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

Будучи в этом отношении эффектным, в остальном сперматозоид не такой примечательный и является самой мелкой человеческой клеткой — в 50 раз меньше яйцеклетки. Так себе размер. Другое дело — плодовая мушка Drosophila bifurca. Когда самец мушки продуцирует сперматозоиды, каждая клетка свернута в клубок, при разматывании которого получается почти 6 сантиметров — в 20 раз длиннее самого самца [1]. У человека длина сперматозоидов всего 0,005 сантиметра. Они содержат лишь программное обеспечение ДНК, привязанное к динеиновому молекулярному мотору, наряду с дополнительным и более древним генетическим материалом в форме РНК, а также центриоль — крошечное тельце, которое помогает организовать веретенообразный скелет из нитей, обеспечивающих сегрегацию хромосом при клеточных делениях после оплодотворения.

Инструкции РНК охватывают оплодотворенную яйцеклетку раньше ДНК, чтобы заставить нового индивидуума действовать, а не ждать, словно компьютер во время загрузки операционной системы, и тем самым внести изменения в следующее поколение. Например, повышенное количество одного из многочисленных типов маленьких РНК в сперматозоидах мышей, подвергнутых стрессу, может привести к изменению стрессовой реакции у взрослого потомства. Более того, на PHК сперматозоидов влияет характер питания, который может изменить регуляцию генов у потомства и вызвать нарушение обмена веществ [2].

Когда появляется индивидуум

Многие думают, что жизнь начинается со встречи сперматозоида и яйцеклетки. Это не совсем так, если представить индивидуума как смесь ДНК матери и отца, ведь окончательное смешение родительских генов происходит не в момент оплодотворения, а через несколько часов, во время первого клеточного деления.

До него мужская и женская ДНК лежат отдельно в двух сферических структурах — пронуклеусах. Оба генетических набора мигрируют к центру яйцеклетки, но не собираются вместе до тех пор, пока молекулы ДНК, общая длина которых в районе двух метров, не сконденсируются[9] в хромосомы, которые можно перемещать с помощью так называемого веретена — нитей из микротрубочек.

Запертый внутри оболочки zona pellucida, эмбрион первоначально создает все больше и больше клеток путем дробления — простого деления на две, потом четыре, потом восемь клеток и так далее. Скорость деления совпадает не у всех дочерних клеток. Кто-то вырывается вперед, а кто-то отстает.

Во время дробления эмбрион не растет. Тем самым он откладывает стимулирующее рост питание, пока не станет многоклеточным и не сможет выделить для приема пищи отдельные части. В ходе этой важной прелюдии он вкладывает ресурсы в одну из самых существенных задач, поручая своим клеткам превратиться в три разные группы стволовых клеток, необходимых для формирования зачатков всех типов клеток, что будут развиваться в дальнейшем.

Первая группа стволовых клеток (эпибласт) может показаться самой ценной, поскольку из нее будет формироваться ребенок. Вторая группа стволовых клеток (трофэктодерма) будет создавать плаценту — орган, через который ребенок получает от матери питательные вещества. Третья группа (примитивная энтодерма) сформирует мешок, в котором ребенок будет расти. Больше вкладываясь в нарушение симметрии, ведущее к дифференциации, а не увеличению размера, эмбрион, к счастью, может отложить ускоряющее рост питание, пока не сформирует у себя отдельные части, которым и отведет функцию «закупки продовольствия».

Генерация трех типов стволовых клеток из одной оплодотворенной яйцеклетки обозначает ключевой этап нарушения симметрии, начало клеточной специализации. В ходе онтогенеза судьба клеток будет решаться еще не раз, пока не сформируется взрослый организм, состоящий из сотен типов клеток, которые выполняют самые разные функции, чтобы сохранить нам жизнь и сделать нас теми, кто мы есть.

Когда в процессе работы с GFP у меня сложилось заманчивое предположение о возможном источнике нарушения симметрии, прокладывающем путь для клеточной специализации, я удивилась, насколько рано это путешествие начинается. Мы с Каролиной решили глубже исследовать наше открытие, задав себе один простой вопрос: зависит ли хоть как-то первое нарушение симметрии в эмбрионе от места проникновения сперматозоида в яйцеклетку? У других животных зависит, например у лягушек и нематод, но как обстоят дела у млекопитающих вроде мышей?

Искусство симметрии

Описывая зарождение жизни, обычно рисуют картину, где сперматозоид устремляется вперед, чтобы прикрепиться, а затем слиться с ровной округлой яйцеклеткой. Если все верно, то было бы бессмысленно спрашивать о том, влияет ли на будущее развитие место проникновения сперматозоида. Все места на поверхности такой идеализированной яйцеклетки были бы одинаковы. Однако, безусловно, существует точка отсчета, эквивалент знака «проход здесь» в виде полярного тельца.