Book: Онтогенез. От клетки до человека



Онтогенез. От клетки до человека

Джейми Дейвис

Онтогенез. От клетки до человека

Посвящается Кэти

Life Unfolding

How the human body creates itself

JAMIE A. DAVIES


Научный редактор

Юлия Краус, ведущий научный сотрудник кафедры биологической эволюции биологического факультета МГУ, кандидат биологических наук.


© Oxford University Press

© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питер», 2017

© Серия «New Science», 2017

* * *

Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека фонда «Династия». Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время». Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека фонда «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель».

Благодарности

Я глубоко признателен доктору Кэти Брукс за ее неустанную поддержку, терпение, которое она проявляла всякий раз, когда я выбивался из графика работы, а также полезные комментарии к первому варианту текста.

Я также хотел бы поблагодарить моих коллег. Это Джеймс Бриско, Майк Клинтон, Ким Дэйл, Меган Дэйви, Питер Кайнд, Вэл Уилсон, Джорджия Перона-Райт, Томас Тайл и Шэрил Тикл. Они оказали мне огромную услугу: проверили разделы книги, посвященные темам, в которых являются мировыми экспертами. Вся вина за оставшиеся в тексте ошибки лежит исключительно на мне. И наконец, я хочу выразить свою благодарность Латхе Менон и ее коллегам из издательства Oxford University Press за ценные редакторские замечания.

Этическое заявление

Эта книга описывает механизмы развития человека. Она содержит опубликованную в научных изданиях информацию, полученную при изучении эмбрионов человека, а также в ходе экспериментов на животных. Поскольку академические издательства и исследовательские фонды требуют, чтобы работа была проверена соответствующими независимыми комиссиями по этике, я сделал допущение, что процитированные в этой книге эксперименты отвечали стандартам того времени, когда они проводились. Этические стандарты постоянно меняются, и некоторые исследования, которые проводились много лет назад, сейчас запрещены. Упоминание результатов конкретных экспериментов в этой книге не подразумевает личного этического одобрения использованных в них методов ни автором, ни издателем книги.

Пояснение по поводу ссылок и сносок

Книга адресована широкому кругу читателей, поэтому механизмы развития человека описываются в ней без излишних молекулярных подробностей. Длинные списки непроизносимых названий белков навевают скуку даже на профессиональных биологов и были бы совсем неуместны в книге, посвященной разъяснению фундаментальных закономерностей развития. Тем не менее иногда детали, упущенные в основном тексте, поясняются в сносках. Они позволят студентам биологических и медицинских специальностей увязать обсуждаемые в книге вопросы со специальными публикациями по молекулярной эмбриологии. Таким образом, эти сноски предназначены для узкого круга читателей и необязательны для понимания книги в целом.

По тем же причинам в книге иногда приведены ссылки на специальные исследования, особенно в тех случаях, когда необходимо подкрепить аргументами отличную от традиционной точку зрения. Чтобы не перегружать текст, число подобных ссылок сведено к минимуму; кроме того, они, как правило, отсылают не к оригинальным экспериментальным статьям, как это обычно делается в академических изданиях, а к обзорам. Также опущены ссылки на материал, освещенный в обычных учебниках. Текст, испещренный тысячами сносок, уместен в научной монографии, но не в популярной книге.

Вступление

Знание не убивает предвкушения чуда, тайны. Там этой тайны еще больше.

Анаис Нин

Глава 1

Столкновение с чуждыми нам технологиями

История человека в течение девяти месяцев до рождения, возможно, гораздо интереснее, чем вся его оставшаяся жизнь.

Сэмюэль Тэйлор Кольридж

В этих словах английский философ и поэт Сэмюэль Кольридж выразил поэтическим языком удивление ребенка, впервые спросившего родителей: «Как я появился на свет?» Многие взрослые полагают, что этот вопрос касается половых отношений, и начинают мучительно раздумывать о том, что и когда можно рассказать. Однако ребенка вовсе не волнуют эти психосоциальные сложности, его вопрос и проще и глубже – как может появиться новый человек?

Еще ни один ребенок не получил полного и правильного ответа, потому что никто из взрослых не знает наверняка. Во времена Кольриджа были известны отдельные факты о последовательности анатомических изменений, происходящих по мере того, как новый человек растет в матке, но то, как и почему они происходят, оставалось загадкой. Два последующих века ученые пытались понять, как же оплодотворенная яйцеклетка превращается в ребенка. За последнее десятилетие наука шагнула далеко вперед, но по мере того, как ученые расшифровывают сложнейшие механизмы и разгадывают конкретные загадки, общее чувство изумления только растет. История эмбрионального развития, пока что обсуждающаяся в основном в специализированных научных статьях, поистине поразительна. Эта история о том, что произошло с каждым из нас, и потому должна быть общим достоянием. Мне посчастливилось работать в этой области, и в этой книге я попытался собрать наиболее значимые результаты современных исследований и дать ответ на самый глубокий – и самый детский – вопрос: как я появился на свет?

Наше понимание эмбрионального развития человека сложилось не в рамках какого-то одного научного подхода, а явилось результатом обобщения огромного количества информации из разных областей знания. Эмбриология и неонатология, напрямую изучающие развитие человека, предоставили в наше распоряжение большое количество анатомической и функциональной информации. Генетика и токсикология, области более широкие, чем биология развития, имеют огромное значение для выявления причин врожденных аномалий. Это очень важно, потому что, зная эти причины, можно выявить каскады биохимических реакций (так называемые молекулярные пути), необходимые для нормального развития соответствующих частей тела. Биохимия и молекулярная биология незаменимы для выявления деталей работы молекулярных путей, вовлеченных в развитие, вплоть до уровня взаимодействия атомов биологических молекул. Клеточная биология позволяет объяснить, как за счет взаимодействия разных молекулярных путей обеспечивается контроль поведения отдельных клеток. Исследуя более высокий уровень организации, физиология, иммунология и нейробиология раскрывают способы коммуникации и координации множества клеток.

Все упомянутые дисциплины относятся к областям медицины или биологии, в которых традиционно и проводились исследования по эмбриологии человека. Однако последнее время вклад в понимание развития человека внесли также области науки, которые на первый взгляд вообще не имеют отношения к этой теме: математика, информатика и даже философия. Они не проясняли конкретные детали (что и когда делает та или иная клетка), но затрагивали фундаментальные вопросы, связанные с развитием, например: как простое может стать сложным? как механизмы развития, неустойчивые по отношению к случайным ошибкам, могут обеспечивать высокую точность воспроизведения конечного результата? и не слишком ли развитие человека сложно для того, чтобы его могли полностью понять даже интеллектуально развитые люди? Последний из этих вопросов остается открытым, и предметом спора является слово «полностью». Однако в решении первых двух вопросов удалось достичь значительного прогресса. Ответ кроется в двух смежных концепциях: «эмерджентность» и «адаптивная самоорганизация». Это фактически две стороны одного и того же явления. «Эмерджентность» – это возникновение сложных структур и вариантов поведения из простых составных частей и правил; этот термин, как правило, используют те, кто смотрит на систему «вниз» с позиции «поведения на высоком уровне». «Адаптивная самоорганизация» – это «взгляд вверх»; этот термин позволяет описать, как применение этих простых правил к компонентам системы приводит к их коллективному поведению – выполнению сложных и тонких задач большого пространственного масштаба.[1]

Именно благодаря адаптивной самоорганизации неживые молекулы могут создать живую клетку, а клетки с ограниченными индивидуальными возможностями – сформировать способный на многое многоклеточный организм. Адаптивная самоорганизация – лейтмотив моей книги, так как она лежит в основе биологии развития. Понятия «адаптивная самоорганизация» и «эмерджентность» выходят за рамки биологии, и в разделе «Дополнительная литература» я привел несколько ссылок на увлекательные книги по этой теме.

Новые данные биологии развития ясно говорят о том, что организм возникает совсем не так, как строятся здания или машины. Смешно, но факт: способы образования нашего собственного тела абсолютно чужды нашим представлениям о том, как это могло бы быть. Поэтому, пытаясь понять, как эмбрион строит сам себя, очень полезно сравнить – и противопоставить – развитие этой биологической системы с привычными способами строительства объектов.

У всех инженерных проектов, будь то сборка локомотива или строительство здания, есть общие черты. Прежде всего у любого проекта есть определенный план – это может быть чертеж или какая-либо иная схема, – ясно показывающий, что же мы хотим получить в итоге. План показывает ожидаемый результат, но частью этого результата он не будет. У каждого проекта есть руководитель – главный инженер или архитектор, – который дает указания подчиненным, а те, в свою очередь, рабочим, которые и выполняют укладку кирпича, резку, сварку и покраску. Детали будущей конструкции не могут соединиться вместе сами по себе. Это делают рабочие – каменщики, сборщики, сварщики, – которые сами не являются частью этой конструкции. При этом рабочие и главный инженер владеют огромным объемом «внешней» информации – по технологии сварки или камнетесному делу, – которая не присутствует в объектах, которые они создают. И наконец, большинство рукотворных сооружений вводятся в эксплуатацию только после полного завершения работ.

В биологическом конструировании мы не найдем этих привычных этапов. Это лишний раз подчеркивает разницу между живыми существами и инженерными конструкциями. В отличие от технических проектов, биологическое конструирование не подразумевает никаких чертежей и эскизов конечного результата. Безусловно, в оплодотворенной яйцеклетке содержится информация (в генах, в молекулярных структурах, в пространственном распределении концентраций химических веществ), но связь между этой информацией и тем, как в конечном итоге будет выглядеть готовый организм, далеко не проста. Известно, что эта информация контролирует дальнейшую последовательность событий (а знаем мы это, потому что изменение этой информации, например при мутации гена или изменении концентрации определенного вещества в определенном месте, меняет последовательность событий, и развитие идет по аномальному пути).

В технике, и особенно в математике, к конечному результату можно прийти при помощи пошаговых инструкций. Рассмотрим пример: посередине пшеничного поля воткните в землю кол и привяжите к нему веревку. Возьмите другой ее конец и пройдите несколько метров, чтобы веревка натянулась. Затем идите направо, сохраняя натяжение. Таким образом можно начертить простейшую окружность. Некоторые структуры гораздо легче создать по инструкциям, чем по чертежам. Если у вас есть под рукой карандаш и бумага, попробуйте по приведенным ниже инструкциям начертить геометрическую фигуру под названием «салфетка Серпинского».

1. Начертите равносторонний треугольник с горизонтальным основанием. Чем больше он будет, тем лучше. Будем считать его «исходным треугольником».

2. Внутри данного треугольника проведите три отрезка. Каждый из них должен проходить из середины каждой стороны в середину смежной. Эти отрезки образуют перевернутый треугольник, занимающий четверть площади исходного.

3. Заштрихуйте полученный треугольник.

4. Теперь вы видите три незаштрихованных треугольника внутри исходного. Проделайте с каждым из них те же операции, что и с исходным треугольников, начиная с пункта 2.

5. (Продолжайте, пока вам не надоест: если вы вооружены хорошим карандашом, это занятие может длиться вечно.)

«Салфетка Серпинского» (благодаря заштрихованным областям чертеж напоминает ажурное вязание) – пример фрактальной структуры. При любом увеличении мы получим одно и то же изображение. Еще один пример фрактала – «множество Кантора». Его удобнее всего рисовать на поверхности, с которой легко стирать. Подойдет школьная доска. Нарисуйте линию, затем сотрите ее среднюю треть, после этого сотрите средние трети двух полученных линий, и так далее. Через некоторое время вы получите множество точек, расположенных через определенные интервалы. Статистические свойства этих интервалов идентичны свойствам многих природных явлений, будь то осыпание песка с бархана или промежутки между каплями воды из подтекающего крана, землетрясениями, эпидемиями и случаями массового вымирания животных.

Пошаговые инструкции, а не эскизы используются для создания объектов не только в математике, но и в повседневной жизни; простейший пример – кулинарный рецепт. По такому же принципу работает и текстильное производство, от ручного вязания («одну петлю провязываем, одну накидываем») до «жаккардовой машины» (1801 г.), первого в мире промышленного робота, на котором можно было, меняя перфокарты, переключать уровни сложности от простейшего до самого сложного узора. Музыка также воспроизводится благодаря инструкциям, роль которых выполняют нотные знаки на нотном стане, по которым музыкант может воспроизводить звуки необходимой высоты и продолжительности в нужный момент времени.

Многовековой опыт использования инструкций для получения задуманного результата с минимальными затратами времени и усилий приводит к тому, что мы склонны считать, что биологическая информация определяет наш внешний вид каким-то похожим образом. Это опасное заблуждение. Между живыми организмами и рукотворными объектами есть существенное отличие: в последнем случае инструкциям следует внешний сознательный агент действия. Даже такие, казалось бы, явные исключения, как автоматическая вязальная машина или механическое пианино, созданы по инструкциям и планам теми же внешними агентами, а значит, исключениями не являются. Проще говоря, кардиганы, симфонии, автомобили и соборы сами себя не создавали. Следование инструкциям, привнесение необходимой информации о процессе (умение вязать, готовить или класть кирпич) и собственно работа с материалами осуществляются не самой растущей структурой, а извне. Напротив, содержащаяся в эмбрионе информация считывается и обрабатывается самим эмбрионом; ему не на кого переложить ни тяжелую физическую работу, ни раздумья об оптимизации процесса. Как мы скоро увидим, это означает, что ответственность за биологическое конструирование лежит на всех его участниках, а не на руководителе, как в случае реализации инженерных проектов. Процесс создания тела человека контролируется не какими-то отдельно взятыми частями эмбриона, а системой в целом.

Чтобы понять особенности процесса построения, необходимо также иметь некоторое представление о природе используемых материалов. Рядом с моей лабораторией в Эдинбургском университете находятся три знаменитых моста: элегантный мост Дин, построенный Томасом Телфордом, легендарный железнодорожный мост через залив, построенный Бенджамином Бейкером, и, неподалеку от него, автодорожный мост Форд-Роуд. Телфорд построил мост из каменных блоков – тяжелых, громоздких, надежных только за счет сжимающего напряжения. Поэтому он использовал традиционный метод: сначала строились опоры, затем сооружался деревянный каркас для арочного пролета, затем на него выкладывались обтесанные в форме арки камни. После того как вес камня стабилизирует пролет, каркас можно удалить.

Бейкер использовал для строительства железнодорожного моста радикально новый по тем временам материал – сталь. Этот материал может держаться как за счет растяжения, так и за счет сжимающего напряжения, поэтому строительство можно было начинать с любой опоры, прикрепляя к ней секции одним концом. Чтобы поместить длинные и относительно легкие стальные секции на нужное место, использовались подъемные краны. Между собой эти секции соединялись с помощью заклепок.



Вантовый мост, самый новый из трех, держится за счет стальных тросов, вант, которые закреплены на пилонах на разных берегах. В данном случае сначала были установлены пилоны, затем намечены опорные точки для крепления тросов, а затем постепенно натягивались держащие мост ванты.

В каждом из этих случаев стратегия строительства моста определялась характером материалов. Ни один из них нельзя было бы построить, используя стратегию, предназначенную для моста другого типа. Так же и в биологии: стратегия конструирования зависит от природы участвующих в нем компонентов. Таким образом, настало время представить вам три ключевых биологических компонента, которые будут много раз упомянуты в этой книге, – это белки, матричная РНК (мРНК) и ДНК.

Белки – основные строительные материалы в биологии. Из них создана большая часть физических структур, которые придают форму клеткам, они образуют каналы и насосы, регулирующие циркуляцию веществ в клетках. Кроме того, белки – катализаторы. Они запускают и контролируют биохимические реакции и метаболические пути, продуктами которых являются другие составляющие организма, например ДНК, жиры и углеводы. Относительную важность белков можно проиллюстрировать, например, таким фактом: эритроциты (красные кровяные тельца) в процессе созревания теряют ядра, в которых содержатся все их гены, но после этого живут еще около ста двадцати дней. Клетка, в которой сохранились гены, но нарушилась функция белков, погибнет в течение нескольких секунд.

Белок состоит из длинной цепи отдельных блоков – аминокислот. Известно около двадцати типов аминокислот, отличающихся по строению и химическим свойствам. Они взаимодействуют друг с другом, и это означает, что цепочки аминокислот могут закручиваться в замысловатые формы – самопроизвольно или под действием других белков. Этот процесс закручивания настолько сложен, что невозможно, зная одну лишь последовательность аминокислот, предсказать, какой именно белок получится в результате. (Компьютерные программы для прогнозирования формы белка существуют, но в них используется сочетание расчетов и вероятностных рассуждений, основанных на уже известной структуре белков и аминокислотных последовательностей, выявленных экспериментально с помощью рентгеновской кристаллографии. Таким образом, эти программы похожи на компьютерные программы, которые используют синоптики; впрочем, надо отметить, что предсказание структуры белков все же точнее прогноза погоды.)

Разные белки состоят из разных последовательностей аминокислот. Они одна за другой присоединяются к растущей цепи белка в порядке, который устанавливается молекулой, называемой матричной РНК (сокращенно мРНК) (рис. 1). Молекула мРНК тоже представляет собой одинарную цепочку отдельных блоков – азотистых оснований: аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и урацила (U). По своей структуре они сходны и по сравнению с аминокислотами не так интересны в плане химических свойств: молекулы мРНК не играют большой роли в клетке помимо регуляции последовательности аминокислот в формирующемся белке. Эта последовательность определяется последовательностью оснований в мРНК. Каждой аминокислоте соответствует свой код из трех азотистых оснований.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 1. Трансляция белка на рибосоме. Аминокислоты связываются в растущую белковую цепь согласно последовательности оснований мРНК


Последовательность оснований в молекулах мРНК определяется последовательностью оснований в ДНК. ДНК – очень длинная молекула, состоящая из комбинаций четырех азотистых оснований: аденина, цитозина, гуанина и тимина (T), которые могут располагаться в разной последовательности. Отдельные молекулы ДНК, образующие большую часть сорока шести хромосом в каждой клетке нашего тела, содержат миллионы азотистых оснований. Отдельные участки этой цепи представляют собой гены. Когда считывается генетическая информация, молекула РНК кодирует последовательность оснований ДНК (A, C, G, T) на языке своих оснований (A, C, G, U). Таким образом, РНК по сути дела является копией (транскриптом) гена в другой среде. Фактическое считывание генов производится целыми комплексами белков. Сначала они связываются с различными короткими последовательностями оснований в начале гена, АТААТ или TCACGCTGA. Разные гены имеют разные комбинации таких коротких последовательностей, маркирующих их начало, а каждая последовательность связывается с конкретным белком. Таким образом, разные сочетания белков участвуют в активации процесса считывания различных генов.

То, что разные гены активируются разными ДНК-связывающими белками, очень важно, потому что разные клетки организма должны синтезировать разные типы белков. Например, клетки кишечника производят белки, которые позволяют переваривать пищу, клетки яичников синтезируют белки для половых гормонов, а лейкоциты вырабатывают белки для борьбы с микробами. Все эти клетки содержат все гены генома, даже те, которые им никогда не понадобятся. Однако считываются только гены, необходимые конкретным клеткам, и происходит это за счет присутствия «эксклюзивных» ДНК-связывающих белков.

Теперь нам волей-неволей придется отказаться от мысли, что какой бы то ни было из этих компонентов может отвечать за развитие клетки – или эмбриона – в целом. Повторю: белки образуются только потому, что их образование диктуют (посредством мРНК) активные гены. В свою очередь, эти гены активны только потому, что их активировали уже существующие белки. Таким образом, получается замкнутый круг: контроль не сосредоточен ни в одной конкретной точке, потому что он осуществляется повсюду (рис. 2).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 2. Циклическая природа биологической логики. Белки определяют гены, которые нужно считывать, а эти гены управляют образованием новых белков. Некоторые из новых белков определяют гены, которые нужно считывать… И так далее


Цикл, схема которого изображена на рис. 2, наводит на одну интересную мысль. Для того чтобы клетка сохраняла стабильность, среди активных генов должны быть такие гены, которые определяли бы, какие белки будут связываться с последовательностями, маркирующими эти самые гены. При этом, однако, набор активных генов не должен включать какие бы то ни было белки, активирующие неактивные в настоящий момент гены. Если не будут выполнены эти условия, белки, созданные набором активных генов, не смогут поддерживать активность того же самого набора генов – некоторые из них «выключатся», другие «включатся», а в результате будет сделан совсем другой набор белков, и так далее. Эти изменения продолжатся до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное состояние. Именно эта закономерность лежит в основе того, как клетки нашего организма преобразуются в процессе развития в клетки новых типов. Такое изменение, как правило, происходит под воздействием внешних сигналов, которые меняют способность конкретных белков активировать гены: они нарушают стабильность и вызывают переход к новому состоянию. Мы будет постоянно сталкиваться с примерами таких сигналов в последующих главах книги.

«Циклический» контроль, распределенный по всей системе, отнюдь не единственная странная особенность биологического конструирования. Есть и другая особенность, которая кажется просто фантастической, если рассматривать ее с позиции традиционной инженерии. Ее суть в том, что биологические молекулы могут самопроизвольно объединяться в структуры большего пространственного масштаба. Кирпичи и болты на это точно не способны! Этот процесс, который имеет принципиальное значение для жизни, немного напоминает рост кристаллов. Обычные кристаллы, как в наборах юного химика, образуются, потому что составляющие их молекулы могут связываться друг с другом, как правило, благодаря локальным электрическим зарядам. В белках тоже есть локальные электрические заряды, часто расположенные в труднодоступных участках внутри белка или на его выпуклых частях. Распределение зарядов и форма белка продиктованы последовательностью аминокислот. Иногда молекула белка вогнутая спереди и выпуклая сзади, так что выпуклость одного белка совпадает с вогнутой частью другого, как детали конструктора Lego. В этом случае молекулы белка могут выстроиться «голова к хвосту» в тонкую структуру сколь угодно большой длины (рис. 3). Чаще, однако, белок может распознавать участки связывания не только в других белках или каких-либо других молекулах, но и в собственной структуре. Это означает, что он не может создавать бесконечные нити с идентичными молекулами, как это происходит в кристаллах, а связывается только с определенным количеством белков, образуя многокомпонентные комплексы особой структуры. Эти комплексы играют важную роль в клетках, потому что действуют подобно крошечным машинам, которые могут осуществлять сложные химические реакции или даже организовывать сборку структур, которые слишком крупны и сложны для самопроизвольной организации. Примером могут служить упоминавшиеся выше белковые комплексы для считывания генов.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 3. Определенные участки белков (например, выпуклости, вогнутости и участки, несущие электрический заряд) часто могут прочно связываться с комплементарными участками собственной цепи или с другими белками. Когда «голова» одного белка присоединяется к «хвосту» другого, образуется длинная нить, в которой каждая молекула будет выступать в качестве звена. Когда определенный белок может связываться только с другими белками, образуются мультибелковые комплексы определенного размера и формы. К этому типу относятся белковые комплексы, транскрибирующие гены


Уровень организации белковых комплексов подводит нас к очень важному моменту. Организация белков в комплексы основана на информации, которая находится только в самих белках («информация» в данном случае синоним структуры). Это по сути своей химический процесс, и его результат всегда одинаков – он надежный, воспроизводимый, но неизменный. На более высоких уровнях организации биологические структуры более изменчивы, они приспосабливаются к тем или иным условиям. Например, форма клетки зависит от ее места в составе ткани. Ее связи с соседними клетками определяются их взаимным расположением. Такие образования не могут определяться исключительно информацией, заложенной в химической структуре их молекулярных компонентов; требуются дополнительные сведения. Итак, мы переходим от структуры, управляемой изнутри, к структуре, регулируемой в том числе и извне, возвращаемся от чистой химии к биологии. В биологических системах к химической самосборке добавляется разноуровневая регуляция, и в результате получаются системы, в которых структуры адаптируются к условиям среды. На этом этапе приобретает особую важность упомянутая выше концепция адаптивной самоорганизации. Она оказывается ключом к пониманию того, как всего несколько тысяч генов и белков, не имеющие никакого представления о строении и функциях человеческого тела в целом, могут тем не менее его построить. Какой контраст с инженерными проектами, в которых для правильной сборки компонентов обязательно нужны внешние агенты действия, будь то рабочие или роботы! В следующих главах речь пойдет о значимости адаптивной самоорганизации для развития человека на самых разных уровнях, от самоорганизации молекул в пределах клетки до образования сложных тканей.

У биологического строительства есть еще одна необычная особенность, и связана она с ограничением, лежащим в самой основе жизни: его нельзя остановить, чтобы поразмыслить, а потом начать сначала. Созданные человеком механизмы, например компьютеры и самолеты, должны функционировать только после завершения работы, а пока идет процесс сборки, от них ничего не требуется. Развитие же эмбриона сопровождается строгим условием: на всех этапах развития он должен оставаться живым. Если водопроводчик хочет поставить отводку, он перекрывает воду и устанавливает на главную трубу Т-образный патрубок. Когда работа завершена, воду можно включить снова. А если бы такой подход использовался при создании человеческого организма, например при отведении нового сосуда от аорты? Плод тут же погиб бы. То же касается и других важных систем организма. Непререкаемое требование постоянного поддержания жизнеспособности в условиях развития организма является очень серьезным условием. Это еще одна причина, по которой развитие человеческого тела может показаться таким странным и таким сложным по сравнению с привычными способами строительства.

Пытаясь понять самые ранние стадии нашего существования, мы должны быть готовы отбросить привычные представления о процессе создания вещей и посмотреть на развитие эмбриона в свете его собственных законов. Это путешествие на неизведанные территории, оно требует нового образа мысли. И никаких инженерных метафор! В конце концов, мы не создаем эмбрионы, это они создают нас.

Часть I

Первые наброски

Глава 2

От одной клетки к множеству

Я широк, я вмещаю в себе множество разных людей.

Уолт Уитмен[2]

Величайшая ирония биологии в том, что человеческий организм – одна из самых сложных сущностей во Вселенной,[3] – имеет очень простое начало. Взрослый человек состоит из миллионов миллионов клеток. Их в десять раз больше, чем звезд в нашей галактике, или, если привести более земное сравнение, в десять раз больше, чем песчинок на небольшом пляже. Все это огромное количество клеток не свалено как попало, а организовано в сложные структуры, и, несмотря на многовековую историю анатомических исследований, мы все еще не знаем всех деталей их строения. Существуют сотни типов клеток, и у каждого своя функция и свой образ жизни, при этом клетки каждого конкретного типа появляются и обновляются в нужном количестве и в нужном месте. Вся эта сложнейшая конструкция развивается из одной оплодотворенной яйцеклетки. И скромной клетки, внешне лишенной каких-либо особых признаков. И уже с самого начала постепенное усложнение человеческого организма протекает в режиме самоорганизации: ему приходится действовать самостоятельно, без какой-либо посторонней помощи.

Первый шаг к усложнению – переход от одной клетки к множеству. Это обусловлено необходимостью одновременного протекания большого количества различных процессов. Например, сейчас вы дышите, перевариваете пищу и выводите из организма вредные вещества; ваши волосы растут, кожа обновляется, кровь фильтруется, иммунная система борется с болезнетворными бактериями, температура тела регулируется; вы слушаете, читаете и думаете, а теперь, когда вы дочитали это предложение до конца, возможно, также прислушиваетесь к своему организму. Эти процессы, как и многие другие, приводятся в действие с помощью особых белков и биохимических механизмов. Многие из этих процессов никак не могут протекать в одном и том же месте. Например, представим, что в одном и том же месте организма матери вырабатывается молоко для ребенка и тут же переваривается то молоко, которое она только что выпила с чаем. Есть и другие примеры процессов, несовместимых по более сложным причинам: из-за особенностей строения белков или функционирования генов.

Сложные организмы справляются с этой проблемой благодаря компартментализации – принципу разделения процессов в пространстве. Тело состоит из органов, имеющих определенные функции, органы – из специализированных тканей, а ткани – из разных типов клеток. Однако внутри клетки большая часть молекул постоянно находится в движении, из-за чего трудно достичь одновременного выполнения многих операций. Компартментализация существует и на уровне клетки. В главе 8, посвященной перемещению клеток эмбриона и изменению их взаимного расположения, мы обсудим, как разные части клетки могут выполнять несколько разные функции. Однако «многозадачность» клетки имеет свои пределы. Поэтому мы будем считать клетку базовой единицей, которая одновременно выполняет лишь одно-два дела. Именно поэтому многообразие типов клеток является необходимым шагом к созданию сложного организма.

Механизмы, за счет которых одна клетка превращается в две, а потом и во множество клеток, не только принципиально важны для эмбрионального развития, но и ярко демонстрируют возможности самоорганизации. Простые маленькие молекулы могут самоорганизовываться в крайне сложные структуры, имеющие гораздо больший пространственный масштаб, чем сами молекулы, причем без какого бы то ни было предварительного плана. Это краеугольный камень, лежащий в основе понимания развития эмбриона. Поэтому в этой главе мы подробно остановимся на механизмах деления клетки, а в дальнейшем будем принимать их как данность.



Оплодотворенная яйцеклетка, с которой начинается развитие человека, необычно велика. Она достигает десятой доли миллиметра в диаметре и видна даже невооруженным глазом. Большинство клеток организма намного меньше: примерно сотая доля миллиметра в диаметре и тысячная доля объема яйцеклетки. Это означает, что оплодотворенная яйцеклетка может превратиться в многоклеточный эмбрион просто поделившись на две, затем на четыре, на восемь и так далее, без перерывов на рост. Такой тип деления клетки – дробление – очень удобен для эмбриона, так как позволяет отложить проблему питания, обеспечивающего энергию для роста, на потом, а именно на этап, когда эмбрион уже станет многоклеточным и сможет выделить для переработки пищи специализированные части тела.

Если расти не нужно, процесс деления сводится к распределению молекул (например, белков) поровну между дочерними клетками. Суть деления при неизменном объеме заключается в сохранении концентрации белков и питательных веществ. Ярким исключением из этого правила является молекула ДНК: в исходной клетке сорок шесть хромосом (двадцать три от матери и двадцать три от отца), и каждая новая клетка должна содержать такое же их число. Поэтому хромосомы должны копироваться (реплицироваться) перед каждым делением клетки. Более того, должны существовать специальные системы, гарантирующие «честное» распределение реплицированных хромосом по дочерним клеткам – каждая из них должна получить не сорок шесть любых хромосом, а по одной копии каждой хромосомы от отца и по одной – от матери. Система, которая обеспечивает эту нелегкую задачу, является одной из основных систем клеток животных и растений и существует уже около 2,5 млрд лет. И всего пару миллионов лет назад появились существа, которые в принципе способны понять, как она работает.

Копирование ДНК – самая простая и самая древняя часть процесса, ей уже как минимум 3,5 млрд лет. Она основана на том, что молекулы ДНК существуют в виде пары нуклеотидных цепей (иногда их называют «нитями»). Аденину на одной цепи всегда соответствует тимин на другой цепи, а цитозину – гуанин. Это строгое правило, связанное с химической структурой нуклеотидов, означает, что каждая цепочка содержит всю необходимую информацию о последовательности соседней цепи. Репликация ДНК начинается с того, что ферментный комплекс отделяет две материнских цепи друг от друга. Затем он собирает новую цепь для каждой из них, соединяя нуклеотиды в порядке исходной цепи. Каждая новая цепь соединяется со старой, которая служила для нее матрицей. В результате получаются две молекулы ДНК вместо одной. То есть происходит репликация ДНК. Белки, в которые завернута ДНК, добавляются сразу же после копирования.

После репликации сорок шесть хромосом одноклеточного зародыша должны быть распределены так, чтобы каждой дочерней клетке непременно досталось по одной копии каждой материнской хромосомы и каждой отцовской хромосомы. Этот процесс можно разбить на несколько этапов: 1) определение центров двух дочерних клеток; 2) выравнивание всех скопированных хромосом между этими центрами; 3) «растаскивание» копий – по одному экземпляру каждой пары отходит каждой дочерней клетке; 4) отделение дочерних клеток друг от друга. Каждый из этих этапов включает в себя координированные действия в пространственном масштабе, значительно превышающем размеры вовлеченных в них молекул. При этом весь процесс должен протекать без отклонений, несмотря на то что точное расположение основных компонентов (хромосом, например) будет постоянно меняться. Поэтому все эти этапы в значительной степени полагаются на адаптивную самоорганизацию и могут служить отличным примером для иллюстрации этого принципа.

Первая проблема заключается в выявлении центров новых дочерних клеток. Проще всего понять, как определяется центр в типичной взрослой клетке, которая не собирается делиться, а просто находится в состоянии покоя. На первый взгляд проблема кажется простой. Однако при более детальном рассмотрении все усложняется. Клетки вообще не имеют четкой формы: она зависит от их окружения. Это исключает любой заранее заготовленный план. Диаметр типичной клетки человека – примерно одна сотая миллиметра – кажется нам небольшим, ведь мы состоим из миллионов клеток. Однако это в тысячу раз больше, чем длина обычной молекулы белка. Тем не менее комплексы белков каким-то образом находят центр клетки. Это все равно что запустить в Альберт-Холл[4] глухих людей с завязанными глазами и попросить их найти его середину.

Клетка нашла крайне остроумный способ решения этой проблемы. Он хорошо иллюстрирует, насколько важны могут быть тривиальные детали биохимических процессов для функционирования клетки. «Звездой» всего действа является белок тубулин, молекулы которого связываются друг с другом и образуют длинные структуры – микротрубочки. Одна из особенностей сборки молекул тубулина заключается в том, что объединение нескольких молекул тубулина для образования новой микротрубочки – событие маловероятное, а процесс присоединения молекулы тубулина к уже существующей микротрубочке, то есть ее удлинение, протекает относительно легко. Поэтому микротрубочки, как правило, не образуются спонтанно, но после того, как они образовались, они способны к спонтанному росту.

Вторая особенность биохимии тубулина заключается в том, что каждая отдельно взятая молекула может находиться в одном из двух состояний, «свежем» или «несвежем».[5] «Свежие» молекулы медленно превращаются в «несвежие». Только «свежие» молекулы могут присоединяться к концам существующих микротрубочек. Концы микротрубочек устойчивы только тогда, когда они созданы из «свежего» тубулина (если концы остаются «свежими», то не имеет значения, утратит ли тубулин «свежесть» по всей длине микротрубочки).[6] Если на конце микротрубочки «несвежий» тубулин, то конец начинает распадаться, и распад продолжается до тех пор, пока микротрубочка не присоединит стабильный «свежий» тубулин. Учитывая, что тубулин вдали от концов микротрубочки, скорее всего, был в ее составе дольше, чем тот, из которого состоит ее конец, эти «внутренние» молекулы, скорее всего, давно испортились, и «свежего» тубулина, способного предотвратить разрушение микротрубочки, не осталось. В таком случае микротрубочка распадется. Единственный способ избежать распада, не прибегая к помощи других молекул, – это быстрый рост, при котором «свежий» тубулин присоединяется к концу микротрубочки быстрее, чем разрушается «несвежий». Таким образом, микротрубочки либо быстро растут, либо катастрофически быстро распадаются. Существует постоянная вероятность разрушения, а это означает, что длинных трубочек всегда меньше, чем коротких. Эта особенность имеет непосредственное отношение к механизму нахождения клеточных центров.

Молекулы тубулина редко самопроизвольно объединяются в новые микротрубочки, и поэтому в клетке есть особые комплексы белков, которые могут катализировать этот процесс. Эти комплексы располагаются в ключевом месте клетки, а именно в центросоме, от которой микротрубочки расходятся радиально, как спицы от ступицы колеса.[7] Пока они растут достаточно быстро для того, чтобы тубулин на их концах оставался свежим, микротрубочки будут удлиняться по направлению к периферии клетки. Существует две теории о том, как они помогают центросоме попасть в центр клетки. Они основаны на экспериментальных данных, полученных при исследовании различных организмов. Еще не ясно, какая из них справедлива для эмбрионов человека; не исключено, что обе. Одна из теорий связана с отталкиванием, а другая – с подтягиванием.

Механизм отталкивания[8] основан на способности растущих микротрубочек отталкиваться от внутренней поверхности клеточной мембраны. Если центросома располагается близко к одной из сторон клетки, даже короткие микротрубочки смогут достичь поверхности мембраны и оттолкнуться от нее. В результате центросома отдаляется от этой стороны. Противоположной стороны клетки достигают только очень длинные микротрубочки, но они по упомянутым выше причинам встречаются редко. А поскольку таких микротрубочек меньше, они будут слабее отталкивать центросому от этой стороны клетки. Такое неравномерное распределение сил оттолкнет центросому от ближайшей мембраны, и она займет стабильное положение только тогда, когда силы отталкивания придут в равновесие. Равновесие же наступает тогда, когда центросома находится на одинаковом расстоянии от всех сторон: другими словами, в центре клетки (рис. 4, а). Ученые поместили центросомы в искусственно изготовленную «ячейку» и доказали, что им удалось найти центр «ячейки» с помощью механизма отталкивания.[9]

Механизм подтягивания[10],[11],[12] основан на действии небольших моторных белков, распределенных по всей клетке. Они могут связываться с микротрубочками и перемещаться по ним в сторону центросомы. Продвигаясь к центросоме, каждый из этих белков генерирует силу, которая слегка тянет микротрубочку в противоположном направлении, смещая ее в сторону клеточной мембраны. Так человек, идущий вперед по лодке, толкает ее, смещая назад. Чем длиннее микротрубочка, тем больше моторных белков могут связаться с ней и тем сильнее они за нее тянут в нужном направлении.[13] Таким образом, если центросома ближе к одной стенке клетки, чем к другой, моторные белки сильнее всего тянут за длинные микротрубочки, направленные к дальней стороне, смещая центросому к центру клетки (рис. 4, б). Тщательные исследования оплодотворенных яйцеклеток просто устроенных организмов (таких, как морской еж или нематода) показали, что важную роль в этих клетках играет именно механизм подтягивания. Например, если часть микротрубочек разрезать с помощью лазера, центросома отскочит назад так, словно бы ее удерживали на месте натянутые микротрубочких.[14] Не исключено, что в некоторых клетках работают оба механизма: сильное натяжение длинных микротрубочек «кнаружи» еще больше снижает их способности толкать центросому и усиливает дисбаланс сил отталкивания.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 4. Две теории, объясняющие, как центросома находит центр клетки с помощью микротрубочек. В модели отталкивания (а) микротрубочки отталкиваются от клеточной мембраны. Коротких трубочек всегда больше, чем длинных. Значит, центросома отталкивается сильнее от ближайшей клеточной мембраны. В модели подтягивания (б) моторные белки, распределенные по всей клетке, прикрепляются к длинным микротрубочкам. Коротких микротрубочек много со всех сторон центросомы, а длинные могут сформироваться только с удаленной от мембраны стороны. Поэтому центросому тянут к дальней стороне клетки и она удаляется от ближайшей мембраны


Однако какой бы из этих механизмов ни использовался клетками эмбриона человека, результат будет одним и тем же: центросома отцентрирует себя автоматически, хотя ни один из задействованных в этом процессе компонентов клетки не «знает» ее формы и не руководствуется для поиска центра какой-либо системой координат. Система организует себя сама. За такую самоорганизующуюся систему, способную адаптироваться практически к любым условиям, приходится расплачиваться энергией, необходимой для сборки микротрубочек и работы моторных белков; высокие энергетические затраты вообще характерны для адаптивной самоорганизации.

При клеточном делении необходимо определить не просто центр одной клетки, а те точки, которые будут центрами двух дочерних клеток, чтобы хромосомы переместились в правильном направлении. К счастью, клетка может при помощи того же механизма определить и два центра; все, что для этого нужно, – это две центросомы.

Центросомы состоят из «облака» белков вокруг пары соединенных вместе трубчатых структур, содержащих тубулин.[15] Эта пара является организационным центром для материала центросомы. В процессе подготовки к делению клетки трубочки отсоединяются друг от друга, и каждая из них сразу же становится матрицей для сборки недостающего партнера. Таким образом, через некоторое время по соседству будут располагаться уже две пары трубчатых структур. Каждая из них организует вокруг себя центросомный материал и инициирует образование новых микротрубочек, радиально расходящихся от центросомы. В клетке с двумя центросомами радиальные микротрубочки одной системы «наталкиваются» на микротрубочки другой. В модели отталкивания микротрубочки одной системы будут отталкиваться от микротрубочек другой системы, точно так же как от клеточной мембраны. Присутствие второй центросомы и второй системы микротрубочек создает «ложное впечатление» о том, насколько близко каждая из центросом находится к клеточной мембране. Поэтому каждая из центросом оказывается не в центре клетки, а на максимальном удалении от другой центросомы (рис. 5). Аналогичным образом, в модели подтягивания с каждая система, состоящая из центросомы и микротрубочек, служит щитом для другой и не дает утащить центросому к дальней стороне клетки. Оба механизма, которые в клетках человека могут работать одновременно, будут иметь один и тот же эффект: ни одна центросома не будет находиться в центре клетки. Вместо этого они займут положение примерно посередине между истинным центром и периферией клетки (рис. 5). Таким образом, две центросомы определяют будущие центры двух новых клеток, которые образуются при делении материнской клетки. Опять же, это происходит «автоматически» – участники процесса ничего не «знают» о форме клетки.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 5. Когда в клетке две центросомы, взаимодействие микротрубочек приводит к их расхождению


Радиальные микротрубочки, отходящие от центросом, служат не только для определения будущих клеточных центров. Они также способствуют расхождению двойного набора хромосом, чтобы каждая новая клетка получила их полный комплект. Чтобы это произошло, микротрубочкам сначала нужно соединиться с хромосомами. Опять же, ни одному из компонентов не требуется «знание» о положении других участников процесса. Система снова пользуется нестабильностью микротрубочек, которые проходят периоды сборки и катастрофического распада. Незащищенные концы микротрубочек особенно подвержены разборке, но, если они будут окружены особыми белками, способными связываться с микротрубочками, ситуация немного стабилизируется. В каждой хромосоме есть один специальный участок, содержащий такие белки, поэтому любая растущая микротрубочка может случайно «наткнуться» на этот участок и получить защиту.[16] Таким образом, система, в которой микротрубочки расходятся случайным образом и не погибают только в том случае, если сталкиваются с хромосомой, приводит к тому, что все хромосомы оказываются «заякорены» при помощи микротрубочек.

Простейшей связи микротрубочек с хромосомами достаточно, чтобы каждая хромосома переместилась к центрам дочерних клеток, но для деления клетки требуется нечто большее. Одна копия хромосомы, скажем 9-й хромосомы отца, должна присоединиться к микротрубочке одной из центросом, а вторая ее копия должна присоединиться к микротрубочкам другой центросомы. Таким образом, каждая из них направится в свою клетку. Это достигается еще одним воздействием на устойчивость микротрубочек. Две копии каждой хромосомы, образовавшиеся в процессе репликации ДНК, соединены с помощью специальных белковых комплексов. Эти комплексы находятся в состоянии механического напряжения, когда два набора микротрубочек и связанные с ними моторные белки играют в «перетягивание каната» и пытаются растащить две копии хромосомы к противоположным центросомам. В этой ситуации генерируется сигнал, который приводит к более надежной стабилизации микротрубочек, чем в отсутствие механического напряжения.[17] Если обе копии хромосомы прикреплены к микротрубочкам из одной системы, напряжения не возникнет, и микротрубочки долго не продержатся. Если они прикреплены к микротрубочкам разных центросом, которые пытаются оттащить их друг от друга, сигнал стабилизации достаточно сильный, и у микротрубочек гораздо больше шансов на выживание. Поэтому система постоянно меняется, продолжает находиться в режиме «поискового поведения», пока не находит то самое состояние, в котором копии хромосом будут растаскиваться в противоположных направлениях.[18] Этот способ требует больших энергетических затрат, но зато действует автоматически и позволяет справиться даже с дополнительными хромосомами, появившимися в клетке в процессе эволюционных изменений или в ходе экспериментов.

Когда все хромосомы выстроились в линию, клетка может перейти к следующему этапу деления, на котором белки, связывавшие сестринские копии хромосомы, освобождают их, позволяя смещаться к противоположным сторонам клетки. Процесс не начнется до тех пор, пока все хромосомы не выстроены правильно, иначе дочерние клетки получат неправильное число хромосом и лишатся важных генов. Поэтому должна существовать система, предотвращающая преждевременное расхождение. В очередной раз используется способность белков, соединяющих копии хромосом, «ощущать» напряжение, возникающее, когда копии хромосомы крепятся к микротрубочкам из двух разных систем. Когда напряжение отсутствует, белковые комплексы продолжают генерировать сигнал, небольшую молекулу, которая может распространиться по клетке и блокировать переход к следующей стадии клеточного деления. Она как будто кричит «Не сейчас!» на языке биохимии. До тех пор пока все пары хромосомы не будут прикреплены к правильным микротрубочкам и не будут подвергаться растаскиванию, сигналы будут продолжаться и клетка будет ждать. Только тогда, когда натяжение всех белковых комплексов будет отрегулировано, сигналы смолкнут и можно будет начинать следующий этап деления. Опять же, эта система может приспособиться под любое количество хромосом.

Когда все хромосомы выстроились в середине веретена деления, а сигналы «Не сейчас!» затихли, клетка готова к следующему этапу. Белковые комплексы, которые соединяют пары копий хромосом, отпускают их, позволяя моторным белкам свободно подтягивать хромосомы по микротрубочкам к соответствующим центросомам.[19] После того как все хромосомы распределились, еще одна автоматическая система размещает кольцо сократительных белков по «экватору» клетки между полюсами, положение которых определяют центросомы. Эти белки могут скользить относительно друг друга, образуя затягивающийся «пояс» клетки. Этот «пояс» будет затягиваться до тех пор, пока исходная клетка не разделится окончательно на две новые.

В целом описанные выше системы могут показаться очень сложными и запутанными. Однако, если в их устройстве разбираться последовательно, компонент за компонентом, они оказываются очень простыми. У каждого белка своя простая задача. Способность системы выполнять сложные задачи, такие как обнаружение и разделение сестринских хромосом, независимо от их исходного положения в клетке, обеспечивается взаимодействием простых компонентов системы, а не их усложнением. В частности, она связана с тем, что существует обратная связь между поведением компонентов системы и получаемой ими информации о состоянии системы как целого, о том, на какой стадии того или иного процесса она находится в данный момент (например, о том, все ли хромосомы заняли нужное положение). Использование простых компонентов, увязанных в единое целое за счет системы тесных обратных связей, вообще характерно для живой материи, и в этой главе я углубился в детали именно затем, чтобы показать, как системы «глупых» биологических молекул могут организоваться для решения серьезных задач, иначе говоря, чтобы показать, как из простого возникает сложное.

Системы, которые запускали первое деление клетки, продолжают работать в клетках эмбриона, и теперь мы больше не будем обсуждать их в таких деталях. Это вообще типично для биологии: если механизм работает, его можно использовать многократно, иногда с незначительными поправками, в процессе всего эмбрионального развития. Почти сразу после того, как первое деление клетки завершено, каждая из двух образовавшихся клеток начинает копировать хромосомы и делиться. Получается эмбрион из четырех клеток. Синхронные клеточные деления продолжаются некоторое время, но рано или поздно синхронность деления разных клеток теряется, и со стадии примерно шестнадцати клеток число клеток эмбриона начинает отклоняться от значения «два в степени n». Как правило, клетки раннего эмбриона, получившиеся в ходе дробления, расположены довольно свободно относительно друг друга. Иногда, примерно один раз на тысячу двести случаев, клетки распадаются на два отдельных комка. Из каждого комка получится отдельный эмбрион, у которого будет собственная плацента и плодные оболочки. Это один из трех вариантов рождения однояйцевых близнецов, и на него приходится около трети всех случаев. Тот факт, что эмбрион может разделиться и дать начало двум младенцам, говорит нам об очень важной особенности развития: все клетки должны быть способны создать любую часть тела, и нет одной специальной клетки, которая отвечает, например, за создание головы или детерминирована как клетка головы. Если бы клетки с самого начала были разными, если бы одна или несколько клеток были детерминированы к формированию конкретной части тела или если бы одна клетка отвечала за весь процесс, то разделение эмбриона привело бы к тому, что по меньшей мере у одной из половинок не оказалось бы жизненно важных клеток и ее развитие было бы обречено на провал. Тем не менее тысячи живущих в каждой стране однояйцевых близнецов являются красноречивым свидетельством равных возможностей клеток на ранних этапах дробления.

Итак, эмбрион достигает стадии примерно шестнадцати клеток. Это значит, что у него уже достаточно клеток, чтобы изменять форму тела и чтобы начать клеточную дифференцировку, то есть сделать клетки разными. Прелюдия окончена, и начинается основная работа по эмбриональному развитию.

Глава 3

Как создаются различия

Искреннее расхождение во мнениях – хороший признак прогресса.

Мохандас Карамчанд Ганди

Суть раннего дробления можно выразить одной фразой: «умножение без изменения». Количество клеток растет в геометрической прогрессии, но каждая новая клетка идентична всем остальным. Действительно, во время первых нескольких делений клетки даже не пользуются собственными генами, а полагаются на запас молекул, помещенных материнским организмом в яйцеклетку и поровну распределяемых при делении между дочерними клетками.[20] Ранние этапы развития полностью посвящены делению. Это имеет смысл: чем больше клеток, тем легче будет в нужный момент создать с их помощью организм. Однако дробление может продолжаться только до определенного момента, так как образующиеся клетки имеют вдвое меньший объем, чем их предшественники. Через некоторое время размер клеток приблизится к минимальному, и им понадобятся паузы для роста между новыми этапами деления. Для роста же необходимы питательные вещества, а чтобы их получить, нужно приложить дополнительные усилия. Это, в свою очередь, означает, что какие-то из клеток должны специализироваться на доставке пищи другим. В эмбрионах многих птиц и рептилий питание осуществляется за счет запасенного в яйце желтка. В случае млекопитающих питательные вещества поступают непосредственно от матери, но общее правило остается неизменным: рано или поздно дробление прекращается и начинается специализация клеток.

Специализация подразумевает, что клетки теряют идентичность. Теперь у разных типов клеток разные функции. На этом этапе эмбрион сталкивается с очень важной проблемой. Создание различий означает необходимость создания нового порядка и новой информации. Увеличение количества информации хорошо иллюстрируется таким примером: для описания асимметричного объекта нам требуется больше слов или, скажем, математических символов, чем для описания симметричного объекта. Так, описать форму кружки с ручкой сложнее, чем описать форму, скажем, стакана. У многих «низших» существ, например насекомых, необходимую информацию обеспечивает мать. Она закладывает пространственную информацию в яйцеклетку в виде градиентов концентрации определенных молекул. Таким образом, во время дробления разные клетки эмбриона наследуют разное количество этих молекул. Затем клетки используют эти различия для выбора пути развития. Этот негенетический метод передачи чрезвычайно важной информации из поколения в поколение очень эффективен, но, насколько мы знаем, у человеческих эмбрионов он не работает, и одна часть яйцеклетки идентична другой.[21] Создание отличительных особенностей – то есть новой информации – представляет собой серьезную логическую задачу для человеческого эмбриона. Как создать закономерность, которой раньше не было? У этой проблемы очень изящное решение: эмбрион получает информацию исходя из законов геометрии.

Пока эмбрион состоял из нескольких клеток, каждая из них занимала достаточно большую долю в общем объеме. Часть поверхности каждой клетки была обращена в окружающую среду. Когда в ходе дробления получается тридцать две или шестьдесят четыре клетки, уже достаточно мелкие по сравнению с размерами сферического зародыша, некоторые из них оказываются окружены со всех сторон другими клетками. Другие все еще имеют контакт с внешней средой – примерно одна шестая их мембраны обращена наружу. Клетки «чувствуют», окружены ли они другими клетками или какая-то их часть соприкасается только с жидкостью. Эту информацию они используют для того, чтобы определиться с дальнейшими действиями. Клетки, имеющие «свободную поверхность», активируют ряд ранее неактивных генов и образуют первую ткань эмбриона – трофэктодерму. Клетки, окруженные другими клетками, эти гены не активируют. Использование в качестве источника информации простого физического признака – наличия свободной поверхности – избавляет эмбрион от необходимости иметь заранее подготовленный пространственный план. Кроме того, клеткам не нужно «знать» свое точное расположение в эмбрионе. Им нужно только определить, есть у них свободные участки поверхности или нет.

Задача трофоэктодермы заключается только в создании структур для структурной поддержки и питания эмбриона. Частью ребенка она никогда не станет.[22] В первую очередь трофэктодерма перекачивает в эмбрион жидкость. Эта жидкость накапливается, что приводит к образованию обширной полости (рис. 6). Формирование этой полости, в свою очередь, приводит к тому, что внутренние клетки группируются на внутренней поверхности трофэктодермы в виде эксцентрично расположенного комка, который называется «внутренняя клеточная масса». Если судить только по внешнему виду, эти клетки кажутся менее интересными, чем активные клетки трофэктодермы, постоянно занятые питанием, накачкой жидкости, внедрением в материнский организм. Однако именно из внутренней клеточной массы и формируется ребенок. Иногда эта масса делится на два комочка, каждый из которых развивается, формируя в итоге человеческий организм. Такие близнецы, как и те, о которых рассказывалось в главе 2, будут генетически идентичны, но на этот раз они будут расти в одной общей трофэктодерме. В то же время у каждого из близнецов будет свой желточный мешок и амниотическая полость (см. далее). Таким образом, они надежно изолированы друг от друга. Это самый распространенный механизм появления однояйцевых близнецов, на его долю приходится две трети всех случаев. (Третий, крайне редкий вариант появления близнецов будет описан несколько позже.)

К тому времени, когда клетки трофэктодермы закачают внутрь эмбриона объем жидкости, достаточный для создания полости, и создают вздувшуюся структуру, эмбрион должен покинуть фаллопиеву трубу матери, где произошло оплодотворение, и переместиться в матку. Этот орган в норме как бы немного «сдут»: его стенки слипаются, как снятая с руки резиновая перчатка. Особенно «сдувшейся» матка выглядит через неделю после овуляции. Поэтому весьма вероятно, что ранний эмбрион, попав в матку, вскоре столкнется с ее внутренней поверхностью. Когда это произойдет, он закрепляется на ней, используя специальный набор адгезивных молекул. После прикрепления клетки эмбриона образуют новые белки, которые позволяют им внедриться между клетками стенки матки.[23] В течение нескольких часов «пальчики» клеток эмбриона проникнут в ткани матери, и образуется плацента. Многие клетки матки при этом разрушаются, а их остатки становятся пищей для эмбриона. Реакция матери на эту атаку приводит к дальнейшему отмиранию ткани. Таким образом, через десять дней после оплодотворения формируется полость, в которой легко умещается эмбрион. У людей и некоторых животных внутренняя выстилка матки обрастает эмбрион, скрывая место имплантации.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 6. Схема перехода от стадии двух клеток к стадии образования полости и затем к стадии обособления трофэктодермы и внутренней клеточной массы. Эмбрион заключен в плотную желеобразную «капсулу», прежде служившую оболочкой яйцеклетки; она носит название вителлинового слоя, или zona pellucida


Образ жизни эмбриона человека близок к паразитическому, но не стоит принимать эту метафору слишком близко к сердцу. В любом случае это единственный способ вынашивания потомства, а значит, выживания у нашего вида. Мать не просто терпит паразитизм ребенка, а поощряет его за счет постоянного взаимодействия. Если построенный на сигнальных молекулах «диалог» между маткой и эмбрионом прекращается, эмбрион не может оставаться имплантированным, и беременность прерывается.[24]

Иногда эмбрион движется по женским половым путям от места оплодотворения в маточной (фаллопиевой) трубе чересчур медленно и не достигает матки к тому времени, когда уже готов к имплантации. Одной из распространенных причин этого медленного перемещения является повреждение выстилки маточной трубы бактериями Chlamydia.[25] В наше время это часто встречается у молодых женщин.[26] Эмбрион, достигший определенной стадии развития, пытается имплантироваться там, где он находится в данный момент, даже в яйцеводе. Это ведет к внематочной беременности. Маточная труба не приспособлена для поддержания роста плода ни физически (по размеру и растяжимости), ни физиологически (в плане возможности обеспечить питание и приток крови). Во многих случаях это приводит к выкидышу. Иногда выкидыш приходится вызывать искусственно для спасения жизни матери.

До начала специализации клетки внутренней клеточной массы могут дать начало любой клетке организма. Во всяком случае, так происходит у мышей: на людях подобные эксперименты не могут проводиться по этическим соображениям. Для описания спектра типов клеток, в которые может дифференцироваться та или иная клетка эмбриона, исследователи часто используют специальную древовидную диаграмму, отображающую типы клеток и последовательность дифференцировки. Пример такой диаграммы приведен на рис. 7. Все возможные варианты в конечном счете происходят от одного типа клеток, который на такой диаграмме представляет собой ствол дерева. Поэтому эти клетки называют стволовыми клетками. (Это буквальный перевод немецкого термина «Stammzelle», который предложил в 1909 г. Александр Максимов, изучавший «древо» клеток крови.) В зависимости от конкретной схемы термин «стволовые клетки» может быть применен как к клетке, которая может создать только несколько различных типов клеток организма, так и к клеткам с большими потенциями.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 7. Типичная древовидная диаграмма, которая обобщает данные о траекториях клеточных дифференцировок – клетки ранних стадий развития дают начало клеткам более поздних стадий (или дифференцируются в них). Эта диаграмма, которую следует читать снизу вверх, отражает события, описанные в этой и последующих главах. Древо всего процесса развития человека было бы огромным и содержало бы сотни ветвей. Нижняя точка таких диаграмм всегда принимается за «стволовую клетку» независимо от того, находится ли эта клетка на самом раннем этапе развития или уже прошла определенное расстояние «вверх» вдоль ствола дерева. Об использовании термина «стволовые клетки» будет рассказано позже


В последнее время понятие «стволовые клетки» несколько сузилось. Многие авторы утверждают, что стволовыми клетками следует называть только клетки, способные поддерживать собственную популяцию, а также давать начало другим типам клеток, расположенным на диаграмме над ними. (Термин, предложенный Максимовым, в явном виде не предполагал подобной трактовки).[27] К счастью, эта терминологическая тонкость не влияет на применимость термина «стволовые клетки» к внутренней клеточной массе, которая показана на рис. 7 в нижнем правом углу, потому что ее клетки могут поддерживать свою популяцию, даже если удалить их из эмбриона и поместить в пробирку. Они дают начало всем тканям организма. Поэтому клетки внутренней клеточной массы иногда называют эмбриональными стволовыми клетками (ЭСК), особенно в тех случаях, когда их извлекают из эмбрионов и выращивают в культуре.[28]

Эмбриональные стволовые клетки сыграли очень важную роль в медико-биологических исследованиях последних десятилетий. В хорошо отработанных рутинных экспериментах ученые направленно «редактируют» гены ЭСК мышей, а затем вводят такие модифицированные клетки в клеточную массу эмбриона обыкновенной мыши. В результате в организме мыши, которой сделали инъекцию, образуется смесь нормальных клеток внутренней клеточной массы и генетически модифицированных ЭСК. Как правило, удается сделать так, чтобы часть сперматозоидов самца мыши развивалась именно из генетически модифицированных клеток. Потомство такого самца, полученное в результате обычного спаривания, будет иметь модифицированные гены во всех клетках тела. Этот метод позволил ученым создать мышиные «копии» генетических заболеваний человека, а эксперименты, проведенные на таких копиях, дают возможность лучше понять болезнь и разработать способы лечения.[29] Всего в лабораториях мира были получены десятки тысяч таких мышей. Многие факты, описанные в этой книге, были открыты в процессе наблюдения за протеканием беременности и эмбриональным развитием генетически модифицированных мышей.

Существуют и человеческие ЭСК.[30] Есть надежда, что, если найти способы управления их развитием и получения нужных типов клеток, их можно будет использовать для «ремонта» поврежденных тканей в организме человека или даже для создания новых тканей для пересадки. Тем не менее эти разработки воспринимаются неоднозначно: ЭСК можно получить, только уничтожив человеческий эмбрион на раннем этапе развития. Для некоторых людей тот факт, что эмбрион впоследствии становится человеком, является достаточным основанием для придания ему статуса человека. В рамках такого подхода уничтожение эмбриона, по сути, является убийством; оно неприемлемо, какую бы пользу ни сулило. Кто-то, напротив, считает, что у раннего эмбриона отсутствуют такие человеческие атрибуты, как мысли или чувства, и он не нуждается в защите. Тем не менее многие придерживаются промежуточной позиции и допускают возможность исследований на человеческих эмбрионах при условии, что это регулируется определенными правилами. Последние разработки могут помочь найти выход из этой этической дилеммы. Исследовательская группа из Японии недавно открыла способ превращать обычные соматические клетки мыши в клетки, подобные ЭСК. Они получили название индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, сокращенно ИПСК.[31] Чтобы проверить, насколько они сходны с ЭСК, исследователи заменили на них внутреннюю клеточную массу эмбриона. В результате родились здоровые мышата. Этот метод относительно прост и в настоящее время используется во многих лабораториях по всему миру. Многие ученые применяли его к соматическим клеткам человека, создавая на их основе нечто очень похожее на ИПСК. Я говорю «нечто очень похожее», так как по этическим причинам нельзя экспериментировать с человеком, как с мышью, и точно проверить это нельзя. Если ИПСК действительно идентичны ЭСК человека, их можно будет использовать для того же, для чего сейчас используются ЭСК. Таким образом, отпадет необходимость использовать человеческие эмбрионы в исследованиях подобного рода. Это может воплотиться в жизнь, но вряд ли обрадует тех, кто присваивает эмбриону статус человека на том лишь основании, что эмбрион может им стать. Если все наши клетки могут стать плюрипотентными и дать начало человеческому организму, почему бы не считать людьми и их?

У нормального эмбриона клетки внутренней клеточной массы очень недолго остаются в исходном состоянии: уже через короткий промежуток времени они начинают специализироваться, и каждый из типов клеток приобретает свои отличительные черты. Наличие у эмбриона особой заполненной жидкостью полости означает, что некоторые клетки внутренней клеточной массы, которая лишь незначительно увеличивается в размерах, окружены другими, а некоторые имеют свободную поверхность. Наличие свободной поверхности снова нарушает симметрию межклеточной адгезии, так что клеточный слой, соприкасающийся с жидкостью, стоит особняком от других клеток. Он становится плотным слоем – гипобластом.[32] Раньше считалось, что клетки превращаются в гипобласт в силу того, что просто оказываются в нужное время в нужном месте. Однако недавние эксперименты на мышах показали, что некоторые клетки внутренней клеточной массы могут иметь к этому предрасположенность. Как только где-то возникает свободная поверхность, эти клетки мигрируют туда, а другие переходят внутрь, на их место.[33] В любом случае определяющим фактором пространственной организации служит именно свободная поверхность (рис. 8). Некоторые клетки гипобласта остаются там, где образовались, но большинство распространяются по слою трофэктодермы и формируют полый желточный мешок (это название используется по аналогии с эмбрионами низших позвоночных).

Оставшиеся клетки внутренней клеточной массы делятся на два слоя. Клетки, непосредственно прилегающие к гипобласту, остаются на месте и образуют новый слой – эпибласт. Клетки вышележащего слоя отслаиваются от эпибласта, и в результате формируется еще одна полость. Она называется амниотической полостью (см. рис. 8). Двухслойный диск, состоящий из эпибласта и гипобласта, зажат между полостью желточного мешка и амниотической полостью, как перемычка в греческой букве тета (θ). Эпибласт, слой, обращеннный к полости желточного мешка, даст начало всем клеткам будущего ребенка.[34],[35]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 8. Эмбрион снова проделывает «трюк со свободной поверхностью», чтобы получить из граничащего с жидкостью слоя клеток внутренней клеточной массы новый тип клеток – гипобласт. Слой оставшейся внутренней клеточной массы, соприкасающийся с гипобластом, снова дифференцируется, образуя эпибласт. Благодаря этому слой вышележащих клеток отделяется, образуя новую полость. Эпибласт – невзрачный клеточный диск – даст начало будущему младенцу; все остальное пойдет на образование тканей, необходимых для поддержания жизни плода в матке


События, описанные в этой главе, в основном вели к нарушению единообразия и появлению различий между ранее идентичными клетками. На ранней стадии развития эмбрион несколько раз использует один и тот же трюк – дальнейшая судьба клеток зависит от наличия или отсутствия у них свободной поверхности. Это позволяет использовать чистую геометрию в качестве источника новой информации. В каждом случае сугубо локальные взаимодействия приводят к масштабным изменениям. При этом ни одна клетка не «руководит процессом» и не «видит» его общей картины. С появлением разных типов тканей эмбриону будет значительно легче создавать дальнейшие различия. Например, новый тип клеток – С – может развиваться в местах контакта клеток типов А и B. Таким образом, сформируются две новые зоны контакта (АС и СВ), и каждая из них будет служить основой для спецификации следующих типов клеток. На более поздних стадиях развития «эпоху внешних воздействий» (например, использование свободных поверхностей) сменяют механизмы, основанные на внутренних различиях. Первый из них и, возможно, наиболее примечательный станет следующей темой для обсуждения.

Глава 4

Закладка плана строения

Самый важный момент в вашей жизни – не рождение, не свадьба или смерть, а гаструляция.

Льюис Уолперт

Что видят люди, оглядываясь на прожитые годы? Долгие периоды однообразной жизни, перемежаемые всплесками резких изменений. Возможно, эти изменения являются результатом долгой и тщательной подготовки, занимающей месяцы или годы, но эта подготовка скрыта от глаз. Лепет ребенка перерастает в нечто более осмысленное почти незаметно для родителей, но они никогда не забудут его первое слово. Постепенно складываются и отношения семейной пары: сначала возникает привязанность, затем растет доверие, возникает взаимопонимание, и, наконец, они осознают, как много значат друг для друга. Накопление профессиональных навыков гораздо менее очевидно, чем новая работа или продвижение по карьерной лестнице, которое мы получаем в награду. Гораздо менее приятный пример – постепенное накопление повреждений на клеточном уровне, незаметно подводящее к рубежу, когда можно установить точный диагноз и здоровый человек становится больным.

Такое чередование рутинных событий со скачкообразными изменениями свойственно не только жизни взрослого человека, но и жизни эмбриона. На ранних этапах развития эмбриона, описанных в предыдущих двух главах, происходило всего лишь простое деление клеток. Затем – на первый взгляд, внезапно – начались новые процессы, связанные с формированием клеточных слоев, заметно отличающихся друг от друга. Получившаяся в результате структура – по сути, наполненная жидкостью сфера, которая разделена на две камеры парой дисков (рис. 9), – по-прежнему далека от того, чтобы в ней можно было опознать что-то человекоподобное. Скажите кому-нибудь, что из этой пары дисков получится животное, и он, вероятно, предположит, что это будет медуза. По крайней мере, ее колокол, как и диски эмбриона, радиально симметричен, и у нее есть верх и низ, но нет оси, разделяющей тело на половинки (см. рис. 9). Тем не менее эмбрион уже успел подготовиться к масштабной реорганизации, после которой он уже будет напоминать человека. Этот процесс, занимающий всего пару дней, называется гаструляция.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 9. Простая радиальная симметрия зародышевого диска человеческого эмбриона в сравнении с аналогичной симметрией медузы


Чтобы подойти к теме гаструляции, можно было бы сначала рассмотреть строение примитивного организма, который образуется в результате данного процесса, а затем посмотреть, какой вклад в его образование вносит каждый этап гаструляции. Это, пожалуй, был бы самый рациональный и простой подход к описанию гаструляции, однако он может создать ложное впечатление о том, что клетки имеют какое-то представление об анатомии организма, в строительстве которого участвуют. На самом же деле развитие организма основано вовсе не на том, что клеткам известны законы развития (понять эти законы трудно даже нам, с нашим мозгом из миллионов клеток), а на том, что клетки автоматически откликаются на изменения окружающей их среды. Поэтому в этой главе мы, следуя логике развития, сначала рассмотрим поведение клеток развивающегося организма и только потом посмотрим, к чему оно приводит.

Прежде чем начать рассказ, хочу сделать важное предупреждение: изучать процесс гаструляции у человека крайне сложно, поэтому почти все, что описано в этой главе, основано на исследованиях животных. Существуют строгие правовые ограничения относительно выращивания человеческих эмбрионов в лабораторных условиях, и изучать эмбрионы на стадии гаструляции нельзя (почему – я расскажу чуть позже). Основная последовательность анатомических изменений человеческого эмбриона известна. Эти данные были получены в исследованиях немногочисленных (и очень ценных) эмбрионов, извлеченных при посмертном вскрытии или при удалении матки у женщин, которые чаще всего даже не знали о том, что беременны. Гаструляция начинается примерно через пятнадцать дней после оплодотворения, то есть примерно тогда, когда женщина ожидает начала менструации. Некоторым из этих эмбрионов более ста лет, но они до сих пор хранятся в музеях под особым присмотром, потому что новый материал такого рода поступает крайне редко. Исследования проводятся главным образом на мышах и курицах, а процесс гаструляции у этих животных значительно отличается от гаструляции у человека. Цыпленок развивается в яйце, а не в матке; эпибласт и гипобласт мыши имеют форму чаши, а не диска. Эти особенности могут играть существенную роль при развитии. Поэтому реконструировать механизмы гаструляции человека на основе данных, полученных при изучении модельных животных, рискованно – слишком мало у нас информации, и мы можем неверно интерпретировать какие-либо детали процесса.

Отправной точкой для гаструляции является эмбрион в том состоянии, в котором мы оставили его в конце главы 3. К этому времени уже сформировался ряд вспомогательных тканей, таких как плацента, а также два заполненных жидкостью внутренних пространства: амниотическая полость и желточный мешок. Между этими полостями лежат два диска, расположенные один над другим: гипобласт и эпибласт. Из гипобласта образуются дополнительные вспомогательные ткани, а из эпибласта – сам плод. Ни один из этих двух дисков не имеет каких-либо явных особенностей, которые позволяли бы отличить один его край от другого (см. рис. 9).

Первое изменение (судя по данным, полученным на животных) происходит в гипобласте. У клеток, расположенных в середине этого диска,[36] включаются новые гены, в том числе и ген ДНК-связывающего белка, который называется HEX.[37] Что является сигналом к этому изменению, пока неясно. Возможно, что все клетки гипобласта изначально готовы к нему, но большинство из них ингибируется сигнальным белком, который синтезируется тканями, окружающими гипобласт.[38] Достаточно далеко от источника этого ингибитора находятся только клетки в центре диска, поэтому они могут избежать его влияния и запустить экспрессию гена HEX. Этот механизм – только предположение, но активация гена HEX – факт. Клетки, в которых экспрессируется HEX, уходят из центра диска – они перемещаются, расталкивая соседние клетки, и собираются в одной точке на краю диска гипобласта[39],[40],[41] (рис. 10). Все еще непонятно, даже в случае мышей, что же особенного в этой точке диска, что клетки мигрируют именно туда. У «низших» животных расположение похожей «особой» точки обусловлено начальными условиями развития. В некоторых случаях положение этой точки определяется переходящей к зародышу асимметрией распределения молекул, заложенных в яйцеклетку материнским организмом. В других случаях в этой точке располагаются полярные тельца, «побочные продукты» клеточных делений, предшествующих формированию яйцеклетки. У некоторых организмов эту точку, по-видимому, маркирует место проникновения сперматозоида. Весьма вероятно, что у млекопитающих это тоже так, и есть указания на то, что эмбрионы мышей асимметричны уже на самых ранних стадиях развития.[42] Соответствующих данных по эмбрионам людей, разумеется, нет. Это очень досадно, потому что скопление в одном месте клеток, у которых экспрессируется HEX, приводит к исключительно важному результату – одно конкретное место на краю диска гипобласта становится не таким, как другие. Иными словами, это первый шаг в сторону от простой радиальной симметрии эмбриона (рис. 10).

Достигнув края диска гипобласта, группа клеток, экспрессирующих ген HEX, становится новой структурой ПВЭ.[43] Клетки ПВЭ начинают секретировать собственные сигнальные белки. Эти белки, способные распространяться на небольшие расстояния, вполне могут достигнуть эпибласта, лежащего непосредственно над гипобластом, явно в пределах дистанции распространения сигнала.[44] На этом этапе клетки эпибласта уже реагируют на сигналы, поступающие от вспомогательных тканей эмбриона. Эти сигналы подготавливают их к тому, чтобы создать структуры, характерные для задней части организма. Если бы больше ничего не происходило, весь эпибласт формировал бы структуры задней части, и это имело бы катастрофические последствия для эмбриона. Сигналы, поступающие от ПВЭ, уравновешивают эту тенденцию, запуская процессы создания тканей головы.[45] Если ПВЭ не будет синтезировать сигнальные белки, эмбрион не сможет правильно сформировать голову. Таким образом, положение ПВЭ в уникальной области на краю диска гипобласта диктует полярность вышележащего эпибласта: сторона, ближайшая к ПВЭ, сформирует голову, а удаленная от нее – заднюю часть тела эмбриона. Только небольшая часть эпибласта удалена от ПВЭ настолько, что вообще не получает от нее сигналов. По-видимому, это очень важно для локализации области, в которой происходят первые заметные изменения эпибласта. В этом месте клетки эпибласта переключаются на образование сигнального белка, который привлекает окружающие клетки – они мигрируют по направлению к источнику этого белка.[46] В результате такого перемещения клеток образуется важная структура со скромным названием – первичная полоска (см. рис. 10).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 10. Нарушение радиальной симметрии. Клетки в центре гипобласта «включают» ген HEX, движутся к краю и концентрируются в одном месте. Это нарушает радиальную симметрию гипобласта, а поскольку его клетки синтезируют сигнальные белки, которые «вмешиваются» в процессы, происходящие в эпибласте, его радиальная симметрия тоже нарушается


Особая роль ранней активности клеток ПВЭ гипобласта в определении места формирования первичной полоски была показана в экспериментах на куриных эмбрионах. После того как у них начинала нарушаться радиальная симметрия, гипобласт поворачивали относительно передне-задней оси эмбриона.[47] Эти манипуляции приводили к тому, что эпибласт формировал первичную полоску, подстраиваясь под новые координаты, а значит, именно гипобласт контролирует этот процесс.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 11. Удлинение первичной полоски и образование узелка (что такое узелок, я объясню далее в этой главе)


Так как все больше и больше клеток эпибласта мигрирует в область первичной полоски, они начинают расталкивать друг друга и встраиваться между соседями. Это приводит к постепенному удлинению первичной полоски от края диска внутрь по его радиусу (рис. 11). Поскольку в эту миграцию вовлекается все больше клеток, на краях диска их становится меньше. В результате, по мере того как полоска удлиняется, диск в целом начинает сужаться. Он приобретает овальную форму, и радиальная симметрия эпибласта теряется (см. рис. 11). В длинной оси овала угадывается будущая ось тела, которая проходит от макушки до последнего позвонка (если бы речь шла о животных, можно было бы сказать «до кончика хвоста», но применительно к человеку это будет звучать немного странно). Та часть первичной полоски, которая образуется первой (она находится на краю диска), становится задней частью тела, а часть, которая образуется последней (примерно в середине диска, теперь имеющего овальную форму), становится головой. Таким образом, формирование нашего тела начинается с седалища, а создание головы откладывается «на потом», и это не единственный случай, когда эмбриология напоминает нам о том, что не стоит воспринимать себя слишком серьезно.

Роль ПВЭ в определении места образования первичной полоски имеет одно интересное следствие. Если клетки, экспрессирующие ген HEX, образуют не одно, а два скопления на краю диска, то сформируются две отдельные небольшие ПВЭ, а значит, два центра распространения сигналов. Тогда возможно образование двух первичных полосок. Это третий – и самый редкий – тип близнецов, который встречается менее чем в 1 % случаев двуплодной беременности.

Если образуются две независимые первичные полоски, то они дадут начало двум полностью независимым осям тела, а значит, двум организмам. Такие близнецы, возникшие из одного и того же эпибласта после образования амниотической полости, будут иметь общую амниотическую, а также хорионическую полость. Этим они отличаются от близнецов, описанных в главе 2 (у них нет общих полостей), и от близнецов, описанных в главе 3 (они имеют общую хорионическую полость, но амниотическая полость у каждого из них своя). (Именно по числу общих полостей акушеры могут понять, с каким случаем возникновения близнецов они имеют дело.) Возникновение близнецов за счет двух первичных полосок в одном и том же эпибласте чревато опасностями, так как между ними нет четкой разграничительной линии и существует серьезный риск, что они не разделятся полностью. В этом случае на свет появятся сиамские, или сросшиеся, близнецы. Как правило, они не просто «срослись» друг с другом, но и имеют общие части тела. Общими могут оказаться в том числе жизненно важные внутренние органы. В принципе, сросшиеся близнецы могут быть вполне здоровыми людьми, хотя, конечно, их жизнь простой не назовешь. Пожалуй, самые известные сиамские близнецы – это Чанг и Энг Банкер[48],[49] (1811–1874 гг.), много лет гастролировавшие с цирком Барнума. В те времена глазеть на уродов считалось нормальным, и бородатые женщины, карлики, великаны и аномально тучные люди в цирках выступали на потеху публики. Братья Банкер назвали свой «дуэт» в честь родной страны, и за феноменом сросшихся близнецов с тех пор закрепилось название «сиамские близнецы». Родись братья в наши дни, их, скорее всего, разделили бы, но во многих других случаях разделить сросшихся близнецов очень трудно или вообще невозможно. Иногда это возможно только ценой жизни одного из близнецов. Поэтому операции по разделению сросшихся близнецов, помимо чисто технических проблем, нередко осложняются серьезными этическими вопросами.

Еще более сложные ситуации возникают в тех случаях, когда эпибласт образует не две отдельные первичные полоски, которые дают начало двум осям тела, а одну «недоудвоившуюся» Y-образную первичную полоску. Это приводит к образованию двух голов и, возможно, двух шей при общем позвоночнике. Это явление называется «удвоением оси», но название явно неудачно, так как удваивается не вся ось (в этом случае проблем бы не было), а только ее часть. У людей это явление встречается редко – как правило, оно приводит к выкидышу или мертворожденному ребенку, а если младенец рождается живым, то скоро умирает. Заспиртованные экспонаты такого рода есть почти во всех старых коллекциях естественно-научных редкостей. Очень редко люди с этой аномалией все же выживают. Самый яркий пример – это сестры Абигейл и Бриттани Хенсел, которым сейчас около двадцати пяти лет. Голова и шея у каждой из сестер своя, а туловище общее. Все, для чего нужна голова, они могут делать совершенно независимо, например, каждая из сестер может читать независимо от другой. При ходьбе, игре на пианино и управлении автомобилем им приходится действовать вместе (надо полагать, чиновникам пришлось немало потрудиться над разработкой индивидуального экзамена по вождению). Несмотря на анатомические аномалии, сестры Хенсел абсолютно нормальные, умные и общительные молодые женщины. Удвоение оси более широко распространено у других животных, например рептилий и амфибий, которые выживают с этой аномалией гораздо чаще людей. Двуглавый крысиный полоз по имени Мы (We) прожил в Городском музее Сент-Луиса восемь лет и стал одной из его главных достопримечательностей. Известность ему принесли не только необычный внешний вид, но и «споры», время от времени возникавшие между его головами, каждая из которых имела свое мнение. Есть даже одна ископаемая находка взрослой двухглавой ящерицы.[50] Удвоение оси у амфибий можно индуцировать путем воздействия на сигнальные механизмы, эквивалентные сигнальным механизмам в эпибласте и гипобласте млекопитающих (собственно говоря, существование этих механизмов было впервые показано именно на лягушках). Например, в результате введения в эмбрион лягушки одного из белков, синтезируемого в ПВЭ млекопитающих и необходимого для формирования головы, получается лягушка с несколькими головами. Этот белок получил название Cerberus («Цербер») в честь многоголового пса, стража входа в Аид.

С точки зрения этики закономерность «одна первичная полоска – один человек» может быть истолкована как доказательство того, что ее образование – поворотный момент в развитии человека. Главным аргументом является то, что до формирования первичной полоски нельзя точно сказать, сколько людей получится из эмбриона, а значит, установить четкую связь между конкретным эмбрионом и конкретным человеком. Развивая эту мысль, можно прийти к выводу, что структура, которую нельзя приравнять к конкретному человеку, не может быть наделена правами человека, а значит, проводить исследования эмбрионов до наступления стадии гаструляции можно. Напротив, как только сформировалась первичная полоска, количество будущих детей известно. На них распространяются права человека, и экспериментировать на них нельзя. Рассуждений такого рода немало, и некоторые из них сдвигают границу допустимого на более ранний период, вплоть до момента зачатия. Основная проблема такого подхода в том, что законодатели хотели бы видеть четкую границу между стадией, когда эмбрион еще не является человеком, и стадией, когда он бесспорно им уже является. Некоторые аспекты развития действительно связаны со ступенчатыми изменениями, как я уже говорил в начале этой главы, а другие (например, размер) меняются постепенно. Вполне возможно, что становление индивидуальности не является ступенчатым. Не исключено, что потенциальная способность стать человеком воплощается в реальную человеческую природу за счет последовательности шагов, занимающей месяцы и даже годы (формирование нейронных связей в мозге продолжается в течение долгого времени после рождения). Суть проблемы в том, что мы пока что слишком мало знаем о биологических основах человеческой индивидуальности, чтобы с уверенностью сказать, является ли ее становление внезапным или постепенным процессом. Вот почему в настоящее время все этические споры, которые якобы должны четко указать, когда именно человек становится человеком, колеблются на грани софистики.

Движения, благодаря которым клетки собираются вместе для формирования первичной полоски, не прекращаются и после ее создания. По мере поступления большего количества клеток центр полоски как бы проседает. Из полоски получается узкая бороздка, которая ближе к середине диска расширяется, образуя уплощенную область, называемую узелком. Клетки узелка продуцируют сигнальные белки, которые, во-первых, привлекают в этот регион дополнительные клетки, а во-вторых, заставляют их ослабить межклеточную адгезию и «включить» гены, способствующие их превращению в клетки других типов. Клетки, расположенные ближе к источнику сигнала (то есть к узелку), получают большую дозу сигнальных белков и реагируют сильнее. Ослабление системы адгезионных связей между клетками и активация у них миграционного поведения приводят к тому, что клетки свободно перемещаются в плоскости эпителиального диска и могут даже покинуть его.[51],[52],[53] Клетки проваливаются под поверхность диска эпибласта, переходя на его нижнюю сторону. Этот процесс распространяется по первичной полоске в направлении от головы к хвосту, так что более задние участки тела проходят его значительно позже, чем передние.[54] По мере того как ближайшие к центру бороздки клетки уходят из диска, их бывшие соседи сдвигаются ближе друг к другу и к центру бороздки так, чтобы заполнить свободное пространство, а затем, когда наступает их очередь, тоже проваливаются под диск, покидая эпибласт.

Первые клетки первичной полоски, которые уходят из диска на определенном уровне оси «голова – хвост», присоединяются к гипобласту: они расталкивают его клетки и встраиваются между ними, так что клеточный состав центральной области этого слоя полностью изменяется (рис. 12). Оказавшиеся в этой области клетки образуют слой, который называется эндодерма. (Это слово в переводе означает «внутренняя кожа»; название связано с тем, что в дальнейшем этот слой образует трубку кишки и трубки ассоциированных с ним органов – печени и поджелудочной железы.) Клетки, которые уходят из полоски немного позже, слабо связаны друг с другом и не образуют непрерывный слой. Они образуют мезодерму (в переводе – «средняя кожа»), которая лежит между эндодермой и внешним слоем. Клетки первичной полоски, которые не успевают «утонуть» и после завершения гаструляции остаются в эпибласте, формируют эктодерму (в переводе – «внешняя кожа»).[55] Таким образом, первичная полоска и узелок не только показывают нам ось «голова – хвост» у эмбрионов, но и превращают один слой клеток в три разных слоя: эктодерму, мезодерму и эндодерму (см. рис. 12). Это основные слои тела почти у всех животных.[56]

Для того чтобы уйти из диска, клетки должны сначала добраться до первичной полоски, и поэтому время их погружения тесно связано с исходным расстоянием до нее. Клетки, располагавшиеся ближе к средней линии диска, быстро проходят короткое расстояние и выселяются из полоски, тогда как клетки, располагавшиеся вблизи краев диска, начинают выселяться значительно позже, когда первые клетки уже давно погрузились под диск. Время и пространство так тесно сплелись в процессе гаструляции, что трудно определить, какой из этих факторов играет более важную роль в судьбе клеток. Определяется их судьба еще до начала миграции за счет ранних сигналов от ПВЭ или она становится известной только после того, как клетки выселяются из диска и оказываются внутри эмбриона? По-видимому, судьба некоторых клеток предопределена еще до начала движения.[57],[58],[59],[60],[61] Примером может служить обсуждавшееся выше программирование области, в которой будет формироваться голова, с помощью сигналов от ПВЭ, или программирование клеток, удаленных от ПВЭ, на формирование первичной полоски. Насколько четко определена на этих ранних этапах дальнейшая судьба других клеток, непонятно. Дело усложняется тем, что в некоторых случаях «запрограммированная» судьба клеток является всего лишь наиболее вероятным путем их развития. Если в эксперименте поместить их в другую среду и подвергнуть воздействию других сигналов (что вполне возможно и в естественных условиях, если во время гаструляции они затеряются среди других клеток), такие клетки могут «передумать» и пойти совсем по другому пути развития. Эта область эмбриологии все еще полна нерешенных вопросов, которые ждут своих исследователей.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 12. Образование трех слоев тела – эктодермы, мезодермы и эндодермы – во время гаструляции. В верхней левой части изображен эпибласт эмбриона, у которого уже образовался узелок, как он виден со стороны амниотической полости. Гипобласт лежит под эпибластом и не виден. На основном рисунке изображена первичная полоска в разрезе (он обозначен пунктирной линией на рисунке в верхней левой части). Клетки эпибласта активно мигрируют в плоскости пласта, и траектории их движения сходятся в бороздке, получившейся из первичной полоски. Затем эти клетки выселяются из эпибласта и уходят в пространство между дисками. Часть из них (те, которые встраиваются между клетками гипобласта, расталкивая их от средней линии к краям) дадут начало эндодерме, а часть – мезодерме (новому слою клеток посередине между эпибластом и гипобластом). Клетки, не покинувшие эпибласт, формируют эктодерму


Почти сразу после образования эндодермы клетки, расположенные вдоль центральной линии диска гипобласта (то есть под первичной полоской), начинают двигаться вверх (рис. 13). Это клетки, которые выселялись из эпибласта непосредственно через узелок, с той его стороны, которая обращена к голове, а значит, это клетки, получившие самую высокую дозу сигнальных молекул узелка. Благодаря им эти клетки «запрограммированы» на то, чтобы покинуть эндодерму.[62],[63],[64] Сразу после этого они выстраиваются вдоль оси эмбриона и образуют плотный стержень – нотохорд.[65] Это одна из важнейших структур на ранних стадиях развития эмбриона. Чтобы понять, почему эта структура возникает так рано (а также то, почему она возникает вообще), нужно обратиться к эволюции животного мира.

Зоологи классифицируют животных, используя иерархическую систему. Основной единицей этой системы является вид (например, Homo sapiens/Человек разумный). Схожие виды образуют род (например, Homo). Похожие рода сгруппированы в семейства (например, Hominidae), семейства – в отряды (например, Приматы). Отряды, в свою очередь, объединяются в классы (например, Mammalia/Млекопитающие), классы – в подтипы (например, Vertebrata/Позвоночные), а подтипы – в типы. Самые первые классификации основывалась на простом сходстве, но, после того как благодаря Дарвину и Уоллесу прояснилась роль изменчивости и естественного отбора в возникновении кластеров схожих таксонов, классификации стали отражать эволюционные взаимоотношения. Тип Chordata (Хордовые), к которому относятся все позвоночные, включает всех животных, имеющих нотохорд на каком-то этапе развития. С точки зрения количества видов в типе хордовых преобладают позвоночные, но есть в нем и несколько беспозвоночных, оставшихся с раннего кембрия. Большинство из них довольно редкие организмы, но ланцетник встречается достаточно часто, и в некоторых районах Азии его даже употребляют в пищу. Ланцетники – животные примерно пяти сантиметров в длину, внешне похожие на рыб. Они не имеют костного скелета, но нотохорд сохраняется у них на протяжении всей жизни, укрепляя тело и обеспечивая опору для мышц.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 13. Образование нотохорда из клеток, расположенных вдоль средней линии эндодермы (напомним, что эндодерма образовалась из погрузившихся клеток первичной полоски)


Нотохорд, однако, не просто придает телу жесткость. Он состоит из особых клеток, выделяющих специальные белки. Поэтому нотохорд может служить источником сигналов при разметке плана строения эмбриона, а его расположение вдоль средней линии делает его идеально приспособленным для этой цели. Хордовые, включая позвоночных, активно используют эти сигналы для разметки внутренних тканей. Так, например, детерминируются различные типы нервных клеток в спинном мозге или соединительных тканей и мышц по обеим сторонам тела. Сигналы нотохорда настолько важны, что событиям, в которых они играют ключевую роль, посвящены несколько последующих глав (5, 7 и 9). В ходе эволюции позвоночных план строения хордовых значительно усложнился, но все эти усложнения, в конечном счете, основаны на способности клеток на ранних этапах развития получать и интерпретировать сигналы нотохорда. Поэтому нам уже никуда не деться от этой структуры. У взрослого организма нотохорд заменяется более сложной конструкцией, позвоночным столбом, но на раннем этапе развития мы не можем обойтись без его сигналов. Нотохорд – эмбриологическая «живая окаменелость» – утратил свою изначальную функцию механической поддержки, но остается важным элементом нашего развития. Он существует ровно столько времени, сколько нужно для того, чтобы он успел выполнить свою функцию. Позже нотохорд разрушается, а его остатки идут на образование межпозвонковых дисков, смягчающих нагрузку на позвоночник[66] (повреждение этих дисков приводит к болезненной межпозвоночной грыже).

Мало того что система «узелок/первичная полоска» определяет положение главной оси тела и образует первые слои тканей, она также выполняет еще одну важную функцию – нарушение зеркальной симметрии левой и правой половины тела.[67] Она делает это, перемещая жидкость в полости эмбриона очень неэффективным, но крайне полезным образом. Многие клетки животных обладают ресничками – маленькими, гибкими выростами. Каждая ресничка оснащена крошечным моторчиком, состоящим из белков, которые получают энергию из химических реакций и используют ее для воздействия на другие белки. Благодаря этим моторчикам реснички движутся – бьются. У одноклеточных животных биение ресничек позволяет им перемещаться в жидкости. В организме человека некоторые неподвижные клетки, напротив, используют реснички для перемещения жидкости. Например, реснички клеток дыхательных путей очищают легкие от слизи, а реснички клеток, выстилающих яйцевод, продвигают яйцеклетки и ранние эмбрионы к матке. У клеток узелка тоже есть реснички, они находятся на нижней стороне узелка и обращены в заполненную жидкостью полость.

Реснички клеток узелка имеют две необычные особенности. Во-первых, они отходят от клетки под углом примерно 45 градусов и направлены вниз и назад. Наклон назад обусловлен тем, что клетки «чувствуют» передне-заднюю полярность эмбриона.[68] Во-вторых, они бьются не так, как обычные реснички (их биение напоминает удар кнута), а совершают круговые движения, напоминающие раскручивание лассо перед броском. Эти вращения очень быстрые, около шестисот оборотов в минуту (что сопоставимо с числом оборотов двигателя автомобиля на холостом ходу). Ресничка всегда вращается по часовой стрелке (если смотреть от ее кончика в сторону клетки). Это связано с тем, что двигательные белковые комплексы обладают зеркальной асимметрией и могут присоединяться к ресничкам и вращать их только одним образом.[69] Расположение каждой реснички таково, что, когда она находится в нижней части описываемой ей окружности, она движется к левой стороне эмбриона, а когда она описывает верхний полукруг, то движется к его правой стороне (рис. 14). Пока что все симметрично, но близость реснички к клетке в верхней части описываемой ею окружности при движении вправо означает, что движение жидкости существенно замедлено силой вязкого сопротивления у поверхности клетки. Когда реснички находятся в нижней части окружности, далеко от поверхности клетки, эта сила минимальна и жидкость продвигается более эффективно. Так возникает дисбаланс между количеством жидкости, выталкиваемым вправо, и количеством жидкости, выталкиваемым влево. Это похоже на эффект создания боковой силы гребным винтом, хорошо знакомый владельцам одномоторных лодок. Ограниченное пространство между винтом и корпусом приводит к тому, что при включенном моторе лодка не только движется вперед, но и смещается в сторону (рис. 14). В переполненной гавани это нередко приводит к интересным последствиям.

Неравномерный поток жидкости, обусловленный характером биения ресничек, приводит к тому, что левая сторона узелка постоянно омывается свежей жидкостью из запаса в пространстве под ресничками.[70] Клетки могут получать из нее много микроэлементов (например, кальций). Правая же сторона узелка получает отработанную жидкость, с меньшим количеством полезных веществ. Белки, секретируемые клетками узелка, также будут уходить влево.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 14. Реснички, вращающиеся у поверхности, направляют поток жидкости влево. В верхней части рисунка представлен вид на узелок. Реснички направлены вниз под углом 45 градусов по отношению к будущей брюшной стороне эмбриона и назад к хвостовому концу тела. Они вращаются по часовой стрелке, описывая конус. В нижнем левом углу рисунка – вид с хвостового конца эмбриона. Положение вращающихся ресничек создает дисбаланс потока жидкости – она более эффективно перегоняется влево. В нижнем правом углу представлен вид со стороны кормы лодки и изображен аналогичный эффект, знакомый тем, кому приходилось управлять лодкой в ограниченном пространстве


Клетки узелка выделяют в жидкость, которая находится под ними, различные белки, в том числе Nodal – мощную сигнальную молекулу названную так по месту образования (от англ. node узелок). Nodal синтезируется в обеих частях узелка, но как только он выходит наружу поток жидкости тут же относит его влево. Кальций стимулирует образование этого белка, поэтому свежая, богатая кальцием жидкость, поступающая в левую часть узелка, способствуют образованию там большего количества белка Nodal. Он влияет на производство других белков, в том числе тех, которые влияют на экспрессию генов. Накопление белка Nodal на левой стороне эмбриона приводит к тому, что эта сторона активирует немного иной набор генов, чем правая сторона. Так нарушается зеркальная симметрия эмбриона.

Потеря идеальной зеркальной симметрии полезна для процесса создания человеческого организма. Если смотреть снаружи, то кажется, что правая половина нашего тела зеркально симметрична левой, но многие внутренние структуры расположены асимметрично. Асимметричны сердце и круги кровообращения, селезенка и поджелудочная железа смещены влево, а печень и аппендикс – вправо. Существует огромное количество мелких различий между левым и правым полушарием мозга. Некоторые признаки асимметрии видны невооруженным глазом. У мужчин, например, одно яичко (в большинстве случаев левое) ниже, чем другое.[71] Возможно, способность к асимметричному развитию и не была жизненно необходима для эволюции высших позвоночных, но почти наверное упростила ее. В противном случае нам, вероятно, потребовались бы парные органы (кроме, разве что, пищеварительного тракта, центральной нервной системы, пениса, влагалища и мочевого пузыря, а они и так расположены по срединной линии). Это привело бы к проблемам с размещением органов в теле. У рыб, с их удлиненным узким телом, пары органов могли бы расположиться друг за другом, но наземным или летающим животным это, скорее всего, было бы невыгодно.

Самое примечательное в этом механизме нарушения симметрии то, что асимметрия на уровне организма обусловлена, по большому счету, асимметрией на молекулярном уровне, а именно асимметрией белковых комплексов, обеспечивающих биение ресничек. Это один из немногих случаев, когда конкретное свойство молекулы переносится на весь организм. Этот механизм необычен, но его существование подтверждено убедительными доказательствами. Во-первых, вращение ресничек клеток эмбриона можно наблюдать непосредственно. Во-вторых, создаваемый ресничками поток можно смоделировать – сначала математически, а потом и практически, в экспериментах с искусственными ресничками. Поток жидкости был неоднократно визуализован – как в эмбрионах, так и в искусственных моделях – путем добавления окрашенных частиц. Немало исследований посвящено образованию и накоплению белка Nodal. Идею о существовании такого механизма подкрепляют и данные по мутациям. Мутации, нарушающие образование или вращение ресничек, приводят к появлению организмов с нарушенной асимметрией. У одной мутантной мыши (inv) реснички направлены в другую сторону (под углом 45 градусов не в сторону хвоста, а в сторону головы). Поток жидкости движется в основном вправо, и можно предположить, что строение тела мышей с этой мутацией будет всегда зеркально отличаться от нормального. Именно это мы и наблюдаем. С аналогичной инверсией рождаются и некоторые люди – судя по всему, по той же причине.

События, описанные в этой главе, происходят всего за два-три дня (спустя 15–17 дней после зачатия), но кардинально меняют строение эмбриона. Прежде он представлял собой диск, на вид не имеющий ничего общего со сложным животным. Теперь же у него есть удлиненное тело с четкой выраженным передним и задним концом, спинной и брюшной стороной и правым и левым боком, ткани трех типов, определенным образом расположенных относительно друг друга, а также нотохорд, проходящий по центральной оси. Задатки будущего животного налицо, и можно приступать к усложнению внутреннего строения.

Глава 5

Формирование мозга

Мозг – это орган, с помощью которого мы думаем, что мы думаем.

Амброз Бирс

Нервная система взрослого человека – невероятно сложная структура, отростки которой подходят практически ко всем остальным частям тела. Ее центральной частью является спинной мозг – длинная трубка диаметром около полутора сантиметров, проходящая по срединной линии спины (рис. 15). В голове основная структура спинного мозга изменяется и образует ряд вздутий, которые вместе формируют головной мозг. От спинного мозга отходят нервы, которые посылают сигналы мышцам и получают информацию от органов чувств. Кроме того, есть квазинезависимые части нервной системы, которые регулируют работу внутренних органов, таких как пищеварительная система и сердце. Однако спинной мозг в некоторой мере контролирует даже их.

Нервная система очень важна для функционирования взрослого организма. Во многих странах прекращение ее работы («гибель мозга») юридически считается смертью человека, даже если другие системы организма все еще поддерживаются искусственным путем. У эмбриона, однако, нервная система не играет заметной роли в контроле жизнедеятельности до самых поздних стадий развития. Тем не менее она начинает развиваться раньше, чем большинство других внутренних органов. Есть несколько возможных объяснений того, почему это так. Может быть, дело в том, что основные элементы архитектуры нервной системы, которая охватывает большую часть тела, должны быть заложены прежде, чем в тех же регионах сформируются другие структуры и органы. С другой стороны, раннее развитие нервной системы может быть связано с тем, что это одна из старейших частей тела с точки зрения эволюции.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 15. Рисунок, созданный Андреасом Везалием, анатомом эпохи Возрождения, и показывающий нервные пути, отходящие от спинного мозга к остальным частям организма. На рисунке не показан головной мозг, который в основном не связан напрямую с другими частями организма. Сигналы от головного мозга к органам тела и обратно проходят по спинному мозгу. (Головной мозг напрямую связан с сетчаткой и органами обоняния, но они, если посмотреть с точки зрения развития, и так по сути являются его частью.) Te Granger Collection/Topfoto


Как общее правило (с целым рядом исключений), порядок появления новых структур у эмбриона соответствует порядку, в котором они появлялись в процессе эволюции. Никто не знает наверняка, почему это так. Согласно одной популярной теории, дело в том, что вмешательство в основные механизмы развития на стадии формирования общего плана строения с большей вероятностью приведет к катастрофическим последствиям, чем вмешательство на стадии детализации уже существующих структур. Случайные мутации, которые влияют на основной план строения организма, скорее всего, приведут к его нежизнеспособности, а мутации, затрагивающие более поздние стадии, могут привести к появлению жизнеспособных организмов. Некоторые из них, возможно, смогут занять новую экологическую нишу и дать начало новому виду. В ходе эволюции новые виды возникали прежде всего за счет изменений на поздних этапах развития, и эмбрионы представителей разных видов гораздо больше похожи друг на друга, чем взрослые особи. Интересно, что эмбрионы на самых ранних стадиях развития (тех, о которых шла речь в главах 2 и 3) более восприимчивы к эволюционным изменениям. Возможно, это связано с тем, что изменения, происходящие еще до закладки плана строения, в меньшей мере чреваты катастрофическими последствиями. В конце книги приведен список дополнительной литературы на эту тему.

Как бы то ни было, развитие нервной системы начинается сразу после гаструляции. Точнее говоря, в передней (головной) части эмбриона она начинает формироваться уже тогда, когда в задних отделах продолжается гаструляция. Вся нервная система образуется из эктодермы эмбриона, а конкретнее, из полоски эктодермы, проходящей вдоль центральной линии спины от головы к хвосту. Клеткам этой полоски предстоит перестать быть эктодермой («внешней кожей») в строгом смысле слова и образовать внутреннюю нервную трубку, из которой потом получатся спинной и головной мозг. Более того, этот переход должен произойти без нарушения целостности эмбриона. Это яркий пример проблемы, упоминавшейся в главе 1: эмбриону нужно претерпеть существенные структурные перестройки и при этом не развалиться на части. Эта проблема решается за счет того, что некоторые клетки меняются местами с соседями, растягиваются и меняют форму, благодаря чему весь слой ткани складывается, как оригами.

Первый признак формирования нервной системы – заметное изменение формы эмбриона. Гаструляция уже нарушила простую форму диска, удлинив его по будущей передне-задней оси тела. После гаструляции удлинение продолжается: короткий и «коренастый» эмбрион становится вытянутым и тонким по мере того, как клетки, меняясь местами с соседями, перебираются все ближе к центральной линии (линии голова – хвост) и выстраиваются вдоль нее. На рис. 16, представляющем схему аналогичного процесса у плодовых мушек, показан один из способов того, как клетки, меняясь местами, могут изменить форму всей ткани.[72],[73] Клетки, которые раньше были отделены друг от друга другими клетками, например L1 и R1, становятся соседями, а клетки, которые жили бок о бок, например M1, M2 и М3, расстаются и расходятся в разные стороны. За счет этого процесса короткий и широкий участок ткани становится длинным и тонким.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 16. Изменение формы участка ткани за счет смены клетками соседей


Вероятно, клетки могут не только меняться местами, но и активно мигрировать в направлении центральной линии. Оба процесса осуществляются благодаря способности клеток воспринимать сигналы (большинство из них еще только предстоит расшифровать, хотя кое-какие мы уже знаем[74]), которые указывают им направление «голова – хвост» и «лево – право». Этот внутренний «компас»[75] позволяет клеткам ориентироваться в плоскости клеточного пласта. Благодаря работе этого компаса происходит так называемое конвергентное вытяжение эмбриона вдоль оси «голова – хвост»: клетки левой и правой сторон эмбриона конвергентно перемещаются к его центральной линии и выстраиваются вдоль нее. В результате тело эмбриона приобретает удлиненную форму, характерную для взрослого организма. В частности, широкий и короткий участок, расположенный вдоль центральной линии спины, становится длинным и тонким. В том месте, где образуется голова, он, правда, остается чуть более широким, так что тело эмбриона слегка напоминает по форме замочную скважину.

После стабилизации общей формы тела начинается активное развитие нервной системы. Нотохорд, который уже проходит вдоль центральной линии тела (глава 4), секретирует сигнальные белки. Эктодерма в радиусе действия этих сигналов (на практике это означает полоску эктодермы, лежащую непосредственно над нотохордом) готовится к превращению в нервную ткань. В клетках этой полоски включаются ранее неактивные гены; клетки немного утолщаются, готовясь к последующим изменениям формы. Образуется нервная пластинка. Ее клетки немного отличаются друг от друга в зависимости от положения: клетки, находящиеся непосредственно над нотохордом, образуют центральную полоску, а те, что находятся на границе с обыкновенной эктодермой, образуют две краевые полоски. На этом этапе полоски не отличаются внешне, но в дальнейшем они дадут начало соответственно центральной части и краям глубокой борозды (рис. 17).

Клетки нервной пластинки связаны друг с другом тем же типом межклеточных контактов, что и клетки эмбриона на ранней стадии развития, когда они образовывали компактную клеточную массу (глава 3). Внутри каждой клетки эти контакты соединяются друг с другом белковыми микрофиламентами, образующими непрерывную механическую сеть (рис. 18). Важно отметить, что эта сеть в основном залегает не в середине клеточного пласта, а вблизи обращенной наружу поверхности клеток.

Наличие этой сети означает, что никакая клетка не может изменить форму, не оказав при этом воздействия на окружающих ее соседей. Это, в свою очередь, означает, что действия отдельных клеток могут привести к изгибанию эпителиального пласта. Клетки центральной полоски производят большое количество белка Shroom, который взаимодействует с системой микрофиламентов, перестраивая ее так, чтобы межклеточные контакты подтягивались ближе друг к другу.[76] Если смотреть сбоку, профиль клеток центральной полоски изменяется от прямоугольного до клиновидного (рис. 19, а—б). Однако клетки по-прежнему крепко соединены межклеточными контактами, а значит, когда отдельные клетки приобретают клиновидную форму, промежутков между ними не образуется. Это приводит к скручиванию всего клеточного пласта[77] (см. рис. 19, б). В результате этого скручивания центральная линия эктодермы, расположенная вдоль спинной стороны эмбриона, прогибается внутрь, и образуется глубокая бороздка (рис. 19, в). Клетки краевых полосок, напротив, расширяют свои апикальные стороны и сужают базальные, (механизм этого процесса пока непонятен). Такое изменение формы клеток тоже приводит к изгибанию пласта, но уже в другую сторону – вместо борозды образуется валик. Оба процесса приводят к одному и тому же результату: область эктодермы, которая пойдет на формирование нервной ткани, прогибается внутрь и погружается вглубь эмбриона, а края этой области сдвигаются ближе друг к другу.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 17. Три полоски эктодермы, образующиеся на дорсальной (спинной) поверхности эмбриона, дают начало глубокой борозде


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 18. Система микрофиламентов и межклеточных контактов образует единую механическую сеть, которая проходит через всю эктодерму, включая и нервную пластинку. Обратите внимание, что эта сеть находится ближе к апикальной (внешней) стороне клеток


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 19. Этапы формирования нервной трубки. На всех рисунках показаны поперечные срезы эмбриона. Клетки с прямоугольным контуром (а) приобретают клиновидную форму, что приводит к образованию борозды (б—в), края которой в конечном итоге смыкаются, преобразуя борозду в трубку (г)


Образование центральной борозды – хороший пример масштабной перестройки тканей за счет локальных сил. Если вырезать из эмбриона кусочек дорсальной эктодермы, в которой и должен протекать этот процесс, и поместить его в чашку Петри, характерная борозда появится тогда, когда она и должна появиться у эмбриона. Это доказывает, что после того, как процесс запущен, он регулируется вовлеченными в него клетками, то есть локально, и контроль со стороны других частей эмбриона уже не нужен. На этом этапе, однако, развитие замедляется, потому что следующий этап зависит от активности эктодермы на краях центральной полоски, которая не будет сама по себе формировать нервную ткань. Ее клетки делают три важные вещи: они уплощаются, благодаря чему становятся короче, но шире; они размножаются; и они по-прежнему конвергируют (перемещаются) к срединной линии эмбриона, внося вклад в уже описанные процессы сужения и удлинения.[78] Все эти активности клеток способствуют созданию бокового давления, которое подталкивает края борозды друг к другу до тех пор, пока они не встретятся (рис. 19, в—г).

Когда это происходит, края двух сторон борозды смыкаются, и она превращается в трубку, пока еще соединенную с эктодермой. По мере смыкания краев борозды соседние области тоже сходятся, и борозда замыкается, как застежка-молния. Сразу после образования нервной трубки клетки перестраиваются так, что она полностью отделяется от окружающей ее эктодермы, не нарушая при этом целостности эмбриона. Подробности этого процесса до сих пор неизвестны, но, возможно, он происходит за счет механизма, основанного на клеточной адгезии. Он заключается в следующем. Адгезия между клетками нервной трубки, основанная на действии таких белков, как N-кадгерин, возможно, значительно сильнее, чем адгезия между этими клетками и клетками окружающей эктодермы. Поэтому клетки нервной трубки на границе с обычной эктодермой стараются установить как можно более прочный контакт с подобными себе клетками, а этого можно добиться только за счет ослабления контакта с окружающей эктодермой. После того как клетки эктодермы с противоположных сторон нервной трубки соприкоснулись, адгезия между ними, основанная на действии молекулы под названием Е-кадгерин, становится сильнее, чем адгезия между ними и клетками нервной трубки. Поэтому клетки эктодермы сильнее прилегают друг к другу, а контакт с клетками нервной трубки ослабляется. Такое объединение клеток по принципу «одного поля ягоды» не требует каких-либо особых механизмов, кроме простой биофизики клеточной адгезии. В конце концов две ткани просто теряют контакт друг с другом, и эктодерма спинной стороны эмбриона становится непрерывным слоем. Впоследствии он даст начало наружному слою кожи плода. Обращаю ваше внимание на то, что это гипотетический механизм. Пока что нет уверенности даже в том, что сила адгезионных взаимодействий между сходными клетками, вовлеченными в этот процесс, выше, чем между различными.

