Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Партасарати Рагувир

У клеток удлиняющегося эмбриона, формирующих сомиты, тоже есть часы. В изолированных клетках происходят регулярные подъемы и спады экспрессии генов, и у клеток в составе ткани эти колебания синхронизированы. Как же эмбрион превращает такие временные ритмы в пространственные паттерны? В 1976 году Джонатан Кук и Эрик Кристофер Зиман описали изящную биофизическую стратегию¹⁶, и последующие эксперименты, особенно группы Оливье Пуркье из Института медицинских исследований Стоуэрса в Канзас-Сити, показали, что именно ее человек в числе прочих позвоночных использует для формирования сомитов: это привязывание генетических часов к градиенту морфогена.

Представьте группу клеток, где экспрессия генов колеблется синхронно. Допустим, уровень транскрипции гена в каждой клетке возрастает с 0 до 1, 2 и 3,

затем снова падает до 0, и все повторяется. Выделив эти уровни на рисунке белым, светло-серым, темно-серым и черным соответственно, мы увидим синхронную коллективную осцилляцию.

Сначала все клетки белые:

Затем все светло-серые:

И так далее:

Теперь представим, что часы каждой клетки снабжены переключателем: отсчет времени ведется лишь тогда, когда локальная концентрация какой-то молекулы выше порогового уровня. Если же она падает ниже, часы останавливаются. Допустим, контролирующая молекула – это морфоген, вырабатываемый в хвостовой части животного, который распространяется путем диффузии и формирует градиент концентрации от хвоста к голове. Часы тогда будут работать у хвоста и останавливаться на некотором расстоянии от него. По мере роста эмбриона хвост все больше отдаляется от головы, и местоположение пороговой концентрации морфогена постоянно отодвигается назад. Клетки фиксируют уровни экспрессии генов, характерные для момента прохождения пороговой концентрации – иными словами, для момента остановки часов. Если в одной точке эмбриона уровень экспрессии какого-то гена равен 2, то далее он достигает 3, потом падает до 0, а затем уровни 1, 2 и 3 повторяются в периоде. Можно добавить на наш рисунок темную черту – границу, левее которой клеточные часы стоят, правее – идут, и хвост животного находится справа. Временной паттерн «замораживается» в виде пространственного паттерна экспрессии генов.

Если при высоких уровнях любой управляемой часами транскрипции будут создаваться границы сомитов, где клетки плотно прижаты друг к другу, а при низких – их выпуклые серединки, то осцилляция наших часов превратится в повторяющиеся структурные паттерны (сегменты), на базе которых можно конструировать регулярные элементы вроде позвонков. Более того, управляя скоростью хода часов, природа может регулировать периодичность паттернов и размер сомитов. У разных животных часы идут с разной скоростью. Например, быстрые клеточные часы позволяют змеям формировать множество позвонков.

Теперь нам многое известно о конкретных участниках создания часов и градиентов морфогенов¹⁷. В этих процессах, особенно в схеме осцилляции, задействовано сразу несколько генов, и часть из них кодирует белки, взаимодействующие с регулятором латерального торможения Notch. Активность Notch то возрастает, то снижается; к тому же этот белок помогает соседним клеткам поддерживать синхронность. Notch – ярчайший символ склонности природы к использованию удивительно узкого набора молекул в самых разных контекстах. (Шутка, известная уже не один десяток лет, утверждает, что существует два типа исследователей биологии развития: те, которые изучают сигнализацию Notch, и те, которые не знают, что изучают сигнализацию Notch¹⁸.)

Градиенты и пороги, контактные сигналы и останавливающиеся часы – далеко не единственные физические мотивы, лежащие в основе эмбрионального развития. Клетки мигрируют, растягиваются, удлиняются, складываются друг на друга, меняют способность к адгезии и делают еще много чего другого, без устали придавая форму живой глине растущего эмбриона. Открывая новые стратегии эмбриогенеза, мы все больше восхищаемся трансформациями, которые каждый из нас претерпевает на пути от одной клетки к сложному животному, но заодно и расширяем наши возможности влиять на трансформации, идущие не так и вызывающие врожденные дефекты и рак.

