Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком
Шрифт:
Ранние идеи о местонахождении инструкций по созданию жизни принадлежат физику Эрвину Шрёдингеру, который в 1943 году предположил, что организм содержит «шифровальный код»[1], определяющий весь паттерн будущего индивидуального развития. Этот код — не схема, устанавливающая статичный порядок расположения атомов, а изощренная и динамичная наследственная информация о том, как создать живой организм.
Некоторые ученые критически восприняли («скорее фантастика, чем наука») книгу «What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell» («Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки»), где Шрёдингер обрисовал свои мысли [8]. Однако его рассуждения вдохновили многих ученых, в том числе Фрэнсиса Крика и Джима Уотсона, которые в 1953 году в своей лаборатории Кембриджского университета
Двойную спираль можно расплести вдоль, и каждая отдельная сторона послужит шаблоном для другой, поэтому информация ДНК передается следующему поколению. И если элементы, необходимые для построения ДНК, можно найти в остатках взорвавшихся звезд, то порядок букв генетического кода — это инструкции, переданные сквозь поколения от наших предков, которые мы, в свою очередь, можем передать своим детям.
Все живые существа на Земле — недавние звенья в цепи информации, закодированной в реплицирующейся молекуле ДНК, которая размножается на этой планете около четырех миллиардов лет. Возможно, первые копии первой жизни появились в гидротермальных источниках морских глубин с использованием аминокислот из океанической коры [10]. Однако таких теорий множество, и пока это еще одна размытая граница великой истории жизни: никто не знает, как появилась самореплицирующаяся молекула ДНК, запустившая инструкции, которые эволюционировали в изобильное множество существ нашей планеты, сначала в виде бесформенной одноклеточной жизни, а позже — в виде величайшего разнообразия многоклеточных организмов.
Жизнь имеет еще одно измерение. Инструкции ДНК, которые мы передаем своим детям, содержат не конкретный план вроде архитектурного чертежа, а рецепт, согласно которому ингредиенты самоорганизуются в высшей степени слаженным образом. Эти инструкции вступают в действие в первые несколько дней, начиная с процесса, когда оплодотворенное яйцо делится и меняет форму до такой степени, что эти ранние фазы жизни эмбриона получили разные названия: зигота, морула, бластоциста и, наконец, собственно эмбрион.
Подобно космосу, жизнь формируется симметрией и ее нарушением, от легкого смещения внутри отдельной клетки до оси, вокруг которой организована группа клеток, составляющая эмбрион. В конце концов, нарушение симметрии формирует наше тело от расположения головы и пальцев ног до локализации внутренних органов, от симметричных легких и почек до сердца, которое у нас слева. Все это, в свою очередь, вытекает из асимметрии на молекулярном уровне.
Нарушение симметрии необходимо для многих самых существенных фаз нашего развития. Благодаря нарушению симметрии мы из круглого оплодотворенного яйца через пять дней превращаемся в полую структуру из примерно двухсот клеток, размером в одну-две десятых миллиметра в поперечнике. На этом этапе эмбрион готов имплантироваться в стенку матки. Здесь сливаются границы двух жизней. Поэт и философ Сэмюэл Тейлор Кольридж однажды заметил, что девять месяцев, предшествующих рождению, «вероятно, куда интереснее... чем все последующие семьдесят лет» [11]. Я думаю, то же самое вполне можно сказать о первых девяти днях развития.
На пути к появлению этого изысканного образца материи под названием «организм» скрывается еще много тайн. И это неудивительно, ведь человек, быть может, гораздо сложнее, чем все безбрежное пространство света и тьмы под названием «космос» [12].
Такова история моей науки и моего путешествия к пониманию того, как появляются клетки в раннем эмбрионе; как они начинают узнавать друг друга и взаимодействовать; как шаг за шагом они с ошеломляющей точностью формируют человека; как они направляют собственное развитие; как они понимают, что процесс пошел не так, и как нам самим обнаружить эту ошибку и установить ее причину.