Смыкание нервной трубки у человеческого эмбриона требует филигранной точности. Нарушение этого процесса может привести к тому, что нервная трубка не сомкнется или сомкнется не полностью. Когда смыкания не происходит вдоль части спинного мозга, ребенок рождается с расщепленным позвоночником (spina bifida). В Шотландии, где была написана эта книга, этот порок развития в свое время был очень распространен и встречался у одного из ста детей, зачатых в определенных регионах. По крайней мере в четверти случаев основная проблема заключается в том, что две стороны нервной трубки не стыкуются, потому что боковая эктодерма не подталкивает их внутрь. Оказалось, что смыкание нервной трубки очень зависит от содержания фолиевой кислоты (витамин В9) в тканях. Если фолиевой кислоты мало, скорость размножения клеток низкая, и риск расщепления позвоночника высок. Название «фолиевая» означает «из листьев», и основными природными источниками этой кислоты являются зеленые овощи, бобы, некоторые плоды и семена. К сожалению, эти важнейшие продукты нередко практически отсутствуют в рационе жителей промышленных центров. Эта проблема стоит очень остро для малообеспеченных слоев городского населения Шотландии. Поэтому изучением влияния дополнительной фолиевой кислоты (в виде витаминных добавок) на будущих матерей занялось несколько исследовательских групп. Фолиевую кислоту давали, начиная со стадии планирования беременности и вплоть до окончательного формирования нервной трубки плода. Почти во всех опубликованных исследованиях результатом лечения стало резкое снижение риска возникновения расщепленного позвоночника (примерно на 50–75 %).[79],[80]

Общий вывод из этих исследований, а именно, что фолиевая кислота существенно сокращает риск серьезного порока развития, привел к тому, что всем женщин, планирующим беременность, стали рекомендовать принимать пищевые добавки с фолиевой кислотой. Однако этот простой совет бесполезен в случае незапланированной беременности, потому что смыкание нервной трубки происходит уже через три-четыре недели после зачатия, когда женщина, как правило, еще не знает, что она беременна. К сожалению, частота незапланированных беременностей и вероятность того, что беременность будет выявлена относительно поздно, наиболее высоки именно у беднейших и наименее образованных слоев населения, которые, как правило, к тому же едят очень мало свежих овощей. Поэтому в некоторых странах, включая США, основные продукты питания, например хлеб и зерновые завтраки, в настоящее время обогащают фолиевой кислотой, так что все население восполняет ее дефицит. Тем не менее требование государства добавлять в пищу какое-либо вещество, даже если речь идет о молекуле, которая встречается в природе и считается абсолютно безопасной, спорно с этической точки зрения. На момент написания этой книги ни в одной из стран Европейского Союза добавление фолиевой кислоты в продукты питания не являлось обязательным, но, например, сухие завтраки, обогащенные этим веществом, продаются повсеместно.

Как правило, расщепление позвоночника не смертельно, но, в зависимости от локализации и тяжести дефекта, ребенок может страдать от болезней разной степени тяжести; чаще всего возникает паралич нижних конечностей или недержание мочи. Неудачное смыкание нервной трубки в области головного мозга приводит к гораздо более серьезной болезни под названием анэнцефалия. При этом отсутствует затылок и большая часть мозга, а это уже смертельно. Как правило, ребенок с этим пороком развития рождается мертвым или умирает вскоре после рождения. Следует отметить, что недостаток фолиевой кислоты – не единственное, что может привести к расщеплению позвоночника и анэнцефалии. Важную роль играют также генетическая предрасположенность и влияние окружающей среды. Даже те матери, которые очень внимательно относятся к своему рациону и образу жизни, могут родить детей с этим пороком развития, и их вины в этом нет.[81]

Существует еще одна редкая, но примечательная аномалия, связанная с процессом смыкания нервной трубки. При некоторых типах возникновения близнецов два эмбриона могут развиваться очень близко друг к другу, но быть при этом разного размера. Очень редко случается так, что маленький близнец попадает в нервную трубку большого и оказывается навеки запечатан в ней.[82] Там его развитие может продолжиться – либо в виде неорганизованной опухоли, или в виде крошечного, но в принципе нормального плода. В одном из клинических отчетов описывается шестинедельный ребенок с необычным расширением головы. Внутри одной из нормальных полостей мозга ребенка находилось крошечное тело его близнеца с развитыми конечностями, туловищем и головой.[83] Это один из примеров явления fetus in fetu (буквально «плод внутри [другого] плода»). Несколько чаще (хотя все равно очень редко – примерно два случая на миллион рожденных младенцев) встречается другой тип этой аномалии: меньший близнец оказывается не в голове, а в животе большего, и происходит это на более поздней стадии развития. Такие случаи абдоминального fetus in fetu обычно диагностируются спустя несколько недель или месяцев после рождения, но могут оставаться незамеченными и более долгое время. Описан клинический случай,[84] когда человек вынашивал в животе своего близнеца в течение тридцати девяти лет.

Эти два нарушения формирования нервной трубки – расщепление позвоночника и крайне редкое явление fetus in fetu – имеют одну общую черту – они обусловлены, по крайней мере частично, факторами, не связанными непосредственно с эмбрионом. Расщепление позвоночника в той или иной степени связано с неправильным питанием матери, а явление fetus in fetu – с тем, что один из эмбрионов оказался именно там, где должна закрыться нервная трубка другого. Эти два примера подчеркивают тот важный момент, что эмбриональное развитие не является жестко детерминированным результатом генетической организации эмбриона. Оно обусловлено, даже на самых ранних стадиях, взаимодействием между генами и окружающей средой.

Нервная трубка, образованию которой была посвящена почти вся глава, еще не содержит ни собственно нервных клеток, ни нейронных связей. Нет еще ни чувств, ни рефлексов, ни разума, ни воли, ни мыслей – все это появится гораздо позже. Поэтому нервная трубка не может выполнять функции командования и управления, которые в один прекрасный день возьмут на себя головной и спинной мозг. Однако основной план их строения уже заложен, а кроме того, нервная трубка готова выделить клетки для построения нервной системы за пределами позвоночного столба. Это произойдет уже очень скоро, а как именно, мы узнаем в главе 7.

Общее удлинение тела, на фоне которого происходили описанные в этой главе события, играет важную роль в формировании другой трубки – кишки. Слой эндодермы, из которого образуется кишка, дифференцируется в процессе гаструляции (глава 4), но до удлинения эмбриона он представляет собой всего лишь плоскую пластинку на его вентральной (брюшной) поверхности, обращенную в просвет желточного мешка (рис. 20, а). Удлинение тела эмбриона растягивает эндодермальную пластинку, ее длина становится больше, чем ширина отверстия, ведущего в желточный мешок, а ее концевые участки подворачиваются с образованием коротких трубковидных отростков, направленных в сторону головы и хвоста эмбриона. По мере дальнейшего удлинения тела эти отростки тоже удлиняются, и в них начинают угадываться передняя кишка, из которой возникнет пищевод, желудок и верхние отделы кишечника, и задняя кишка, из которой образуются нижние отделы кишечника (рис. 20, б). Отверстие, ведущее в желточный мешок, казавшееся сразу после гаструляции огромным (относительно размеров эмбриона), сохраняет исходные размеры и поэтому вскоре принимает вид незначительного ответвления от удлиняющейся кишки растущего эмбриона (рис. 20, в). В конце концов это ответвление исчезает совсем, отверстие, ведущее в желточный мешок, закрывается, и кишка превращается в трубку, залегающую в глубине тела (а на ее концах образуются два новых отверстия – рот и анус).

После событий, описанных в этой главе, эмбрион уже обладает основными структурами хордового животного. У него есть удлиненное тело, три основных слоя тканей, нотохорд, дорсальная нервная трубка и вентральная трубка кишки (правда, еще не утратившая связи с желточным мешком). До конца развития еще очень далеко, но можно сказать, что начальный этап завершился. Менее чем за четыре недели одноклеточный эмбрион самоорганизовался в простое тело, состоящее из тысячи клеток. Совершенно самостоятельно он сперва создал различия там, где их не было, при помощи хитроумного использования простых геометрических законов, а затем использовал эти различия как источник информации для создания новых различий, новой информации, новых структур. Механизмы, за счет которых все это было достигнуто, относительно просты и подчиняются относительно простым правилам, действующим в локальном масштабе. Достигнув этой стадии умеренной сложности, эмбрион обладает достаточным количеством внутренней информации, чтобы в короткие сроки усложниться очень значительно. Его анатомическое строение сильно изменится, однако, как мы скоро убедимся, общий принцип развития не изменится вовсе: изменения структуры и дальше будут происходить за счет простых правил и локальных взаимодействий.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 20. Удлинение тела, сопровождающее формирование нервной трубки, важно также для образования кишечной трубки из исходно плоской эндодермальной пластинки. Удлиняющаяся спинная сторона эмбриона тянет за собой передний и задний края эндодермальной пластинки, в результате они изгибаются и заворачиваются в трубки. По мере дальнейшего роста эмбриона отверстие, ведущее в желточный мешок, становится все меньше и меньше, наконец превращается в незначительное ответвление кишечной трубки и закрывается. На стадии, изображенной на нижнем рисунке, кишка уже имеет различные ответвления, но они не показаны для облегчения восприятия


Глава 6

Долгое деление

Никакое дело не покажется невыполнимым, если разбить его на мелкие части.

Генри Форд

Важной особенностью, о которой я еще не упоминал, является то, что регионы тела, расположенные на разных уровнях передне-задней оси, отличаются друг от друга. Некоторые структуры, например нервная трубка, простираются от головы до конца тела, но многие другие структуры появляются только на определенных уровнях этой оси. Если принять за целое расстояние от головы до хвоста, то руки, например, выступают из корпуса на уровне примерно три восьмых (у взрослых), а ноги растут фактически из конца этой оси. На участке туловища между руками и ногами конечностей нет. Органы внутри тела тоже располагаются строго определенным образом: глаза находятся на уровне одной восьмой расстояния от головы до хвоста, а печень – на уровне шести восьмых.[85] Все эти структуры развиваются из клеток эмбриона, и появление разных органов на разных уровнях оси «голова – хвост» говорит о том, что клетки эмбриона, расположенные на разных участках этой оси, отличаются между собой. В этой главе речь пойдет о том, как возникают эти различия. Чтобы понять механизмы этих процессов, нужно осознать одну важную, но малозаметную особенность человеческой анатомии.

Если приглядеться к беспозвоночным, таким как дождевые черви, многоножки или осы, то можно увидеть, что их тело состоит из серии повторяющихся сегментов. Тело червя, например, представляет собой длинный цилиндр со множеством поперечных линий, маркирующих границу между смежными сегментами (рис. 21, а). Большинство сегментов тела червя на вид одинаковы, хотя сегменты головы, хвоста и репродуктивной области все-таки немного отличаются от остальных. Многоножка похожа по форме тела на червя, но каждый сегмент ее тела несет пару ног. Головной и хвостовой сегменты многоножки тоже отличаются от других сегментов. Брюшко осы тоже сегментировано, что подчеркивают цветные полосы, а если посмотреть через лупу, то видно, что сегментирована и грудь. Она состоит из трех сегментов, которые отличаются друг от друга. От каждого из них отходит пара конечностей, но только два сегмента несут еще и пару крыльев (чтобы убедиться, что у осы четыре крыла, нужно внимательно присмотреться: задние крылья малы и находятся очень близко к задней кромке передней пары).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 21. Сегментация (а) дождевого червя, тело которого состоит из серии повторяющихся сегментов, и (б) человека, сегментация которого менее очевидна. Чтобы лучше продемонстрировать сегментированный характер позвоночника человека, на рисунке (б) не показаны конечности и ребра, а также голова и место соединения с ней (в том числе два самых верхних позвонка). Кроме того, изображение позвоночника немного стилизовано: на самом деле позвонки разных типов отличаются друг от друга рядом деталей


Деление тела на многочисленные сегменты, в основном схожие, но имеющие и определенные специализированные черты, зависящие от их положения в теле, является особенностью многих типов животных. У примитивных видов, например земляных червей, каждый сегмент удивительно самодостаточен с точки зрения физиологии: собственные простейшие легкие, почки, нервная система и т. д. Некоторые системы, например пищеварительная, проходят через все или большинство сегментов, а нервные системы разных сегментов соединены, и поэтому животное ведет себя как единое целое. Тем не менее формирование большей части тела за счет повторения базовых модулей дает большое преимущество, так как позволяет снова и снова использовать одни и те же генетические и клеточные системы. Благодаря такой экономии возникновение таких животных в процессе эволюции было менее маловероятным, чем возникновение животных, каждая часть которых уникальна. Сегменты наиболее схожи именно у самых примитивных животных (примитивных как в смысле простоты организации, так и с точки зрения раннего появления в палеонтологической летописи). В ходе дальнейшей эволюции появляется тенденция к специализации сегментов для выполнения особых задач, таких как полет и ходьба. По мере специализации сегменты становятся более взаимозависимыми с физиологической точки зрения, и на смену сегментам с собственной почкой, дыхательным аппаратом и т. д. приходят сегменты, полагающиеся на единые централизованные системы (выделительную, дыхательную и т. д.) всего организма. Позвоночные тоже сегментированы, хотя это не столь очевидно. Глядя на гладкое тело рыбы, трудно заподозрить, что она имеет сегментированное строение, но любой, кому случалось есть рыбу, замечал, что бо́льшая часть ее тела состоит из повторяющихся серий мышц, расположенных вдоль позвоночника, состоящего из повторяющихся серий позвонков и ребер. Люди, в чьей эволюционной родословной были похожие на рыб предки, тоже имеют сегменты, хотя их еще труднее разглядеть. Сегментированный характер строения человеческого тела проще всего увидеть на примере скелета, особенно позвоночника (рис. 21, б). Он состоит из тридцати трех позвонков, каждый из которых является вариацией на общую тему. Два верхних позвонка (в области шеи) служат для того, чтобы их владелец мог кивать и покачивать головой. В шейном отделе есть еще пять позвонков, далее идут двенадцать соединенных с ребрами позвонков в области груди. Еще ниже расположены пять массивных позвонков поясничного отдела, несущих значительную часть массы тела. И наконец, девять маленьких позвонков в самом низу позвоночного столба сливаются, образуя крестец и копчик. Мягкие ткани, которые крепятся к позвонкам, например мышцы, соединяющие соседние ребра, и нервы, идущие от разных частей тела к спинному мозгу, тоже имеют признаки сегментации. Сегментация прослеживается и в ряде других анатомических структур, но, как правило, на более тонком уровне.

В процессе эмбрионального развития сегментация человеческого тела начинается в мезодерме, лежащей слева и справа от нервной трубки. Клетки этой ткани, образовавшейся в процессе гаструляции (глава 4), вначале не очень прочно связаны между собой и не организованы каким-либо особым образом. В процессе сегментации, однако, эта ткань будет поделена на блоки, называемые сомитами, или первичными сегментами. Сомиты – предшественники позвонков, мышц и некоторых других структур тела. Они формируются не сразу, а последовательно, от шеи эмбриона к хвосту, и попарно (одновременно образуются два сомита – слева и справа от нервной трубки). У человеческого эмбриона каждая новая пара сомитов образуется примерно через шесть часов после предыдущей (рис. 22).

Задача превращения участка несегментированной ткани в сомит решается с помощью изменения адгезионных свойств клеток. Клетки, обладавшие высокими адгезионными свойствами в эктодерме до гаструляции, а затем превратившиеся в неплотную мезодерму, теперь повторно активируют свои адгезионные системы.[86] После этого они отделяются от своих бывших соседей по мезодерме и организуются в закрытые сферические структуры, похожие на цисты, – новые сомиты.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 22. Образование сомитов у человеческого эмбриона в возрасте примерно пяти недель. Уже сформированы шесть сегментов, которые дадут начало черепу и первым шейным позвонкам. Изображенный на рисунке зародыш по мере развития будет удлиняться в направлении низа страницы


Ясно, что все клетки несегментированной мезодермы не могут «включить» адгезию одновременно. Если бы это произошло, образовался бы один большой «мегасегмент» вместо необходимой серии небольших отдельных сомитов. Вместо этого эмбрион должен использовать какой-то особый механизм, чтобы сообщать коротким блокам клеток, что настал момент для изменения адгезионных свойств. При этом каждый сомит должен закончить формироваться еще до начала формирования следующего. Для выполнения этих условий клетки должны очень точно определять свое положение: находятся ли они именно в том ли месте, где должен образоваться сомит.

Уже на ранних этапах развития, когда эмбрион был еще очень мал, клетки по-разному реагировали на сигналы в зависимости от места и времени, например при создании первичной полоски. Например, во время гаструляции эмбрион был достаточно мал, чтобы градиент концентрации сигналов от ПВЭ определял примерную ориентацию оси «голова – хвост». Однако по мере роста эмбриона простой механизм градиентов концентрации стал все меньше подходить для разметки сложных структур организма. Чем длиннее ткань, которая должна быть размечена с помощью одного концентрационного градиента, тем более пологим будет градиент относительно размера любой клетки (рис. 23). Чем градиент более пологий, тем меньше разница концентраций для соседних клеток. Соответственно, клетке труднее «принимать решения», связанные с ее точным местоположением в эмбрионе. Системы концентрационных градиентов было вполне достаточно, чтобы наметить «черновые» различия поведения клеток раннего эмбриона, однако она просто не справится с задачей нанесения точной детальной разметки на тело, имеющее гораздо большую площадь.

Эмбрион решает эту проблему, не отбрасывая идею градиентов окончательно: он использует короткий градиент, чтобы определить границы одного сомита. Затем этот градиент, по длине равный длине сомита, передвигается вдоль эмбриона и используется снова и снова. Механизм, с помощью которого это достигается, кажется фантастическим по своей сложности, но его существование было подтверждено многочисленными кропотливыми экспериментами над эмбрионами различных видов животных. Несмотря на то что нам еще многое предстоит узнать об этом механизме, на данный момент мы знаем достаточно, чтобы сказать, что он вполне реален.

В течение всего этого процесса клетки мезодермы, еще не сегментированной и, следовательно, находящейся позади уже сформированных сомитов, синтезируют сигнальный белок под названием FGF.[87] Они делают это по умолчанию, и каждая из клеток будет продолжать синтезировать FGF, пока что-то ее не остановит. Клетки могут обнаружить секретированный ими же FGF, и это предотвращает такие изменения их адгезионных систем, которые необходимы для формирования сомита. Другими словами, еще не сегментированная мезодерма продолжает говорить себе «еще не пора» на языке FGF.[88]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 23. Градиенты концентрации вещества, распространяющегося от источника, хорошо определяют положение клеток на небольших расстояниях, но с увеличением расстояния различия концентрации этого вещества для соседних клеток становятся незначительными. Учитывая «шум», свойственный биологическим системам, клеткам становится все труднее определить, находятся ли они внутри или же снаружи той концентрационной области, в которой их поведение должно измениться определенным образом. Фиксированные градиенты, следовательно, не подходят для разметки больших и сложных структур, формирование которых требует использования многих вариантов клеточного поведения, и не могут быть использованы для того, чтобы наметить границы между будущими сомитами эмбриона


Клетки, которые уже находятся в процессе создания сомитов, не выделяют FGF. Вместо этого они синтезируют еще одну сигнальную молекулу, ретиноевую кислоту, которая также образуется клетками в голове эмбриона. Ретиноевая кислота распространяется от последнего сомита к еще не сегментированной мезодерме. Она не может распространяться очень далеко, потому что мезодермой синтезируется молекула, которая разрушает ее. Тем не менее она может проникать в мезодерму в значительной концентрации на десятую долю миллиметра.[89] Ретиноевая кислота останавливает синтез FGF в мезодерме. Таким образом, образуется узкое «окно», или «разрешающая зона», в еще не сегментированной мезодерме, в котором не хватает FGF, чтобы предотвратить образование сомита (рис. 24).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 24. Противоположно направленные градиенты ретиноевой кислоты (РК) и FGF. Градиент РК имеет максимум на головном конце тела, а FGF – на хвостовом конце. Эти градиенты задают узкую «разрешающую зону», в которой клетки могут создавать новый сомит


Определение границ этого окна в пространстве является очень важной частью механизма, в ходе которого новые сомиты образуются один за другим, но этого пока недостаточно, чтобы решить проблему. В конце концов, если клетки смогут превратиться в сомиты, как только разрешающая зона перемещается достаточно далеко к хвосту, они будут делать это одна за другой. Никогда у каждого из сомитов не будет четкой задней части, потому что всегда другие клетки, избавившись от влияния ингибиторов, попытаются сказать «и я тоже!». Такая система не сможет разделить ткани на блоки, и все, что получится, это очень длинный, бесформенный «мегасомит». Однако эту проблему можно решить, если клетки не будут формировать сомит, пока разрешающая зона не переместится на расстояние, равное длине сомита, к хвосту.[90] Тогда все клетки в этой зоне будут иметь возможность участвовать в процессе. Но это возможно только тогда, когда разрешающая зона переходит на расстояние, равное длине следующего сомита, и так далее. Кажется, именно так устроена эта система в действительности: переключение между клетками в разрешающей зоне регулируется «тиканьем» молекулярных часов.

Эти «часы» состоят из сети белков, взаимно контролирующих синтез друг друга. В некоторых случаях они, прямо или косвенно, подавляют собственный синтез. Чтобы понять, как контролируемый синтез белков может превратиться в часы, стоит рассмотреть очень простую «игрушечную» систему. Она намного проще, чем в случае реальных сомитов: эта система состоит из одного-единственного гена, в последовательности которого закодирован белок, который синтезируется в момент активности гена и его же дезактивирует. Другими словами, белок подавляет собственный синтез. Будем считать, что подобный ген присутствует в клетках, так что работа основных биохимических процессов, связанных с синтезом белка, нам уже гарантирована. Напомним, что с активных генов сначала транскрибируются РНК – «копии». Затем с этой РНК в процессе трансляции синтезирует необходимый белок (глава 1).

Предположим, что процессы транскрипции и трансляции происходят за очень короткое время по сравнению со временем жизни РНК и молекул белка. Тогда в нашей системе-«игрушке» концентрация белка постепенно выйдет на стабильный уровень. Если в начале работы системы концентрация белка ниже этого уровня, активность гена не будет сильно подавляться. РНК будет синтезироваться и транслироваться, а концентрация белка при этом вырастет. Появится больше молекул белка, которые будут ингибировать активность гена, и производство новых белковых молекул будет снижаться до тех пор, пока не выйдет на уровень, позволяющий лишь компенсировать потерю белка, связанную с окончанием срока жизни молекул (рис. 25, а). Если же концентрация этого белка изначально слишком высока, работа гена будет подавляться, и новые белки не будут синтезироваться до тех пор, пока исходная концентрация белка не понизится за счет старения и распада молекул (рис. 25, б). Основная функция этой сетевой системы состоит в том, чтобы поддерживать концентрацию белка в четко заданных пределах. Для белков-долгожителей (срок их жизни измеряется в часах и днях) небольшое запаздывание в работе системы, связанное с паузами на транскрипцию и трансляцию (на них уходят минуты), не имеет большого значения. Такие системы используются клетками для поддержания количества отдельных молекул в пределах допустимого.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 25. Поведение системы, в которой белок (обозначен жирной линией) подавляет синтез собственной РНК (обозначена тонкой линией). В результате возникает запаздывание, незначительное по сравнению со временем жизни белка. Даже если исходная концентрация белка слишком низкая (а) или слишком высокая (б), она все равно придет к стабильному значению. Сравните этот рисунок с рис. 26


Если теперь предположить, что белок «живет» так недолго, что время, необходимое для его создания, сопоставимо со временем его жизни, поведение системы становится совершенно другим. Рассмотрим ситуацию, когда в нашей модельной системе концентрация белка очень низкая. В присутствии небольшого количества белка транскрипция гена не подавляется и может проходить быстро. С некоторым запаздыванием увеличивается концентрация РНК, а немного позже, по мере трансляции РНК, вырастет и концентрация белка. С увеличением числа молекул белка транскрипция гена подавляется, но, пока концентрация РНК достаточно высока, белок будет производиться за счет трансляции этой РНК до тех пор, пока она не деградирует. В результате концентрация белка превысит «пороговый» уровень (рис. 26). По-настоящему высокой концентрации белка достаточно, чтобы полностью выключить транскрипцию гена. По мере того как молекулы РНК и белка деградируют, концентрация белка уменьшится, и транскрипция начнется снова. Однако из-за запаздывания, связанного с транскрипцией и трансляцией, понадобится некоторое время, прежде чем концентрация белка начнет расти. Быстрое разрушение белка говорит о том, что его концентрация резко уменьшается и «пороговый» уровень опять будет перейден, но уже в обратном направлении. В системе опять становится слишком мало белка, а это значит, что цикл начнется снова. Запаздывания, связанные с транскрипцией и трансляцией, вызывают многократные резкие скачки системы: от низких значений концентрации к высоким. В результате вместо стабильности мы получаем чередование высоких и низких уровней концентрации белка. Это напоминает тиканье часов.

Сетевая система «часов сегментации» значительно сложнее, чем один белок, контролирующий собственный синтез.[91] Судя по всему, функциональное ядро этих часов основано на системе реакционных петель с отрицательной обратной связью (это означает, что их компоненты репрессируют сами себя), похожих на те, что уже были описаны. Они зависят от белков, время жизни которых коротко по сравнению со временем, которое затрачивается на транскрипцию и трансляцию, необходимые для их синтеза. В работу часов вовлечено большое количество белков. Они способствуют стабильной работе часов и «сверяют» часы соседних клеток. У мышей полный цикл «часов сегментации» занимает около двух часов. Одна фаза этого цикла дает разрешение любой клетке, находящейся в разрешающей зоне еще не сегментированной мезодермы (с низким содержанием FGF), принять участие в создании сомита. Идет чередование фаз. В короткую фазу часов («тик») клетки в окне с малым содержанием FGF могут стать клетками сомита. В долгую фазу («так») они не участвуют в образовании сомита, даже если находятся в пределах разрешающей зоны. Такое чередование означает, что у разрешающей зоны есть запас времени для продвижения к хвостовой части на длину сомита до того, как клетки, обнаружившие, что они находятся в этой зоне, смогут поучаствовать в создании сомита.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 26. Поведение системы, в которой белок подавляет синтез собственной РНК. Запаздывание в системе достаточно велико относительно времени жизни белка. В начале рассматриваемого периода исходно высокая концентрация белка понижается. При этом концентрация РНК низкая. Концентрация короткоживущих белков продолжает падать, и хотя на данный момент она и так слишком мала, чтобы ингибировать синтез РНК, понадобится довольно много времени для накопления РНК. Концентрация белка опускается ниже среднего уровня, и благодаря этому РНК синтезируется в больших количествах и аккумулируется. За счет повышения концентрации РНК концентрация белка тоже постепенно увеличивается и переходит средний уровень еще до того, как белку удается подавить синтез новой РНК. В этой модели скачки многократно повторяются. Так и создается некое подобие осциллятора, или «часов»


Затем мезенхима образует блоки, длина которых определяется протяженностью разрешающей зоны и частотой тиканья часов (рис. 27). Рассмотренный здесь механизм работы часов приводит к ряду интересных эффектов: если бы часы шли быстрее, разрешающая зона не продвинулась бы так далеко в хвостовую часть. Это привело бы к возникновению большего количества более мелких сомитов. У таких животных, как змеи, гораздо больше позвонков, чем у людей. Эмбрионы змей создают больше сомитов. Недавно ученые исследовали часы сегментации в эмбрионе змеи. Оказалось, что они работают гораздо быстрее, чем у мышей или людей. Все соответствует вышеизложенной теории.[92]

Четыре механизма действуют на локальном, клеточном, уровне. Производство ретиноевой кислоты, производство FGF, часы сегментации, рост эмбриона по направлению к хвосту – все это позволяет интегрировать пространство и время так, чтобы клетка могла «решить», участвовать ли ей в создании нового сомита. У клеток нет карты внутреннего строения эмбриона. Они даже не знают собственного места нахождения. Мы опять сталкиваемся с ситуацией, в которой клетки могут самоорганизоваться в сложно устроенные структуры достаточно большого пространственного масштаба, используя только набор локальных правил.

Описанная выше система решает проблему деления мезенхимы на серию сегментов. Это не решает проблему создания на основе сомитов структур, которые не одинаковы на разных уровнях передне-задней оси, скажем позвонков в организме человека. Сомиты в грудной области, например, специализируются на формировании позвонков среднего размера, к которым крепятся ребра. Сегменты поясничного отдела формируют крупные позвонки. К ним ребра уже не крепятся! Сомиты в области крестца формируют мелкие позвонки, которые сливаются воедино, чтобы образовать заднюю часть костяного кольца, которая защищает область таза. В связи с этим клетки каждого сомита должны «знать», в какой области организма они находятся. После многолетних генетических исследований ученые начинают догадываться, каким образом клетки это «понимают». По нашим нынешним соображениям, эта система использует время, переводя пространственную информацию с молекулярного уровня на уровень эмбриона как целого. Безусловно, по мере дальнейших исследований наши представления о работе этой системы могут и измениться.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 27. Принятая в настоящее время модель использования времени и пространства для разделения непрерывного слоя ткани на сомиты. Диаграмма слева, как на рис. 24, отображает заднюю часть эмбриона сразу после формирования новой пары сомитов. Ретиноевая кислота (РК), синтезированная более ранними сомитами, распространяется к хвосту и постепенно расходуется. На диаграмме это показано заштрихованными перевернутыми треугольниками. Белок FGF, синтезируемый в хвостовой почке, распространяется к голове и также постепенно уходит (на диаграмме это отмечено треугольниками). Соотношение РК к FGF варьируется на разных участках оси «голова – хвост» мезенхимы вплоть до последних сомитов. Если клетки находятся в определенном диапазоне соотношения РК к FGF, они могут участвовать в формировании сомита. «Разрешающая зона» отмечена на схеме черной звездочкой. С течением времени рост хвостовой части эмбриона продолжается. Созревающие сомиты начинают синтезировать РК. Так «окно», определяющее клетки, которые будут создавать новый сомит, постепенно продвигается к «хвосту». Клетки в этой зоне возьмутся за формирование сомита только тогда, когда часы находятся в фазе «тик». К тому времени, когда случится следующий «тик», клетки, создававшие сомит, завершат свою работу. Так вырисовывается четкая граница между старыми и новыми сомитами. Затем процесс повторяется столько раз, сколько нужно, чтобы создать все сомиты тела


Необходимая пространственная информация хранится на молекулярном уровне в самой ДНК в виде четырех генных кластеров. Типов так называемых HOX-генов всего тринадцать. Их так и принято нумеровать: от 1 до 13. В каждом из четырех кластеров – HOXA, HOXB, HOXC и HOXD – HOX-гены, расположены в порядке нумерации (рис. 28). Таким образом, ген типа 1 в кластере HOXA называется HOXA1, ген типа 1 в кластере HOXB – HOXB1. Следовательно, в кластере HOXA гены располагаются в порядке HOXA1, A2, A3 и т. д. Ни в одном кластере нет версии каждого гена от 1 до 13. Таким образом, если положение генов изобразить на диаграмме, поместив гены одного типа в одну колонку, в каждом HOX-кластере будут пробелы (рис. 28). Есть весомые свидетельства того, что у наших далеких предков был только один HOX-кластер (именно этот кластер по-прежнему есть у насекомых, например у мучного хрущака), но в процессе эволюции позвоночных HOX-кластер был скопирован дважды. Так образовались первые два кластера (как у бесчелюстные позвоночных), а затем и еще два (как у челюстноротых позвоночных).[93] Это объясняет, почему HOXA1 так похож на HOXB1, а HOXA2 так напоминает HOXB2 и т. д. С тех пор каждый кластер утратил некоторые гены. Предположительно это случилось потому, что вскоре после дублирования гены были настолько похожи, что любой из них мог заменять другой. Потеря предками гипотетического H OX D 6, например, не имела значения, если H OX A 6, H OX B 6 и HOXC6 могли выполнять все его функции. Со временем однотипные гены разных кластеров мутировали и приобретали значительные функциональные отличия, а значит, дальнейшие потери стали невозможны. Верить или не верить таким историям об эволюции – решать вам. Факт в том, что человеческие HOX-кластеры теперь имеют такой вид (рис. 28).

Поразительно, что в течение каких-то 460 млн лет челюстноротые позвоночные плавали, ходили или летали, а порядок HOX-генов внутри кластера ни разу не менялся! При этом большинство других генов уже пережили огромное количество перемен и многократно меняли взаимное расположение. На сегодняшний день последовательность генов у разных типов животных отличается. Причины такого постоянства расположения HOX-генов в кластере напрямую связаны с порядком специализации сегментов вдоль оси тела.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 28. Генетическая структура четырех человеческих HOX-кластеров. Каждая горизонтальная линия обозначает непрерывную область хромосомы. Каждая ячейка с номером – ген HOX (например, ячейка 1 кластера HOXA – HOXA1 и т. д.)


Генные HOX-кластеры начинают проявлять активность в структурировании организма уже во время гаструляции. На каждом участке оси от шейного отдела к поясничному эта активность проявляется незадолго до образования сомитов. В то время как клетки в ходе гаструляции продвигаются через узелок, активируются гены с левого конца HOX-кластеров («левый» на рис. 28). Процесс начинается с будущего шейного к поясничному отделу. Позже, когда клетки, направленные на формирование задней части тела, вовлекаются в гаструляцию, активируются и гены, расположенные правее в HOX-кластерах. Еще через некоторое время, когда гаструляция продвинется дальше по оси «голова – хвост», активизируются гены, изображенные на рис. 28 правее. В каждом случае клетки «запоминают» набор HOX-генов, которые они «подключили», как только появились из узелка. Они в течение долгого промежутка времени поддерживают активность этих генов. Возможно, не стоило так упрощать, но в данном случае это даже полезно.

Таким образом, клетки, которые проходят стадию гаструляции раньше, «включают» HOX-гены слева (см. рис. 28). Клетки, подвергшиеся гаструляции позже, активируют HOX-гены справа. Как это можно контролировать? Есть способы. Можно направить процесс активации потенциальных генов направо через кластеры HOX-генов. Клетки в это время ожидают гаструляции. Согласно этой идее, когда клетка ныряет через узелок, чтобы гаструляция произошла, она на самом деле активирует экспрессию множества HOX-генов, которые потенциально могут быть задействованы в нужный момент. Она помнит этот набор. Клетки, которые гаструлируют позже, находятся дальше от будущей головы эмбриона, экспрессируют набор генов дальше вправо (см. рис. 28). Так волна активации потенциальных генов будет иметь больше времени для продвижения направо через кластер. По этому механизму, порядок генов в HOX-кластерах на молекулярном уровне транслируется на порядок экспрессии генов HOX на эмбриональном уровне. А эмбрион уже достиг миллиметрового диапазона. Это один из немногих примеров взаимосвязи генетической и эмбриональной структуры.

Прежде чем изучать последствия экспрессии генов на разных уровнях оси «голова – хвост», стоит потратить немного времени, чтобы выяснить, как волна активации потенциальных генов в первую очередь проходит через HOX-кластеры. Детали этого процесса до сих пор тщательно исследуются, но общая схема механизма, кажется, начинает вырисовываться сквозь дымку множества экспериментальных результатов. В хромосомах ДНК может быть довольно компактно упакована среди белков. Это полезно для экономии пространства, но при этом гены недоступны для транскрипции. Принципиально ДНК может быть и в свободной, легко доступной форме. Большую часть времени многие участки хромосом плотно упакованы, а более свободные «петли» ДНК выходят за их пределы. Некоторые участки упакованы плотно. Некоторые никогда не были так упакованы. Некоторые из них могут быть в любом состоянии, в зависимости от присутствия того или иного ДНК-связывающего белка. Последние данные, полученные в ходе экспериментов над мышиными эмбрионами, позволяют предположить, что по крайней мере один из hoх-кластеров,[94] hoxb, может быть в любом из обозначенных состояний.

Перед активацией hoxb-генов кластер в компактном состоянии. Из всех генов hoxb-кластера самый правый ген (hoxb13) «похоронен» в глубине компактного клубка. hoxb1 наиболее доступен, будучи в начале компактной зоны. Экспрессия генов hoxb зависит от освобождения из этой «компактной тюрьмы». Это может случиться, если специфичные последовательности ДНК-связывающих белков присоединятся к ДНК с наиболее доступного конца и «перепрограммируют» упаковочные белки, так чтобы они позволили ДНК принять более свободную, петлеобразную форму. Эти ДНК-связывающие белки активируются ретиноевой кислотой. Эффект ретиноевой кислоты на hoxb-кластер настолько мощный, что его можно разглядеть даже в мышиных СКЭ, выращенных в простой чашке Петри.[95] Если постепенно добавить туда небольшое количество ретиноевой кислоты, «спрессованный» hoxb-кластер начинает ослабевать с конца. Так что hoxb1, hoxb2, hoxb3 и так далее будут доступны для транскрипции (рис. 29). Все это требует времени, что не удивительно, учитывая, что в ДНК hoxb-кластера около 150 000 оснований. Освобождение HOXb гена – постепенный процесс. Необходимо осуществлять контроль над порядком их «укладки» в кластере. Вероятно, то же самое верно[96] для hoxa-, с – и d-кластеров мыши и, по аналогии, для всех кластеров HOX человека.

