Истоки перемен
В дополнение к лабораторным исследованиям я решила выяснить, не сказано ли в знаменитой статье Тьюринга что-нибудь о способности единственной клетки размножаться и дифференцироваться в клетки с определенной судьбой, чтобы сравнить это с нынешними представлениями. На этот раз я работала вместе с блестящим коллегой Ци Чэнем, постдоком из его команды Цзюньчао Ши, который теперь в Калифорнийском университете в Риверсайде, а также И Тао из Центра вычислительной и эволюционной биологии в Китае [25].
Мы знаем, что на третий день после оплодотворения неизбежно появляются две отдельные группы клеток: одна представляет собой внутреннюю клеточную массу, развивающуюся в собственно эмбрион, а вторая трофоэктодерма, формирующая плаценту. Но что, по мнению Тьюринга,
запускает эти изменения? Тьюринг показал, что даже крошечное возмущение в уровнях транскриптов или белков из-за внешнего сигнала либо небольшие различия между клетками в способе считывания генов потенциально могут усиливаться в паттерн. Шум или ошибки могут быть одной из причин. Наши результаты предполагали, что эти изменения присутствуют на ранней стадии, когда есть всего две или четыре клетки, и могут быть основаны на внутренних различиях между этими клетками.
У клеток тоже есть анатомия. Заглянув внутрь одной из них, можно увидеть различные компоненты, такие как ядро, где находится ДНК; лепешкообразные митохондрии клеточные силовые станции; эндоплазматический ретикулум, где происходит укладка новых белков; и пероксисомы, внутри которых расщепляются жирные кислоты.
Нам пришла в голову новая идея: может ли анатомия клеток быть окончательным источником нарушения симметрии [26]? Может ли, например, одностороннее распределение органелл наподобие митохондрий повлиять на судьбу дочерних клеток? В самом деле, некоторые депонированные материнские белки, необходимые для жизнеспособности эмбрионов млекопитающих, такие как группа под названием «подкорковый материнский комплекс», смещены от центра клетки не только у мышей, но и у ранних человеческих эмбрионов. Предметом исследований, опубликованных нами в 2018 году в журнале Cell, был фермент CARM1 (связанный с коактиватором аргининметилтрансфераза, широко влияющий на экспрессию генов и количество производимого ими белка). Мы обнаружили, что в эмбрионе мыши он накапливается в основном в параспеклах (частицах, расположенных в ядре клетки) между двух- и четырехклеточной стадиями [27]. Параспеклы могли бы посылать химические сигналы, которые, согласно теории реакции-диффузии Тьюринга, после усиления способны влиять на судьбу клетки, причем не обязательно при следующем делении, а позже.
Я расскажу в следующей главе о том, как в течение десятилетия, последовавшего за нашим спорным открытием, другие научные команды подтвердили наши результаты и зашли еще дальше. Моя же команда продолжила отслеживать развитие сотен эмбрионов, чтобы выяснить, как решается судьба клеток классического эмбриона млекопитающих эмбриона мыши. В итоге мы получили еще больше свидетельств существования легкого, но важного уклона, раскрыв новые необыкновенные детали нарушения симметрии на заре жизни.
Глава 5
Рождение плана тела
Как многие эмбриологи, я в долгу перед свирепыми отпрысками Тифона и Ехидны, этой парочки чудовищ, наводнивших кошмарами сны древних греков. Согласно мифологии, верхняя часть Ехидны была телом молодой нимфы, а нижняя хвостом огромной змеи. Ее супруг Тифон был леденящим душу монстром с сотней драконьих голов.
Союз этих смешанных созданий подарил греческой мифологии многих фантастических чудищ, таких как трехглавый пес Цербер, охраняющий врата Аида, многоголовая змея Гидра или Сфинкс с головой женщины и телом крылатого льва (смотря какому источнику верить). Сегодня Цербером вполне уместно называют ген, принимающий участие в формировании головы. Это один из генов, который я отслеживала долгие годы, и до сих пор отслеживаю с помощью GFP, чтобы понять, как развивается ось головахвост [1]. Но из всего этого странного и страшноватого потомства неожиданно значимым и полезным существом оказалась Химера.
Ее именем названа мощная концепция гетерогенного существа, получившая огромный резонанс не только среди ученых, но и среди обычных людей. Гомер описывал Химеру как «существо бессмертное, не человеческое, спереди лев, сзади змея и коза посередине» [2]. Среди ученых термин «химера» был впервые использован в 1907 году ботаником Гансом Винклером в контексте селекции растений.
Сама идея химеры бросает вызов представлениям об идентичности, видовой принадлежности и личности, и такая провокация просто бесценна для понимания устройства нашего тела. В современной эмбриологии этот пластичный и модульный взгляд позволяет экспериментировать с онтогенетическим развитием плана тела, смешивая и перетасовывая клетки раннего эмбриона.
В наш век клеточной алхимии, когда мы можем прочитать ДНК отдельных клеток и трансформировать их в любой желаемый тип, химерами являются и эмбрионы, ведь они состоят из смеси тонко различающихся клеток. Но различия не обязательно должны быть настолько тонкими. На самом деле строительные блоки химер могут принадлежать разным видам животных. Более того, подобные существа знаменуют начало долгого пути к созданию искусственных