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

К ноябрю 2017 года ежедневный мозговой штурм по поводу поиска лучших путей продвижения стал для нас привычным. Пока Джан, Берна и Энди занимались своими экспериментами, я искала другие подходы и новых ученых, чтобы дополнить наши усилия. К нам присоединились Тьерри Воэти его постдок Лия Чаппелл из Центра Сенгера, а также Ран Ван и Найхэ Цзин из Шанхая, чтобы проанализировать паттерны экспрессии генов в наших эмбрионоподобных структурах.

Несмотря на то что развитие этих структур выглядело высокоорганизованным, при объединении клеток мы по-прежнему полагались на случайные столкновения. Только теперь Берна, Джан и Энди к ЭС- и ТС-клеткам добавляли XEN-клетки. Они смешивали все три типа клеток и «подвешивали» их в питательной среде пирамидальной емкости, чтобы помочь им встретиться друг с другом. Каждый день они заботливо подкармливали этот клеточный коктейль питательными веществами.

Установив верную концентрацию клеток путем многочисленных проб и ошибок, мы наконец-то получили нечто похожее на эмбрион. Наблюдение под микроскопом за развитием этих структур напоминало просмотр блестящего документального фильма о самоорганизации всех трех клеточных типов, наглядно демонстрирующего то, как, вероятно, собирается настоящий эмбрион. Завораживающее зрелище. Один из тех моментов, ради которых мы занимаемся наукой. Руководствуясь принятой ранее терминологией, мы окрестили эти структуры ETX-эмбрионами, где каждая заглавная буква обозначала техническое наименование каждого из трех типов клеток.

Как настоящие, ETX-эмбрионы образовывали три группы клеток: эпибласт из ЭС-клеток, наблюдаемый в нашей самой первой модели, внеэмбриональную эктодерму из TC-клеток и примитивную энтодерму из XEN-клеток (технически на данной стадии развития она зовется висцеральной энтодермой), которая, разрастаясь, охватывала всю структуру (подробности этого процесса до сих пор неизвестны). В определенной точке пространства и времени естественный эмбрион нарушает свою симметрию и эпибласт образует первичную полоску, которая погружается в эмбрион и формирует новый клеточный слой, — мезодерму. Затем возникает еще один слой, энтодерма, которая в процессе гаструляции выталкивает прочь висцеральную энтодерму. Чтобы проделать все это, клетки должны подвергнуться так называемому эпителиально-мезенхимальному переходу — ключевому событию, позволяющему им покинуть эпителий (нечто подобное происходит с раковыми клетками, когда они отделяются от опухоли и распространяются по организму в смертоносном процессе метастазирования).

Наибольшее удовлетворение вызывал тот факт, что последовательность, архитектура и паттерны генетической активности в этих эмбриональных моделях соответствовали таковым в естественных эмбрионах на стадии гаструляции. Заменив внеклеточный матрикс, используемый в более ранних экспериментах, на третий тип клеток, мы не только смогли получить структуры из всех трех тканей, но и осуществить эпителиально-мезенхимальный переход, чтобы эмбрионоподобная структура прошла через гаструляцию. Ощущение изумления и трепета от этих экспериментов было таким прекрасным, что нет слов, чтобы его описать.

Имея в распоряжении модели, способные пройти через гаструляцию, мы могли лучше разобраться в том, как три типа клеток взаимодействуют друг с другом, позволяя эмбриону приобрести свой характерный облик. Мы бы могли, например, изменить сигнальный путь одного из клеточных типов и посмотреть, как это повлияет на один из двух остальных клеточных типов или на оба сразу.

Многие месяцы ушли на то, чтобы сопоставить все полученные данные, разобраться в их значении и подготовить статью в научный журнал. Мы все считали, что Science — лучший выбор, ведь именно там вышла наша статья об ETS-эмбрионах. Но мы ошибались. По мнению редактора, мы не достигли фундаментального прогресса после предыдущего исследования. Мы были в шоке. На наш взгляд, ЕТХ-модель была гораздо лучше, технология была иной, а конечный результат был очень близок к естественному, ведь нам удалось подтолкнуть все три типа клеток к самоорганизации и пройти основной этап развития. Тем временем мы получили еще больше результатов, дополнили статью и решили подать ее в Nature.

К нашему удивлению, примерно в это же время, в мае 2018 года, команда под руководством Николаса Риврона из Института Хюбрехта предоставила сведения о другой модели эмбриона из стволовых клеток. Они взяли две популяции стволовых клеток (ЭС и ТС) мыши и создали преимплантационную структуру, похожую на бластоцисту [15]. Несмотря на то что эта структура не развивалась за пределы стадии имплантации, она все равно была потрясающей. В конце статьи стало ясно, что Риврон и его команда потратили приличное количество времени на то, чтобы удовлетворить все требования рецензентов. Впервые они представили свое исследование в Nature в сентябре 2015 года, так что потребовалось два с половиной года на то, чтобы его приняли. Наука — это тяжелая работа.