Убеждать Ханса Дриша в том, что биология все же поддается научному познанию, слишком поздно, но можно хотя бы убедить друг друга не отказываться от исследований в этой области. Пусть мы пока и не знаем всего, но можем с полной уверенностью утверждать, что эмбриогенез не противоречит законам физики, а служит прекрасным примером того, как физические свойства и процессы порождают жизненные формы.

Глава 8. Конструирование органов

Как мы узнали из предыдущей главы, эмбрионы, органы и любые другие объединения клеток организуются в ответ на сигналы, специфически распределенные во времени и пространстве. Группы клеток формируют целостные сущности с уникальными биологическими ролями и уникальными физическими характеристиками. Например, наша жировая ткань мягче мышечной – любому из нас легко это проверить. Недавно мы поняли, что физические свойства не только продукт формирования тканей и органов, но и фактор, вносящий свою лепту в этот процесс. Развитие влияет на вещественные характеристики, которые, в свою очередь, влияют на развитие, и эта регуляторная петля обратной связи пополняет инструментарий самосборки. В этой главе мы узнаем, какую роль физические свойства типа мягкости и жесткости играют в организации скоплений клеток, а затем исследуем каркасы, с помощью которых когда-нибудь будем выращивать органы вне тела.

Что чувствуют стволовые клетки?

За свою жизнь вы потеряете более тонны клеток, выстилающих стенки вашего кишечника¹. Вы этого даже не заметите, поскольку у вас постоянно появляются новые. Обновляются также клетки кожи, крови, иммунной системы и много чего еще. До своего появления на свет и в первые годы после него вы производили триллионы клеток множества типов: клетки печени, клетки мышц, клетки почек и так далее. Все они формировались в результате деления других клеток, и каждая из таких цепочек делений и специализаций восходила к стволовой клетке. Стволовыми называют клетки, которые еще не определились со своей идентичностью и сохраняют способность производить более одного типа клеток, включая новые стволовые клетки. Одиночная оплодотворенная яйцеклетка – это стволовая клетка, потомство которой представлено всем многообразием клеток тела. Во взрослом организме потенциал стволовых клеток ограничен гораздо сильнее. Например, стволовые клетки одного типа производят только клетки крови, включая и эритроциты, переносящие кислород, и иммунные клетки всех разновидностей. Стволовые клетки другой разновидности производят клетки эпителиальной выстилки кишечника, включая те, что всасывают питательные вещества, и те, что выделяют слизь или пищеварительные ферменты. Что же определяет, по какому из многих альтернативных путей развития пойдет стволовая клетка? Почему ее нестволовой потомок окажется, допустим, B-клеткой, дарующей иммунологическую память, а не каким-нибудь макрофагом, пожирающим отходы?

Ответ во многом зависит от диффундирующих молекул. Как мы узнали из прошлой главы, клетки реагируют на облака блуждающих молекул и настраивают экспрессию генов и другие активности, исходя из их локальных концентраций. К таким молекулам относятся гормоны, факторы роста и другие вещества, выделяемые одной клеткой и распознаваемые другой. Но для того, чтобы вершить судьбы клеток, их одних недостаточно. Недавно мы поняли, что столь же важный сигнал приходит от механической и вещественной компонент окружения.

Мозг мягкий, кости твердые, а мышцы не слишком мягкие, но и не слишком твердые. Каждая из этих тканей состоит из клеток и того, что находится за их пределами, – часто это густые сети из выделяемых клетками белков. В костной ткани в белковую сеть включаются минералы, но даже до минерализации этот материал примерно в 10 раз тверже мышечной ткани, которая, в свою очередь, примерно в 10 раз тверже головного мозга. Клетки и построенные ими каркасы влияют на жесткость, но может ли жесткость влиять на клетки?