Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Итак, Notch и Delta в паре координируют латеральное торможение. Notch, однако, может взаимодействовать и с другими белковыми партнерами, сидящими на других клетках, запуская другие сценарии разрезаний и генетической регуляции¹⁴. Некоторые из них могут подталкивать контактирующую клетку, наоборот, к выбору судьбы клетки A, тем самым распространяя этот тип по ткани. Помимо Notch и Delta в зонах межклеточных контактов встречается множество белков, участвующих в образовании тканевых паттернов, и их параметры связывания и функции отклика генов сильно разнятся. Подобно тому как в мозаике замысловатая картина постепенно складывается из маленьких соседних фрагментов, контактные сигналы могут организовывать сложные и устойчивые структуры по простым локальным правилам. И снова мы видим самосборку в действии, поскольку инструкции по более масштабной, межклеточной организации содержатся в самих клетках.

Знай время

Группы клеток могут организовываться не только в пространстве, но и во времени. Более того, с помощью временных сигналов они могут создавать пространственные паттерны – рисовать трехмерные орнаменты, образно говоря. Рассмотрим пример, в котором хронометрирование обеспечивает повторяемость формы. Полоски на шкуре тигра, ноги многоножки и позвонки вашего позвоночника – все они демонстрируют регулярную повторяемость черт и следуют друг за другом, не идентичные, но сильно схожие. Возьмем позвоночник. Внешне его упорядоченная костная структура напоминает полосы в эмбрионе дрозофилы, поэтому можно ожидать, что развивается она тоже под действием перекрывающихся градиентов морфогенов. Однако на ранних стадиях формирования мушки размер животного не меняется, пока гены строят схемы взаимодействий. Позвоночник же развивается из сегментов, которые появляются в ходе вашего стремительного роста, и это характерно для всех позвоночных. Человеческий эмбрион начинает удлиняться примерно с третьей недели после зачатия. Развивающееся тело – это не гладкая трубка: оно содержит равновеликие образования, называемые сомитами, которые попарно повторяются вдоль его передне-задней оси.

У человека формируется 42–44 пары сомитов (но некоторые из них исчезают в процессе дальнейшего развития), у рыбы данио-рерио – 30–32, у мыши – около 65, у некоторых змей – более 400¹⁵. Эмбрионы позвоночных достигают устойчивой регулярности в расположении десятков и сотен сомитов благодаря прекрасной способности к хронометрированию.

В главе 4 мы говорили, что клетки способны создавать осцилляторы и часы на основе генетических схем, поскольку гены экспрессируются ритмически. Эмбрионы часто пользуются такими часами. Первые несколько делений после оплодотворения, как правило, синхронизированы: обе клетки в двухклеточном эмбрионе делятся одновременно, и клеток становится четыре, затем они делятся все вместе, и клеток становится восемь – и так продолжается еще какое-то время, пока клеточное разнообразие не разваливает координацию.

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: