Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира

Хотя моноцилии и состоят в отдаленном родстве с обычным реснитчатым эпителием, дефект которого вызывает синдром Картагенера, они во многом от него отличаются. У них нет двух микротрубочек в центральной части, и их структура организована по формуле 9+0, а не 9+2, как у клеток обычного реснитчатого эпителия. Большинство биологов считают, что и функционируют моноцилии иначе, и в отличие от обычных ресничек, не могут двигаться. К удивлению Хирокавы, у мышей с выключенным белком в гензеновском узелке полностью отсутствуют моноцилии. Еще большим сюрпризом оказалось, что в узелке нормальных, живых эмбрионов моноцилии движутся, что стало ясно при исследовании под микроскопом. И они не просто двигались, но вместо волнообразного движения, свойственного обычным ресничкам, они вращались по часовой стрелке, словно пропеллеры. Это сразу же изменило все представления о происхождении лево-правой асимметрии. «F-молекула», которую искали Браун и Уолперт, оказалась вообще не молекулой, но объектом куда более крупным: клеточной органеллой, видимой даже в световой микроскоп. Более того, поскольку она вращалась в одном направлении, а нижним концом крепилась к основанию узелка, который в свою очередь был зафиксирован относительно срединной линии организма и дорсально-вентральной оси (то есть верха и низа), то это могло бы задавать точку отсчета и репер, сообщающий организму, какая сторона правая, а какая – левая. Но каким образом?[166]

Рис. 5.19. Узелок в трех последовательных увеличениях. a. Эмбрион, узелок внизу. b. Увеличенный вид узелка. с. Моноцилии в основании узелка, при еще большем увеличении

В отличие от ученых, увидевших вращение моноцилий под микроскопом, другие клетки растущего эмбриона лишены такой возможности. Так каким же образом моноцилии сообщают остальным клеткам эмбриона, где правая, а где левая сторона? Последним сюрпризом для группы Хирокавы стал эффект, который возник после того, как они поместили в узелок крошечные флуоресцирующие латексные крупинки и увидели, как их с большой скоростью выстреливает с правой стороны узелка на левую – и только справа налево. Это был мощный поток, означавший, что моноцилии перекачивают любые сигнальные молекулы, вырабатываемые узелком, почти исключительно на левую сторону, где они могут породить каскад сигнальных молекул, подобных белку Sonic hedgehog. Если это происходит у нормальных мышей, то у мышей с выключенными белками KIF3A и KIF3B должны быть какие-то нарушения. Поскольку у таких мышей нет реснитчатого эпителия, то сигнальные молекулы, вырабатываемые узелком, должны примерно в равных количествах появляться и справа, и слева. «Примерно в равных» – потому что, как и всюду, флуктуирующая асимметрия означает, что у половины мышей несколько более высокая их концентрация окажется слева, и сердце у них поэтому будет слева, а у половины более высокая концентрация окажется справа, и органы окажутся в положении situs inversus. Несмотря на то что у iv-мышей частота situs inversus также составляла 50 %, поначалу казалось, что подобное объяснение в их случае не работает, потому что под микроскопом было ясно видно, что у них в узелке присутствуют реснитчатые клетки. Однако хотя реснички и выглядели совершенно нормальными, они не двигались – по описаниям «они явно застыли», – а потому этот механизм, как в случае с мышами, у которых не было KIF3A и KIF3B, должен приводить к тому, что у половины сердце окажется справа, а у половины – слева[167].

Моноцилии в узелке, казалось, объясняют большую часть происходящего самым прекрасным образом. Прекрасным, если не считать того, что с 1992 года в этой бочке меда появилась изрядная ложка дегтя. Группа ученых из Бейлорского медицинского колледжа в Хьюстоне поместила в мышь новый ген – процедура, которая могла привести к очень неожиданным результатам. Ген, который ввел Пол Овербик и его группа, должен был быть вставлен точно в середину другого важного гена, потому что мыши со слишком серьезными отклонениями умирали бы слишком рано. Самым удивительным в этих мышах оказалось то, что у всех до одной сердце было справа. Не у пятидесяти процентов, как у iv-мышей, а у всех ста. Новую мутацию не слишком удачно назвали inv-мутацией, по первым буквам слов «inversion of embryonic turning» – «инверсия эмбрионального вращения». Как именно работала эта мутация, было полной загадкой, потому что со времен Шпемана ученые полагали, что как бы серьезно ни нарушалось развитие сердца – мутациями, травмой или чем-то еще, доля случаев situs inversus могла составлять максимум половину. Превзойти этот барьер случайности казалось невозможным, но каким-то образом inv-мутация его преодолевала[168].