Получение петли из hoxb-кластера также наблюдается в эмбрионе мыши. Скорость «разматывания» и волны активации генов совпадают с той скоростью, с которой гаструляция распространяется по направлению к «хвосту».[97] Таким образом, можно смело надеяться на то, что описанный выше механизм верен, хотя мы уже знаем, что его сопровождает огромное количество дополнительных сложностей. Необходимо убедиться, что клетки «запоминают» те гены для экспрессии, и это должно быть согласовано с соседними клетками. При этом отключаются гены слева, а те, что справа, подвергаются экспрессии. Тщательная систематизация всего этого процесса может стать делом жизни многих исследователей.

Человеческие HOX-гены (как и мышиные hox-гены) очень важны, поскольку существует связь между набором HOX-генов, экспрессированных сомитом, и типом будущего позвонка.[98] Например, третий, четвертый и пятый позвонки шейного отдела очень похожи: образовавшие их клетки экспрессируют тот же набор генов. Следующие два позвонка от них отличаются, и их клетки уже экспрессируют другие наборы HOX-генов.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 29. Постепенное изменение структуры HOX-кластера, от компактной до более рыхлой, высвобождает большее количество генов для транскрипции в том порядке, в котором они расположены в кластере


У различных видов животных число позвонков варьируется. У кур, например, четырнадцать шейных позвонков, а у мышей, как и у нас, – семь. В обоих случаях тем не менее начало экспрессии генов типа HOX6 (Hoxa6, Hoxb6 и т. д.) знаменует конец сомитов, создающих шейные позвонки, и начало тех, которые образуют позвонки грудного отдела. Поэтому гены HOX коррелирует с типом позвонков, а не просто с их числом. Аналогично начало экспрессии генов типа HOX10 означает конец сомитов, идущих на грудные позвонки, и начало тех, которые создают позвонки поясничного отдела. Гены типа HOX11 отвечают за переход от поясничного к крестцовому позвонку. Все это подтверждает, что тип HOX-генов может определять вид позвонков, который создадут сомиты.

Эта идея была проверена экспериментально в ходе генной инженерии эмбрионов мыши. Из них убирали один или несколько Hox-генов и наблюдали последствия этой операции для развития. В шейном отделе нормальной мыши должен быть один первый позвонок («атлант») и один второй («ось»). У каждого из них своя специфика, они позволяют по-разному осуществлять кивки и вращения головы. У третьего, четвертого и пятого позвонков форма, характерная для позвонков шейного отдела. При удалении гена Hoxa4 третий, неспециализированный, позвонок развивается как второй, осевой. Клетки как будто «думают», что они ближе к головной части зародыша. Кроме того, у мышей без генов Hoxa7 и Hoxb7, отвечающих за первые позвонки грудного отдела, позвонки, к которым должны крепиться ребра, развиваются как позвонки шеи, без ребер. Опять же, без этих генов клетки ведут себя так, как если бы они были ближе к голове, чем на самом деле. С другой стороны, когда удаляются Hoxa5 и Hoxa6, клетки в той же области тела «думают», что должны располагаться дальше от головы, где эти гены, естественно, дезактивируются. В результате седьмой позвонок шейного отдела имеет ребра, как полагается первому позвонку грудного отдела. То же происходит и ниже, если гены по правую сторону (см. рис. 28) удаляются.

В обеих системах сегментации, будь то «часы» и градиенты, благодаря которым тело делится на сомиты, или система HOX-генов, сообщающая клеткам этих сомитов специализацию, в масштабах организма протекают простые локальные процессы. В обоих случаях в этих процессах используются определенные временные промежутки для создания структур в пространстве. Это еще один пример того, как сложные клеточные системы эмбрионального развития пользуются простейшими математическими принципами и создают нечто гораздо большее, чем они сами.

Часть II

Постепенная детализация

Глава 7

Судьбоносные беседы

In principio erat verbum…[99]

Св. Иероним Стридонский

Процессы, описанные в главах 2–6, имеют внушительные последствия – бесформенное скопление клеток осталось далеко в прошлом. Теперь у эмбриона есть продольная ось тела с головным и хвостовым концами, дорсально расположенная нервная трубка и вентрально расположенный кишечник. По обе стороны нервной трубки залегают сомиты, а снаружи эмбрион покрыт эктодермой. Более того, благодаря избирательной экспрессии HOX-генов поведение клеток эмбриона специфично для уровня, на котором они находятся. Тем не менее на этой стадии развития эмбрион отличается от взрослого человека примерно так же, как эскиз отличается от законченного полотна: контуры видны, но их еще предстоит проработать.

На стадии формирования сомитов общее количество типов клеток в организме невелико. Есть клетки эктодермы, клетки нервной трубки, клетки кишечника, клетки сомитов и некоторые другие, но это лишь малая часть типов клеток, имеющихся у взрослого человека. Клетки первичных тканей эмбриона должны поделиться на группы, а группам предстоит специализироваться и дать начало разным структурам: костям, сухожилиям, мышцам и кровеносным сосудам. Более того, клетки должны сделать это по определенному алгоритму. Когда эмбрион впервые столкнулся с проблемой превращения одинаковых клеток в клетки разных типов (то есть когда у него обособилась внутренняя клеточная масса и трофэктодерма; глава 3), он использовал естественную асимметрию среды: клетки, часть поверхности которых была обращена в свободное пространство, дали начало трофэктодерме. Клетки нервной трубки и сомитов тоже полагаются в процессе дифференциации на сигналы, связанные с асимметрией окружающей среды. К этому моменту, однако, большая часть поступающей информации связана уже не с геометрическими характеристиками (такими, как наличие у клеток свободной поверхности), а с сигнальными молекулами, выделяемыми другими тканями. С помощью этих молекул соседние ткани ведут судьбоносные беседы и, таким образом, провоцируют друг у друга дифференцировку многих типов клеток, взаимное расположение которых исключительно точно задано в пространстве.

Хороший пример этих «клеточных бесед» – дифференцировка специализированных зон нервной трубки, которые в дальнейшем дают начало разным частям нервной системы.[100] Нервная трубка, образованию которой была посвящена глава 5, проходит по средней линии эмбриона между эктодермой и нотохордом. Таким образом, нервная трубка оказывается естественным образом асимметричной среде: ее дорсальная[101] поверхность ближе к эктодерме, а вентральная – к нотохорду. Эта асимметричная близость к нотохорду очень важна, потому что его клетки секретируют белок, получивший название Sonic Hedgehog («ежик Соник»).[102] Концентрация этого белка меняется по градиенту: она максимальна вблизи нотохорда и снижается по мере удаления от него.[103] Клетки нервной трубки чувствительны к белку Sonic Hedgehog, и те из них, которые расположены ближе к нотохорду, стимулируются очень сильно (рис. 30). В результате эти клетки начинают синтезировать новые белки и отличаться от других клеток нервной трубки. С этого момента они называются клетками вентральной пластинки.

Роль нотохорда в определении положения вентральной пластинки была показана в двух дополняющих друг друга экспериментах.[104] В одном эксперименте в эмбрион цыпленка был хирургическим путем помещен дополнительный нотохорд, но не в обычное положение, а сбоку от нервной трубки. В нервной трубке этого эмбриона сформировались две вентральные пластинки: одна там, где положено (то есть над естественным нотохордом), а вторая на той стороне нервной трубки, которая была обращена к трансплантату. Это подтверждает гипотезу о том, что положение вентральной пластинки контролируется нотохордом. В другом эксперименте нотохорд был полностью удален, и вентральная пластинка вообще не сформировалась.

Среди белков, синтезируемых клетками вентральной пластинки, есть и сам Sonic Hedgehog, таким образом, она становится новым центром производства молекул этого белка, которые начинают распространяться в дорсальном направлении. Sonic Hedgehog – короткоживущий белок, поэтому он не может уйти далеко от места своего производства, и его концентрация резко падает с увеличением расстояния. Поведение клеток остальной части нервной трубки зависит от того, какое количество этого белка они получают, а это, конечно, зависит от их расстояния до вентральной пластинки.

Реакция клеток нервной трубки на градиент концентрации белка Sonic Hedgehog заключается в том, что они встают на путь специализации, который должен (в конечном итоге) привести к образованию одного из нескольких базовых типов нервных клеток. К числу таких базовых типов относятся двигательные нейроны, которые посылают сигналы непосредственно мышцам, и вставочные нейроны, которые принимают сигналы от других нейронов, обрабатывают их и передают дальше.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 30. Нотохорд производит белок Sonic Hedgehog (SHH), который распространяется к прилегающим тканям нервной трубки. Под его воздействием эти ткани образуют вентральную пластинку, которая тоже начинает синтезировать этот белок


Двигательные нейроны и вставочные нейроны находятся в разных зонах вентрально-дорсальной оси спинного мозга.[105] Они организованы принципиально разным образом: чтобы нормально функционировать, клетка должна быть или двигательным нейроном, или вставочным нейроном, но ни в коем случае не половинчатым гибридом, сочетающим черты нейронов двух типов. Поэтому возникает проблема: по законам физической химии градиент концентрации белка Sonic Hedgehog может быть только плавным, а вот реакция клеток должна быть «ступенчатой» – сначала возникает один тип клеток, потом другой. Трансляция плавного градиента сигнала в ступенчатый отклик клеток осуществляется за счет целой серии взаимодействий различных генов и белков.

Основная роль белка Sonic Hedgehog заключается в активации специфичных генов. Различные гены обладают разной чувствительностью к этому белку. В клетках развивающейся нервной трубки есть как «отзывчивый» ген, который активируется даже при низких концентрациях Sonic Hedgehog, так и «равнодушный» ген, который активируется только при высокой концентрации этого белка.[106] «Отзывчивый» ген настолько восприимчив, что активизируется сразу во всей вентральной половине нервной трубки, а «равнодушный» – только в клетках самой вентральной четверти нервной трубки, где концентрация белка достаточно высока. При этом присутствие в конкретной клетке белка, синтезированного «равнодушным» геном, отключает «отзывчивый» ген в этой клетке. Таким образом, непосредственно над вентральной пластинкой располагается зона клеток, экспрессирующих «равнодушный» ген, а над ней залегает слой клеток, экспрессирующих «отзывчивый» ген.[107] Эти зоны не перекрываются. В результате формируются обособленные полосы (рис. 31).

Вентральная пластинка наряду с нотохордом принимает участие в разметке преимущественно нижней (вентральной) части нервной трубки. Однако верхняя (дорсальная) часть нервной трубки тоже должна быть размечена, и это достигается опять же за счет сигнала от прилегающих тканей.[108] Ближе всего к дорсальной части нервной трубки залегает эктодерма, от которой совсем недавно отделилась сама нервная трубка (глава 5). Она выделяет еще один сигнальный белок, который легко распространяется до нервной трубки. Этот белок оказывает двоякое действие. Во-первых, он «отменяет» любые сигналы белка Sonic Hedgehog, если вдруг они смогли распространиться до этих районов нервной трубки. Во-вторых, под действием этого белка дорсальная часть нервной трубки сама становится центром распространения сигналов. Это очень похоже на то, что произошло в вентральной пластинке, когда под действием нотохорда центром распространения сигналов стала нервная трубка. На этот раз, однако, все не так просто. Клетки вентральной пластинки производят молекулы того же белка, который они получают от нотохорда (Sonic Hedgehog). С клетками дорсальной стороны нервной трубки ситуация иная: под действием сигнала от эктодермы они производят не тот белок, который получают, а новые сигнальные белки – WNT и BMP.[109]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 31. Градиент концентрации белка Sonic Hedgehog (SHH) возрастает, пока он синтезируется в вентральной пластинке. Клетки, подпадающие под действие этого белка, начинают специализироваться, и образуются разные зоны


Белки WNT и BMP тоже распространяются из клеток, в которых синтезируются, с образованием градиента концентрации. Этот градиент используется для образования специализированных зон в дорсальной части нервной трубки примерно так же, как градиент белка Sonic Hedgehog используется для зонирования вентральной части нервной трубки (эти процессы отличаются целым рядом молекулярных подробностей, но общая идея одна и та же).

Затем нервная трубка использует сигналы, поступающие из асимметрично расположенных тканей сверху и снизу, а также, возможно, от сомитов, чтобы аккуратно разделить ткань, состоящую из схожих клеток, на зоны с определенной структурой, каждая из которых по мере дальнейшего развития спинного мозга даст начало особому типу нервной ткани. Однако клетки нервной трубки не только получают сигналы от других тканей, но и генерируют свои собственные сигналы. Распространяясь в обратном направлении, они вносят вклад в разметку прилегающих к нервной трубке тканей. Таким образом, соседние ткани не отдают односторонние приказы, а как бы ведут разговор, обмениваясь репликами на языке биохимии белков.

Сразу после образования сомиты представляют собой простые структуры, состоящие из одного типа клеток (глава 6). Однако они дадут начало многим структурам тела, в том числе костям, мышцам, сухожилиям и внутреннему слою кожи. Поэтому внутри сомитов, как и в нервной трубке, должны возникнуть отличающиеся друг от друга области, и это тоже происходит за счет сигналов от соседних тканей.

Участки сомитов, расположенные ближе всего к дорсальной части нервной трубки, находятся под действием высоких концентраций белков семейства WNT (рис. 32). Клетки сомитов уже экспрессируют несколько иной набор генов, чем клетки нервной трубки (именно поэтому они являются клетками сомитов). Как следствие, они реагируют на сигналы белков WNT иначе, чем клетки нервной трубки. Наверное, каждый из нас сталкивался с тем, что интерпретация сигнала может зависеть от внутреннего состояния того, кто его получает. При слове suspenders англичанин и американец представят себе совершенно разные вещи,[110] и один мой американский знакомый, не знавший об этой разнице в словоупотреблении, однажды оказался в прекурьезной ситуации в фешенебельном эдинбургском универмаге. Это далеко не единственный пример. Фразу I propose we table this motion в Англии поймут как приглашение к немедленному обсуждению вопроса, а в Америке – как предложение отложить обсуждение на потом. Обилие повседневных слов и выражений, способных сбить с толку американца в Великобритании или англичанина в Америке, является хорошей иллюстрацией того, что даже в человеческих языках смысл сообщения во многом определяется не его содержанием, а внутренним состоянием адресата. С подобным явлением мы сталкиваемся и в биологии: один и тот же сигнал, например молекула белка WNT, может иметь разное значение (читай, оказывать разное воздействие) в зависимости от особенностей получающей его клетки.[111]

Когда клетки сомита получают сигналы WNT из дорсальной части нервной трубки, они начинают производить белки, необходимые для формирования мышц. Белок WNT распространяется лишь на довольно небольшое расстояние, поэтому сигнал для активации развития мышц получает только та часть сомита, которая находится ближе к нервной трубке. WNT, поступающий из другого источника, запускает образование второго центра развития мышц на наружном, нижнем крае сомита (рис. 32). В дальнейшем из клеток этих зон образуются разные мышцы: зона около нервной трубки даст начало мышцам спины, а другая зона – мышцам стенки тела.[112] Зона между ними, расположенная вдали от обоих источников WNT, станет соединительной тканью кожи (дермой).

Если бы на сомит действовали только те три типа сигналов, о которых мы только что говорили, он стал бы похож на сэндвич, в котором зона, дающая начало коже, залегает между двумя зонами, образующими мышцы.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 32. Разметка областей сомита, которые будут дифференцироваться в разных направлениях, происходит за счет сигналов от соседних тканей


Однако сомит также чувствителен к сигналам, поступающим от нотохорда и вентральной пластинки нервной трубки. В участках сомита, расположенных ближе всего к этим источникам сигналов, концентрация соответствующих сигнальных белков достаточно высока. Они блокируют сигналы, стимулирующие образование мышц и кожи, и «сообщают» клеткам, что они должны образовать соединительную ткань и кости[113],[114] (рис. 32).

Итак, обобщая сказанное в этой главе, мы видим, что окружающие ткани подают сигналы, за счет которых происходит дифференциация нервной трубки, а клетки нервной трубки реагируют на эти сигналы, в том числе и тем, что подают сигналы, под действием которых происходит разметка окружающих тканей и они приступают к дифференцировке. Таким образом, тонкая детальная разметка строения эмбриона, который еще недавно имел довольно однородное строение, является результатом многочисленных «обменов репликами» на клеточном уровне.

Ткани, о которых шла речь в этой главе, не уникальны. Те же самые общие принципы можно было бы продемонстрировать на примере любой другой группы соседних тканей. Во всем эмбрионе смежные участки тканей используют друг друга как источник сигналов для выделения внутри себя областей, клетки которых будут подвергаться дифференцировке, характер которой зависит от их расстояния до источника сигнала. Непосредственным результатом этого процесса является образование новых границ между только что дифференцировавшимися типами клеток в пределах исходно гомогенного участка ткани. Если эти типы клеток секретируют разные сигнальные белки, тот же прием можно использовать еще раз для создания еще большего количества отличающихся друг от друга областей. Это высокоэффективный механизм пространственной дифференцировки, и неудивительно, что примерно пятая часть генов человека нужна для производства белков, вовлеченных тем или иным образом в процесс клеточной сигнализации.

Клеточная коммуникация не только позволяет тканям дифференцировать внутри себя практически неограниченное число областей. Она также служит отличным механизмом борьбы с ошибками в процессе развития. Представьте себе эмбрион, в котором дифференциация участков тканей не зависела бы от положения окружающих тканей, а происходила бы каким-то иным путем, например, клетки действительно следовали бы пошаговым инструкциям к какому-то чертежу. Малейшие неточности в положении конкретных клеток приводили бы к постепенному накоплению ошибок; когда пришло бы время тканям собираться вместе, типы клетки, которые должны были бы соседствовать, оказались бы в разных местах, и развитие остановилось бы. В принципе, таким образом можно построить очень маленький и простой организм – при малом числе типов тканей и жизненно важных связей между ними ошибки просто не успеют накопиться. Однако создать «по инструкциям» организм, состоящий из сотен разных типов клеток, которые должны тонко взаимодействовать друг с другом, нельзя. Напротив, если ткани в системе полагаются на сигналы друг друга, дифференциация клеток в каждой из них автоматически происходит на правильном расстоянии от ткани, сигналы которой управляют этим процессом, даже если, скажем, эта «управляющая» ткань находится немного не там, где надо. Таким образом, организация системы подстраивается к меняющимся обстоятельствам, и ошибки не накапливаются, а корректируются на каждом этапе. Поэтому эмбрион способен справиться практически со всеми ошибками, за исключением серьезных аномалий, – постоянное «общение» клеток позволяет регулировать развитие в соответствии с реальной ситуацией, а не с абстрактным планом.

Использование общения на языке белков для регуляции дифференцировки тканей имеет одно интересное следствие для развития животных. Расстояние, на которое может распространяться белок в рабочих концентрациях, ограничено биофизическими и биохимическими законами и составляет для большинства белков около одной двадцатой доли миллиметра (50 мкм). Это означает, что длина группы клеток, использующих этот метод для нанесения разметки, предшествующей клеточной дифференцировке, как правило, составляет примерно 1/20 мм. Это относится как к расстоянию между дорсальной и вентральной частями нервной трубки, так и, например, к расстоянию между развивающимися корнями зубов или волосками. Из этого следуют две вещи. Во-первых, невозможно нанести разметку на весь эмбрион сразу. Сначала, пока эмбрион еще достаточно мал, нужно нанести грубую разметку, а потом, когда уже намеченные части увеличатся в ходе роста эмбриона, можно приступать и к их детализации. Это одна из причин того, почему человеческое развитие не может идти по пути создания крошечного, но полноценного ребенка, который затем только увеличивался бы в размерах. Последовательные фазы детализации должны быть распределены по этапам роста. Сначала обособляются голова и туловище, потом, когда голова вырастает, намечается, например, челюсть, затем, когда увеличивается челюсть, намечается положение зубов и так далее.

Второе следствие заключается в том, что нанесение любой разметки, например выделение зон нервной трубки, может произойти только на определенном этапе развития, когда размер эмбриона находится в довольно строгих границах. В частности, это означает, что на этом этапе развития зародыши землеройки, человека и синего кита должны быть практически одного размера. Эволюционное сходство животных – скажем, лошадей, китов и летучих мышей, которые, будучи очень разными, относятся к одному и тому же классу, – гораздо отчетливее видно на эмбрионах, чем на взрослых особях.

Глава 8

Внутренние путешествия

Когда дорога вся в цветах, уже не спрашивают, куда она ведет.

Анатоль Франс

Те клетки, которые сформируют лицо взрослого человека, располагаются в задней части головного отдела эмбриона. Те клетки, которые станут чувствительными нервами и пигментными клетками кожи, сначала находятся в районе позвоночника. А те клетки, которые стали вашими сперматозоидами или яйцеклетками, вообще какое-то время лежали за пределами вашего тела. Эти и многие другие подобные факты подчеркивают зависимость нашего развития от способности клеток раннего эмбриона перемещаться из одного места в другое. Миграции на клеточном уровне не менее удивительны, чем великие путешествия птиц и рыб, издавна восхищавшие зоологов, а возможно, и более, если учесть, что клетки, в отличие от птиц, перемещаются в постоянно меняющейся среде и делают это с исключительной точностью, хотя у них нет ни глаз, ни мозга, ни возможности учиться у родителей.

Чтобы понять, как это возможно, давайте разделим вопрос на две части. Сначала рассмотрим сам механизм движения клеток, а затем подумаем, за счет чего они двигаются в нужном направлении.

Способность клеток к движению возникла очень давно, за сотни миллионов лет до появления многоклеточных организмов. Основы механизма клеточной подвижности были заложены одновременно с возникновением первых эукариотических клеток (бактерий), ползавших по юной Земле в поисках пищи, и остались практически неизменными по сей день. Двигатель, который позволяет клеткам ползать, состоит из нескольких взаимосвязанных механизмов. Один выталкивает переднюю часть (лидирующий край) клетки вперед, другой обеспечивает образование новых контактов между клеткой и субстратом, по которому она движется, а третий использует эти контакты для подтягивания тела клетки, чтобы оно не отставало от движущегося вперед лидирующего края. На этих механизмах стоит остановиться более подробно, так как они представляют собой замечательный пример самоорганизации простых элементов в сложные системы более высокого уровня.

Механизм, выталкивающий вперед лидирующий край клетки, основан на работе тонкой сети белковых микрофиламентов, о которых уже шла речь в главе 5. Там мы говорили о том, что эта сеть позволяет поддерживать поле механических напряжений внутри эпителиальных пластов. Микрофиламенты в основном состоят из белка актина. Отдельные молекулы актина маленькие и компактные, но они могут связываться друг с другом и образовывать длинные тонкие нити (это и есть микрофиламенты) (глава 1). Новые молекулы актина легко присоединяются к свободным концам уже существующих цепочек, но лишь медленно и неохотно образуют цепочку «с нуля». Это означает, что новые микрофиламенты редко образуются в клетке без посторонней помощи, однако уже существующие микрофиламенты, как правило, быстро удлиняются. Формированию новых нитей способствуют белки, инициирующие полимеризацию актина. В клетке несколько типов таких белков, и они используются для разных целей. Те из белков, инициирующих полимеризацию актина, которые играют важную роль в движении клетки, обладают особым свойством: они работают только тогда, когда могут присоединиться к уже существующим актиновым нитям. Как следствие, новые нити образуются в основном как ответвления существующих нитей, а эти новые нити рано или поздно тоже образуют ответвления[115] (рис. 33).

Если бы белки, инициирующие полимеризацию актина, всегда были активны, клетка задохнулась бы в густой сети микрофиламентов. Этого не происходит, потому что эти белки, как правило, неактивны и должны активироваться другими молекулами. Некоторые из таких молекул крепятся к внутренней поверхности клеточной мембраны, поэтому белки, инициирующие полимеризацию актина, активируются только непосредственно под мембраной. Важно отметить, что они сохраняют активность лишь в течение короткого промежутка времени, а затем снова теряют ее. Это означает, что белки, инициирующие полимеризацию актина, активны в основном на внутренней поверхности клеточной мембраны и до дезактивации успевают продвинуться лишь на небольшое расстояние к центру клетки. Таким образом, новые актиновые нити образуются только в зоне, лежащей непосредственно под клеточной мембраной.

Актиновые филаменты, растущие в направлении клеточной мембраны, рано или поздно наталкиваются на нее. Именно за счет совместных усилий тысяч отдельных актиновых нитей передний край клетки и продвигается вперед.[116] Однако белки, инициирующие полимеризацию актина, не знают, где же, собственно, у клетки должен быть передний конец. Это, в конце концов, просто крупные молекулы, и в их структуре не зашифрована никакая карта. Многие из них инициируют образование ветвей, направленных в обратную сторону, то есть вглубь клетки. Дальнейшее удлинение таких бесполезных ответвлений было бы пустой тратой сил, но у клетки есть способы его предотвратить. Центральная часть клетки содержит много так называемых кэпирующих белков, которые «ставят заглушку» на конец нити и блокируют ее рост.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 33. Образование боковых ответвлений уже существующей актиновой нити за счет белковых комплексов, инициирующих полимеризацию актина


Если белки, инициирующие полимеризацию актина, обычно неактивны и активируются только после вовлечения прикрепленных к мембране молекул, то кэпирующие белки, наоборот, в норме активны и инактивируются молекулами мембраны. Поэтому нити, растущие по направлению к мембране, сталкиваются с кэпирующим белком в неактивном состоянии и могут свободно расти дальше, а нити, которые растут в неправильном направлении (вглубь клетки), быстро кэпируются. Таким образом, рост микрофиламентов в направлении мембраны основан на простой асимметрии среды клетки[117] (рис. 34).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 34. Активация белков, инициирующих полимеризацию актина, и инактивация кэпирующих белков на мембране создают асимметрию среды, и в результате большинство новых микрофиламентов растет по направлению к мембране, а рост филаментов в других направлениях быстро блокируется


Согласованное действие белков на лидирующем крае клетки приводит к тому, что под давлением концов растущих актиновых нитей мембрана этого края проталкивается все дальше вперед. Согласно Третьему закону Ньютона («действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие»), если актиновые филаменты толкают мембрану вперед, то мембрана, в свою очередь, толкает филаменты назад. Если бы система микрофиламентов просто плавала в клетке, все попытки подтолкнуть мембрану вперед приводили бы к тому, что система «отплывала» бы назад. Чтобы этого не случилось, задний конец системы микрофиламентов должен быть закреплен на поверхности, по которой клетка двигается. Это достигается за счет комплексов адгезионных белков.[118]

Адгезионные комплексы не только предоставляют микрофиламентам «точку опоры». Они также позволяют остальной части клетки следовать за лидирующим краем, а не оставаться где-то позади. На некотором расстоянии от разветвленной сети лидирующего края клетки актиновые нити, как правило, образуют «кабели» из множества параллельных нитей, сшитых белком миозином, который может поддерживать эти кабели в натянутом состоянии. Это точно такие же кабели, как те, которые соединяют между собой межклеточные контакты (см. главу 5). В цитоплазме лидирующего края клетки эти кабели не образуются, так как миозин там инактивируется. В остальной части клетки миозин активен, и образование кабелей из актиновых нитей возможно (рис. 35). Поэтому они тянутся от задней части лидирующего края клетки (самая передняя область, в которой они могут формироваться) назад через всю клетку. А поскольку кабели также связаны с адгезионными комплексами, их натяжение (за счет миозина) приводит к подтягиванию и продвижению основной части клетки вперед, к передним концам кабелей. Некоторый вклад в продвижение клетки вносит также укорачивание кабелей за счет разборки.[119] Таким образом, в адгезионных комплексах действуют два вида сил: во-первых, от них отталкивается сеть актиновых нитей ведущего края, чтобы продвинуть переднюю часть клетки, а во-вторых, к ним крепятся толстые кабели, подтягивающие остальную часть клетки вперед. Эти силы даже удалось измерить экспериментально, выращивая клетки на очень тонких и эластичных поверхностях, которые заметно деформируются за счет толкания и натяжения.[120] Адгезионные комплексы развиты сильнее всего сразу за передним краем клетки и слабеют по мере того, как клетка «перетекает» вперед. Ослабленные адгезионные комплексы, сместившиеся к заднему краю клетки, больше не крепятся к субстрату, и тогда вся клетка может переместиться вперед.

Таким образом, небольшой набор компонентов – актин и несколько белков, регулирующих его поведение, – может использовать для самоорганизации простую асимметрию клеточной среды (степень удаленности конкретной части клетки от мембраны) и создавать «двигатель», обеспечивающий перемещение клетки. Все эти белки, конечно, кодируются генами в ядре, но, помимо производства белков, ядро и гены не принимают никакого участия в создании «двигателя».


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 35. Схема расположения тонких микрофиламентов у переднего края клетки, адгезионных комплексов в задней его части и актин-миозиновых «кабелей», идущих в заднем направлении


Это было прекрасно продемонстрировано в экспериментах с клетками рыб: небольшие фрагменты клеток, лишенных ядра (а значит и генов), были вполне способны к перемещению. Обеспечивает эту способность набор белков – именно набор, а не какой-то конкретный белок.

Итак, мы ответили – по крайней мере, в общих чертах – на первую часть вопроса о клеточных миграциях. Мы поняли, за счет чего клетки вообще способны к движению. Теперь нужно понять, как они могут перемещаться в определенном направлении. Клетки эмбриона используют два подхода к решению этой проблемы (либо по отдельности, либо, что бывает чаще, вместе). Один заключается в предоставлении клеткам выбора между поверхностями с разными адгезионными свойствами, а другой – в работе молекул, которые усиливают активацию белков, инициирующих полимеризацию актина, в передней части клетки.

Организацию направленного перемещения клеток за счет дифференциальной адгезии проще всего рассмотреть на примере ряда экспериментов последних десятилетий ХХ века. В лабораторных условиях клетки можно выращивать на самых разных поверхностях – от пластика до сложных биологических молекул. Адгезионные свойства этих поверхностей можно расположить в порядке возрастания просто на основании того, насколько легко или трудно смыть клетки с той или иной поверхности струей воды. Когда клетки помещают на поверхность с «мозаичной» текстурой (некоторые части обладают большей адгезией, чем другие), они беспорядочно перемещаются, пока не достигнут границы. Там клетки могут выбрать, куда им двигаться, и они выбирают поверхность с более сильной адгезией. Этому есть простое объяснение. Рассмотрим клетку, которая расположена на границе скользкой и липкой поверхностей (рис. 36). По определению, та часть, которая находится на более липкой поверхности, будет формировать больше адгезионных контактов, чем другая часть. Сеть тонких филаментов в области переднего края будет хорошо «заякорена», и лидирующий край клетки, отталкиваясь от этого якоря, будет быстро продвигаться вперед. На скользкой поверхности такого «якоря» нет, поэтому лидирующий конец будет расходовать силы на движения в обратном направлении.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 36. Оказавшись на границе между двумя поверхностями, одна из которых благоприятствует формированию адгезионных комплексов, а другая – нет, клетка переместится на поверхность с более высокой адгезией


Актин-миозиновые «кабели», которые подтягивают основную часть тела клетки вперед, тоже будут лучше крепиться на липком субстрате, что облегчит движение тела клетки в этом направлении. Поэтому и лидирующий край клетки, и ее тело будут заведомо лучше двигаться по липкой поверхности, а значит, туда-то клетка и направится.

В течение нескольких лет ученые сомневались в том, что направленное перемещение клетки за счет адгезии основано на чисто механическом взаимодействии. Высказывались предположения, что сигналы от адгезионных комплексов стимулируют белки, инициирующие полимеризацию актина, то есть направленное перемещение происходит за счет химических процессов. Сомнения развеял один изящный эксперимент,[121] в ходе которого исследователи поместили крошечный стеклянный шарик, покрытый молекулами с хорошей адгезией, на верхнюю поверхность лидирующего края клетки. Шарик прилип к адгезионным комплексам, и сеть актиновых филаментов лидирующего края пыталась использовать его в качестве «якоря» для отталкивания. Шарик не был ни к чему прикреплен, поэтому он просто откатывался назад, а лидирующий край клетки вперед не продвигался. На направление движения клетки это не влияло. Однако когда авторы эксперимента зафиксировали шарик при помощи тончайшей стеклянной нити, лидирующий край клетки начал быстро продвигаться вперед, и клетка стала двигаться в направлении шарика. Химические сигналы были одинаковы в обоих случаях, механическая сила появлялась только тогда, когда шарик был закреплен. Этот эксперимент убедительно показал, что направленное движение клеток в принципе может происходить только под действием механических сил в отсутствие каких-либо химических различий.

Тем не менее, хотя в ряде случаев направленное движение клеток действительно происходит чисто механическим путем, в других случаях химическая сигнализация играет очень важную роль. Некоторые молекулы на поверхности не используются для адгезии, а распознаются специальными рецепторами на клеточной мембране, которые активируют сигнальные пути внутри клетки. Некоторые рецепторы и сигнальные пути локально стимулируют активность белков, инициирующих полимеризацию актина, а значит, способствуют локальному продвижению лидирующего края клетки. Другие действуют прямо противоположным образом, подавляя продвижение лидирующего края; в этом случае клетки избегают подобных поверхностей.

Эксперименты со стеклянными шариками и мозаичными поверхностями – это любопытно, но как связана склонность клеток выбирать более липкую поверхность с клеточными миграциями в сложной внутренней среде эмбриона? Если, например, клетки просто выбирают поверхность с более сильной адгезией, то как могут разные клетки одновременно следовать разными маршрутами (которые к тому же иногда пересекаются)? Ответ на этот вопрос отчасти заключается в том, что существует множество разных типов адгезионных комплексов, и каждый из них сильнее всего связывается с определенным поверхностным белком. Например, адгезионный комплекс α6β1-интегрин связывается с поверхностным белком ламинином, а аналогичный комплекс α5β1-интегрин связывается с другим поверхностным белком – фибронектином. Разные типы клеток несут специфические комбинации адгезионных комплексов. Клетки с адгезионным комплексом α6β1-интегрином будут «считать» ламинин поверхностью с сильной адгезией, а клетки с α5β1-интегрин – не будут. Это означает, что разные типы клеток будут выбирать разные направления движения, даже если они движутся по одним и тем же поверхностям.

Неподвижные клетки развивающихся тканей эмбриона синтезируют поверхностные молекулы, такие как ламинин и фибронектин. При этом разные типы клеток секретируют поверхностные молекулы в разных сочетаниях. Это означает, что ползущая клетка воспринимает разные ткани эмбриона как местность с разнообразным и мозаичным рельефом: одни поверхности более липкие, другие – менее липкие, некоторые также несут сигнальные молекулы, привлекательные или непривлекательные для клетки. Разные типы ползущих клеток «видят» этот ландшафт по-разному в зависимости от того, какие адгезионные комплексы и рецепторы они несут, и поверхность, исключительно привлекательная для одного типа клеток, может оказаться абсолютно непривлекательной для другого типа клеток. Это еще один пример того, что смысл знака зависит от интерпретации. Полной информации об означаемом знак сам по себе не несет. Таким образом, каждый тип клеток может продвигаться по эмбриону своим путем.

Мы постоянно узнаем что-то новое о путях миграций клеток по эмбриону, однако того, что мы уже знаем, достаточно для того, чтобы проиллюстрировать только что изложенные общие принципы конкретными примерами. Каждый из описанных случаев относится к популяции клеток, которая отделяется от самой дорсальной части нервной трубки и мигрирует, распадаясь на потоки неплотно соединенных клеток, к разным частям организма. Эти клетки названы по месту их происхождения «клетки нервного гребня», и разные популяции этих клеток имеют разную судьбу. Они дают начало, во-первых, сенсорным клеткам, отвечающим за передачу спинному и головному мозгу тепловых, болевых и тактильных ощущений, а также информации о местоположении, во-вторых, вегетативной нервной системе, отвечающей за неподконтрольные сознанию функции органов, например частоту сердечных сокращений. В-третьих, клетки нервного гребня формируют основную часть надпочечной железы, которая выделяет гормоны (например, адреналин). В-четвертых, они дают начало пигментным клеткам, защищающим кожу от ультрафиолетового излучения. Разные судьбы клеток нервного гребня связаны с разными путями миграции.

