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

Для всех нас самым потрясающим открытием оказалась способность человеческого эмбриона к самоорганизации вне организма матери, по крайней мере, в изученный нами период развития. Раньше никто не знал об этой способности, которая означала, что эмбрион должен обладать средствами для формирования самого себя даже вне тела матери. Во время естественного развития, разумеется, происходит взаимозависимый танец материнских и эмбриональных клеток [15]. Поскольку предметом наших исследований являлся постимплантационный период до формирования плаценты, было неясно, сможет ли наша модель культивирования in vitro воспроизвести развитие человеческого эмбриона за пределами этой стадии.

Некоторые аспекты развития мышей и человека оказались одинаковыми; например, образование полости в эмбрионе, происходящее не путем гибели клеток, а путем их поляризации и реорганизации контактов. Но многие другие аспекты сильно различались. К примеру, человеческий эмбрион, в отличие от мышиного, расщепляется на две разные ткани — эпибластный диск и амнион. Мы наблюдали это расщепление в наших исследованиях. Это означает, что, хотя исследования эмбрионов других млекопитающих и предоставляют ценную информацию, понять человеческое развитие можно лишь с помощью изучения человеческих эмбрионов.

Клетки, потентность и архитектура

Клетки эмбриона дифференцируются в определенные линии, но как только обретут идентичность, запускают изменения в структуре эмбриона, что, в свою очередь, может изменить положение самих клеток. Но каким образом эмбрион синхронизирует эти циклы дифференциации и морфогенеза? Один из способов координации танца жизни заключается в применении контрольных точек, когда развитие приостанавливается до тех пор, пока не будет выполнено некое условие.

В 2017 году журнал Nature опубликовал наше второе исследование человеческих эмбрионов, в котором Марта Шахбази воспользовалась нашей технологией культивирования, чтобы установить именно такую контрольную точку в раннем развитии млекопитающих [16]. Она выяснила, что только в том случае, когда эпибластные клетки становятся более специализированными, они расширяют просвет и создают амниотическую полость, в которой будет находиться жидкость, окружающая растущий эмбрион.

Исходно клетки выстраиваются в уже знакомую розетку с направленными к центру апикальными концами. На следующем этапе к соприкасающимся апикальным концам перемещаются везикулы с жидкостью. Марта обнаружила, что в месте «поцелуя» апикальных концов должен синтезироваться мембраносвязывающий белок подокаликсин из семейства сиаломуциновых белков, с помощью которого клетки могут оттолкнуть друг друга и впустить жидкость, накапливающуюся между ними и заполняющую собой полость.

В поисках механизма этого процесса Марта выяснила, что в нем участвует наш старый знакомый ОСТ4. Как только мышиные эпибластные клетки переходят из наивного состояния потентности в новое праймированное состояние, возникает партнерство между двумя транскрипционными факторами, ОСТ4 И ОТХ2, в результате чего активируется синтез гликозилированных сиаломуциновых белков, ведущий к образованию амниотической полости.

Но удаление подокаликсина само по себе не останавливает увеличение полости, поскольку другие белки компенсируют его отсутствие. Один из них, цингулин, привязывает везикулы к апикальным концам клеток. Как всегда, все гораздо сложнее, но это делает биологию развития еще более завораживающей. Ради этих сведений Марта работала день и ночь.

Однако требуются дополнительные исследования для идентификации всех белков, которые подталкивают клетки к приобретению большей специализации и формированию полости, помогая перейти к следующей стадии развития. Тем не менее наши эксперименты уже показали, что удержание клеток в наивном состоянии играет роль контрольной точки, гарантирующей, что амниотическая полость появится только тогда, когда клетки праймируются должным образом. Эксперименты демонстрируют и то, как эмбрион синхронизирует морфогенез и дифференциацию, координируя в танце жизни идентичность и расположение клеток-партнеров.

Как долго должен развиваться человеческий эмбрион?

Методика, позволяющая эмбрионам развиваться в культуре в два раза дольше, чем раньше, сулит множество будущих открытий. Многие из них будут невероятными, но одно можно предсказать наверняка: эти достижения помогут установить, какие аномальные эмбрионы способны самостоятельно исправлять собственные дефекты.

Полученные сведения могут повысить эффективность вспомогательной репродукции. Несмотря на то что в результате ЭКО уже родились миллионы детей, процесс ЭКО остается суровым испытанием, а успех — на удивление низким, о чем мы будем говорить в главе 10. Мы должны стремиться узнать больше, чтобы сделать процедуру успешнее и безопаснее.