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

Это молекулярное переключение было просто поразительным. Наша работа предоставила первые сведения о механизме, склоняющем клетку эмбриона к дифференциации в трофэктодерму. Такая клетка обладала наименьшей активностью фермента CARM1. В 2007 году журнал Nature опубликовал наше открытие [21].

Исследование впервые приоткрыло молекулярный механизм, скрывающийся за неоднородностью мышиного эмбриона и нарушением его симметрии [22]. Оно показало, что клетки соревнуются за свою судьбу, а значит, некоторые клетки лучше других предрасположены к формированию собственно эмбриона, и это склоняет их на определенный путь развития. По чистой случайности статья была опубликована в тот самый день, когда в кембриджской больнице Рози родился мой сын Саймон. Это был еще один невероятно счастливый момент в моей жизни.

Истории одной клетки

Поскольку тогда меня заинтересовали другие темы, в моих поисках молекулярного механизма начального нарушения симметрии наступил многолетний перерыв. Однако несколько лет назад, когда у нас появилась возможность взглянуть на ранний эмбрион под новым и очень информативным углом, наш интерес к симметрии снова пробудился. Нас подстегнул успех коллег в области секвенирования нуклеиновых кислот, позволяющий прочитать все послания иРНК[14] индивидуальной клетки. Послания содержат инструкции по созданию белков, полученные от ДНК (клеточного хранилища генетической информации). Чтобы превратить код РНК-посланника в белок, клетка нанимает другой тип РНК — транспортную РНК, которая переносит строительные блоки белков, называемые аминокислотами. Зная о присутствии конкретных посланий, можно понять, какие гены в каждой клетке включаются и выключаются на ранних этапах жизни эмбриона.

В 2014 и 2015 годах сообщалось, что в целом генетические инструкции, переписанные с «рецептов» ДНК в послания РНК, различаются между клетками двухклеточного эмбриона [23]. Эти исследования подтвердили, что только одна из двух клеток действительно тотипотентна, то есть способна развиться в мышь, как впервые было показано в экспериментах Энн Макларен и Джинни Папайоану.

С помощью такой высокочувствительной методики мы могли выяснить, какие гены последовательно используются в клетках, склонных развиваться в собственно эмбрион, а какие — в клетках, формирующих трофэктодерму, а затем сравнить полученные данные. К тому времени Мария-Елена, занятая решением других задач, вынуждена была переехать в Германию в лабораторию в Мюнхене. Но у меня уже был новый аспирант, Мубин Гулам из Южной Африки, любознательный и, что важно, полный энтузиазма пересмотреть весь этот затянувшийся спорный вопрос.

Мубин помнит, как ему часами приходилось наблюдать за каждым отдельным эмбрионом, пока тот дробился поздно ночью, переходя от двухклеточной стадии к четырехклеточной. Затем надо было изолировать каждую клетку. И если бы хоть одна оказалась повреждена, «пришлось бы уничтожить весь эмбрион». Несмотря на трудности, это время ему запомнилось как захватывающее [24].

Нам снова предстояло много работы, требующей тщательного выполнения, наряду с экспериментами, которые могли продолжаться с вечера до следующего утра. По моей просьбе Мубину пришли на помощь два превосходных эмбриолога: Агнешка Едрусик родом из Польши и Сара Грэхем из Новой Зеландии, которые когда-то готовили диссертации на базе моей лаборатории, после чего остались в ней работать. Я же, со своей стороны, купила в офис кофеварку и диван, на котором можно было спать.

Вычислительным анализом данных занималась лучшая группа во всем Кембридже команда Джона Мариони из соседнего Европейского института биоинформатики и, в частности, Антонио Шиалдоне [25]. Анализируя каждую клетку четырехклеточного эмбриона, Антонио обнаружил множество генов, значительно отличающихся своей активностью. Их было слишком много для исследования. Ему пришла в голову гениальная мысль сосредоточиться лишь на тех, что были мишенями для двух ключевых и уже изученных факторов транскрипции, ОСТ4 и SOX2, регулирующих активность генов, критически важных для клеточной потентности и гибкости. Мы могли продемонстрировать разницу в паттернах активности таких генов.

Обнаружив множество генов-мишеней, мы для начала сфокусировались на одном, кодирующем транскрипционный фактор SOX21, и сделали это не без причины. Во-первых, фактор SOX21 использовался как раз на четырехклеточной стадии, а во-вторых, клетки на этой стадии производили его в разных количествах.

Для проверки функций SOX21 Мубин создавал эмбрионы, клетки которых обладали либо повышенным, либо пониженным уровнем этого фактора. Клетки с измененным уровнем SOX21 он промаркировал, чтобы иметь возможность проследить их судьбу. Оказалось, что SOX21 при дифференцировке в трофэктодерму регулирует экспрессию другого ключевого фактора транскрипции, CDX2. Именно ему посвящалась докторская диссертация Агнешки, и мы много знали о его роли благодаря работе как нашей, так и других научных команд [26].