Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком - Магдалена Зерницка-Гетц

Наконец-то мы раскрыли механизм, сдвигающий онтогенетический потенциал клеток четырехклеточного эмбриона, — механизм, который объяснял, почему клетки на очень ранней стадии не идентичны друг другу.

Хотя открытие было поразительным, нашу статью приняли не сразу. Одному из трех анонимных рецензентов не понравилось, что мы опять затронули концепцию неидентичности клеток на заре жизни мышиного эмбриона. Редактор журнала, тем не менее, остался непредвзятым и перенаправил нашу рукопись со всеми комментариями рецензентов и нашими на них ответами одному очень уважаемому эксперту, который, как нам сказали, не принимал участия в прежних дебатах и мог судить беспристрастно.

Мы понятия не имели, кем был этот независимый эксперт, но, к нашему облегчению, ему понравилась наша работа, и он рекомендовал статью к публикации. После столь долгого для меня и моих коллег пути мы отпраздновали новость большим количеством шампанского. Исследование было опубликовано в 2016 году в престижном журнале Cell [27].

Невероятно, но в том же мартовском номере Cell вышла еще одна статья с аналогичными выводами. Группа из Института молекулярной и клеточной биологии при Агентстве науки, технологии и исследований[15] в Сингапуре, возглавляемая Нико Плахтой, творчески подошла к изучению взаимодействий ДНК и транскрипционных факторов клеток четырехклеточного эмбриона. Они узнали, что в индивидуальных клетках SOX2 связывается с ДНК в разные периоды и что продолжительность этой связи коррелирует с судьбой клеток. Следовательно, по длительности связи SOX2—ДНК можно предсказать судьбу клеток на четырехклеточной стадии развития. Изумлял и тот факт, что Нико установил зависимость связи SOX2—ДНК от активности фермента CARM1, которая у клеток четырехклеточного эмбриона была вовсе не одинаковой [28].

Выполненная группой Нико красивая и замысловатая работа поведала все ту же историю о том, что клетки мышиного эмбриона не идентичны друг другу и их судьба на четырехклеточной стадии развития подвластна активности фермента CARM1 [29]. Тот самый номер журнала Cell содержал комментарий по поводу обеих статей и их актуальности, написанный Хуаном Карлосом Исписуа Бельмонте — главой лаборатории регуляции экспрессии генов в Институте Солка (Ла-Хойя, Калифорния) и автором впечатляющей работы по программированию и перепрограммированию клеточной судьбы.

Накопленные доказательства подтверждали гипотезу о том, что клетки и в самом деле отличаются уже на очень ранней, четырехклеточной, стадии развития эмбриона. Понадобилось много времени, но мы наконец-то поняли принципиальные основы того, как возникают первоначальные уклоны и выступают движущей силой, шаг за шагом очерчивающей судьбы клеток на заре жизни.

Как сделать близнецов

С тех пор как мы обнаружили доказательства уклона в онтогенетическом развитии, нам захотелось узнать, как этот уклон может быть настолько сильным, что лишь одна из двух клеток, разделенных на двухклеточной стадии, развивается должным образом? Связано ли это с генерацией плюрипотентных клеток в организме?

Выдающийся британский биолог Льюис Уолперт часто спрашивал меня: сколько плюрипотентных клеток нужно при имплантации, чтобы беременность была успешной? Определенно для создания мыши требуется минимальный набор клеток, но какой именно?

Ответ, как это бывает в науке, пришел неожиданно в ходе экспериментов с видеовизуализацией, проводимых Сэм Моррис из моей команды. Сэм разделила клетки двухклеточного эмбриона и оставила их развиваться в половинчатые бластоцисты. После подсчета количества эпибластных клеток в каждой из близнецов-бластоцист Сэм перенесла их в матку приемных матерей. Это был ответ на вопрос Льюиса: чтобы получился мышонок, при имплантации нужны как минимум четыре плюрипотентные клетки. Если на двухклеточной стадии отделить две клетки друг от друга, только одна сможет генерировать это количество, а ее сестра — нет.

Сэм продвинулась еще дальше. Она задалась вопросом: какая из двух клеток может, а какая не может совершить этот онтогенетический подвиг превращения в индивидуум? Чтобы ответить на вопрос, она создала химеры из того же типа клеток, который когда-то использовала Каролина. Оказалось, что клетка, не развивающаяся после разделения со своей сестрой, — это та самая клетка, которой суждено стать вегетативной на четырехклеточной стадии, своего рода материнская клетка вегетативной клетки.

Более того, Сэм помогла клетке с меньшей тотипотентностью генерировать больше плюрипотентных клеток. Она использовала для этого специальный препарат, воздействующий на два семейства сигнальных белков: факторы роста фибробластов (FGFs) и белки Wnt. Этот трюк позволил Сэм создать мышей-близнецов из двух отдельных клеток двухклеточного эмбриона. Ее исследование было опубликовано в 2012 году [30]. Сэм была одним из лучших участников моей команды и вложила всю свою душу во многие наши проекты, но эта работа была, наверное, ее наивысшим достижением. Так полвека спустя догма, настаивающая на одинаковости клеток двухклеточного эмбриона, была окончательно опровергнута.

Репликация

В 2004 году, в самом начале потасовки с Хиираги и Сольтером, Джон Гёрдон предупредил меня, что с учетом осторожного темпа научного прогресса пройдут десятилетия, прежде чем споры так или иначе улягутся. Он оказался совершенно прав, хотя скептики попадаются до сих пор. Через десять лет мы действительно обнаружили механизм, лежащий в основе паттернов, которые запускаются на гораздо более ранних этапах развития. Более того, другие ученые, устоявшие перед бурей и натиском дебатов, воспользовались мощными новейшими технологиями и получили те же результаты.

Несмотря на оппозицию, наши исследования были независимо воспроизведены коллегами по научной области. Например, команда физика Скотта Фрейзера (одного из наиболее выдающихся ученых, занимающихся эмбриональной визуализацией) из Калифорнийского технологического института продемонстрировала динамику транскрипционного фактора ОСТ4, контролирующего развитие мышиного эмбриона. Их превосходные эксперименты показали, что индивидуальные клетки четырехклеточного эмбриона имеют разную скорость перемещения ОСТ4 между ядром и цитоплазмой. Выяснилось, что чем дольше ОСТ4 задерживается в клеточном ядре, тем больше растет плюрипотентность данной клетки [31]. Или, говоря другими словами, чем медленнее ОСТ4 перемещается по клетке, тем выше вероятность того, что эта клетка разовьется в собственно эмбрион, в то время как клетки с более подвижным ОСТ4 больше вкладываются в развитие трофэктодермы.

Уже упомянутый мною Нико Плахта, первый автор этого исследования, вместе со своей командой продвинулся еще дальше. Используя метод визуализации взаимодействий факторов транскрипции и ДНК, он обнаружил, что критически важный для клеточной плюрипотентности SOX2 дольше всего остается связанным с ДНК в тех клетках четырехклеточного эмбриона, которые склонны формировать собственно эмбрион [32]. Команда Нико также выяснила, что эта разница обусловлена активностью фермента CARM1.

Еще одно доказательство ранних эмбриональных паттернов поступило от группы Кевина Эггана, получателя «Гранта для гениев» от Фонда Макартуров, чья команда использовала генетически маркированные клетки «радужных» мышей, где разные клеточные линии помечены разными цветами. Отслеживая судьбу клеток, группа Кевина подтвердила, что клетки четырехклеточного эмбриона не одинаковы и приобретают предрасположенность к определенному пути развития гораздо раньше, чем принято