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

Потревоженная, она генерирует световые вспышки по краям колокола. Изначально они выглядят как голубые искры, созданные люминесцентным белком экворином. Но мы не видим их, потому что внутри медузы они проникают в белок с маленькой структурой в центре под названием «хромофор», который поглощает синий свет и переходит в возбужденное состояние, а по мере выхода из него светится зеленым. Осаму Симомура из Принстона выделил этот белок в 1960-х, назвав его зеленым флуоресцентным белком (green fluorescence protein, GFP) [1]. Поскольку этот белок важен для проведения широкого спектра исследований, Симомура в 2008 году получил за его открытие Нобелевскую премию.
Сегодня этот белок можно использовать для самых разных целей, например, чтобы отследить распространение вирусных инфекций в организме, понаблюдать за регенерацией поврежденных тканей в организме аксолотля (амфибии) или в подробностях увидеть, как переплетаются нервные пути в мозге мыши. С помощью генетических трюков и флуоресцентных белков можно покрасить сотни нервных клеток в десятки различных оттенков и создать мозговую радугу (brainbow), проявляя калейдоскопом цвета всю красоту нейронных связей [2].
С помощью множества флуоресцентных меток можно представить разные стадии жизни в форме яркой мозаики синего, розового, зеленого и других цветов. Значимость подобных исследований сопоставима с их красотой.
Однако оригинальный белок медузы, выделенный Симомурой, не работал в теплокровном организме. Мне нужен был мощный флуоресцентный маркер, чтобы проследить, как активируются гены в клетках живых эмбрионов млекопитающих по мере развития или установить время рождения отдельных клеток и окончательного решения их судьбы.
GFP начали использовать в качестве маркера еще в 1994 году, когда Мартин Чалфи из Колумбийского университета в Нью-Йорке сообщил, что с помощью флуоресцентного белка можно продемонстрировать активацию гена, за что и разделил Нобелевскую премию с Симомурой [3].
Мне тоже хотелось побаловаться этой светящейся зеленой краской. Это был год, когда Мартин Эванс и я получили стипендию Европейской организации молекулярной биологии, что привело меня в Кембридж, где я могла доработать GFP, чтобы проследить действия генов в живом эмбрионе млекопитающего и в стволовых клетках. Ген GFP можно было встроить в ДНК млекопитающего и тем самым пометить белок флуоресцентным маркером. Если бы клетка использовала ген для производства этого белкового компонента, то под ультрафиолетом, благодаря GFP, она светилась бы зеленым.
В то время меня глубоко интересовало нарушение симметрии, полярность и структурные детали развития эмбриона. Именно поэтому я загорелась концепцией самоорганизации и идеями великого английского математика Алана Тьюринга, который в 1936 году создал теорию алгоритмов, а во Вторую мировую войну взломал код нацистской шифровальной машины Enigma [4]. Тьюринга интересовали узоры, созданные самой природой: он хотел опровергнуть представление о том, что только Бог способен творить чудеса. Мне нравилась его идея, что в природных узорах нет ничего сверхъестественного.
Я знала, что клеткам мышиных и человеческих эмбрионов присуща пластичность в вопросах окончательного превращения в конкретный тип клеток. Я хотела понять базовые механизмы этой пластичности, чтобы посмотреть, соответствуют ли они математическим моделям формирования узоров, предложенных Тьюрингом.
Для этого мне надо было пометить клетки, чтобы несколько дней следить за ними и их потомками в развивающемся мышином эмбрионе. Раньше такого никто не делал, и GFP казался мне идеальным помощником. Но прежде всего мне нужно было заставить его светиться в эмбрионе млекопитающего. Тогда этот подвиг еще никому не удавался, поэтому у меня не было готового решения. И как обычно бывает, когда пытаешься сделать что-то в первый раз, у меня ничего не вышло.