Клетки нервного гребня, которые первыми отделяются от нервной трубки, обзаводятся рецепторами, обладающими высоким сродством к поверхностным белкам ламинину и фибронектину (рис. 37). Поэтому они идут по тем миграционным путям, которые содержат эти белки. Кроме того, клетки нервного гребня производят рецепторы, позволяющие опознавать молекулу под названием эфрин (см. рис. 37), но сродство к этой молекуле у них, наоборот, низкое.[122] Много ламинина и фибронектина вырабатывается в сомитах, лежащих по бокам нервной трубки, а также в клетках нижней поверхности эктодермы, залегающей над сомитами и нервной трубкой (см. рис. 37). Многие клетки сомитов также синтезируют эфрин и, следовательно, не являются привлекательными для только что появившихся клеток нервного гребня. Все клетки задней части сомита, которая позднее сформирует костную часть позвонка, производят эфрин, а некоторые – также другие молекулы с теми же свойствами.[123] В передней части сомита экспрессия эфрина организована несколько более сложным образом: он вырабатывается только в той части, которая лежит непосредственно под эктодермой.

Когда клетка нервного гребня покидает нервную трубку рядом с передней частью сомита, она детектирует эфрин и слева, и справа, и сзади (в задней части сомита), и спереди (в задней части предыдущего сомита). Поэтому ни в одном из этих направлений она мигрировать не может. Двигаться в дорсальном направлении она тоже не может, так как уже находится прямо на дорсальном краю эмбриона. Ей остается только одно – погрузиться вниз (в вентральном направлении) в массу клеток сомита, где много ламинина и фибронектина, а эфрина нет. Так задается направление движения клеток нервного гребня – они погружаются в неплотную ткань передней половины каждого сомита, где могут свободно передвигаться.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 37. Клетки нервного гребня перемещаются по определенным маршрутам, размеченным определенными молекулами (их выделяют ткани, по которым проходит маршрут)


При погружении клетки нервного гребня встречают ткани, выделяющие белок нейрегулин (см. рис. 37). Некоторые из клеток нервного гребня, погрузившихся в сомит, производят рецепторы, чувствительные к нейрегулину, и он привлекает их. Поэтому эти клетки проходят сквозь сомит и оказываются в еще более привлекательных тканях,[124] расположенных рядом с аортой – главным кровеносным сосудом, проходящим по всей длине туловища (глава 9). Еще глубже залегают ткани, которые окружают развивающуюся кишку. Они продуцируют молекулы, непривлекательные для мигрирующих клеток. Это служит гарантией того, что клетки, двигающиеся из сомита вниз по тканям вокруг аорты, не опустятся слишком низко. Итак, клетки нервного гребня теперь находятся в привлекательной для них среде, а в нижележащих тканях им делать нечего.[125] Поэтому они остаются в тканях рядом с аортой. Аорта выделяет белок, под действием которого клетки нервного гребня дают начало симпатической нервной системе (она управляет работой наших внутренних органов независимо от нашего сознания).

Ситуация, при которой клетки нервного гребня превращаются в нервную ткань под действием белков, образующихся в тканях «пункта назначения», представляет собой изящный метод защиты от ошибок. Если бы окончательное местоположение и начало дифференцировки мигрирующих клеток определялись внутренними факторам, например «клеточными часами», которые заставляли бы их приступать к образованию ткани после определенного времени, проведенного в странствиях, то они могли бы приступить к дифференцировке, даже не достигнув нужного места. А если бы заблудившиеся клетки, несмотря ни на что, приступали бы к образованию тканей, островки тканей могли бы образоваться в самых неподходящих местах. Понятно, что это было бы нехорошо. Зависимость начала дифференцировки от сигналов из места назначения служит гарантией того, что не достигшие цели клетки продолжают ее искать, а не приступают к дифференцировке где попало.

Если клетки нервного гребня, первыми покидающие нервную трубку, обычно движутся через сомиты к аорте, клетки, покидающие ее немного позже, чаще всего останавливаются в сомите. Покинув нервную трубку, эти клетки экспрессируют рецептор к белку SDF-1 (см. рис. 37), который продуцируют клетки сомитов. Когда эти клетки нервного гребня входят в сомит, они находят там SDF-1 и под его действием прекращают миграцию и остаются в тканях сомита.[126] Там они собираются вместе и в конечном итоге формируют фрагмент нервной системы – сенсорный ганглий, передающий сенсорную информацию в спинной мозг.

Через некоторое время после начала только что описанных миграций от нервной трубки отделяется третья популяция клеток нервного гребня. Она непохожа на две предыдущие. Эти клетки тоже производят белки, необходимые для клеточного движения, а также рецепторы к ламинину, фибронектину и эфрину, но, кроме того, они продуцируют внутренние белки, которые заставляют их считать эфрин привлекательным.[127] Когда клетки «третьей миграционной волны» покидают нервную трубку, оказывается, что и слева, и справа от них, в частях сомитов под эктодермой спины, есть эфрин. Поэтому они сразу направляются в эти ткани. Таким образом, они следуют по совершенно иному маршруту, чем клетки первых двух «миграционных волн», и остаются непосредственно под эктодермой эмбриона. Это важно, потому что эти клетки, как выясняется, уже вступили на путь дифференцировки и готовы стать пигментными клетками кожи.

Такая детерминация третьей популяции клеток нервного гребня поднимает один важный вопрос. В принципе популяция клеток нервного гребня может пойти по тому или иному пути двумя способами. По аналогии со старыми спорами о поведении человека можно сказать, что речь идет о выборе между «природой» и «воспитанием». Согласно теории «воспитания», ранее считавшейся справедливой, клетки изначально идентичны и приступают к дифференцировке в зависимости от окружения, в котором оказываются.[128] В случае «природной» обусловленности изначальные различия в характере экспрессии генов («природе») клеток сообщают им верное направление, чтобы они нашли место, соответствующее их предопределенной судьбе. Теперь мы знаем, что в случае клеточной дифференцировки «природа» важнее «воспитания» – достаточно посмотреть, как клетки вырабатывают различные наборы белков, которые заставляют их по-разному интерпретировать сигналы при выборе маршрута,[129] – хотя, как было отмечено выше, «пункт назначения» тоже играет важную роль, подавая сигнал прекратить миграцию и приступить к дифференцировке. Надо отметить, что признанная справедливой «природная» теория не помогает нам ответить на вопрос о том, как клетки нервного гребня выбирают свою дальнейшую судьбу, она просто говорит о том, что ответ надо искать на более раннем этапе, когда клетки еще не покинули нервную трубку.

Предыдущие страницы были посвящены исключительно клеткам нервного гребня туловищного отдела эмбриона. Клетки нервного гребня, начинающие свой путь из области шеи, головы и хвоста, имеют иную судьбу, а точнее, целый спектр возможных судеб. Они дают начало структурам, отвечающим за иннервацию кишки, костным элементам лица, пигментным клеткам радужной оболочки глаза, некоторым структурам уха и сердца. Эти клетки, как и те, о которых шла речь, следуют разными путями в зависимости от их будущей судьбы. Подробный рассказ о них был бы утомителен, поэтому ограничусь замечанием, что каждый из них столь же сложен, как и только что описанные пути. Это означает, что для правильной миграции клеток необходимо, чтобы они продуцировали много определенных веществ в нужное время. Генетические мутации, нарушающие нормальный синтез этих веществ (например, мутации, которые повреждают ген, кодирующий один из вовлеченных в процесс белков), вызывают врожденные дефекты развития. Эти дефекты известны под общим названием нейрокристопатии (заболевания, связанные с нервным гребнем). Например, некоторые мутации нарушают передачу сигналов, ведущих клетки нервного гребня из шейного и хвостового отдела в кишечник для создания там нервной системы.[130] У людей с этим дефектом частично или полностью отсутствует иннервация пищеварительной системы. Пища и непереваренные остатки плохо продвигаются по пищеварительному тракту, что приводит к очень тяжелым запорам – так называемой болезни Гиршпрунга. В большинстве случаев этой болезни требуется хирургическое вмешательство в раннем детстве. Другой набор мутаций – в генах, контролирующих внутреннее состояние и дифференцировку клеток нервного гребня, вызывает синдром Ваарденбурга.[131],[132],[133],[134] При этом расстройстве нарушения миграции или дифференциации клеток нервного гребня (особенно пигментных клеток) приводят к проблемам со слухом, с пигментацией радужной оболочки глаза и волос (часто встречается седая прядь на лбу) и в случае некоторых мутаций также к болезни Гиршпрунга. При образовании структур лица клеткам нервного гребня в области головы нужны определенные белки, такие как Treacle, чтобы активно размножающимся клеткам хватало строительных материалов. Мутации гена, кодирующего этот белок, приводят к нехватке основных строительных материалов, истощению и гибели многих клеток. Оставшихся клеток недостаточно для образования нормального лица, и рождается человек с синдромом Тричера—Коллинза[135] – с лицом необычной формы, раскосыми глазами, неразвитыми щеками, маленькой нижней челюстью, опущенными веками и недоразвитыми или отсутствующими мочками ушей.

Природа генов, мутации в которых приводят к нейрокристопатии, подчеркивает один важный момент, касающийся связи между развитием, генетикой и заболеваниями. В популярных статьях и даже в некоторых научных работах нередко встречается фраза «ген такой-то болезни». Если заболевание выражается в утрате или нарушении определенной структуры, например лица, это выражение создает впечатление, что нормальный (не несущий мутацию) ген отвечает за создание этой структуры. Однако, если рассмотреть белки, кодируемые генами, мутации в которых вызывают нейрокристопатию, станет ясно, что они являются частью сложнейших многокомпонентных механизмов, выполняющих такие задачи, как управление клеточными миграциями. Эти задачи решаются для другого структурного уровня и для другого пространственного масштаба (лицо по сравнению с ними – слишком сложная и крупная структура). Белок Treacle (как бы мы ни напрягали воображение) вовсе не формирует лицо. Он всего лишь играет некоторую роль в обеспечении эффективного синтеза рибосом – молекулярных «фабрик белка» (глава 1). Эта простая биохимическая задача не имеет прямого отношения к созданию лица. Однако при нарушении работы этого белка в клетках нервного гребня головы возникает резкая нехватка рибосом, что приводит к их стрессу и гибели.[136] Оставшихся клеток недостаточно для формирования нормального лица. Этот дефект и создает иллюзию того, что белок Treacle «отвечает» за формирование лица, в то время как на самом деле он только способствует образованию рибосом.

Общий вывод из примера с белком Treacle в равной мере справедлив и для подавляющего большинства других случаев: считать, что функция гена заключается в создании какой-то конкретной структуры тела, – это серьезное заблуждение. Если бы выдумки на генетическую тему ограничивались научной фантастикой, все было бы хорошо, но искаженное представление о том, что именно делают гены, приводит в том числе к необоснованному мнению о том, что спроектировать внешний вид организмов или их частей очень легко – достаточно поиграть с несколькими «дизайнерскими генами». На самом деле все части тела созданы сетью взаимодействующих белков, каждый из которых кодируется определенным геном. Если мы хотим узнать, как это происходит и как можно – к добру или к худу – что-то в этом изменить, то мы должны понять развитие человека не на уровне отдельных генов, а на уровне взаимодействующих сетей.

В качестве примера клеточных миграций я выбрал миграцию клеток нервного гребня, но это далеко не единственный тип мигрирующих клеток. На большие расстояния перемещаются клетки, дающие начало сперматозоидам и яйцеклеткам (глава 10), а также клетки, образующие кровеносную систему (глава 9). Огромное количество типов клеток мигрирует на короткие расстояния, организуясь в тесные группы, формирующие кости и части органов тела (глава 12). В ходе развития нервной системы небольшие группы клеток, мигрируя, создают длинные тонкие отростки (аксоны и дендриты), соединяющие нервные клетки друг с другом, а также с рецепторами и мышцами (глава 13). Защитные клетки иммунной системы способны мигрировать к очагам инфекции даже во взрослом организме (глава 17). Есть и печальные примеры: многие раковые клетки снова активируют механизмы миграции и распространяются из исходной опухоли в другие места, образуя метастазы. Существенная часть интенсивных исследований механизмов клеточного движения при нормальном развитии финансируется фондами изучения рака в надежде на то, что понимание нормальной миграции клеток поможет объяснить, как можно остановить опасный процесс метастазирования раковых клеток. Это лишь один из примеров того, как «чисто теоретические» эмбриологические исследования оказываются тесно связаны с решением насущных проблем, затрагивающих вопросы жизни и смерти конкретных людей.

Глава 9

Прокладка труб

Человек – ходячий шедевр водопроводных работ.

Кристофер Морли

Клетки – объекты очень малого размера: как правило, около сотой доли миллиметра. Белки, которые участвуют во внутриклеточных реакциях, еще меньше: их радиус – примерно десятимиллионная доля миллиметра, а молекулы воды, в которой растворены белки, намного меньше их самих. На молекулярном уровне содержимое клетки находится в постоянном движении. Это не имеет никакого отношения к тому факту, что клетки живые. Движение, о котором я говорю, с тем же успехом продолжится и в мертвой клетке, впрочем, как и в теплом супе. Оно вытекает из основных законов физики. При любой температуре выше абсолютного нуля молекулы совершают случайные колебания и движения (температура – просто мера этой энергии движения, усредненная по популяции молекул). Движущиеся молекулы иногда сталкиваются, а затем отскакивают друг от друга. Если крупные молекулы, например белки, растворены в воде, молекулы воды сталкиваются и с ними, сообщая им часть своего импульса, поэтому молекулы белков тоже находятся в постоянном хаотичном движении.

Этот эффект можно наблюдать и на более крупных и тяжелых объектах, чем белки, например на пылинках. Римский поэт и ученый Лукреций еще в 60 г. до н. э. предположил, что хаотический «танец» частиц дыма в воздухе может быть связан с быстрым движением «атомов» (именно так он их назвал) – невидимые простым глазом, они случайно сталкиваются с частицами.[137] В жидкостях этот эффект впервые наблюдал Ян Ингенхауз в 1785 г., а 42 года спустя его вновь описал шотландский ботаник Роберт Броун. В его честь движение растворенных или взвешенных в жидкости частиц называют «броуновским» (что несколько несправедливо по отношению к Ингенхаузу), а открытие того, что это движение возникает из-за столкновения с невидимыми атомами или молекулами, обычно приписывают Эйнштейну (что несколько несправедливо по отношению к Лукрецию).

Броуновское движение имеет большое значение для развивающегося эмбриона, потому что хаотичное движение молекул является автоматическим механизмом транспортировки растворенных веществ (пищи, кислорода и «стройматериалов») туда, где они нужны. Ферменту, которому требуется конкретное вещество, остается только ждать, когда хаотическое движение приведет это вещество в контакт с ним. Этот механизм хорошо работает на небольших расстояниях, но, учитывая, что хаотично движущиеся молекулы часто меняют направление движения, при увеличении расстояния эффективность транспортировки падает. Для растущего эмбриона это очень существенно: поскольку пища и кислород поступают через стенки матки, клетки, находящиеся глубоко внутри развивающегося организма, рискуют остаться без необходимых веществ и погибнуть голодной смертью. Максимальное расстояние, на котором обычная клетка млекопитающего в плотной ткани может получать питательные вещества за счет случайной тепловой диффузии, в несколько десятков раз превышает диаметр клетки (некоторые специализированные клетки, в частности клетки скелета и связанных с ним тканей, могут находиться дальше от источника питательных веществ). Эмбриону бо́льшего размера – а центр туловища взрослого человека лежит на расстоянии примерно в тридцать тысяч клеточных диаметров от кожи – необходимо разработать систему эффективного транспорта питательных вещества в глубоко лежащие ткани. Такая система должна подводить питательные вещества достаточно близко к каждой клетке, чтобы они могли преодолеть оставшееся расстояние за счет хаотической тепловой диффузии. В организме человека и других позвоночных проблема решается за счет циркуляции жидкости-носителя – крови – по тончайшим трубочкам, расходящимся по всем уголкам тела.

Для работы кровеносной системы нужны четыре основных компонента: жидкая составляющая крови, переносящая основную часть питательных веществ и токсинов; свободно плавающие в ней клетки крови, отвечающие за перенос кислорода (транспортировать кислород в растворенном виде проблематично); замкнутая система труб для подведения крови к тканям; и насос для поддержания циркуляции крови между тканями, в которых кровь обогащается полезными веществами, и тканями, которые расходуют их. Все ткани развивающегося эмбриона потребляют питательные вещества и выделяют продукты обмена. В плаценте кровь эмбриона подходит очень близко к крови матери, которая обновляется и очищается с помощью легких, кишечника, печени и почек. Так как молекулы могут довольно свободно циркулировать между кровеносными системами матери и эмбриона, их концентрация, как правило, стремится к равновесию, поэтому в плаценте истощенная кровь эмбриона обогащается кислородом и питательными веществами и избавляется от отходов. Поэтому кровь эмбриона должна циркулировать по кругу от плаценты к телу эмбриона и обратно. Для этого должна появиться система кровеносных сосудов и «насос».

Сосудистая система эмбриона человека возникает в виде двух основных частей. Одна из них находится за пределами эмбриона, в желточном мешке, а другая – внутри эмбриона. Обе части важны и вместе формируют единую систему, но, чтобы немного упростить тему, в этой главе мы сосредоточимся главным образом на той части кровеносной системы, которая располагается в организме эмбриона.

Клетки, которые дадут начало первым кровеносным сосудам эмбриона, можно впервые различить в мезодерме[138] на самом краю тела эмбриона примерно в то время, когда формируется нервная трубка[139] (глава 5; рис. 38). Их формирование и размножение запускается сигнальным белком, VEGF, который секретируется другими областями мезодермы, а также эндодермой.[140],[141] В ответ на сигналы эти клетки – гемангиобласты[142] – начинают размножаться и производить белки, характерные для кровеносных сосудов. Это мигрирующие клетки; они чувствительны к сигнальным белкам, которые синтезируются сомитами, и мигрируют в направлении источника этих белков. Итак, гемангиобласты перемещаются от края эмбриона к средней линии его тела[143],[144] (рис. 38, б).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 38. Закладка аорт – первых артерий эмбриона: (а) эмбрион (вид сверху и в разрезе) на ранних стадиях формирования сомитов; гемангиобласты образуются в наружных частях мезодермы. На схеме (б) эти клетки начали мигрировать и формировать тяжи по бокам нотохорда, а на схеме (в) тяжи уже приобрели просвет. Они дадут начало разным частям аорты, которые пока что изолированы друг от друга


Если бы сигналов больше не поступало, развитие гемангиобластов остановилось бы. Продолжение развития, как и многие другие события в районе средней линии раннего эмбриона, зависит от сигналов белка Sonic Hedgehog, который вырабатывается нотохордом.[145] В присутствии этого белка гемангиобласты «прилипают» друг к другу, образуя сеть связанных клеток. Клетки, которые сошлись под сомитами, формируют такую плотную сеть, что с обеих сторон эмбриона она принимает вид плотных тяжей, проходящих под сомитами (см. рис. 38, б). Эти тяжи затем становятся полыми трубками (рис. 38, в). Механизм этого преобразования напоминает то, что происходило в первые дни жизни эмбриона, когда трофэктодерма отделялась от внутренней клеточной массы (глава 3). Клетки на наружной стороне тяжа находятся в контакте не только с другими гемангиобластами, но и с обычной мезодермой; благодаря этой асимметрии они выживают и образуют эпителиальный пласт цилиндрической формы. Клетки внутренней части стержня, наоборот, окружены только другими гемангиобластами. Отсутствие асимметрии заставляет их активировать программу «клеточного самоубийства» – они погибают, и образуется пустое пространство (роль клеточного самоубийства в развитии будет подробнее рассмотрена в главе 14). В результате сплошной тяж превращается в полую трубку со стенками, состоящими из поляризованных эпителиальных клеток (рис. 39). Так формируются две аорты – слева и справа от центральной линии.

Важность поступления белка Sonic Hedgehog из эндодермы была показана в экспериментах двух типов, выполненных одной и той же исследовательской группой.[146] В первом эксперименте удаляли эндодерму, ликвидируя таким образом основной источник этой молекулы, и аорта не формировалась. Во втором эксперименте чистый белок Sonic Hedgehog добавили искусственным путем в эмбрион, лишенный эндодермы, и образование кровеносных сосудов налаживалось. Роль белка Sonic Hedgehog подтверждается тем фактом, что даже в простых чашках Петри можно заставить гемангиобласты создавать цепь сосудистых трубок, просто добавив этот белок.

Учитывая, что под влиянием сигнальных белков гемангиобласты слипаются друг с другом, есть риск того, что они образуют только один тяж, идущий вдоль средней линии тела. Чтобы этого не произошло, в действие вступают сигнальные белки малого радиуса действия, такие как Noggin. Их источником является нотохорд. Поскольку пространство под нотохордом (между ним и эндодермой) ограничено, эти белки эффективно блокируют формирование кровеносных сосудов вдоль средней линии. В результате образуются две отдельные аорты – по одной на каждой стороне тела[147] (рис. 40). Такое расположение сосудов нормально для раннего эмбриона, но в дальнейшем меняется по мере созревания плода.[148]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 39. Предполагаемая схема того, как плотный тяж гемангиобластов превращается в полый сосуд. (Происходит ли это именно так у человека, непонятно, но для других животных эта схема справедлива.) Внешний клеточный слой (его клетки асимметричны, так как контактируют не только с другими гемангиобластами) поляризуется, образуя герметичную трубку. Внутренние клетки, со всех сторон окруженные себе подобными клетками и лишенные контакта с тканью снаружи, погибают, и образуется полость, по которой в один прекрасный день потечет кровь


Кровеносные сосуды тела бывают двух типов – артерии и вены. Артерии – это сосуды с относительно маленьким просветом и толстыми стенками, по которым кровь идет под высоким давлением из сердца к мелким кровеносным сосудам в тканях. Вены – это сосуды большего диаметра и с более тонкими стенками, по которым кровь возвращается к сердцу под более низким давлением. Выяснилось, что судьба гемангиобластов предопределена еще до начала их миграции к средней линии тела. В клетках, которые дадут начало артериям, экспрессируется немного другой набор белков, чем в клетках, которые дадут начало венам (особенно это относится к белкам, которые принимают участие в межклеточных взаимодействиях). По крайней мере, у рыб, которые хорошо изучены в этом отношении, дифференцировка гемангиобластов на венозные и артериальные контролируется, опять же, белками семейства Hedgehog. Если клетка получает эти сигнальные белки в высоких концентрациях, она рано развивается, рано начинает миграцию и берет на себя функции артериального гемангиобласта. Если же клетка получает эти белки в низких концентрациях, то она развивается и мигрирует позже, становясь венозным гемангиобластом.[149] Разные наборы белков, выделяемые клетками с разной судьбой, позволяют им распознавать себе подобных и держаться вместе с ними. Клетки, запрограммированные на формирование вен, мигрируют по несколько иным маршрутам, но образуют кровеносные сосуды по той же основной схеме. Две крупные вены образуются параллельно аортам по всей длине эмбриона, но дальше от срединной линии (что вполне естественно, потому что концентрация белков семейства Hedgehog там ниже, и среда более благоприятна для образования вен).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 40. Нотохорд выделяет белки Noggin, которые не дают тяжам гемангиобластов слиться по срединной линии. Поэтому формируются два отдельных тяжа, по одному с каждой стороны тела. В дальнейшем тяжи превращаются в полые трубки – правую и левую аорты


В ткани артериальная и венозная системы образуют тонкие ответвления, которые соединяются, формируя сеть мелких кровеносных сосудов. Стенки этих сосудов достаточно тонкие, так что кислород и питательные вещества могут свободно проникать через них.

Однако от кровеносных сосудов мало прока, если нет сердца, которое гонит по ним кровь. Поэтому этот орган одним из первых появляется у эмбриона и первым начинает функционировать. Сердце начинает формироваться примерно через девятнадцать дней после зачатия и примерно через два дня после начала образования крупных сосудов. Подобно тому как гемангиобласты собираются вместе и образуют трубки по обеим сторонам от средней линии, клетки, которые создадут сердце, сходятся и образуют новую пару трубок. Эти кардиогенные клетки также приходят из мезодермы с внешних краев эмбриона, но в данном случае с внешних краев головной части эмбриона, а не его туловища (рис. 41, а). Их образование ограничено этой областью за счет взаимодействия секретируемых белков из трех семейств.[150] Во-первых, сигналы, исходящие из эндодермы по краям эмбриона, стимулируют образование кардиогенных клеток. Во-вторых, белки семейства WNT, секретируемые нервной трубкой (см. главу 7), действуют противоположным образом, ингибируя образование кардиогенных клеток. В-третьих, белки, синтезируемые эндодермой головной части зародыша, позволяют клеткам сопротивляться сигналам белков WNT (по крайней мере, кардиогенным клеткам). Таким образом, голова – единственное место, где действие белков WNT подавляется в достаточной степени, чтобы могли образоваться кардиогенные клетки.[151] То, что область положительных сигналов ограничена самым краем эмбриона, означает, что кардиогенные клетки могут формироваться только в области, имеющей форму полумесяца, залегающей у внешнего края головы эмбриона.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 41. Три стадии формирования сердца. Схемы в верхнем ряду, на которых эмбрион показан сбоку, уже встречались нам в главе 5; на схемах в нижнем ряду показан вид сверху (а) или вид сверху и сбоку (б и в). На первой стадии (а), когда эмбрион еще плоский и его удлинение незначительно, кардиогенные клетки находятся в мезодерме за нервной пластинкой в области головы. Позднее (б), по мере удлинения эмбриона, которое способствует формированию из концов эндодермы кишечной трубки, эмбрион изгибается. Когда его края смыкаются под кишечником (в), все кардиогенные клетки оказываются в одной области ниже кишечника (с вентральной стороны); там и будет формироваться сердце


Как и гемангиобласты, которые формируют артерии и вены, кардиогенные клетки приобретают способность к миграции, распознают себе подобные клетки, объединяются с ними и образуют трубки. Концы этих трубок, обращенные к туловищу эмбриона, соединяются с аортами, образуя непрерывный слой клеток. На этом этапе тело эмбриона довольно быстро удлиняется, и геометрия его концов меняется. В конце главы 5 я упоминал, что концы тела эмбриона подворачиваются вниз и за счет этого из эндодермы образуется кишечная трубка. Другим результатом этого подворачивания является то, что полумесяц ткани на краю головной части, где располагаются кардиогенные клетки, продвигается вниз по передней поверхности эмбриона приблизительно до уровня будущей груди; таким образом, он оказывается ниже кишечника (рис. 41, б, в). Здесь кардиогенные клетки, которые находятся в процессе создания двух отдельных параллельных трубок, сходятся вместе. При образовании параллельных дорсальных аорт им не давали сливаться ингибирующие сигналы нотохорда. На параллельные трубки сердца с вентральной стороны нотохорд не действует, и ингибирующих сигналов нет. Поэтому они могут беспрепятственно встретиться и соединиться, что они и делают. Так образуется одна трубка большого диаметра – первичное сердце.

Заворачивание тела эмбриона над концом кишки захватывает и концы аорт, к которым уже присоединились трубки сердца. Конец левой аорты направлен вниз слева от кишечника, а конец правой – соответственно справа, так что в результате кишечник оказывается окружен артериальным кольцом (рис. 42).[152] Позже нотохорд перестает продуцировать сигнальные белки, препятствующие слиянию проходящих над кишечником дорсальных аорт, и они объединяются в один сосуд.

На ранних стадиях сердечная трубка состоит из одного типа клеток, образующих выстилку кровеносных сосудов. В ней нет ни мышц, ни каких-либо специализированных тканей, обеспечивающих управление и контроль, а без таких тканей работа органа, который должен биться и/или играть роль насоса, невозможна. Однако уже через несколько дней сердечная трубка «притягивает» клетки, которые образуют сердечную мышцу и другие необходимые ткани.

Клетки сердечной мышцы обладают интересным свойством: они могут сокращаться сами по себе, не будучи связанными с нервной системой. Объединяясь, они взаимодействуют при помощи электрических сигналов, что позволяет синхронизировать сокращения разных клеток. Исследователи, работающие со стволовыми клетками эмбриона, имеют возможность непосредственно наблюдать за этим процессом. Когда стволовые клетки эмбриона выращиваются в условиях, при которых они могут «начать сначала» и приступить к созданию тканей тела, некоторые из них становятся сердечными мышечными клетками. В течение нескольких дней на дне чашки Петри в море разнообразных клеток появляются многочисленные пульсирующие островки регулярно сокращающихся клеток сердечной мышцы.[153] Это удивительное зрелище, от которого невозможно оторваться даже тем счастливцам, которые имеют возможность наблюдать такое каждый день.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 42. За счет того же процесса изгибания эмбриона, благодаря которому кардиогенные клетки оказываются в его нижней части, оказываются внизу и места их соединения с головным концом аорты. Это приводит к образованию артериальной петли вокруг кишечника – дуги аорты. На схеме эмбрион «спрямлен», чтобы этот процесс был виден более четко


Хотя простая мышечная трубка очень далека от анатомически сложного развитого человеческого сердца, она вполне справляется с перегонкой небольших объемов крови по организму эмбриона на ранних стадиях развития. Наблюдать за работой сердца человеческого эмбриона по понятным причинам затруднительно, но сердечные трубки эмбрионов рыб, очень похожие на человеческие, являются благодатным объектом для исследования, потому что большинство рыб развивается в икринках вне тела матери и их эмбрионы прозрачны. Кроме того, некоторые виды рыб можно генетически модифицировать так, что их сердечные трубки будут флуоресцировать ярко-зеленым цветом, и следить за их развитием будет еще проще. Скоростная съемка этих эмбрионов показала, что механизм, с помощью которого работает сердечная трубка, удивительно сложен. Раньше предполагалось, что сердечные трубки перемещают кровь с помощью простой перистальтики: мышцы волнообразно сокращаются, трубка сужается и толкает жидкость вперед. Однако тщательное изучение[154] видео, снятых на большой скорости, показало, что работа сердечного «насоса» гораздо более эффективна и полагается на механизм отражения волн давления от конца трубки.

Отражение волн давления на концах труб или в местах, где меняется диаметр или эластичность стенок, – обычное явление. На нем основано, например, отражение звуковых волн в трубах органа. Часть волны, отраженная в нисходящем направлении, взаимодействует с восходящей частью; если длина волны такова, что эти части совпадают по фазе, возникает громкий звук (длина волны зависит от длины трубы, поэтому для получения нот разного тона используются трубы разной длины). Отраженные волны жидкости могут быть весьма мощными. Хороший пример мы находим в книге «Утро стрелочника» – автобиографии отставного железнодорожника Адриана Вохана.[155] В ней есть эпизод, когда инженер проверяет клапан в большом водоводе, открывая и быстро закрывая его несколько раз. Когда волна отраженного давления жидкости, вызванная первым открытием клапана, встретилась со следующей волной, возникло такое высокое давление, что трубы лопнули и на главной железнодорожной линии между Лондоном и Бристолем на несколько часов воцарился полный хаос.

В кровеносной системе эмбриона нет ни клапанов, ни открытых концов, но в местах, где большие вены присоединяются к сердцу, диаметр и эластичность стенок сосудов резко меняются. Этого достаточно для возникновения волн отраженного давления, и на ранних этапах развития эмбрион очень умело пользуется этой особенностью. Сердечный цикл начинается с сокращения небольшого участка заднего отдела сердца и локального сужения трубки (рис. 43). Сокращение распространяется от этой точки в обоих направлениях. Зачем сокращение должно распространяться к голове, интуитивно понятно (для продвижения крови вперед), а вот сокращения, направленные к хвосту, кажутся нелогичными. Однако возникающая в результате волна давления, распространяясь к хвосту, сильно отражается от места соединения с большими венами. При этом задняя часть сердца расслабляется, благодаря чему трубка открывается и начинает засасывать кровь. Таким образом, кровь движется вперед и за счет засасывания, и за счет волны отраженного давления, которая теперь движется к голове, заполняя пространство, открывающееся за волной сокращения, которая все это время распространялась в этом направлении.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 43. На ранних этапах развития сердце устроено очень просто; у него нет ни клапанов, ни сложных систем контроля. Тем не менее оно эффективно гонит кровь благодаря отражению направленной к хвосту волны давления от места соединения сердца и вен (отмечено звездочкой на первой схеме)


Этого простейшего сердца достаточно для того, чтобы перегонять кровь по телу эмбриона, а также подводить ее к плаценте и желточному мешку. На более поздних этапах развития оно претерпевает множество сложнейших изменений, и простая трубка, перегонявшая кровь к голове, превращается в четырехкамерный орган, снабженный многочисленными клапанами. Они нужны для того, чтобы обслуживать два круга кровообращения, подводя кровь сначала к легким, а затем ко всем остальным частям организма.

После образования аорт, больших вен и сердца эмбрион переходит к созданию других кровеносных сосудов, используя для этого два новых метода. Первый метод – это ветвление уже существующих артерий и вен. Ответвления прорастают в ткани и, соединяясь друг с другом, формируют новые сосуды, по которым и будет течь кровь. От аорты, например, отходят сосуды, которые проходят между сомитами, ветвятся в нервной трубке и мышцах спины, а затем присоединяются к ответвлениям больших вен. От аорты также отходят сосуды к близлежащим органам, например к почкам (глава 10) и половым железам (глава 11). В некоторых отделах тела, например в шейном, артериальные сосуды, проходящие между сомитами, формируют боковые ответвления и таким образом соединяются друг с другом. Это означает, что ряд параллельных артерий в области шеи вблизи средней линии теперь соединяется, по сути дела, новой артерией, проходящей в направлении от головы к хвосту (рис. 44). После этого большинство поперечных артерий исчезает, и остается только новая, позвоночная артерия. Такая перепланировка системы кровообращения происходит многократно, еще раз указывая на то, что наше тело возникло – за счет целого ряда сложнейших модификаций – на основе плана строения эмбриона рыбы. Если бы человеческий эмбрион создавался с нуля, он был бы сразу похож на взрослую особь. Скорее всего, мутации, которые радикально меняли бы рыбообразный эмбрион и при этом не приводили к его немедленной гибели, были настолько маловероятны, что единственно возможным механизмом эволюции оставались мелкие постепенные изменения.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 44. Пример масштабной перепланировки системы кровеносных сосудов во время развития эмбриона. В области шеи, как и в туловище, от артерии отходят ответвления, проходящие между сомитами. От них, в свою очередь, отходят сосуды, проходящие в направлении голова – хвост. Когда они встречаются, образуется сеть артерий. Новые артерии развиваются, а поперечные сосуды дегенерируют. Таким образом, образуются две новые (позвоночные) артерии, идущие от головы к хвосту. Сохранившиеся поперечные артерии, показанные на схеме внизу, преобразуются в подключичные артерии взрослых особей. В нашем организме есть множество подобных примеров, как скажет вам любой отчаявшийся запомнить их студент медицинского института


Второй «новый» метод создания новых кровеносных сосудов прекрасно подходит для того, чтобы добавлять элементы к уже функционирующей системе, не нарушая при этом ее работу (как мы говорили в главе 1, это серьезная проблема). При интуссусцептивном (= вставочном) ангиогенезе новые ответвления возникают в системе, по которой уже циркулирует кровь.[156] В этом процессе задействованы участок стенки сосуда в верхней части и участок в нижней части; эти участки впячиваются в просвет сосуда навстречу друг другу, пока не встретятся. После этого клетки перенастраивают свои адгезионные контакты и присоединяются друг к другу, образуя своего рода опорный столбик. Затем этот столбик разрастается вдоль оси кровеносного сосуда, образуя стенку, разделяющую его на два параллельных сосуда (рис. 45). Эта стенка постепенно утолщается за счет присоединения новых клеток, и в конце концов два новых сосуда разделяются. С каждым из них теперь может произойти то же самое, и тогда получится в общей сложности четыре сосуда, и так далее. При помощи этого метода один кровеносный сосуд может преобразоваться в целую сеть без нарушения тока крови. Интуссусцептивный ангиогенез также может использоваться для смещения точки ветвления сосудов, чтобы они расходились под менее острым углом. Это очень важно для выравнивания потока крови, и вскоре мы вернемся к этой теме.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 45. Интуссусцептивное ветвление: (а) три стадии интуссусцептивного ангиогенеза. Верхний ряд – сосуд, вид сверху; нижний ряд – сосуд, вид в разрезе (по пунктирной линии). Впячивания верхней и нижней стенок сосуда приводят к образованию опорного столбика, который разрастается вдоль оси сосуда, пока тот не делится на два; (б) аналогичный процесс позволяет изменить угол расхождения сосудов (даже если один из них возник как ответвление основного сосуда) и выровнять кровоток


Однако, помимо кровеносных сосудов и сердца, у эмбриона должны образоваться также и собственно клетки крови. Здесь возникает проблема топологического характера: клетки крови должны находиться внутри кровеносных сосудов, а они образуют замкнутую систему, не имеющую прямой связи с остальными частями организма. Как же заполнить кровеносную систему клетками крови? Очень просто: первые кровяные тельца возникают из клеток, которые когда-то были клетками стенки аорты, и, следовательно, имеют доступ к просвету сосуда с момента его образования.[157],[158]

Формирование клеток крови из стенки аорты решает топологическую проблему, но ставит проблему иного характера: приступить к созданию клеток крови должны лишь некоторые клетки стенки аорты. Если это попытаются сделать все клетки, будет кровь, но не будет сосуда. Нужно, чтобы популяция идентичных клеток поделилась на две группы и у каждой был свой путь развития. И в этом случае тоже процессом дифференцировки управляют сигналы, поступающие из близлежащих тканей. Ткани органов, залегающих ниже аорты, например ткани кишечника, подают сигналы, подталкивающие клетки стенок сосуда к образованию клеток крови, а ткани органов, лежащих выше аорты, например ткани нервной трубки, этот процесс подавляют. Были найдены несколько сигнальных белков, вовлеченных в этот процесс, и оказалось, что среди них есть белки семейства Hedgehog, которые ранее контролировали образование аорты.[159]

Сигналы, поступающие от окружающих тканей, примерно определяют участок стенки аорты, клетки которого превратятся в клетки крови, но, чтобы ограничить число клеток, вовлеченных в этот процесс, используются другие механизмы. Клетки участка, предрасположенного к образованию клеток крови, начинают «переговариваться» между собой. Эти «разговоры», осуществляющиеся при помощи молекул на наружной поверхности клеток, похожи не на массовое оповещение, как при распространении сигнала с образованием градиента, а на негромкий обмен репликами между соседями. Нам известны далеко не все подробности, но некоторые из этих молекул уже выявлены; к ним относятся, например, белки Notch, Jagged и Mind-bomb.[160] Такие «разговоры по-соседски» приводят к тому, что не все клетки этой области становятся клетками крови.