Чтобы важные процессы развития происходили в нужное время и в нужной последовательности, должен быть некий вариант клеточных часов, но как они работают? Другими словами, с помощью какого механизма эмбрион отмечает проходящие часы и дни? Почему через два с половиной дня у всех
клеток появляются разные концы, так называемая наружно-внутренняя полярность? Почему беременность длится девять месяцев, а не пять или двенадцать? В развивающемся эмбрионе клетка, базовая единица жизни, размножается и меняется согласно хореографии, четко скоординированной в пространстве и времени, — можем ли мы понять этот самый потрясающий, замысловатый и всепоглощающий танец жизни?Это лишь несколько вопросов, вызванных результатами исследований на современном этапе научного понимания, и все они чрезвычайно увлекательны. Несмотря на все мои усилия и усилия многих других ученых, наши ответы имеют предел. Тем не менее в последние годы мы все же добились прогресса.
Глава 1
Белое платье
Звонок застал меня в Кембриджском университете; я стояла у окна в своем кабинете и любовалась садами Даунинг-колледжа. Всякий раз, сталкиваясь с неразрешимой задачей, я смотрела через дорогу на эти просторные лужайки, деревья, по ветвям которых скакали белки, а прямо под окнами студенты на велосипедах спешили на очередную лекцию. Несколько минут, проведенных вот так, наедине с собой, помогали прояснить мысли. И порой задача решалась.
Весна переходила в лето, деревья пестрили зеленью и золотом, когда сквозь листья проникали солнечные лучи. Я была одета в белое хлопковое индийское платье без рукавов, приобретенное еще в студенческие годы. Я помню это отчетливо, потому что в этом платье моя беременность была незаметна. В тот момент я не хотела, чтобы кто-нибудь о ней знал.
Женский голос в трубке звучал обеспокоенно. Меня спросили, одна ли я, а затем посоветовали присесть.
Мне объяснили, что мой пренатальный скрининг выявил генетические аномалии у четверти протестированных клеток. Врачи обнаружили, что вторая хромосома (она же — вторая по величине упаковка ДНК в клетках человека) присутствовала в трех копиях вместо нормальных двух. В тесте использовались клетки из плаценты, но предполагалось, что аномалии были и у ребенка. Голос в телефоне сказал, что я должна вернуться в больницу и обсудить, что делать дальше.
Тогда я не подозревала, что моя жизнь и работа вскоре сольются воедино. Пережитый опыт оказал на меня личное и профессиональное воздействие. Он изменил направление моих исследований, повлияв на эксперименты, которые я проводила в следующие годы. Даже сейчас, когда я пишу эти строки, моя команда занимается исследованием, отчасти обусловленным потрясением того дня.
До рокового звонка я успела изучить так много эмбрионов, что знала их вдоль и поперек. Будучи ученым, я провела десятки лет в попытках понять природу жизни, как она начинается и откуда берутся ошибки.
Я увлекалась странствиями отдельных клеток внутри эмбриона, начиная с момента его зарождения, и старалась понять их поведение — от индивидуальной активности до кооперации с другими клетками. Но особенно мне хотелось знать, как решается судьба клеток. Я пыталась установить, на чем все это основано, начиная с тончайших молекулярных различий (их можно назвать уклоном), которые подталкивали клетки закрепить или изменить направление развития.
Еще в детстве я была очарована работой мозга, его способностью принимать решения, пластичностью и умением учиться. Поэтому сначала я планировала заниматься медициной или психологией. Сегодня же я смотрю на пластичность и процесс принятия решений с точки зрения биолога, изучающего стволовые клетки и онтогенез. Как клетки принимают решения на пути от эмбриона до взрослого человека? У клеток нет мозга, однако они делают выбор, часто сложный и также часто не окончательный, который можно повернуть вспять.
Несмотря на то что многие аспекты эмбриологии были мне хорошо знакомы, я почувствовала себя как любая будущая мать, когда осознала потенциальные последствия сказанного мне по телефону, — это была тяжелая новость. Вне всяких сомнений. Однако... я чувствовала надежду, поскольку знала, что эмбрионы обладают удивительной пластичностью, позволяющей им в процессе развития реагировать на обстоятельства подобно тому, как мы способны реагировать и приспосабливаться к условиям окружающей среды. Я изучала эту пластичность как профессионал, и внезапно она стала моей личной проблемой.