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

 На данный момент 
Эксперименты на эмбрионоподобных моделях прекрасно дополняют исследования, начавшиеся с того дня, когда мы впервые увлеклись танцем жизни. До этого все наши усилия были сосредоточены на наблюдении за этим танцем. Мы увидели, что после единственного деления оплодотворенной яйцеклетки одна из клеток склонна развиваться в эмбрион, а другая — в поддерживающие структуры, несмотря на то, что обе клетки невероятно пластичны с точки зрения потенциала развития. Делая фильмы с участием флуоресцентно меченых клеток, мы выяснили, что клеточные танцоры кооперируют друг с другом не потому, что хореограф отдает им команды, а потому, что они переговариваются между собой при помощи белков и других молекулярных факторов и реагируют на свое окружение. Как только конкурирующие клетки начинают кооперировать, развивается новый уровень организации [17]. Кооперация
способствует специализации и разнообразию клеточных типов, что побуждает эмбрион самоорганизовываться так, чтобы, например, после нескольких дроблений образовался свободноплавающий шарик из трех групп стволовых клеток, и одна из них превратилась в диск из клеток (эпибласт), которому суждено стать собственно эмбрионом. Остальные две группы формируют поддерживающие внеэмбриональные структуры.
Нам также удалось отследить танец жизни до самого момента имплантации, когда к танцу присоединяется материнский организм. С первой по вторую неделю человеческий эмбрион готовится к гаструляции, предвещающей ему реорганизацию из шарообразного скопления клеток (бластоцисты) в структуру в форме розетки, внутри которой открывается полость. Структура прогрессивно развивается в многослойный организм с тремя осями симметрии: передне-задней, дорсально-вентральной и лево-правой.
Теперь, когда мы построили эмбрионоподобную структуру из всех трех типов стволовых клеток (один отвечает за образование энтодермы, мезодермы и эктодермы, второй — за образование трофэктодермы, формирующей плаценту, и третий — за образование примитивной энтодермы, образующей желточный мешок), мы можем углубить наше понимание того, что запускает и направляет гаструляцию, которая начинается с водопада клеток, погружающихся из эпибласта в первичную полоску — бороздку, которая тянется от заднего конца туда, где в итоге будет голова, вдоль средней линии тела, разделяющей его на правую и левую стороны для сохранения симметрии и правильного развития эмбриона.
Тот слой, который глубже всех погрузится в полоску, станет энтодермой, а два следующих — мезодермой и эктодермой. Конкурирующие взаимодействия клеток и взаимные сигналы, ведущие к обособлению местоположения и судьбы клеток, демонстрируют то, как эпигенетическая модификация и поляризация клеток определяют развитие этих трех клеточных линий.
Несмотря на то что существует много сигнальных путей, отвечающих за межклеточную коммуникацию, мы можем попытаться понять, как именно взаимодействуют клетки, и создать прочные эмбриональные паттерны. Тем не менее мы достигли серьезного прогресса, когда, например, начали понимать, почему развитие человеческого и мышиного эмбрионов сильно различается, хотя фактически у них одинаковый набор генов [18]. С момента оплодотворения яйцеклетки до стадии бластоцисты человек и мышь развиваются по относительно сходным правилам, но после имплантации мышиный эмбрион приобретает форму цилиндра, а человеческий — форму диска. Их траектории развития расходятся из-за различий во взаимодействиях трех базовых типов клеток.
И здесь эмбрионы, созданные из стволовых клеток in vitro, предоставляют новые сведения. В отличие от эмбрионов, образующихся в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки, модельные эмбрионы можно создавать в огромных количествах и подвергать генетическому редактированию для проведения высокопроизводительных генетических тестов и скрининга лекарственных препаратов [19]. Еще одним важным источником информации являются химеры, у которых человеческие клетки имплантированы в эмбрион другого биологического вида, что приводит к созданию новой оси [20]. Так с помощью «синтетической биологии» можно проверить, можем ли мы понять развитие в целом по отдельным его частям. Сегодня мы как никогда четко можем увидеть подробности танца жизни, при котором происходит кооперация и конкуренция клеток внутри самоорганизующегося эмбриона.
 
 Этические аспекты использования моделей эмбрионов из стволовых клеток 
Исследования по созданию эмбрионоподобных структур поднимают более широкие проблемы, которые знаменитый американский ученый Джордж Чёрч, ведущий специалист по синтетической биологии в Гарварде, разобрал в статье журнала eLife [21]. Интерес Чёрча и его коллег к «синтетическим человеческим существам с эмбрионоподобными чертами» начался с эксперимента, проведенного ими в 2011 году, когда они ввели человеческие стволовые клетки в мышиные эмбрионы, прикрепленные скаффолду[20] , применив то, что сами назвали инженерией эмбриональных тканей на основе скаффолдов. Для получения скаффолда из эмбрионов удалили клетки, оставив лишь межклеточный матрикс, и предполагалось, что сигнальные факторы побудят человеческие стволовые клетки превратиться во множество клеточных типов. Уже предпринимались попытки сделать таким образом сердце крысы [22]. В статье журнала eLife утверждалось, что подобные эксперименты «могут привести к созданию эмбрионоподобных существ, если ткани разовьются в достаточном количестве и установят между собой функциональные связи».
Как мы должны относиться ко всем этим существам, от эмбриоидов до эмбрионоподобных моделей, с учетом современных этических и правовых аспектов в разных юрисдикциях? Следует ли, с точки зрения закона, обращаться с модельными эмбрионами как с человеческими, сейчас или в будущем? Что, если получится сконструировать эмбрионоподобные модели, развивающиеся до более зрелого состояния? К ним нельзя применять четырнадцатидневный лимит, поскольку их время развития измеряется по другим часам. Как подчеркнули мои коллеги в комментарии к статье в Nature, существенным для решения этих вопросов является прозрачность и эффективное взаимодействие с общественностью [23].
Нет никаких сомнений, что рождение первой здоровой мыши из имплантированной эмбрионоподобной структуры станет знаковым моментом в репродукции, который породит столько же споров, сколько и научных перспектив. Как всякое исследование с практическим применением, репродуктология и наука о стволовых клетках в равной мере приносит новые возможности и этические проблемы. Однако в своей статье мы советовали запретить использование эмбрионоподобных структур в репродукции. Что касается этики, то для регулирующих органов на первом месте должна стоять цель экспериментального использования этих структур, а не попытки понять, насколько они похожи на естественные эмбрионы. Мы полагаем, что к структурам, воспроизводящим лишь часть эмбриона, нельзя относиться точно так же, как к полноценному эмбриону. Мы также призываем каждого ученого, использующего человеческие стволовые клетки, придерживаться существующих рекомендаций. Модели эмбрионов на основе стволовых клеток способны преобразить медицину. Но мы должны действовать осторожно.
 Глава 10 
 Новая эра синтетической биологии 
Новая наука о том, как клетка становится человеком, уже оказывает на нас свое воздействие, будь то разработка новых методов лечения бесплодия, повышающих вероятность зачатия, или новых тестов и терапевтических подходов, а также многое другое — от профилактики развития врожденных дефектов до регенеративной медицины, побуждающей клетки танцевать под новую мелодию.
Точно так же, как танец организован в пространстве и времени, имеет определенный порядок шагов, направление передвижений и соответствует паттернам акцентов, так и клетки развивающегося эмбриона, по результатам исследований моей и других команд, руководствуются фундаментальными процессами, позволяющими эмбриону самоорганизовываться и создавать нас. И хотя много еще предстоит исследовать, сведения о клеточных и молекулярных процессах в раннем эмбрионе уже имеют существенное влияние.