Клетки, покидающие стенку аорты, – это еще не клетки крови, а скорее, стволовые клетки кровяной линии. Я уже говорил о стволовых клетках в главе 1, имея в виду клетки эмбриона на ранней стадии развития, которые могут дать начало любым клеткам организма. Сейчас речь идет о другом типе стволовых клеток. Клетки, покидающие стенку аорты, могут дать начало только разным типам клеток крови. Покинув аорту, они мигрируют и сначала поселяются в печени, которая только начинает развиваться (глава 10). Там они создают всю кровь для раннего плода. Гораздо позже, после образования костей, стволовые клетки кровяной линии снова отправляются в путь и окончательно обосновываются в костном мозге. Мы вернемся к их судьбе в главе 18.

Большие сосуды организма имеют стандартное расположение, не слишком отличающееся у разных людей. Напротив, расположение малых сосудов и тонких капилляров, доставляющих кровь вглубь тканей, сильно варьирует, поскольку они развиваются в соответствии с локальными потребностями конкретной ткани. У такой системы есть одно большое преимущество: она может адаптироваться к ошибкам и изменениям в расположении и площади ткани, которые должна обслуживать. Если клетки ткани «поймут», что находятся слишком далеко от ближайшего кровеносного сосуда, они подадут биохимический сигнал о помощи, и помощь – в виде новых сосудов и капилляров – не замедлит прийти.

Самое серьезное последствие расположения клетки вдали от циркулирующей крови – это нехватка кислорода (гипоксия). На этом основано действие по крайней мере одной из систем, контролирующих развитие кровеносных сосудов. Большинство клеток содержит белок, который называется Hypoxia Inducible Factor Alpha[161] (Hif1α). При нормальных концентрациях кислорода Hif1α быстро переходит в состояние, в котором он сразу разрушается клеточной системой переработки белка.[162],[163] При недостатке кислорода Hif1α остается в стабильном состоянии, не разрушается и не перерабатывается. Он успевает войти в ядро клетки и активировать несколько конкретных генов. Белки, кодируемые некоторыми из этих генов, приостанавливают клеточные процессы, для которых требуется кислород, за исключением процессов, необходимых для выживания. В частности, они прекращают размножение клеток, чтобы не добавлять новые клетки к области, и без того бедной кислородом, и не усугублять проблему. Однако еще один ген, активируемый Hif1α, делает нечто совершенно противоположное: он отвечает за производство VEGF[164] – белка, способствующего размножению и миграции клеток кровеносных сосудов. Этот белок и служит тем самым биохимическим «криком о помощи».

Обнаружив VEGF, клетки стенок кровеносных сосудов – как артерий, так и вен – начинают размножаться и двигаться в направлении наибольшей концентрации VEGF, то есть непосредственно к ткани, которой не хватает кислорода. Ветви мелких сосудов прорастают в ткани и там соединяются, создавая сеть мелких трубочек. В результате образуются тонкие сосуды – капилляры, – соединяющие артерии и вены и доставляющие свежую кровь тканям, которым раньше не хватало кислорода.

Когда кровь доставляет кислород к клеткам, которым его не хватает, Hif1α в них тут же разрушается. Когда концентрация Hif1α достигнет минимума, гены, экспрессию которых запускал этот белок, перестают экспрессироваться. Следовательно, клетки больше не подают сигналы о помощи и могут свободно размножаться. В результате размножения рано или поздно клеток будет так много, что клеткам, расположенным далеко от капилляра, снова будет не хватать кислорода, и процесс повторится сначала.

Подобные системы гарантируют то, что кровоснабжение будет поспевать за увеличением количества клеток и ростом ткани. Развивающимся сосудам не нужна точная «карта» роста тканей. Они просто должны уловить сигналы о помощи от тканей, испытывающих нехватку кислорода, и направиться к ним. Этот способ весьма экономичен в плане объема информации, которой должны обладать клетки (если бы клетки «ориентировались» по некоей гипотетической «карте», информации потребовалось бы гораздо больше), и при этом практически бесконечно адаптивен, так как позволяет обеспечить кислородом любую ткань, которая в нем нуждается.

Образование новых ветвей кровеносных сосудов зависит не только от сигналов тканей, в которых проходят сосуды, но и от самого кровотока. При движении жидкости вниз по трубке возникает слабая сила сопротивления, действующая и на движущуюся жидкость, и на стенки трубки. Течение жидкости замедляется, а вдоль стенок трубки действует сила, известная как напряжение сдвига. Ровное, спокойное течение жидкости (специалисты называют это «ламинарным потоком») вызывает лишь незначительное напряжение сдвига, и клетки стенки сосуда реагируют на такое воздействие, не изменяя своей стабильной формы. С другой стороны, турбулентный поток, который возник бы в том случае, если бы слишком много крови сразу хлынуло в узкий сосуд или изгиб сосуда был бы слишком резким, вызывает сильное напряжение сдвига в стенке сосуда. Клетки, оказавшиеся под таким воздействием, начинают создавать новые отростки, разветвлять уже существующие за счет интуссусцептивного ангиогенеза или делать и то и другое. Эффект не заставляет себя ждать: если пережать ветвь артерии, проходящей по поверхности желтка в курином яйце, напор крови в других местах увеличится и интуссусцептивная перестройка артериальной системы начнется в течение пятнадцати минут. Она будет продолжаться до тех пор, пока давление крови и скорость потока не придут в норму, а ткань не будет должным образом обеспечена кровеносными сосудами.[165] Постоянная и автоматическая перестройка кровеносной системы, направленная на избегание «горячих точек» турбулентности, приводит к появлению кровеносной системы с ровным кровотоком, силы, воздействующие на стенки сосудов, минимальны, сердце практически не тратит энергию на сопротивление турбулентности. И, как уже было сказано, это адаптивная и автоматическая система.

Адаптивность развития кровеносных сосудов очень важна для способности нашего организма к самоподдержанию и самокоррекции (см. главу 18), но и плата за это высока. Опухоли, как и обычные ткани, состоят из клеток, которые лучше всего чувствуют себя при высоком содержании кислорода. Когда клетки в середине растущей опухоли начинают чувствовать нехватку кислорода, они, как правило, тоже посылают сигнал о помощи, как это сделали бы нормальные клетки организма. Не понимая, что сигнал идет от потенциально опасной опухоли, а не от нормальных клеток, попавших в беду, близлежащие кровеносные сосуды услужливо направляют свои ветви в опухоль, обеспечивая ее кислородом и пищей и, таким образом, помогая ей расти. Один из подходов к разработке противоопухолевых лекарств основан на блокировании способности кровеносных сосудов отвечать на сигналы опухоли. Проблема осложняется тем, что клетки могут «звать на помощь» по-разному, но некоторый прогресс в этом направлении есть. Может быть, разработанные таким образом лекарства и не станут панацеей, но не исключено, что в сочетании с другими методами лечения они позволят продлить жизнь многим раковым больным.

Глава 10

Организация органов

Только орган, все время орган…

Дилан Томас

Основной особенностью крупных и сложных животных, включая человека, является то, что их организм состоит не из бесформенной массы клеток, а из отдельных органов, каждый из которых выполняет определенный набор задач. Легкие обогащают кровь кислородом, тимус (вилочковая железа) продуцирует клетки и гормоны иммунной системы, кишечник поглощает питательные вещества. Поджелудочная железа вырабатывает ферменты, облегчающие переваривание пищи в кишечнике, и выделяет гормоны, регулирующие обмен веществ. Почки фильтруют кровь, а матка служит местом развития плода. Такое распределение задач по органам позволяет организму справляться сразу с несколькими явно взаимоисключающими процессами, которые протекают одновременно. Например, в организме ребенка образуются новые белки для роста мышц и в то же время синтезируются ферменты, способствующие перевариванию мышечных белков мяса, которое он только что съел. Понятно, что эти процессы должны быть разнесены в пространстве во избежание бессмысленного цикла синтеза и разрушения.

Модульная природа тела, построенного из отдельных органов, в процессе развития проявляется в том, что каждый орган формируется главным образом за счет локального взаимодействия собственных клеток. Он «советуется» с организмом только по нескольким ключевым вопросам, касающимся времени начала и конца развития, а также собственных размеров. Детали строения органов в основном появляются в результате процессов, протекающих внутри самого органа. На самом деле многие органы можно удалить из эмбриона и выращивать по крайней мере несколько дней в инкубаторе, где они развиваются так же, как если бы по-прежнему находились в организме.[166]

По характеру развития внутренние органы тела можно разделить на три основных класса. К первому классу относится только сердце, развитие которого абсолютно уникально (мы обсуждали его ранние этапы в главе 9). Второй и самый обширный класс включает такие органы, как легкие, печень, поджелудочная железа и желчный пузырь. Их объединяет то, что они развиваются как ответвления кишки (рис. 46). Первой формируется печень, причем как в процессе индивидуального развития, так и в эволюционной истории. Стенка кишки образует ветвь (это во многом сходно с ветвлением артерий; см. главу 9) и «прорастает» в соседние ткани. Этот вырост, который впоследствии станет основным протоком печени, разветвляется еще раз, и его клетки дают начало клеткам печени. Затем в этой клеточной массе образуются многочисленные тонкие трубочки, сходящиеся к основному протоку. По системе протоков секретируемые печенью вещества будут поступать в двенадцатиперстную кишку и способствовать пищеварению. Пока формируется печень, от кишки отходит еще один вырост, дающий начало желчному пузырю. Поблизости формируются еще два зачатка, которые, многократно ветвясь, создадут секреторную систему поджелудочной железы. Значительно выше, ближе к голове, от кишки отпочковывается еще один отросток. У рыб он дает начало плавательному пузырю – простому мешочку с воздухом, который позволяет контролировать плавучесть. У млекопитающих этот орган сильно модифицирован: отросток разветвляется, каждая ветвь расходится еще несколько раз, и в результате получается обширная древовидная система – дыхательные пути легких. Во всех этих случаях появление отростка кишки контролируется сигналами от близлежащих клеток мезодермального происхождения, а организация ткани в органы происходит за счет сотрудничества эндодермальных по происхождению клеток кишки, которые формируют трубки (дыхательные пути, протоки и т. д.) нового органа, и клеток мезодермального происхождения, которые дают начало остальным тканям органа. В образование некоторых органах также вовлечены клетки, происходящие от клеток нервного гребня.

Третий класс внутренних органов включает те, которые полностью возникают из мезодермы. К ним относятся селезенка, половые железы (даже у мальчиков они формируются внутри тела, спускаясь в мошонку позже), три пары почек (у взрослых сохраняется только одна пара), матка, а также разнообразные протоки, связанные с мочеполовой и выделительной системой. Развитие большинства этих органов начинается с того, что в мезодерме за внешними краями сомитов образуются две длинные трубки. Эти трубки – вольфов проток и мюллеров проток – образуют внутреннюю систему каналов мужской и женской репродуктивных систем соответственно (глава 12). Также от вольфова канала отходят отростки, играющие важную роль в формировании постоянных почек (рис. 46). Главное различие между органами, которые образуются из мезодермы, и органами, которые формируются за счет кишки, заключается в том, что в органах мезодермального происхождения, например в почках и половых железах, по мере развития могут образоваться новые каналы, а в эндодермальных органах обычно ветвятся уже существующие каналы.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 46. Внутренние органы туловища делятся на две основные группы: (a) легкие, печень, поджелудочная железа и желчный пузырь образуются как выросты кишечника, который имеет эндодермальное происхождение: (б) половые железы, временные и постоянные почки, матка и селезенка формируются из одного и того же длинного участка мезодермы (селезенка, не показанная на этом рисунке, тоже образуется из мезодермы, но в другом месте)


Строение каждого органа уникально и является результатом специфической последовательности событий при его развитии. Эти события основаны за счет нескольких простых морфогенезов, таких как образование трубок, их соединение и объединение клеток в группы.[167] Для контроля над процессами развития разные органы часто используют одни и те же молекулы. Поэтому я не буду описывать развитие всех органов по отдельности, а расскажу только о постоянной почке, постаравшись проиллюстрировать на этом примере принципы, общие для всех органогенезов.

Прежде чем обратиться к развитию почек, стоит познакомиться с их функциями и внутренним строением. Основная функция почек – выведение из организма токсинов и продуктов обмена. Разнообразие токсинов, которые могут оказаться в крови животного, практически бесконечно, особенно если у него разнообразный рацион. Поэтому почки не могут работать по принципу «конкретный токсин – конкретная система его выведения». Все мелкие молекулы – как «полезные», так и «вредные» – отфильтровываются из крови во временное хранилище, а затем специальные транспортные системы отбирают и возвращают обратно в организм ограниченное число «полезных» молекул. Фильтрация осуществляется с помощью нескольких сотен тысяч единиц – клубочков. Клубочек представляют собой группу мелких «подтекающих» кровеносных сосудов, покрытых тончайшим «фильтром» и расположенных внутри одного конца трубки – нефрона. Просачивающаяся через фильтр жидкость поступает в нефрон и движется по нему, подталкиваемая вновь поступающей жидкостью. По мере продвижения жидкости по нефрону клетки его выстилки захватывают и возвращают в кровь определенные вещества, например сахара. То, что осталось, стекает в одну из ветвей древовидной системы собирающих протоков и поступает в мочевой пузырь в виде мочи. Поэтому основные задачи развивающихся почек заключаются в формировании системы сбора мочи, создании связанных с ней сотен тысяч нефронов и подведении к фильтрационным концам нефронов кровеносных сосудов для образования клубочков (рис. 47).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 47. Схема почки взрослого человека и одного из сотен тысяч ее нефронов. Один его конец отфильтровывает из крови воду и мелкие молекулы, в том числе отходы. В извитой трубке ценные молекулы удаляются из мочи и поступают обратно в организм, а моча проходит в разветвленную систему собирающих протоков, откуда после удаления лишней воды поступает в мочевой пузырь. Рисунок почки взят из первого издания «Анатомии» Грея


Почки относятся к классу органов, развивающихся из мезодермы. В процессе развития человеческого эмбриона формируются три пары почек, но на момент рождения остается только третья пара. Постоянные почки возникают ближе к хвостовой части туловища эмбриона. Сначала становится заметным плотное скопление, состоящее из нескольких сотен мезодермальных клеток. Почему оно возникает именно в этом месте и именно в это время, до сих пор непонятно, но скорее всего это происходит за счет того, что клетки мезодермы, во-первых, выделяют специфические для них белки, а во-вторых, начинают продуцировать HOX-белки, характерные для положения этих клеток на оси «голова – хвост» (глава 6). Исследователи уже выделили несколько ДНК-связывающих белков, необходимых для правильного формирования этого скопления клеток (так называемой метанефрогенной мезенхимы), но до полного понимания этого процесса еще далеко.

Первая важная функция метанефрогенной мезенхимы, которую я в дальнейшем буду называть просто мезенхимой, заключается в синтезе и секреции сигнального белка GDNF, распространяющегося по близлежащим тканям. Сразу после этого вольфов канал – одна из трубок, проходящих вдоль тела эмбриона, – дает ответвление непосредственно в мезенхиму (рис. 48).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 48. Начальные этапы развития почки: заштрихованная группа клеток выделяет сигнальную молекулу (GDNF), а расположенный рядом вольфов проток посылает в направлении источника сигнала боковой отросток


То, что эти два события – начало производства сигнальной молекулы и образование выроста близлежащей ткани – происходят одно за другим, наводит на мысль о причинно-следственной связи между ними. Несколько разных экспериментов показали, что направленное врастание отростка в мезенхиму действительно связано с активностью GDNF. В экспериментах первой серии активность GDNF подавлялась (за счет блокировки химическими веществами[168],[169] или за счет мутации в кодирующем его гене мыши[170]); в отсутствие этого белка отросток формировался неправильно.[171] В другой серии экспериментов пропитанные GDNF пористые микросферы помещали рядом с вольфовым каналом, и тогда он, помимо обычного выроста в направлении мезенхимы, формировал дополнительные отростки в направлении микросфер. Таким образом, эксперименты первой серии показали, что сигнальная молекула нужна для конкретного процесса, а эксперименты второй серии – что этой молекулы в чистом виде достаточно для того, чтобы его запустить. За счет подобных разноплановых экспериментов исследователи и доказывают, что конкретный сигнал контролирует конкретный процесс, и рассуждения о сигнальных молекулах и реакции тканей, нередко встречающиеся в этой книге, базируются именно на них.

Процесс образования отростка вольфова протока похож на ветвление кровеносных сосудов в ответ на присутствие VEGF (глава 9) – молекулы разные (так и должно быть, чтобы не возникло путаницы), но принцип один. Если теперь извлечь этот орган, состоящий из окруженной мезенхимой трубочки, из эмбриона и поместить в чашку Петри, то он продолжит нормально развиваться.[172] Это означает, что с этого момента почки автономны и способны к самоорганизации. Для этого, однако, нужны и мезенхима, и зачаток мочеточника. Развиваться по отдельности они не будут, разве что экспериментатор пойдет на такие сложности, как «фальсификация» сигналов от отсутствующей ткани.

Итак, мезенхима посылает сигналы к отростку вольфова протока, но и он тоже посылает сигналы ей в ответ. Под их воздействием рыхлые клетки мезенхимы образуют плотный колпачок на конце трубки. Клетки, оказавшиеся в этом колпачке, начинают синтезировать новые белки и размножаться. При этом они по-прежнему выделяют GDNF и другие сигнальные молекулы, которые способствуют дальнейшему росту и ветвлению этого отростка и его ветвей. Когда трубки ветвятся, новые ветви тоже получают часть мезенхимы колпачка. В результате образуется ветвящаяся сеть трубок, и на конце каждой трубки есть колпачок GDNF-секретирующих клеток мезенхимы (рис. 49). Эти ветвящиеся трубки послужат основой для формирования мочевыводящей системы почки.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 49. Взаимозависимость клеток колпачка и клеток ветвящейся трубки. Клетки колпачка синтезируют GDNF, под действием которого клетки трубки размножаются, а трубка ветвится. Клетки трубки в свою очередь синтезируют факторы, которые поддерживают пролиферацию клеток колпачка. Совместное действие этих сигналов приводит к тому, что в процессе роста эти две популяции клеток находятся в равновесии


Яркой чертой этого процесса является взаимозависимость между размножением клеток ветвящихся трубок и колпачков. В принципе, можно представить себе альтернативную систему, в которой эти типы клеток размножаются сами по себе. Однако это чревато риском того, что клетки одного типа станут размножаться быстрее, чем клетки другого, и образуется либо множество незакупоренных трубок, либо множество колпачковых клеток, которым нечего закупоривать. Даже если представить себе, что скорость размножения разных клеток в нашем воображаемом органе абсолютно точно согласована, все равно есть риск, что растущие трубки удалятся от основной массы колпачковых клеток, что также приведет к развитию неправильно функционирующего органа. На практике зависимость роста трубок от сигналов клеток колпачка и зависимость клеток колпачка от сигналов трубок позволяет этим тканям «идти в ногу», то есть развиваться в едином ритме. Если клетки какого-то одного типа окажутся слишком далеко от популяции клеток другого типа, они просто перестанут размножаться, и никаких проблем не возникнет. Такая взаимозависимость между тканями – важная черта самоорганизации, характерная не только для почки, но и для других органов. Сигнальные молекулы могут быть разными, но общий принцип взаимозависимости остается тем же.

Контролируемого ветвления, о котором мы только что говорили, вполне достаточно для придания основных черт просто устроенному органу, например легким. Они состоят из сильно разветвленной системы дыхательных трубок, окруженных неплотно упакованными клетками и кровеносными сосудами. Однако зрелая почка имеет гораздо более сложное строение, так как, помимо разветвленного дренажного протока, в ней также есть нефроны. Когда развитие почки впервые попало в сферу внимания ученых, они предположили, что нефроны образуются как боковые ответвления дренажной системы. Однако в позднюю викторианскую эпоху (то есть к концу XIX в.) стало понятно, что на самом деле они формируются из мезодермальных колпачков. Это хороший пример того, что органы мезодермального происхождения имеют обыкновение создавать трубки с нуля, из подручных материалов. Чтобы понять, как это происходит, нужно сначала более подробно рассмотреть биологические особенности растущих трубок дренажной системы, потому что именно они контролируют развитие мезенхимы.

Пролиферация клеток ветвящейся трубки в основном приурочена к ее концу, где размножаются всего несколько десятков клеток.[173] При таком характере роста поддерживается некоторая популяция концевых клеток, а «отставшие» клетки формируют стенки основной части трубки. Они синтезируют немного другой набор белков, в частности сигнальную молекулу семейства WNT (WNT9b).[174] Клетки в нижней части колпачка получают больше всего WNT и начинают несколько иначе экспрессировать белки. Они покидают колпачок и создают небольшой плотный комок (рис. 50), которые впоследствии станет нефроном.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 50. Колпачковые клетки, отставшие от кончика трубки в результате ее роста, оказываются рядом с той частью трубки, где клетки секретируют белок WNT9b. Под действием этой и, возможно, некоторых других молекул мезенхимальные клетки группируются и готовятся сформировать нефрон


К тому времени, когда нефрон находится на стадии полого шара, разветвленная дренажная трубка, стволовая часть которой и запустила процесс его образования, продвинется далеко вперед. Ее конец снова разветвится и будет расти дальше, а стволовая часть новой ветви подаст сигнал WNT новой группе клеток колпачка. Образуется еще один нефрон. Таким образом, нефроны формируются один за другим по мере продвижения вперед дренажной системы.

Зависимость формирования нефронов от сигнала WNT, поступающего из стволовой части трубки, приводит к тому, что нефроны всегда образуются в непосредственной близости от дренажной трубы, с которой они в конечном итоге соединятся. Надежность соединения очень важна, и существующая система обеспечивает ее гораздо лучше, чем если бы клетки «принимали решения» независимо от ткани, к которой должны в конечном итоге присоединиться. Тем не менее близость к ветвящемуся зачатку мочеточника порождает и потенциальную проблему, потому что сложный и деликатный процесс формирования нефрона может нарушиться, если зачаток мочеточника направит отросток в этом направлении. Избежать этой проблемы позволяет следующий прием: клетки, приступившие к формированию нефрона, отключают синтез фактора ветвления GDNF и включают синтез других факторов, которые ингибируют образование новых ветвей. Этот ловкий трюк позволяет практически исключить риск того, что новые ветви вторгнутся в область формирования нефрона.

Переход от синтеза способствующего ветвлению белка GDNF к синтезу ингибирующего фактора имеет масштабные последствия. Клетки, к которым еще не приблизились отростки дренажной системы, будут по-прежнему синтезировать GDNF, а клетки в области, куда ветви уже проникли, перестанут это делать. Это означает, что новые отростки автоматически направятся туда, где отростков еще нет, а не туда, где отростки уже сформировались. Если по какой-либо случайности дренажная система пропустит какую-то область, ее клетки продолжат синтезировать GDNF (то есть «требовать» новый отросток) до тех пор, пока он там не появится. Поэтому система ответвлений автоматически распределится в пространстве таким образом, что будет эффективно обслуживать весь растущий орган. Равномерному распределению ее ветвей также может способствовать взаимное отталкивание ветвящихся концов. Есть веские основания полагать, что именно такая система действует при развитии млечных протоков в молочных железах[175],[176] (которые тоже ветвятся), и число аргументов в пользу существования аналогичной системы в почках постоянно растет.

Кровеносная система почек берет начало из почечной артерии и впадает в почечную вену, которые являются соответственно ответвлениями аорты и большой вены (глава 9). В почке сосуды должны образовать ветвящуюся систему, подводящую кровь к сотням и тысячам фильтрационных структур. Развитие кровеносной системы почек контролируется многими сигнальными молекулами, в том числе VEGF, о которой шла речь в главе 9.[177] Конец нефрона, в котором будет происходить фильтрация, выделяет VEGF и таким образом привлекает клетки кровеносных сосудов. Поэтому они растут в направлении будущих фильтрационных структур, обеспечивая их хорошее кровоснабжение. Надо полагать, что существует система, отключающая производство VEGF после того, как конец нефрона обеспечен кровеносными сосудами; в противном случае новые сосуды вместо того, чтобы расти в направлении новых нефронов, пытались бы обеспечить ближайший, который в этом уже не нуждается.

Таким образом, развитие почек, как и других внутренних органов, в значительной степени контролируется за счет «переговоров», которые разные клетки ведут между собой на языке распространяющихся сигнальных белков. Поведение конкретной клетки и особенно то, какие сигналы она подает, зависят от сигналов, которые она принимает. Такая система соткана из взаимосвязей. Это делает ее в высшей степени гибкой как с точки зрения коррекции ошибок при индивидуальном развитии, так и в плане приспособления к эволюционным изменениям. Например, если в результате эволюционных изменений период роста животного увеличится, то автоматически продлится и рост почки. Это произойдет просто за счет увеличения количества ответвлений собирающих протоков, нефронов и отростков кровеносных сосудов; никаких существенных изменений в систему вносить не придется. К глобальным изменениям размера и, в большой степени, формы тела органы могут приспособиться, используя внутренние «разговоры» между тканями. В системе, работающей на основе предварительно построенного «чертежа» (если допустить, что такое возможно), для простого двукратного увеличения размера органа пришлось бы вносить массу новых уточнений (на самом деле, если бы в «чертеже» было четко прописано местоположение каждого нефрона, число новых инструкций увеличилось бы вдвое). На практике же, судя по всему, для создания крошечной мышиной почки и большой почки человека используется одно и то же число генов.

Относительная независимость развивающихся органов, позволяющая даже выращивать их вне организма, имеет еще одно важное преимущество. В процессе эволюции позвоночных у них возникло несколько новых органов.[178] Например, поджелудочная железа впервые появилась у челюстных рыб, легкие с разветвленными дыхательными путями – у рептилий, а простата и молочные железы – только у млекопитающих. При развитии этих органов нередко используются системы контроля, которые эволюционировали для обслуживания развития уже существующих органов. Ветвление протоков предстательной железы регулируется с помощью сигнальных белков FGF, которые раньше использовались для контроля ветвления дыхательных путей легких, а еще раньше – для контроля ветвления протоков поджелудочной железы. Независимость и относительная изоляция систем контроля в пределах органов означают, что каждый орган может управлять своим развитием самостоятельно, не мешая другим органам. Следовательно, различные органы могут использовать ранее существовавшие системы контроля, что опять же уменьшает число новшеств, необходимых для эволюции новых структур.

Странная особенность развития почек – у крыс и, вероятно, у людей тоже – заключается в том, что оно очень чувствительно к алиментарному статусу матери. Если беременные крысы получали только половину нормального для них количества пищи, количество нефронов в почках их детенышей было значительно ниже нормы. Это, в свою очередь, приводило к повышению у них артериального давления.[179] (Цепь физиологических событий, обуславливающих это повышение, достаточно сложна – она основана на системе обратных связей с участием солей и гормонов ренина и ангиотензина, – но если попытаться представить ее в общих чертах, то можно сказать, что организм «пытается» прогнать нормальное количество жидкости через почки с малым числом нефронов за счет усиления напора.) Хронически высокое кровяное давление опасно для человека, так как оно повышает риск инсульта, инфаркта и, по иронии судьбы, болезней почек, снижающих и без того небольшое количество функциональных нефронов. Давно известно, что плохое питание матери может привести к тому, что у ребенка будет высокое давление, хронические нарушения работы почек и другие проблемы, например предрасположенность к диабет у.[180] Такое влияние условий развития плода на здоровье взрослого человека называется «пренатальным программированием», и, возможно, именно чувствительность развития почек к материнскому питанию лежит в основе этого явления.

С точки зрения жителя Западной Европы, привыкшего к полноценному питанию, пренатальное программирование может показаться абсолютно неадаптивным. Тем не менее не исключено, что понижение количества нефронов возникло как адаптация к периодам голода, позволяющая удержать в крови каждую драгоценную крупинку питательных веществ и солей. Это мнение подкрепляют два хорошо изученных случая массового недостаточного питания матерей во время Второй мировой войны. (Правда, в обоих случаях изучали не почечную недостаточность, а другую болезнь, связанную с пренатальным программированием, а именно сахарный диабет II типа.) В случае голландской «голодной зимы» 1944 г. острая нехватка продуктов питания, продолжавшаяся несколько месяцев, сменилась относительным изобилием после освобождения Нидерландов. У детей, рожденных от голодавших матерей, впоследствии наблюдался высокий уровень болезней, связанных с пренатальным программированием, прежде всего диабета II типа. Во время блокады Ленинграда голодавшие жители не получили такого внезапного облегчения, и дети питались скудно еще долгое время после рождения. Болезней, связанных с пренатальным программированием, среди них отмечено меньше. Такая интерпретация данных не бесспорна (определенную роль могли сыграть, например, генетические различия между популяциями), но, по крайней мере, некоторые ученые склонны делать вывод о том, что пренатальное программирование плода может играть положительную роль в условиях недостатка пищи. Опасность возникает только тогда, когда «настроенный» на голод ребенок вдруг начинает получать обильное питание.[181] Правильный ответ на вопрос, так ли это, имел бы большое практическое значение. Он позволил бы дать четкие клинические предписания о том, нужно ли кормить новорожденных с низкой массой тела молочными препаратами с высокой энергетической ценностью, чтобы стимулировать быстрое восстановление веса до нормального уровня.

Каждый конкретный орган тела имеет уникальное строение и специфические особенности развития. Тем не менее ключевой вывод из рассказа о развитии почки – то, что оно происходит за счет гибкой межклеточной коммуникации, а не строго запрограммированной последовательности событий, – в равной мере справедлив для всех органов.

Глава 11

Не покладая рук (и ног)

Твоя рука свежа, легка,

Как дуновенье ветерка.

Уильям Вордсворт (пер. И. Меламеда)

Наличие конечностей – обязательное условие того образа жизни, который ведут млекопитающие. Конечности служат всем млекопитающим для движения и защиты, а людям и их ближайшим сородичам также для сложных манипуляций с предметами. В ходе эволюции позвоночные приобрели длинные конечности уже после того, как у них сложились основные анатомические черты туловища и головы. Поэтому и у эмбрионов конечности появляются только после формирования основного плана строения. Первые намеки на появление конечностей заметны у человеческого эмбриона примерно через двадцать четыре дня после зачатия, то есть тогда, когда уже основные структуры уже сформировались и функционирует примитивная система циркуляции.

Развитие конечностей начинается с появления двух небольших бугорков по бокам тела эмбриона немного выше уровня сердца. Это будущие руки. В скором времени появляются и бугорки в нижней части туловища – они дадут начало ногам. Появление бугорков связано с энергичным размножением клеток, залегающих непосредственно под эктодермой (напомню, что эктодерма покрывает зародыша снаружи). Дело не в том, что в этих областях клетки делятся более интенсивно, а в том, что скорость их размножения остается прежней, в то время как рост зародыша в целом замедляется. В результате пролиферация клеток в развивающихся конечностях происходит интенсивнее, чем в боковых частях тела. Клетки «принимают решение» о сохранении высоких темпов пролиферации не самостоятельно, а под действием сигналов мезодермы туловища. Клетки мезодермы на тех уровнях туловища, где в дальнейшем появятся руки и ноги, запускают экспрессию нового набора генов[182],[183] (возможно, руководствуясь HOX-кодом; см. главу 6) и, в частности, начинают производить сигнальные белки семейства WNT. Эти белки активируют производство сигнальных молекул семейства FGF,[184] а они, в свою очередь, запускают образование зачатков конечностей. Способность FGF вызывать формирование конечностей была продемонстрирована в весьма показательных экспериментах: кусочки геля, пропитанные этими белками, имплантировали куриному эмбриону между участками формирования крыла и ноги. Как вариант, в ткани куриного эмбриона вводили вирусы, подвергнутые генетической инженерии и кодирующие FGF. Клетки, расположенные над искусственными источниками FGF, формировали дополнительные выросты, из которых получились дополнительные конечности.[185],[186] Такой же эффект наблюдается при экспериментальной индукции производства сигнальных молекул WNT в этих местах.[187] С другой стороны, если блокировать активность WNT или FGF, конечности не образуются даже там, где они должны быть.

После того как эти сигналы запускают развитие конечностей, тонкий слой эктодермы в области их формирования утолщается, и залегающие под ней клетки мезодермы начинают размножаться. Эта пролиферация «выталкивает» наружу почку конечности, постепенно принимающую лопатообразную форму с эктодермальным утолщением на конце (рис. 51).

Клетки, залегающие в толще почки конечности, могут давать начало разным тканям, например костям и сухожилиям. Понятно, что клетки не должны случайным образом решать свою судьбу, иначе получится не конечность, а сплошное безобразие. Они должны «принимать решение» в соответствии со своим положением. Клетки, которые в конечном итоге окажутся в районе кисти, должны сформировать мелкие косточки пальцев, а клетки в районе плеча – крупную плечевую кость. Клетки, расположенные между ними, образуют локтевой сустав, или кости предплечья, или, если они находятся вне участков формирования костей, сухожилия и мышцы. Таким образом, развивающейся конечности требуется надежная система, заставляющая клетки образовывать определенную ткань в зависимости от их расположения. Насколько мы знаем (знаем мы, правда, далеко не все), клетки конечности способны определять концентрацию разных сигнальных молекул, поступающих из разных участков конечности, примерно так, как это делают клетки сомитов (глава 7). Кроме того, их судьбу, как и судьбу клеток сомитов, возможно, в определенной мере контролируют «молекулярные часы».

Анатомию конечности можно описать с помощью системы координат трех осей: первая идет от плеча до кончиков пальцев, вторая – от большого пальца до мизинца, третья – через ладонь и тыльную сторону кисти. Хотя системы, задающие в ходе развития ориентацию этих осей, не полностью независимы, нам будет проще рассматривать их по одной, упоминая взаимодействия между ними по мере их появления.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 51. Формирование почки конечности (в данном случае правой руки) на боку эмбриона. На участке, где должна сформироваться конечность, утолщается эктодерма, а в результате деления залегающих под ней клеток мезодермы появляется бугорок – почка конечности, которая затем приобретает лопатообразную форму


В настоящее время (точнее говоря, на момент написания этой книги) вопрос о том, как определяется положение структур конечности на оси, идущей от плеча к пальцам, является предметом бурных научных споров. Есть несколько гипотез, и у каждой есть свои приверженцы. Убедительно доказать или опровергнуть какую-либо из них пока не удалось. С одной стороны, это досадно, так как я не могу предложить вам однозначный ответ. С другой стороны, существующие разногласия предоставляют мне хорошую возможность продемонстрировать вам процесс познания в биологической науке.

