Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком

Когда-то в конце 1950-х было выдвинуто предположение, что развитие млекопитающего тоже начинается с полярной яйцеклетки [7]. Затем эта идея была похоронена. Одна из причин состояла в том, что, в отличие от лягушек, яйцеклетки мыши и человека выглядят более однородными. Но главной причиной является онтогенетическая пластичность. Она наделяет эмбрион млекопитающего способностью к уже упомянутому регуляционному, гибкому развитию, в противоположность мозаичному, негибкому. Считалось, что эта пластичность вызвана идентичностью всех клеток, не имеющих предрасположенности к конкретному пути развития.

Именно поэтому в конце 1990-х меня шокировало обнаруженное мною доказательство того, что клетки эмбриона млекопитающего не идентичны друг другу. Сначала я не могла согласиться с собственным открытием, но чувствовала, что не должна о нем забывать, даже если оно противоречит существующим представлениям. Без этого случайного открытия моя жизнь сложилась бы иначе.

Цветные клетки

На ранних этапах обучения в 1980-х я с удивлением узнала, что судьба эмбриональных клеток не предопределена. Меня это заинтриговало, ведь природа, антропоморфно выражаясь, рисковала, отдавая начало жизни на волю случая и не направляя ключевые онтогенетические события в конкретную сторону. Учитывая, что специфические стадии эмбрионального развития приурочены к определенному периоду беременности, я не могла понять, как путь индивидуальной клетки может быть таким непредсказуемым.

На заре своей исследовательской деятельности я хотела выяснить, откуда берется онтогенетическая пластичность. Мне хотелось раскрыть детали этой экстраординарной самоорганизации. У меня не было никаких практических целей. Это было просто страстное желание разобраться, на чем клетки основывают свой выбор. Я чувствовала, что лучше начать с отслеживания судьбы отдельных клеток, с момента их появления и на протяжении всего периода делений, пока они не станут собственно клетками эмбриона (ребенка) или клетками плаценты или не исчезнут в процессе. Я хотела придумать специальную краску, подчеркивающую все захватывающие подробности танца жизни, которые так долго оставались невидимыми.

Глава 3

Раскрашивая клетки

Чтобы проследить судьбу каждой клетки развивающегося эмбриона, я обратилась было к распространенной медузе, дрейфующей в холодных водах западного побережья Северной Америки. Хотя диаметр этой медузы не превышает десяти сантиметров, ее способность к биолюминесценции — самая выдающаяся в Мировом океане.

Потревоженная, она генерирует световые вспышки по краям колокола. Изначально они выглядят как голубые искры, созданные люминесцентным белком экворином. Но мы не видим их, потому что внутри медузы они проникают в белок с маленькой структурой в центре под названием «хромофор», который поглощает синий свет и переходит в возбужденное состояние, а по мере выхода из него светится зеленым. Осаму Симомура из Принстона выделил этот белок в 1960-х, назвав его зеленым флуоресцентным белком (green fluorescence protein, GFP) [1]. Поскольку этот белок важен для проведения широкого спектра исследований, Симомура в 2008 году получил за его открытие Нобелевскую премию.

Сегодня этот белок можно использовать для самых разных целей, например, чтобы отследить распространение вирусных инфекций в организме, понаблюдать за регенерацией поврежденных тканей в организме аксолотля (амфибии) или в подробностях увидеть, как переплетаются нервные пути в мозге мыши. С помощью генетических трюков и флуоресцентных белков можно покрасить сотни нервных клеток в десятки различных оттенков и создать мозговую радугу (brainbow), проявляя калейдоскопом цвета всю красоту нейронных связей [2].

С помощью множества флуоресцентных меток можно представить разные стадии жизни в форме яркой мозаики синего, розового, зеленого и других цветов. Значимость подобных исследований сопоставима с их красотой.

Однако оригинальный белок медузы, выделенный Симомурой, не работал в теплокровном организме. Мне нужен был мощный флуоресцентный маркер, чтобы проследить, как активируются гены в клетках живых эмбрионов млекопитающих по мере развития или установить время рождения отдельных клеток и окончательного решения их судьбы.

GFP начали использовать в качестве маркера еще в 1994 году, когда Мартин Чалфи из Колумбийского университета в Нью-Йорке сообщил, что с помощью флуоресцентного белка можно продемонстрировать активацию гена, за что и разделил Нобелевскую премию с Симомурой [3].