Примерно в то время на мою работу обратил внимание Джон Гёрдон. Он был руководителем института, в котором я работала, — Британского института клеточной биологии и онкологии под патронажем благотворительных фондов Wellcome Trust и Cancer Research (переименованного в 2004 году в Институт имени Джона Гёрдона). Считалось, что Джон бился над биологическими загадками еще в школьные годы в Итоне, а к исследованиям приступил в Оксфордском университете в 1950-х, задавшись одним из важнейших фундаментальных вопросов: действительно ли все клетки тела имеют одинаковый набор генов [5]? В 1966 году Джон сообщил, что, пересадив ДНК из ядра клетки молодой лягушки в энуклеированные (лишенные ядер) яйцеклетки, он создал еще одну лягушку. Позже он написал: «Среди всех проведенных нами экспериментов этот, вероятно, является самым важным, ведь он доказывает, что клетка может пройти специализацию и все-таки... [сохранить] весь генетический материал, необходимый для создания полноценного, половозрелого индивидуума... Клонирование дифференцированных и, по всей видимости, даже зрелых клеток как минимум теоретически возможно» [6].
 
На мой взгляд, это был один из важнейших онтогенетических экспериментов двадцатого века, поскольку он показывал, что дифференциацию клетки можно обратить вспять. Помимо разных научных последствий, этот факт, несомненно, означает, что Джон был пионером клонирования. Учитывая его высокое звание и мой низкий статус, наша встреча, не говоря уже о беседе, казалась маловероятной.
Но однажды, когда я выходила из аудитории, Джон вежливо спросил, над чем я работаю. Я описала ему свои попытки заставить GFP светиться в организме мыши, чтобы с его помощью можно было увидеть активацию отдельных генов и проследить, каюте клетки становятся частью мышиного эмбриона.
Джон был заинтересован. Ему понравилась задача, и он тоже считал ее важной. Кроме того, он уже знал, как заставить продукты гена работать в организме лягушки: суть в том, чтобы вводить в клетку не сам ген, а синтетическую РНК — транскрипт гена, используемый клеткой для синтеза белка. Имплантированная РНК через несколько часов давала нужный эффект. Эта короткая случайная встреча стала поворотным моментом в моем исследовании.
На следующее утро, придя в лабораторию Мартина, я обнаружила на столе записку. В ней Джон просил меня встретиться и за чашкой чая обсудить GFP. Можем ли мы «настроить» GFP и для его лягушачьих эмбрионов? Так началась наша совместная работа, утомительная рутина которой переходила изо дня в ночь.
Моя жизнь распределилась между исследованием клеток мышиных эмбрионов в лаборатории Мартина Эванса и ночными исследованиями лягушачьих эмбрионов в лаборатории Джона Гёрдона. У обоих проектов была одна цель: найти такой способ окрашивания клеток, который не мешал бы нормальному развитию эмбриона и в то же время действовал как маркер, позволяющий отследить превращение клеток эмбриона в разные типы.
В Кембридже мне посчастливилось трудиться бок о бок со многими выдающимися учеными. Я познакомилась с Джоном Пайнзом и Джимом Хэйзелоффом, которые пытались сделать GFP более устойчивым, изменив участок гена, отвечающий за скорость разрушения этого белка. Я помню долгие часы, которые провела в лаборатории Джона, обсуждая способы преодоления последней неудачи и стараясь научиться у него мастерству разрезания и сшивания ДНК. В итоге мы создали такой вариант GFP, который флуоресцировал при более высоких температурах, характерных для организма млекопитающих. Когда я ввела его в клетки мышиного эмбриона, они засветились зеленым. Джон назвал этот белок Magda-modified GFP (GFP, модифицированный Магдой), а в научных статьях мы упоминали его как MmGFP. Но, разумеется, правильнее было назвать его JJmGFP, то есть Jim-and-Jon-modified GFP (GFP, модифицированный Джимом и Джоном).
Бывало, закончив работу с мышиными эмбрионами в лаборатории Мартина, когда большинство моих коллег расходились по домам, я спускалась вниз, в лабораторию Джона Гёрдона, чтобы проанализировать лягушачьи эмбрионы, в которые он уже ввел разные варианты GFP для проверки. Поскольку в то время он был Магистром колледжа Магдалины, он исчезал в полседьмого вечера, чтобы возглавить ужин за Высоким столом[4].