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

Переезд целой лаборатории — тяжелая работа, особенно когда речь идет о сложном и дорогостоящем оборудовании, которое надо тщательно упаковать, перевезти, настроить, протестировать и откалибровать. По-своему трудно передать из одной лаборатории в другую и разрешения на проведение исследований. В довершение ко всему наше постоянное рабочее место на кафедре было не готово. Директор Института Гёрдона хотел, чтобы лабораторию расширили для размещения еще одной группы, поэтому сначала нам пришлось довольствоваться временным пространством, в котором даже не было комнаты для микроскопов или культивируемых тканей. В итоге за восемнадцать месяцев наша лаборатория переезжала дважды.

Переезд моей группы застопорил всю работу, и наши исследования человеческих эмбрионов пришлось приостановить на год. Это был сложный период, но он заставил меня задуматься о том, что я хочу сделать со своей жизнью и что для меня действительно важно. Я сосредоточилась на новых идеях и на тех людях, которые доверили мне свою карьеру. Я хотела, чтобы они были счастливы, мотивированы и оставались со мной, несмотря на ограничения по проведению экспериментов. К счастью, в тот критический период из группы ушел лишь один человек, а несколько блестящих коллег к ней присоединились. Мы воспользовались паузой, чтобы подать заявку на расширенный грант от Европейского исследовательского совета (European Research Council, ERC) и профинансировать наши исследования на пять лет, что было бы идеально для проверки нестандартных идей. Я удостоилась чести его получить — он прибыл как раз вовремя, когда наша лаборатория только-только переехала на новое постоянное место. Этот грант наполнил наши паруса ветром.

В 2015 году наша постоянная лаборатория была готова. Впервые в жизни у нас было достаточно места для проведения всех наших экспериментов и изучения человеческих эмбрионов и эмбриональных стволовых клеток, включая нашу самую первую комнату для культивирования тканей (ура!), а также комнату для микроскопов, оборудованную должным образом, просторную и темную, где можно было снимать фильмы о живых эмбрионах и изучать танец жизни во всех подробностях. Я была на седьмом небе от счастья. Не могу выразить словами свою благодарность руководителю кафедры Биллу Харрису за его веру в меня и его поддержку, а также за гранты от ERC и фонда Wellcome Trust, позволившие мне сделать этот важный шаг.

Передав лицензию на исследование человеческих эмбрионов в нашу новую лабораторию, мы расширили свои возможности. Мы получили информированное согласие от пар, проходящих лечение от бесплодия, на использование оставшихся после ЭКО лишних эмбрионов. Мы работали с двумя организациями — клиникой по лечению бесплодия CARE (особенно мне помогли Саймон Фишель и Элисон Кэмпбелл) и Лондонской больницей Гая в сотрудничестве с Питером Брауде, Якубом Халафом и Душко Иличем, каждый из которых был невероятно полезным и проницательным. Они и трое коллег из моей команды — Марта Шахбази, Санна Вуористо и Агнешка Едрусик — помогли нам приступить к культивированию человеческих эмбрионов на стадии имплантации, чтобы посмотреть на главные трансформационные события, критически важные для всего последующего развития.

Всплыло множество удивительных подробностей. Хотя при имплантации в матку эмбрионы теоретически могут принять любую ориентацию, мы обнаружили, что они прикрепляются стороной, содержащей скопление клеток, которые в будущем превратятся в собственно эмбрион. Мышиные эмбрионы имплантируются с точностью наоборот. Как упоминалось ранее, хотя бластоцисты человека и мыши изначально кажутся одинаковыми, через несколько дней их архитектура отличается кардинальным образом.

Сначала мы сосредоточились на группе клеток, имеющей критическое значение для развития человека. Эта группа формирует два типа тканей: гипобласт, который позже разовьется в поддерживающий желточный мешок, и эпибласт, который станет собственно эмбрионом, образовав три основных типа тканей — эктодерму, мезодерму и энтодерму (экто-, мезо- и энто- в переводе с греческого означают «внешний», «средний» и «внутренний», а «дерма» означает «кожа»).

Мы увидели, что приблизительно через восемь дней после оплодотворения эпибласт формирует ту же розетку, которая впечатлила нас во время экспериментов с мышиными эмбрионами. Как и у мышей, розетка эпибласта расширяется с образованием амниотической полости.

Еще один шаг в реорганизации человеческого эмбриона приводит к развитию второй, более крупной полости на гипобластной стороне диска. Это первичный желточный мешок, который в условиях естественного развития снабжает плод кровью. У человеческого эмбриона формирование этой второй полости, по-видимому, начинается на одиннадцатый день.

Чтобы получить первые представления о молекулярных механизмах, мы покрасили человеческие эмбрионы флуоресцентными антителами, позволяющими увидеть, какие гены и какими клетками используются. Данная методика предоставила молекулярную картину клеточной идентичности. Антитела помогли обнаружить, в каких клетках присутствовали гены транскрипционных факторов ОСТ4 и NANOG (такие клетки находятся в эпибласте, превращающемся в собственно эмбрион), а в каких — GATA3, что указывает на трофэктодерму, формирующую плаценту. Изображения, полученные в результате экспрессии перечисленных генов, обладали какой-то сверхъестественной красотой и раскрывали новые подробности истории человеческой жизни.

Клетки эпибласта ожидаемо имели только одно ядро, тогда как клетки на периферии эмбриона имели одно или несколько ядер — типичная черта трофэктодермы, которая прокладывает путь отверстиям (лакунам), используемым для кровоснабжения плода в матке. Это обнадеживало нас, указывая на то, что развитие эмбриона шло точно так же, как в теле матери.

Может показаться, что закрепление эмбриона в матке зависит от хореографически выверенной последовательности физических и биохимических взаимодействий тканей матери и эмбриона. Это не так. В течение нескольких дней после имплантации эмбрион, по-видимому, существует на автопилоте и имеет все необходимое для развития. Ремоделирование человеческого эмбриона на стадии имплантации имеет решающее значение для успешной беременности. Мы показали, что успех зависит от невероятной способности эмбриона к самоорганизации.

В 2013 году, вскоре после нашего первого успешного культивирования эмбриона за пределами имплантации, я познакомилась с Али Бриванлу из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке на конференции в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд. Али интересовался культивированием эмбрионов нечеловекообразных приматов (мартышек), и я предложила свою помощь. Наука процветает на сотрудничестве. Коллега Али, Алессия Деглинкерти, посетила нашу лабораторию, чтобы научиться культивировать человеческие эмбрионы за пределами стадии имплантации. Как выяснилось, команда Али воспользовалась нашим методом для культивирования и человеческих эмбрионов тоже, поэтому в итоге в мае 2016 года в одну и ту же неделю вышли не одна, а целых две статьи: одна в Nature и вторая — в Nature Cell Biology [14]. Когда две лаборатории независимо занимаются одной и той же проблемой, их исследования дополняют и подтверждают друг друга, отчего наука только выигрывает.

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.