Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

И снова мы сталкиваемся с поразительным свойством живого мира – созданием замечательных форм на основе скудного набора инструкций. Возможно, личинка не особо вписывается в ваши представления о «замечательном», но если мушки и не производят на вас впечатления, не забывайте, что эти податливые и удобные для изучения организмы позволили нам открыть и описать явления, которые оказались широко распространены. Вероятно, и вам сначала хватало нескольких битов.

Знай своих соседей

В примерах построения структурных паттернов, которые мы рассматривали в этой главе, нам не приходилось думать о клетках. Мы можем представлять себе поля морфогенов и пласты тканей без учета отдельных единиц, которые реагируют на них или из которых они состоят. В случае с ранним эмбрионом мушки это даже нельзя считать упрощением: эллипсовидный зародыш состоит не из отдельных клеток, а из множества ядер, плавающих в общем цитоплазматическом море. Позже формируются мембраны, которые отделяют ядра друг от друга и ограничивают клетки. В эмбрионах позвоночных, включая человека, отдельные клетки есть с самого начала. В любом случае стоит клеткам возникнуть, как у них появляются дополнительные инструменты для структурирования.

Клетки могут передавать и получать сигналы, контактируя с другими клетками. Мы уже видели, как сигналами обмениваются иммунные клетки: мембранные белки преодолевают зазор между клетками, чтобы узнавать партнеров и запускать специфические реакции. Межклеточные контакты крайне важны и в онтогенезе, особенно в мелкомасштабном структурировании. Представьте слой клеток, каждая из которых может экспрессировать гены А и B. Эти гены могут служить факторами определения типа клеток – A или B. Допустим, любая клетка, вступающая в контакт с клеткой A, получает инструкцию не экспрессировать ген A; в итоге она экспрессирует ген B и становится клеткой типа B. Любая клетка, не вступающая в контакт с клеткой A, экспрессирует ген A и становится клеткой типа A. При таких правилах можно ожидать, что сложится показанная на рисунке мозаика, напоминающая пчелиные соты, где каждую из клеток А (они темные) окружает кольцо из B-соседок (они светлые).

Такой способ построения паттернов вполне типичен. Так, например, вы слышите благодаря тысячам волосковых клеток в вашем внутреннем ухе; они обязаны своим названием пучкам нитей, торчащим из их мембран и напоминающим крошечные ирокезы. Каждая волосковая клетка окружена когортой вспомогательных клеток, расстановка которых определяется как раз по описанной схеме, называемой латеральным торможением¹².

Латеральное (боковое) торможение определяет расположение клеток в фасеточных глазах насекомых, особенности гладкомышечных клеток в стенках артерий, формирование гормон-секретирующих клеток в поджелудочной железе и многое другое. Существование этого механизма предсказали еще в 1970-х, но наглядно продемонстрировали его работу в развивающемся животном лишь в следующем десятилетии. В середине 1980-х Кори Гудман и Крис Доу (теперь он работает вместе со мной в Орегонском университете) провели серию хитроумных экспериментов, в которых разрушали лазером особые клетки дрозофил, чтобы их соседки, не подавляемые более окружением, получили возможность экспрессировать гены, превращающие их в нейроны¹³.

Как клетка может управлять судьбой своих соседей? У множества разных клеточных пар во множестве разных организмов ключевой молекулой выступает белок Notch, пронизывающий поверхностную мембрану производящих его клеток. Его наружный сегмент может прикрепляться к мишеням вроде Delta, другого трансмембранного белка, выходящего из соседней клетки. Межклеточное рукопожатие этих двух белков подталкивает Notch изменить форму так, чтобы у него обнажился обычно скрытый участок, который распознают белки, разрезающие аминокислотные цепочки. (Наверное, страшно представить, что по клетке бродят вооруженные топорами белки, готовые разрубить своих товарищей надвое, стоит лишь их спровоцировать, но спровоцированное разрушение встречается в биологии сплошь и рядом.) Notch сначала разрезается над местом его выхода на поверхность, в результате чего высвобождается крупный внешний домен белка, который диффундирует и участвует в других событиях. Второй разрез внутри мембраны отделяет внутренний домен Notch от мембранного якоря. Этот фрагмент перемещается в ядро, где взаимодействует с другими белками, меняя характер их связывания с ДНК, – иными словами, он корректирует активность ряда факторов транскрипции и тем самым регулирует экспрессию генов. Внутриклеточный домен Notch в числе прочих эффектов подавляет экспрессию гена delta, чтобы клетка, контактирующая с белком Delta, не была клеткой, производящей его же, то есть экспрессирующей ген delta. Следовательно, в нашей A-B-схеме delta выступает в роли гена A.