Два рецензента одобрили нашу статью. Но третий сказал, что это просто еще одна синтетическая модель эмбриона. Статью рекомендовали отклонить, а нам — рассмотреть вариант ее публикации в Nature Cell Biology, где она в итоге и вышла в июле 2018 года [16]. На сегодняшний день ЕТХ-эмбрион остается, пожалуй, самой продвинутой моделью мышиного эмбриона и потенциально способен многое нам рассказать о нашем собственном развитии.

На данный момент

Эксперименты на эмбрионоподобных моделях прекрасно дополняют исследования, начавшиеся с того дня, когда мы впервые увлеклись танцем жизни. До этого все наши усилия были сосредоточены на наблюдении за этим танцем. Мы увидели, что после единственного деления оплодотворенной яйцеклетки одна из клеток склонна развиваться в эмбрион, а другая — в поддерживающие структуры, несмотря на то, что обе клетки невероятно пластичны с точки зрения потенциала развития. Делая фильмы с участием флуоресцентно меченых клеток, мы выяснили, что клеточные танцоры кооперируют друг с другом не потому, что хореограф отдает им команды, а потому, что они переговариваются между собой при помощи белков и других молекулярных факторов и реагируют на свое окружение. Как только конкурирующие клетки начинают кооперировать, развивается новый уровень организации [17]. Кооперация

способствует специализации и разнообразию клеточных типов, что побуждает эмбрион самоорганизовываться так, чтобы, например, после нескольких дроблений образовался свободноплавающий шарик из трех групп стволовых клеток, и одна из них превратилась в диск из клеток (эпибласт), которому суждено стать собственно эмбрионом. Остальные две группы формируют поддерживающие внеэмбриональные структуры.

Нам также удалось отследить танец жизни до самого момента имплантации, когда к танцу присоединяется материнский организм. С первой по вторую неделю человеческий эмбрион готовится к гаструляции, предвещающей ему реорганизацию из шарообразного скопления клеток (бластоцисты) в структуру в форме розетки, внутри которой открывается полость. Структура прогрессивно развивается в многослойный организм с тремя осями симметрии: передне-задней, дорсально-вентральной и лево-правой.

Теперь, когда мы построили эмбрионоподобную структуру из всех трех типов стволовых клеток (один отвечает за образование энтодермы, мезодермы и эктодермы, второй — за образование трофэктодермы, формирующей плаценту, и третий — за образование примитивной энтодермы, образующей желточный мешок), мы можем углубить наше понимание того, что запускает и направляет гаструляцию, которая начинается с водопада клеток, погружающихся из эпибласта в первичную полоску — бороздку, которая тянется от заднего конца туда, где в итоге будет голова, вдоль средней линии тела, разделяющей его на правую и левую стороны для сохранения симметрии и правильного развития эмбриона.

Тот слой, который глубже всех погрузится в полоску, станет энтодермой, а два следующих — мезодермой и эктодермой. Конкурирующие взаимодействия клеток и взаимные сигналы, ведущие к обособлению местоположения и судьбы клеток, демонстрируют то, как эпигенетическая модификация и поляризация клеток определяют развитие этих трех клеточных линий.

Несмотря на то что существует много сигнальных путей, отвечающих за межклеточную коммуникацию, мы можем попытаться понять, как именно взаимодействуют клетки, и создать прочные эмбриональные паттерны. Тем не менее мы достигли серьезного прогресса, когда, например, начали понимать, почему развитие человеческого и мышиного эмбрионов сильно различается, хотя фактически у них одинаковый набор генов [18]. С момента оплодотворения яйцеклетки до стадии бластоцисты человек и мышь развиваются по относительно сходным правилам, но после имплантации мышиный эмбрион приобретает форму цилиндра, а человеческий — форму диска. Их траектории развития расходятся из-за различий во взаимодействиях трех базовых типов клеток.

И здесь эмбрионы, созданные из стволовых клеток in vitro, предоставляют новые сведения. В отличие от эмбрионов, образующихся в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки, модельные эмбрионы можно создавать в огромных количествах и подвергать генетическому редактированию для проведения высокопроизводительных генетических тестов и скрининга лекарственных препаратов [19]. Еще одним важным источником информации являются химеры, у которых человеческие клетки имплантированы в эмбрион другого биологического вида, что приводит к созданию новой оси [20]. Так с помощью «синтетической биологии» можно проверить, можем ли мы понять развитие в целом по отдельным его частям. Сегодня мы как никогда четко можем увидеть подробности танца жизни, при котором происходит кооперация и конкуренция клеток внутри самоорганизующегося эмбриона.