Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком
Шрифт:
Полярное тельце образуется в результате асимметричного процесса мейоза, когда клеточный «скелет» (веретено), сформировавшийся для содействия делению, движется от центра клетки к ее краю, чтобы получилось большое яйцо и маленькое полярное (направительное) тельце. Можно предположить, что симметрию яйцеклетки нарушает именно миграция веретена с хромосомами, помогающая выделению полярного тельца. И действительно, многие замечали, что оно располагается в плоскости деления оплодотворенной яйцеклетки. Уже знакомый нам Ричард Гарднер обнаружил, что полярное тельце остается привязанным к яйцеклетке и не только намечает плоскость первого дробления, где яйцеклетка расщепляется надвое, но и через несколько дней определяет ось симметрии бластоцисты [3].
Точно так же, как локализация на земной поверхности относительно Северного полюса определяет так называемую линию долготы, место проникновения сперматозоида могло бы служить еще одной точкой относительно положения полярного тельца, что мы с Каролиной и захотели выяснить. Если это правда, то плоскость первого дробления была бы определена еще точнее. Это казалось разумным, поскольку и образование полярного тельца, и проникновение сперматозоида перестраивают клеточный скелет, который позже будет использоваться при дроблении яйцеклетки. Если мы ошибались, то плоскость первого дробления закладывается как попало по отношению к месту, через которое проник сперматозоид.
Современные технологии значительно упростили бы нам задачу. Мы могли бы заснять весь процесс и посмотреть, что происходит между проникновением сперматозоида и последующими клеточными делениями. Однако в то время такой технологии не существовало. Нельзя было и заснять развитие мышиного эмбриона с момента оплодотворения до наступающей через несколько дней стадии бластоцисты. Вместо этого нам пришлось придумывать способ маркировки места проникновения сперматозоида, чтобы потом отследить, как оно соотносится с плоскостью, вдоль которой оплодотворенная яйцеклетка будет делиться несколькими часами позже.
Сначала я подумала о том, чтобы прилепить что-нибудь естественное и крохотное (вроде эмбриональной стволовой клетки) к месту проникновения сперматозоида сразу после оплодотворения, пока это место еще заметно, но затем мне пришла в голову простая идея использовать малюсенькие флуоресцентные гранулы, невидимые невооруженным глазом. Это сработало, но жаль, что я не дала им какое-нибудь затейливое научное название, например, «микросферы». Конечно, порицание со стороны коллег волновало меня больше, чем присвоение названий, но дело в том, что слово «гранулы» уж очень невзрачное, и этим, как мы с грустью обнаружили, не преминули воспользоваться критики, чтобы принизить нашу работу.
Поначалу место проникновения сперматозоида легко можно различить. Он оставляет за собой небольшой бугорок под названием «конус оплодотворения». Построенный из цитоскелета яйцеклетки и состоящий из нитей белка актина, этот бугорок сохраняется примерно полчаса. Этого хватит, чтобы вставить одну-две гранулы и промаркировать место. Чтобы прилепить гранулы, мы окунали их в смесь белков фитогемагглютининов, которые обычно используют для склеивания клеток друг с другом. Руки человека не вполне устойчивы, поэтому Каролина подбирала липкую гранулу с помощью робота-манипулятора и помещала ее на поверхность свежеоплодотворенной яйцеклетки, которая лежала совершенно неподвижно благодаря другой роботизированной «руке».
Хотя гранула и крошечная, всего 1-2 микрона в поперечнике, под ультрафиолетом она выглядит гораздо более крупным зеленым пятном, по которому ее легко отследить. Наблюдая развитие оплодотворенной яйцеклетки, мы обнаружили, что после первого дробления гранула оказывается на границе между двумя клетками или очень близко от нее.
Мы всегда должны подвергать сомнению наши мысли и открытия. Могло быть так, что гранула, помещенная на любую точку поверхности яйцеклетки, впоследствии просто проваливается в борозду дробления. Для проверки
Догадки осеняли нас одна за другой. При переходе от двухклеточной стадии к четырехклеточной клетка, унаследовавшая маркер входа сперматозоида, была склонна делиться первой. Могло ли быть так, что полученный от сперматозоида молекулярный груз менял судьбу этой клетки? Через три дня после оплодотворения маркер входа сперматозоида находится на границе между двумя частями бластоцисты: эмбриональной частью, состоящей из стволовых клеток, которые будут формировать эмбрион, и внеэмбриональной. Это наводило на мысль о том, что одна из клеток двухклеточного эмбриона склонна превращаться в эмбриональную часть, а вторая — во внеэмбриональную. Мы были ошеломлены. В течение нескольких дней мы часами всматривались в изображения. Сначала я не могла поверить результатам и потому снова и снова просила Каролину повторить эксперимент. Доказательство раннего нарушения симметрии было таким простым, даже слишком.
Скептик вполне оправданно придрался бы и сказал, что не место проникновения сперматозоида определяет плоскость дробления, а сам акт введения гранулы через конкретное место. Чтобы проверить это, мы проводили множество контрольных экспериментов, о которых я расскажу позже. Мы уже выяснили, что для определения плоскости дробления мало просто поместить гранулу в любое место, кроме конуса оплодотворения. Но надо было проверить и перепроверить многие другие факторы. Мы должны были исключить все сомнения.
Математика жизни
Едва биологам начали открываться молекулярные подробности чуда нарушения симметрии (и не в последнюю очередь усилиями моей лаборатории), как математики тоже обратили взор на эту проблему. Возможно, самая знаменитая модель возникновения формы из бесформенного была предложена в прошлом веке Аланом Тьюрингом.
Хотя Тьюринг больше известен созданием основ современных компьютерных вычислений и не был ни биологом, ни химиком, он сильно повлиял на мои исследования своей статьей, которую опубликовал еще в 1952 году, работая в Массачусетском университете. Статья «Химические основы морфогенеза» предлагала глубокий взгляд на самоорганизацию живой материи в пространстве и времени, а также являлась, насколько я знаю, первым примером использования математической модели для описания того, как два взаимодействующих химических вещества, имеющих разную скорость диффузии, создают стабильный паттерн, хотя в начале Тьюринг подчеркнул: «Эта модель будет упрощением и идеализацией, а значит, фальсификацией» [4].
Тьюринг предполагает, что развитие клетки или ткани по определенному пути запускают соединения под названием «морфогены». Невероятно, чтобы такой человек вдруг заинтересовался, каким образом случайные флуктуации вызывают паттерны биологической симметрии. Но учитывая его гениальность, не стоит удивляться.
В четвертом разделе статьи Тьюринг рассматривает нарушение симметрии на примере стадии развития бластулы (бластоцисты, если говорить об эмбрионах млекопитающих вроде людей или мышей), которая двадцать лет была в центре внимания моей лаборатории. Но учитывая идеализированное представление об эмбрионе как о сферическом образовании, Тьюринг понял, что столкнулся с проблемой. Ведь можно подумать, что постоянная диффузия наружу через сферу входе биохимических реакций, направляющих развитие, сохранит симметрию, а потому каждый из нас должен быть круглым, как пузырь.