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

А потом я нашла зацепку, факт, которым пренебрегали при объяснении более ранней работы. Если разделить двухклеточный эмбрион на две отдельные клетки, только одна будет развиваться в целую мышь. Многие пытались превратить две половинки двухклеточного эмбриона в двух мышей, включая ведущих онтогенетиков Энн Макларен и Джинни Папайоану, к которым я вернусь позже. Их эксперименты либо провалились, либо имели крайне низкие показатели успеха. Мы все думали, что проблема была в технике выполнения, а не в различиях между этими ранними клетками. Но что, если мы упустили нечто большее? Что, если в двухклеточном эмбрионе только одна клетка является действительно тотипотентной и поэтому, в отличие от второй клетки, может создать как плаценту, так и сам эмбрион? Если все правда, то изучение этих клеток позволит понять саму тотипотентность и то, когда и как она утрачивается в первый раз.

Подчеркну, что этот эффект не детерминирован — ни в коем случае, ведь эмбрион пластичен: мои эксперименты по отслеживанию «родословной» клеток эмбриона выявили уклон, толчок в определенном направлении развития, а недетерминированный процесс. Что еще проблематичнее — не в каждом эмбрионе этот уклон был таким очевидным. Но тот факт, что это происходило у подавляющего большинства эмбрионов, говорил о наличии закономерности. Как и мой герой-ученый Алан Тьюринг, я была очарована так называемым нарушением симметрии в раннем эмбрионе. Встретив меня в то время, вы бы поняли, что мысли о нарушении симметрии захватили меня целиком и полностью.

Полярные тельца

Существовавшее в те годы сопротивление идее о том, что эмбрион утрачивает идеальную симметрию на ранней стадии развития, вызывало недоумение еще и потому, что оплодотворенная яйцеклетка уже содержит намек на асимметрию. Все дело в истории ее созревания. К каждой оплодотворенной яйцеклетке прикреплены две маленькие клетки, одна из которых создана до, а вторая после слияния яйцеклетки и сперматозоида. Эти клетки появляются в результате особого вида клеточных делений — мейоза. По этим маленьким клеткам традиционно различают два конца яйцеклетки: так называемые анимальный и вегетативный полюса, где первый содержит ядро с ДНК, а второй наполнен желтком. Крошечную клетку анимального полюса когда-то называли направительным тельцем за то, что она обозначает место, где в дальнейшем произойдет первое дробление. Сегодня эти скромные клеточки именуют полярными тельцами [11].

Они нужны для того, чтобы положить начало созданию нового индивидуума, позаимствовав в равной степени ДНК матери и отца. В каждом из нас есть генетическая смесь из ДНК обоих родителей, упакованная в клетках в виде двадцати трех пар хромосом. Как отражение этой избыточности, наши клетки называются диплоидными и ежедневно размножаются путем клеточного деления митоза, при котором их хромосомы копируются и с помощью белковых «двигателей» распределяются между двумя дочерними клетками. Но чтобы сперматозоид и яйцеклетка скомбинировали свою ДНК для создания новой жизни, им нужен противоположный процесс, где каждому достается только половина хромосомного набора, в сумме дающая норму из сорока шести (двадцати трех пар) хромосом в оплодотворенной яйцеклетке.

Чтобы подготовить почву для новой жизни, сперматозоид и яйцеклетка создаются из клеток, утративших набор хромосом и в результате превратившихся в гаплоидные клетки, которые содержат двадцать три хромосомы (а не двадцать три пары). Этот процесс хромосомной хореографии называется мейозом и включает сначала удвоение хромосомной ДНК, а затем два мейотических клеточных деления. В итоге получаются четыре гаплоидные клетки с половиной нормального количества хромосом. В мужском организме все эти гаплоидные клетки являются сперматозоидами.

Но в женском организме мейоз происходит иначе — еще одна асимметрия между полами, отражающая важность яйцеклетки, которая развивается из клеток-предшественниц, ооцитов, накапливающихся в яичниках девочки до ее рождения. Ооцит по мере созревания претерпевает два мейотических деления, но каждое из них в высшей степени асимметрично: одна клетка (яйцо) сохраняет изначальный размер, а остальные «отбракованные» клетки получаются крошечными, представляя собой те самые полярные тельца.

При первом мейотическом делении ооцит имеет двадцать три пары хромосом, ДНК которых продублирована в виде сестринских копий и перетасована между хромосомами матери. При первом мейотическом делении хромосомные пары распределяются между ооцитом и первым полярным тельцем. Удвоенные нити ДНК называются хроматидами, каждая из них представляет одну из двух копий реплицированной (удвоенной) хромосомы. Во время второго деления сестринские хроматиды снова распределяются между ооцитом и еще одним полярным тельцем. Результатом двух делений являются два маленьких полярных тельца[5], первое из которых дегенерирует, и одна большая яйцеклетка с двадцатью тремя хроматидами.