоснабжения плода в матке. Это обнадеживало нас, указывая на то, что развитие эмбриона шло точно так же, как в теле матери.
Может показаться, что закрепление эмбриона в матке зависит от хореографически выверенной последовательности физических и биохимических взаимодействий тканей матери и эмбриона. Это не так. В течение нескольких дней после имплантации эмбрион, по-видимому, существует на автопилоте и имеет все необходимое для развития. Ремоделирование человеческого эмбриона на стадии имплантации имеет решающее значение для успешной беременности. Мы показали, что успех зависит от невероятной способности эмбриона к самоорганизации.
В 2013 году, вскоре после нашего первого успешного культивирования эмбриона за пределами имплантации, я познакомилась с Али Бриванлу из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке на конференции в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд. Али интересовался культивированием эмбрионов нечеловекообразных приматов (мартышек), и я предложила свою помощь. Наука процветает на сотрудничестве. Коллега Али, Алессия Деглинкерти, посетила нашу лабораторию, чтобы научиться культивировать человеческие эмбрионы за пределами стадии имплантации. Как выяснилось, команда Али воспользовалась нашим методом для культивирования и человеческих эмбрионов тоже, поэтому в итоге в мае 2016 года в одну и ту же неделю вышли не одна, а целых две статьи: одна в Nature и вторая — в Nature Cell Biology [14]. Когда две лаборатории независимо занимаются одной и той же проблемой, их исследования дополняют и подтверждают друг друга, отчего наука только выигрывает.
 
Для всех нас самым потрясающим открытием оказалась способность человеческого эмбриона к самоорганизации вне организма матери, по крайней мере, в изученный нами период развития. Раньше никто не знал об этой способности, которая означала, что эмбрион должен обладать средствами для формирования самого себя даже вне тела матери. Во время естественного развития, разумеется, происходит взаимозависимый танец материнских и эмбриональных клеток [15]. Поскольку предметом наших исследований являлся постимплантационный период до формирования плаценты, было неясно, сможет ли наша модель культивирования in vitro воспроизвести развитие человеческого эмбриона за пределами этой стадии.
Некоторые аспекты развития мышей и человека оказались одинаковыми; например, образование полости в эмбрионе, происходящее не путем гибели клеток, а путем их поляризации и реорганизации контактов. Но многие другие аспекты сильно различались. К примеру, человеческий эмбрион, в отличие от мышиного, расщепляется на две разные ткани — эпибластный диск и амнион. Мы наблюдали это расщепление в наших исследованиях. Это означает, что, хотя исследования эмбрионов других млекопитающих и предоставляют ценную информацию, понять человеческое развитие можно лишь с помощью изучения человеческих эмбрионов.
 Клетки, потентность и архитектура 
Клетки эмбриона дифференцируются в определенные линии, но как только обретут идентичность, запускают изменения в структуре эмбриона, что, в свою очередь, может изменить положение самих клеток. Но каким образом эмбрион синхронизирует эти циклы дифференциации и морфогенеза? Один из способов координации танца жизни заключается в применении контрольных точек, когда развитие приостанавливается до тех пор, пока не будет выполнено некое условие.
В 2017 году журнал Nature опубликовал наше второе исследование человеческих эмбрионов, в котором Марта Шахбази воспользовалась нашей технологией культивирования, чтобы установить именно такую контрольную точку в раннем развитии млекопитающих [16]. Она выяснила, что только в том случае, когда эпибластные клетки становятся более специализированными, они расширяют просвет и создают амниотическую полость, в которой будет находиться жидкость, окружающая растущий эмбрион.
Исходно клетки выстраиваются в уже знакомую розетку с направленными к центру апикальными концами. На следующем этапе к соприкасающимся апикальным концам перемещаются везикулы с жидкостью. Марта обнаружила, что в месте «поцелуя» апикальных концов должен синтезироваться мембраносвязывающий белок подокаликсин из семейства сиаломуциновых белков, с помощью которого клетки могут оттолкнуть друг друга и впустить жидкость, накапливающуюся между ними и заполняющую собой полость.
В поисках механизма этого процесса Марта выяснила, что в нем участвует наш старый знакомый ОСТ4. Как только мышиные эпибластные клетки переходят из наивного состояния потентности в новое праймированное состояние, возникает партнерство между двумя транскрипционными факторами, ОСТ4 И ОТХ2, в результате чего активируется синтез гликозилированных сиаломуциновых белков, ведущий к образованию амниотической полости.
Но удаление подокаликсина само по себе не останавливает увеличение полости, поскольку другие белки компенсируют его отсутствие. Один из них, цингулин, привязывает везикулы к апикальным концам клеток. Как всегда, все гораздо сложнее, но это делает биологию развития еще более завораживающей. Ради этих сведений Марта работала день и ночь.
Однако требуются дополнительные исследования для идентификации всех белков, которые подталкивают клетки к приобретению большей специализации и формированию полости, помогая перейти к следующей стадии развития. Тем не менее наши эксперименты уже показали, что удержание клеток в наивном состоянии играет роль контрольной точки, гарантирующей, что амниотическая полость появится только тогда, когда клетки праймируются должным образом. Эксперименты демонстрируют и то, как эмбрион синхронизирует морфогенез и дифференциацию, координируя в танце жизни идентичность и расположение клеток-партнеров.