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

В предыдущих главах я рассказывала об основном прорыве в науке, случившемся в 1981 году, когда Мартин Эванс и Мэтью Кауфман и параллельно с ними Гейл Мартин изолировали ЭС-клетки, обладающие потенциалом превращаться во все остальные клетки организма. А в 1998 году Джеймс Томсон со своей командой из Висконсинского университета города Мэдисона выделили человеческие стволовые клетки из пожертвованных лишних эмбрионов. Исследование стало крупным техническим достижением, а Томсон заявил: «Это больше не научная фантастика. Я очень надеюсь, что успею увидеть, как эта терапия исцеляет болезни» [14].

С тех пор как Томсон и его коллеги извлекли человеческие ЭС-клетки, многие ученые стремились раскрыть их потенциал. А также сделать созданные методы терапии более легкими в применении. Например, оказалось, что ингибирование сигнального пути ROCK (назван так потому, что туда входит фермент Rho/Rho-ассоциированная киназа, или ROCK) предотвращает гибель человеческих ЭС-клеток после извлечения из колонии, в которой они выросли. Благодаря этому открытию показатель создания новых колоний увеличился от одного из ста до одного из четырех [15].

Сегодня эти бесценные клетки можно надежно поддерживать в культуре.

Управляемая дифференциация

Чтобы превращать ЭС-клетки в другие типы, необходимые для лечения, надо разобраться в том, как они формируют и генерируют три разных эмбриональных слоя (эктодерму, мезодерму и энтодерму), а затем в том, как эктодерма образует нервы, кожу и волосяные фолликулы, как мезодерма создает сердце, кровь и мышцы, а энтодерма становится кишечником, печенью, поджелудочной железой и легкими. Звучит просто, хотя на самом деле это не так.

Чтобы направить ЭС-клетки на путь превращения в целевой тип клеток, ученые проявили огромную изобретательность, создавая специальные поверхности, составляя генетические регуляторные сети, ответственные за поддержание стволовых клеток, а также оптимизируя условия выращивания. Теперь можно создать клетки сетчатки, сердечной мышцы, нервные клетки, многочисленные типы клеток крови и многое другое. Но все это требует времени. Один из ученых, которым я особенно восхищаюсь, Дуг Мелтон из Гарвардского института стволовых клеток в Кембридже, штат Массачусетс, превратил стволовые клетки в бета-клетки поджелудочной железы, чувствительные к глюкозе и вырабатывающие инсулин [16]. Открытие способа создания зрелого типа клеток стало важной вехой в исследовании диабета, но на это ушли годы. Упорство Дуга было вызвано личными причинами: в 1993 году, когда он занимался исследованием развития лягушек, у его сына обнаружили диабет первого типа [17]. С тех пор Дуг сосредоточился на поиске новых методов лечения.

Даже для эмбриологов такая работа является источником новых идей и неожиданных открытий. Вплоть до недавнего момента мы думали, что новые кровеносные сосуды эмбриона образуются исключительно из тех эндотелиальных клеток (выстилающих все кровеносные сосуды), что дифференцируются из мезодермы. Однако использование флуоресцентных меток при отслеживании судьбы стволовых клеток кровотока позволило обнаружить второй источник эндотелиальных клеток [18].

Это всего один из множества примеров того, как практическая работа со стволовыми клетками приносит новую информацию в копилку фундаментальных знаний биологии развития. Я уверена, что в ближайшие годы будет раскрыто еще больше тайн.

Взгляд изнутри

Многие годы я и моя команда совершенствовали маркеры и условия культивирования, чтобы снимать фильмы о развивающихся эмбрионах, благодаря которым можно было проследить происхождение, перемещение и судьбу всех клеток с момента оплодотворения до четвертого дня развития мышиного эмбриона [19]. Совсем недавно нам удалось заснять и отследить клетки эмбриона с четвертого по шестой день развития [20]. Это гораздо сложнее, чем следить за клетками более «юных» эмбрионов, поскольку в этот период эмбрион начинает расти. Но потраченные усилия того стоили. Сделанные фильмы позволили нам изучить взаимодействия трех базовых типов тканей и механизмов, лежащих в основе ремоделирования эмбриона вплоть до гаструляции. В значительной мере получение этой новой информации стало возможным благодаря визуализации живых мышиных эмбрионов с помощью мультифотонного микроскопа, которому нужно поглотить два фотона света (отсюда и название), чтобы вызвать флуоресценцию, и который способен визуализировать слои живой ткани на глубине до одного миллиметра. Заслуга за эту работу принадлежит коллегам из моей лаборатории Неофитосу Христодулу, Кристосу Киприану и Антонии Веберлинг. Первая часть их исследования была опубликована в журнале Nature Cell Biology [21].