Начну с ряда бесспорных фактов. Во-первых, конечности удлиняются постепенно, и основная пролиферация клеток происходит в так называемой зоне прогресса, расположенной в дистальной части конечности. По мере удлинения конечности зона прогресса оставляет позади себя клетки (так оставляет за собой след ползущая улитка), которые дифференцируются и формируют структуры конечностей. Во-вторых, клетки на обоих концах развивающейся конечности подвергаются влиянию разных наборов сигнальных молекул (или, во всяком случае, разного соотношения сигнальных молекул). Клетки эктодермы на самом конце зачатка конечности выделяют белки FGF.[188],[189] На плечевом конце в зачаток конечности поступает из туловища другая молекула – ретиноевая кислота (о ней уже шла речь, когда мы обсуждали образование сомитов). В-третьих, плечевые кости закладываются раньше, чем кости предплечья, а те, в свою очередь, – раньше, чем кости кисти.

Тот факт, что клетки, проводящие разное время в зоне прогресса, в конечном итоге создают разные части руки, как раз и лежит в основе одной из самых спорных современных моделей определения положения элементов конечностей.[190] Согласно этой модели, время, проведенное в зоне прогресса, само по себе является сигналом, и чем больше времени клетки провели в ней, тем больше признаков, характерных для пальцев, приобретет сформированная ими структура (рис. 52). Клетки, которые рано покинули зону прогресса, образуют плечо, а клетки, покинувшие ее немного позже, – локоть. Клетки, запоздавшие еще сильнее, образуют предплечье, запястье и кисть, а клетки, которые, по сути, так и не покинули зону прогресса, – кончики пальцев. Эта изящная модель предсказывает, что если вынудить клетки провести в зоне прогресса аномально долгое время, то плечевой ткани в конечности будет мало, а ткани кисти – слишком много. Пытаясь создать именно такие условия, исследователи облучали зачаток конечности цыпленка рентгеновскими лучами. Под действием облучения многие клетки в зоне прогресса погибли, а те, которые выжили, провели в этой зоне больше времени, чем обычно, восстанавливая свою численность за счет пролиферации; лишь после этого некоторые из них смогли покинуть ее. В результате действительно образовалась конечность без плечевой кости, но со структурами кисти, в полном соответствии с предсказанием временной модели.[191]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 52. Временная модель развития конечности: по мере удлинения зачатка конечности активно размножающиеся клетки «отстают» от зоны прогресса в разное время. Согласно этой модели, кончики пальцев руки, например, будут образованы клетками, которые провели больше всего времени в зоне прогресса. На схеме изображены только три стадии, соответствующие трем крупным отделам руки, но эта модель работает и для более детального уровня дифференцировки структур конечности


Проблема описанного выше эксперимента в том, что отложенный выход выживших клеток из зоны прогресса был лишь косвенным эффектом воздействия рентгеновских лучей. Их непосредственный эффект выражался в гибели многих других клеток. Резонно предположить, что отсутствие плечевых костей с тем же успехом могло объясняться разной чувствительностью разных типов клеток к рентгеновскому излучению. Недавно этот эксперимент был повторен[192] с использованием современных методов, позволяющих отследить экспрессию генов, и выяснилось, что рентгеновские лучи никак не влияют на клетки, находящиеся на ранних этапах специализации в клетки плечевых структур. Изучение убивало только клетки, находившиеся в процессе создания видимых структур плеча. Таким образом, эксперимент, задумывавшийся для подтверждения временной модели, не оправдал надежд. Нельзя сказать, что эта модель была опровергнута, просто приходится признать, что она не столь хорошо подкреплена доказательствами, как считалось раньше.

Другая модель определения положения структур конечности никак не связана со временем. Она основана на существовании двух противоположных градиентов концентрации – белков FGF от кончиков пальцев к плечу и ретиноевой кислоты в обратном направлении. Суть в следующем: при таком распространении сигнальных молекул клетки в разных точках конечности подвергаются воздействию разного соотношения концентраций ретиноевой кислоты и FGF, и эта разница определяет различия в их дальнейшем поведении (рис. 53). Поскольку сигнальные молекулы могут распространяться лишь на небольшие расстояния, большинство версий этой модели постулируют, что клетки приобретают отличительные черты на ранних стадиях, когда зачаток конечности небольшой, даже если их дифференциация проявляется гораздо позже. Основная идея этой модели подтверждается экспериментами, в которых клетки извлекали из ранних зачатков конечностей и выращивали в чашках Петри. Если добавить в такую культуру чистые сигнальные белки, все клетки получат их в одинаковой концентрации.[193] Под действием сигнальных белков FGF, которые в норме поступают из дистальной части зачатка конечности, в клетках подавлялась экспрессия генов, связанных с развитием плеча, и увеличивалась сначала экспрессия генов, связанных с развитием предплечья, а затем генов, связанных с развитием кисти. Ретиноевая кислота, источником которой в норме является плечевая часть руки, стимулировала формирование плечевых структур, даже если одновременно с ретиноевой кислотой в культуру добавляли белки FGF. Похожие результаты были получены и в серии экспериментов, в которых клетки зачатка конечности трансплантировали в другие участки эмбриона, богатые FGF или ретиноевой кислотой.[194] В частности, эти эксперименты ясно показали, что для формирования верхней части руки нужна ретиноевая кислота или эквивалентная ей сигнальная молекула, поступающая со стороны туловища.[195]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 53. Модель, основанная на соотношении концентраций сигнальных молекул. Противоположные градиенты концентрации – белка FGF из дистальной части конечности и ретиноевой кислоты, поступающей из туловища, – активируют разные паттерны экспрессии генов. Клетки, которые подвергаются воздействию высокой концентрации FGF и низкой концентрации ретиноевой кислоты, образуют структуры кисти, а клетки, на которые белок FGF действует в низкой концентрации, а ретиноевая кислота – в высокой, образуют структуры плеча. Точные уровни концентрации FGF и ретиноевой кислоты определяют, образует ли клетка структуры, характерные для кончиков пальцев или для основной части кисти, для локтя или для плеча


Если модель, основанная на соотношении концентраций сигнальных молекул, верна, то добавление дополнительной порции FGF в зачаток конечности должно вызывать образование более обширной зоны кисти или пальцев в ущерб остальной части руки. Однако этого не наблюдается – зона клеток, идущая на формирование кисти, имеет такой же размер, что и обычно.[196] Это говорит о том, что модель, основанная на соотношении концентраций сигнальных молекул, не вполне верна, во всяком случае для развития области кисти.

Итак, на данный момент у нас есть по меньшей мере две основные модели развития конечности. Каждая из них подтверждается рядом фактов, но расходится с результатами как минимум одного эксперимента. Когда в науке возникает проблема такого рода, полезно подумать, нет ли каких-то неочевидных допущений, присущих обеим моделям. В нашем случае такое скрытое допущение есть, и оно заключается в том, что разметка всей конечности от плеча до кончиков пальцев осуществляется с помощью одного и того же механизма. Возможно, это неверно. В эволюции сложная конечность возникла не сразу. В грудных плавниках лопастеперых рыб, например, есть структуры, гомологичные плечу и предплечью, но нет ничего, что соответствовало бы кисти. Значит, развитие кисти «добавилось» к развитию конечности позже. Это подтверждается тем, что при развитии конечностей наземных животных экспрессия генов проходит те же основные стадии, что и у рыб, а затем появляется совершенно новый, отсутствующий у рыб этап. Более примитивные бесчелюстные рыбы имеют (или, в случае вымерших видов, имели) даже более примитивные плавники.[197] Таким образом, возможно, что части конечности, расположенные на разных уровнях оси «плечо – кончики пальцев», размечаются за счет разных механизмов (рис. 54). Тогда возможно, что модель, основанная на соотношении сигнальных молекул, правильно объясняет, скажем, особенности формирования плечевой части – сигнальная молекула (ретиноевая кислота), источником которой является туловище, «защищает» прилегающую часть руки от превращения в какую-либо другую область конечности. А особенности образования предплечья и кисти, которые после удлинения зачатка конечности оказываются за пределами распространения сигналов от туловища, возможно, верно объясняются временной моделью. Тогда становится понятно, почему повышенная доза белка FGF не увеличивает размер кисти в ущерб плечу.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 54. «Принимая решение» о том, какой палец или какую кость предплечья (лучевую или локтевую) они должны сформировать, клетки руководствуются концентрацией белка Sonic Hedgehog (Shh), который синтезируется в конечности со стороны мизинца


Однако закладка и разметка проксимально-дистальной оси – лишь часть проблемы формирования структур конечности, существует еще две оси. Ориентация и разметка оси, идущей от мизинца до большого пальца, в основном контролируются группой клеток, залегающей со стороны мизинца. Они синтезируют и секретируют сигнальный белок, который распространяется по всей конечности, но его концентрация снижается по мере распространения. И на этот раз речь опять идет о сигнальном белке Sonic Hedgehog. Клетки кисти, которые его секретируют и получают в высокой концентрации на ранних этапах развития, формируют структуры конечности, располагающиеся со стороны мизинца. Клетки, которые получают на ранних этапах меньшее количество этого белка, формируют средние пальцы, а те клетки, которые получают очень мало этого белка или вообще его не получают, дают начало большому пальцу (рис. 54). Такой же принцип действует и в области предплечья, только здесь клетки, получающие высокую концентрацию белка Sonic Hedgehog, образуют локтевую кость, а те, которые получают этот белок в меньшей концентрации, – лучевую, и так далее.

Предположение о том, что тип пальца, который образуют клетки, зависит от полученного ими количества белка Sonic Hedgehog (Shh), было проверено в одном примечательном эксперименте, проведенном на почке крыла зародыша цыпленка (крыло птицы гомологично руке человека). Исследователи поместили еще один источник белка Shh на «неправильную» сторону ранней почки конечности цыпленка, то есть туда, где у людей образуется большой палец. Таким образом, по обеим сторонам почки конечности концентрация белка Shh была высокой, а самая низкая концентрация была в средней части. На крыле такого эмбриона образовался второй комплект пальцев, причем в обратном порядке. Со стороны мизинца последовательность пальцев была нормальной (1-2-3 по принятой на настоящий момент анатомической номенклатуре человека; пятого, или большого, пальца у кур нет). Правда, второй палец образовался ближе к середине конечности, где концентрация Shh была ниже всего. Вслед за ним образовался еще один второй палец, затем шел еще один третий, а затем еще один четвертый. В результате вместо нормальной последовательности пальцев (1-2-3) крыло эмбриона имело последовательность 1-2-3-3-2-1 (рис. 55). Образование таких аномальных конечностей, полностью согласующееся с теоретическими предсказаниями, говорит о том, что механизм, основанный на градиентах концентрации, в целом верен, хотя многие детали его работы, безусловно, еще предстоит изучить.[198]

Относительно координат третьей оси конечности задаются различия между ладонью и ее тыльной стороной, а также определяется направление, в котором будет сгибаться локтевой сустав. И на этот раз почка конечности использует источник сигнальных молекул, расположенный на одной из ее сторон.[199] Сигнальной молекулой на этот раз служит белок из семейства WNT (WNT7a), который синтезируется только с той стороны конечности, которая в дальнейшем станет тыльной стороной ладони. WNT7a подавляет формирование признаков, характерных для ладони: у мутантных животных, лишенных функционального гена WNT7a, структуры, характерные для ладони, развиваются с двух сторон конечности.[200]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 55. В ходе нормального развития почки передней конечности цыпленка образуется крыло с тремя пальцами, гомологичными первому, второму и третьему пальцу человека. Если поместить на противоположной стороне почки крыла второй источник Shh, обычный комплект пальцев дублируется в зеркальном отражении, а обе кости предплечья развиваются в локтевые кости


Итак, складывается впечатление, что конечность контролирует свою разметку при помощи градиентов концентрации сигнальных молекул. Градиенты расположены под прямым углом друг к другу, охватывая все три пространственных измерения. Геометрически эти оси независимы, но с точки зрения биохимической активности они сплетены тесным и еще непонятным нам образом.[201] Экспериментальное вмешательство в одну из осей нарушает, по крайней мере частично, и формирование структур относительно двух других осей. Сигнал WNT7a, определяющий положение структур относительно оси «ладонь – тыльная сторона руки», необходим для производства нормального количества белка Shh со стороны мизинца. Хотя бы небольшое количество белка Shh нужно для поддержания нормального уровня FGF. В свою очередь, Shh и FGF необходимы для поддержания нормального уровня WNT7a. Наших знаний о развитии конечностей недостаточно, чтобы понять, зачем нужна такая взаимозависимость. Возможно, она помогает поддерживать правильное соотношение сигналов, поступающих из разных источников.

По мере роста конечностей возникает потребность в эффективной кровеносной системе, обеспечивающей транспорт кислорода и питательных веществ к размножающимся клеткам. Новые сосуды образуются в ответ на сигналы от ткани точно так же, как и в других системах (см. главу 9). Проблема в том, что конечности удлиняются очень быстро, и кровеносная система должна формироваться так же быстро, чтобы от них не отставать. В противном случае клеткам конечности будет не хватать питательных веществ, и их размножение замедлится, что приведет к образованию маленьких, укороченных, аномальных конечностей. Печальной иллюстрацией этого служат последствия одной медицинской ошибки, пустившей под откос жизнь примерно десяти тысяч людей в 1958–1961 гг.

Причиной трагедии стало благое намерение смягчить или даже полностью устранить утреннюю тошноту. Это состояние, нередкое на ранних сроках беременности, может быть крайне изнурительным. Очень эффективным в борьбе с утренней тошнотой оказался один препарат, уже использовавшийся в качестве успокоительного и противовоспалительного средства, и его стали активно назначать беременным женщинам. Это был талидомид. В 1958 г. еще не знали (на самом деле выяснилось это только в начале этого века), что молекула, образующаяся в результате распада талидомида, ингибирует рост новых кровеносных сосудов.[202] Это достаточно сильный эффект, и если будущая мать принимает талидомид в то время, когда быстро растущие конечности больше всего нуждаются в новых кровеносных сосудах, образование сосудов начнет отставать, и рост конечности замедлится. В крайнем случае это может привести к полному отсутствию конечностей или к образованию маленьких кистей или стоп непосредственно на туловище. Не совсем понятно, почему кисти рук и стопы продолжают развиваться, когда остальная часть конечности уже не растет, но если недостаток питательных веществ заставляет клетку задержаться в зоне прогресса, это явление хорошо согласуется с временной моделью формирования конечности.

На выявление связи между внезапным всплеском рождения младенцев с деформированными и укороченными конечностями и талидомидом ушло два года. К 1961 г. связь была доказана, и талидомид перестали прописывать от утренней тошноты. Следует заметить, что его продолжают использовать как лекарство от некоторых других болезней, включая проказу, и один-два врожденных дефекта в год (в среднем по миру) связаны с его применением в этих целях. Талидомид вернулся и на Запад, так как он эффективен при некоторых глазных и раковых заболеваниях, причем именно за счет способности подавлять рост кровеносных сосудов. Однако следует крайне внимательно следить за тем, чтобы препарат не назначался женщинам, которые потенциально могут забеременеть.

Глава 12

X или Y? Вот в чем вопрос

Продолжение человеческого рода – великое чудо и таинство. Если бы Господь спросил моего мнения по этому вопросу, я посоветовал бы ему и дальше вылеплять новых людей из глины.

Мартин Лютер

В предыдущих главах речь шла о том, что пережил каждый из нас без исключения, о том, что происходило с эмбрионом до возникновения памяти, индивидуальности и даже половых различий. В течение первых семи недель развития определить пол будущего ребенка по каким бы то ни было внешним признакам невозможно, и только хромосомный анализ может приоткрыть завесу этой тайны. Мужские и женские тела формируются из одного и того же материала; возникновение частей тела, характерных для одного из двух полов, не связано с усилением каких-то изначальных анатомических различий, поскольку таких различий нет. Это процесс, в ходе которого некоторые ткани эмбриона выбирают один из двух возможных путей развития – мужской или женский. У млекопитающих первыми выбирают этот путь половые железы (гонады), которые затем «сообщают» о своем решении другим частям организма.

Яичники женщин и семенники (яички) мужчин состоят из большого количества различных типов клеток, которые для простоты можно разделить на две группы. Во-первых, это клетки зародышевой линии – яйцеклетки или сперматозоиды и клетки, которые дают им начало. Только клетки зародышевой линии могут передать генетический материал новому человеку, поэтому в некотором смысле в них заключается суть репродуктивной системы. А если, как это делают некоторые биологи, считать, что жизнь – это передача генов из поколения в поколение, то в этих клетках заключается суть человеческой жизни. Как заметил Сэмюэль Батлер, «курица – это приспособление, с помощью которого одно яйцо производит другое». Вторая группа клеток половых желез известна под общим названием соматических клеток. Это название связано с тем, что эти клетки относятся к уже существующему телу («соме»), и ни они, ни их потомки не могут дать начало организму нового поколения. К соматическим клеткам относятся клетки, продуцирующие половые гормоны, клетки, обеспечивающие защиту и поддержку клеток зародышевой линии в процессе развития в сперматозоиды и яйцеклетки, а также многие другие клетки, которые поддерживают целостность гонад, обеспечивают их кровоснабжение и иннервацию, а также выполняют множество других рутинных функций.

Соматические клетки гонад и клетки зародышевой линии возникают в разных частях эмбриона. Соматические клетки гонад образуются по обе стороны от средней линии в верхней части туловища – примерно на уровне нижних долей легких, если мы представим в виде эмбриона самих себя. Такое положение гонад у эмбриона, резко контрастирующее с их локализацией у взрослых людей, особенно у мужчин, может показаться странным, но в свете эволюции оно вполне логично. Люди, как и другие млекопитающие, рептилии, птицы и земноводные, произошли от рыб. Даже у взрослых рыб, особенно у «примитивных» видов, гонады расположены в передней части тела. Там они могут взаимодействовать с формирующимися кровеносными сосудами и другими тканями, что жизненно важно для создания функциональной репродуктивной системы. Эти взаимодействия необходимы и в человеческом организме, а поскольку ткани, вовлеченные в процесс формирования гонад, участвуют и в формировании аорты (глава 9), они не могут сместиться без серьезнейших последствий для всей кровеносной системы. Поэтому и место формирования половых желез никуда передвинуться не может.

Клетки зародышевой линии (первичные половые клетки) впервые выявляются перед самым началом гаструляции, когда в эпибласте на заднем конце первичной полоски обосабливается группа из примерно пятидесяти клеток (глава 4). Вероятно, эти клетки вовлекаются в гаструляцию на очень ранних этапах, а затем они движутся вместе с мезодермой, которая выходит за пределы тела эмбриона.[203],[204] Пока в процессе гаструляции образуются туловище и голова (см. главу 4), клетки зародышевой линии находятся в верхней части желточного мешка (рис. 56). Там они и остаются, пока продолжается формирование тела эмбриона и его частей и структур: нервной трубки, сомитов, кровеносной системы и т. д. Когда основной план строения уже намечен, зародышевые клетки возвращаются обратно, в тело эмбриона, как за счет морфогенетических движений, связанных с формированием кишечника, так и за счет активной миграции. Внешняя поверхность развивающейся кишечной трубки служит им столбовой дорогой, по которой легко добраться от задней части тела до области развивающихся гонад, которые секретируют особый набор сигнальных молекул. Привлеченные этими молекулами, зародышевые клетки заползают в гонады. По ходу дела зародышевые клетки пролиферируют, и вместо пятидесяти пустившихся в путь клеток к гонадам прибывает пятитысячная армия (впоследствии клеток зародышевой линии станет еще больше).

Хотя именно клетки зародышевой линии дадут начало сперматозоидам и яйцеклеткам, пол эмбриона определяют не они, а соматические клетки половых желез. Процесс «принятия решения» о выборе пола основан на взаимодействии нескольких белков. Их названия неудобочитаемы, но необходимы для описания механизма определения пола, так что заранее прошу прощения.

На этом этапе развития конкретная группа соматических клеток половой железы начинает производить белок WT1. Он выполняет множество разных функций в клетках, но к самым важным относится связывание определенных последовательностей ДНК и включение вместе с другими ДНК-связывающими белками определенных генов. Большинство активируемых WT1 генов находятся на хромосомах, которые есть у каждого человеческого эмбриона, но один из них – ген SRY – находится на Y-хромосоме,[205] которая есть только примерно у половины эмбрионов (почему это так, я объясню чуть позже). Если у данного эмбриона Y-хромосома есть, WT1 запустит образование белка SRY. Если же она отсутствует, то не будет и белка SRY. Это различие определяет весь дальнейший ход событий.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 56. Ранние клетки зародышевой линии (первичные половые клетки) образуются в задней части первичной полоски и перемещаются в желточный мешок, где ждут, пока идет процесс формирования тела эмбриона


Давайте сначала рассмотрим эмбрион, в котором может образоваться белок SRY. Он, как и WT1, связывается с определенными участками ДНК, но с другими, чем WT1. SRY активирует новые гены, которые, не будь этого белка, остались бы неактивными. Один из этих генов кодирует белок SOX9, а он в свою очередь активирует экспрессию очередной «порции» генов. Таким образом, различия в характере экспрессии генов между клеткой с Y-хромосомой и клеткой без нее растут как снежный ком.[206] Отметим, что ген SOX9 находится не на Y-хромосоме, а на семнадцатой хромосоме, которая есть у каждого эмбриона.

Прежде всего белок SOX9 обеспечивает дальнейшее производство самого себя. Это важно, так как эмбрион должен принять четкое и бесповоротное решение по поводу своего пола, в противном случае может образоваться организм, сочетающий мужские и женские черты. Экспрессия SOX9 активирует сигнальный путь, основанный на белках FGF,[207] а этот путь, в свою очередь, обеспечивает дальнейший синтез SOX9 даже в отсутствие SRY.[208] Таким образом, петля SOX9 – FGF может поддерживать сама себя, и как только она активирована, Рубикон перейден: эмбрион встал на мужской путь развития (рис. 57).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 57. Биохимический каскад «самцовости», который активирует переключатель SOX9 – FGF


Важность петли SOX9 – FGF была подтверждена в ряде экспериментов над генетически модифицированными мышами. Эмбрионы мышей, в клетках гонад которых Sox9[209] полностью отсутствовал, формировали признаки, характерные для самок, несмотря на присутствие Sry, так как Sry не может влиять на организм без работоспособного Sox9.[210] Такой же эффект наблюдался после удаления сигнальной системы Fgf. Напротив, мыши, в гонадах которых экспериментально активировали экспрессию Sox9 независимо от присутствия Sry, развивались в самцов, даже если у них не было Y-хромосомы.[211]

Под действием продуктов генов, активированных белком SOX9, клетки, продуцирующие этот белок, начинают активно размножаться, а также приобретают характерную форму и биохимические свойства клеток семенников, которые обеспечивают образование сперматозоидов. После того как эти клетки окончательно выбрали путь развития, они заставляют перейти к формированию семенника и все остальные клетки гонады (семенник содержит большое количество трубочек, в толстых стенках которых в свое время будут формироваться из клеток зародышевой линии сперматозоиды).

Мы только что обсудили мужской путь развития. Чтобы проследить путь женского развития, следует вернуться к тому моменту, когда в гонаде, еще не определившейся с выбором пола, образовывался белок WT1. Он действует далеко не только на ген SRY, а вызывает также последовательную активацию ряда других генов, находящихся на обычных хромосомах, имеющихся у всех эмбрионов, независимо от того, имеется у них ген SRY или нет. Мы пока не знаем все детали этой последовательной активации, но известно, что через несколько часов клетки начинают продуцировать еще один сигнальный белок из известного нам семейства WNT (см. главы 7, 10 и 11). Это белок WNT4. При условии отсутствия сильных ингибиторов его функции этот белок заставляет клетки гонад формировать яичник (рис. 58).

Понятно, что у мужчин путь WNT4 должен как-то блокироваться, и петля FGF – SOX9, активируемая белком SRY в мужских половых железах, как раз и является мощным ингибитором функций WNT4. Поэтому общий принцип заключается в следующем: «по умолчанию» эмбрион следует по женскому типу развития под руководством WNT4, а если гены, характерные для мужского пути, успели активироваться, женский путь развития подавляется.[212]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 58. Женский путь развития: экспрессия WT1 в конечном итоге приводит к экспрессии WNT4, а он подает клеткам гонады сигналы к образованию яичника


Как мы помним, мужской путь развития снабжен «переключателем» – сигнальной петлей SOX9 – FGF, который гарантирует, что клетки не сойдут с выбранного пути из-за случайных колебаний в системе. Женский путь развития также снабжен специальным переключателем, благодаря которому слабая или случайная активация «мужских» генов не приводит к полному сумбуру. После того как сигнальный путь WNT4 активирован, он ингибирует «мужской» путь, гарантируя, что никакой всплеск активности «мужских» генов ни в какой клетке не переведет «переключатель» в «мужское» состояние. Поэтому выбор пола – это вопрос борьбы за ручку переключателя. Если SRY присутствует и вовремя включает петлю FGF – SOX9, то развитие автоматически идет по мужскому пути, а женский путь WNT4 находится в положении «выключено». Если же SRY отсутствует или по какой-то причине не активирует петлю FGF – SOX9 вовремя (у мышей речь идет примерно о шести часах), то запускается женский путь развития, а мужской путь переходит в положение «выключен» (рис. 59).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 59. Молекулярная логика определения пола. Появление в гонаде белка WT1 запускает последовательность событий, которая в конечном итоге приводит к синтезу WNT4, а он подает клеткам гонад сигнал к созданию яичника. Однако если у эмбриона есть Y-хромосома, WT1 также активирует находящийся на ней ген, который запускает производство белка SRY. Это стимулирует производство SOX9. Он имеет несколько функций: активирует сигнальный путь FGF, который поддерживает синтез SOX9, блокирует действие WNT4 («заглушая» сигнал к формированию яичников) и подает клеткам гонады сигнал формировать семенник


Важность сигнального пути WNT4 для выбора эмбрионом женского пути развития была показана во многих экспериментах над генетически модифицированными мышами. Мыши, в гонадах которых за счет какого бы то ни было генетического вмешательства был активирован сигнальный путь WNT4, развивались по женскому пути, даже если имели Y-хромосому.[213]

Если основанный на WNT4 «переключатель» в соматических клетках гонады находится в положении «женский путь развития», то они будут развиваться в клетки, обеспечивающие формирование яйцеклеток. Они посылают сигналы, благодаря которым остальные клетки половой железы образуют ткани яичника, а не семенника (яичники не состоят из многочисленных трубочек, а заполнены рыхлой тканью и группами клеток, которые собираются вокруг развивающихся яйцеклеток). Один из сигналов этих клеток подталкивает зародышевые клетки к особому типу деления – мейозу, – который имеет решающее значение для формирования как яйцеклеток, так и сперматозоидов. В организме мальчиков мейоз начинается только после наступления половой зрелости, но у девочек все клетки зародышевой линии вступают в мейоз практически в самом начале развития яичников: на момент рождения девочки все ее яйцеклетки находятся в состоянии мейоза. Хотя мейоз начинается еще до рождения, он, как ни странно, приостанавливается в период примерно с двенадцати до пятидесяти лет, и только несколько яйцеклеток возобновляют свое развитие каждый менструальный цикл. Такой характер развития имеет одно неприятное медицинское следствие. Развивающиеся яйцеклетки, сделавшие паузу в мейозе, крайне уязвимы к лекарственным препаратам, которые иногда используется в химиотерапии, и для больных раком девочек и молодых женщин ценой спасения может оказаться бесплодие. К счастью, был разработан метод, позволяющий удалять участки ткани яичников перед началом химиотерапии, замораживать их, а затем трансплантировать обратно, если женщина, достигнув детородного возраста, решит, что хочет завести детей.[214]

Мейоз, в отличие от обычного клеточного деления, не приводит к образованию двух дочерних клеток с теми же хромосомами, что были и у материнской. Обычная клетка человеческого тела перед делением имеет по две копии каждой хромосомы, одна из которых унаследована от матери, а другая – от отца. Есть две копии хромосомы 1, две копии хромосомы 2, и так далее. Если клетка женская, у нее есть две копии Х-хромосомы, а если клетка мужская, то у нее есть одна Х-хромосома и одна Y-хромосома (потому что, как я говорил выше, именно присутствие Y-хромосомы и белка SRY приводит к созданию мужского организма). При нормальном делении каждая хромосома копируется, и дочерние клетки получают тот же набор, что и материнская клетка, а вот при мейозе хромосомы распределяются между клетками таким образом, что одна из копий достается одной дочерней клетке, а вторая – другой. Поэтому в конечном итоге дочерние клетки обладают только одной копией каждой хромосомы. Это именно то, что нужно яйцеклетке или сперматозоиду – когда в процессе оплодотворения они сольются, у оплодотворенной яйцеклетки будет нормальное количество хромосом. Все яйцеклетки, образованные в процессе мейоза в организме женщины, несут исключительно Х-хромосомы. Однако в мужском организме половина сперматозоидов несет Х-хромосому, а вторая половина – Y-хромосому. Если яйцеклетку оплодотворит сперматозоид с X-хромосомой, у эмбриона будут две Х-хромосомы и ни одной Y-хромосомы, и родится девочка. Если же яйцеклетку оплодотворит сперматозоид с Y-хромосомой, то эмбрион получит Y-хромосому (а с ней и ген SRY), и родится мальчик. Примерное соотношение мужчин и женщин в человеческой популяции – 50/50[215] – непосредственно связано с характером распределения хромосом при мейозе.

Однако мейоз – это далеко не только распределение хромосом между дочерними клетками. В каждой паре хромосом копия, унаследованная от матери, и копия, унаследованная от отца, немного отличаются. Это никак не связано с полом родителей, а отражает их индивидуальные черты. ДНК хромосом со временем мутирует, поэтому в человеческой популяции существует множество слегка отличающихся версий каждой хромосомы. Это разнообразие хромосом – одна из причин различий между людьми (они также могут быть связаны с влиянием окружающей среды). На ранних стадиях мейоза две копии хромосомы сближаются, и происходит рекомбинация – сложный процесс, в ходе которого две хромосомы обмениваются участками, разрезая и снова склеивая свою ДНК. Это означает, что копии хромосом, которые передаются сперматозоиду или яйцеклетке, представляют собой гибридные версии копий, имеющихся в обычных клетках организма (рис. 60).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 60. Рекомбинация между хромосомами при мейозе (в данном случае в семеннике). Для лучшего восприятия на схеме изображена только одна пара из двадцати трех пар хромосом человека. Как и в случае любого деления, сначала все хромосомы копируются. Затем происходит событие, характерное только для мейоза, – унаследованная от матери копия хромосомы обменивается участками с копией, унаследованной от отца (происходит рекомбинация). После окончания этого этапа происходят два клеточных деления и образуются четыре гаметы, каждая из которых несет свою собственную (и отличающуюся от исходной) версию хромосомы 1. То же самое произойдет и с хромосомами 2–21, а вот хромосомы последней пары (X и Y) не рекомбинируют. Похожий процесс происходит и в яичниках женщины, но после каждого этапа деления одна дочерняя клетка погибает, и в результате образуется не четыре гаметы, а одна


Важно, что обмен участками хромосом при мейозе практически случаен, поэтому разные сперматозоиды (или яйцеклетки) одного и того же человека генетически отличаются друг от друга. Именно поэтому дети одних родителей могут быть очень разными.

По сути, рекомбинация, происходящая при мейозе в ваших половых железах, является первым моментом генетического объединения ваших родителей. Да, вы получили хромосомы и от матери и от отца, но они стоят особняком в каждой клетке вашего организма, нередко давая противоречивые указания по поводу вашего развития. Хромосомы ваших родителей постоянно «спорят» на языке функционирования генов о том, каким вам быть. «Глаза будут голубые!» – «Нет, карие!» – «Высокий!» – «Нет, коренастый!» – «Спокойный!» – «Нет, вспыльчивый!» И так далее. Одни черты, например цвет глаз, определяются относительно небольшим числом генов, а другие, например подверженность стрессам, – очень многими генами. Только после рекомбинации в процессе мейоза гены ваших родителей наконец встречаются и объединяются. После этого они уже готовы выступить единым фронтом и, когда придет время, «поспорить» с генами родителей вашего мужа или жены о том, каким будет ваш ребенок.

Однако определенный тип половых желез – не единственное, что делает человека мужчиной или женщиной. Как минимум существенно различается строение репродуктивной системы в целом, а к концу развития также накапливается множество менее значительных различий в строении других частей тела. У взрослых к таким отличиям относятся размер молочных желез (они развиты у женщин и недоразвиты у мужчин), форма костей (форма передней части таза немного различается у мужчин и женщин, и в том числе благодаря этому археологи могут определить пол скелета), размер костей (в пределах этнической группы мужчины в среднем крупнее женщин), размер мышц (опять же, у мужчин они крупнее), особенности роста волос (мужчины более волосаты), а также строение и функции некоторых частей мозга. Клетки во всех этих частях тела содержат ту же комбинацию хромосом (XX или XY), что и в гонадах, но нет никаких указаний на то, что клетки млекопитающих хоть как-то используют этот факт.[216] Создается впечатление, что Y-хромосома, если она есть, неактивна везде, кроме гонад на раннем этапе развития. Вместо того чтобы «обратиться за советом» к собственным хромосомам, клетки остальных частей организма в основном полагаются на сигналы половых желез. Эти сигналы представляют собой мелкие молекулы, которые легко переносятся на большие расстояния, – гормоны.

Если на раннем этапе удалить эмбрионам кролика гонады, лишив их таким образом специфических гормонов, эмбрионы будут развиваться по женскому пути независимо от того, какую комбинацию хромосом – XX или XY – они несут.[217] Этот эксперимент наводит на мысль, что не относящиеся к половым железам части эмбриона «по умолчанию» формируют женский организм и что для преодоления этих изначальных «настроек» нужны мужские гормоны, источником которых служат семенники.

После того как половая железа встала на путь формирования семенника (благодаря «переключателю» SOX9 – FGF9 – FGFR2), она начинает продуцировать два важных гормона – антимюллеров гормон и дигидротестостерон. Именно они в основном опосредуют влияние семенников на организм эмбриона. Антимюллеров гормон получил свое название из-за его действия на пару протоков, которые проходят в теле эмбриона параллельно вольфову каналу (рис. 61). Мюллеровы протоки есть у всех эмбрионов на ранней стадии, и если они сохраняются, то впоследствии дают начало внутренним протокам женской репродуктивной системы – маточным (фаллопиевым) трубам, матке и верхней части влагалища. Мужскому организму эти структуры не нужны, напротив, они серьезно мешали бы ряду аспектов развития. Сам по себе антимюллеров гормон безвреден, но клетки мюллерова канала синтезируют ряд белков, которые, если вокруг обнаруживается этот гормон, изнутри «подталкивают» эти клетки к «самоубийству». Избирательная гибель клеток, или «клеточное самоубийство», – распространенный и очень важный аспект развития животных, и я подробнее остановлюсь на этом явлении чуть позже (см. главу 14).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 61. Положение вольфова и мюллеровых протоков, а также связанных с ними структур в задней части развивающегося эмбриона


Итак, благодаря антимюллерову гормону мужской организм избавился от зачатков женской репродуктивной системы. Теперь дело за малым – построить соответствующую мужскую систему. Здесь в игру вступают вольфовы протоки. Они залегают по бокам тела эмбриона, проходя из первой временной почки мимо второй временной почки и развивающейся постоянной почки и открываясь в клоаку между зачатками ног (рис. 61). Таким образом, они находятся достаточно близко к развивающейся гонаде. В отсутствие тестостерона вольфовы протоки и почти все структуры временных почек отмирают за счет избирательной гибели клеток. Если тестостерон есть, вольфовы протоки не отмирают. Они сохраняют связь с временными почками, и некоторые ответвления почек подходят к семенникам, проникают в них и, окончательно утрачивая «почечные» функции, превращаются в каналы для транспорта спермы. Когда остальные структуры временных почек отмирают, эти ответвления сохраняются, а вольфов проток становится семявыводящим протоком,[218] который у взрослых мужчин служит для прохода спермы от яичек к уретре, откуда она и извергается наружу.

Если же гонада вступает на женский путь развития, она не продуцирует ни антимюллеров гормон, ни тестостерон. В отсутствие антимюллерова гормона мюллеровы протоки сохраняются и с течением времени развиваются в женскую внутреннюю репродуктивную систему. Без тестостерона вольфовы протоки отмирают и почти полностью исчезают, что исключает возможность развития мужской половой системы.

Кроме внутренней половой системы, у эмбрионов должны возникнуть мужские или женские внешние половые органы. В отличие от механизма формирования внутренних структур, который основан на выборе одного из двух наборов тканей-предшественников, механизм образования внешних структур использует одни те же исходные ткани, но придает им разную форму – так из обычного листа бумаги можно сложить очень непохожие друг на друга фигурки оригами.

Внешние половые органы начинают формироваться из тканей, расположенных между зачатками ног эмбриона, примерно на пятой неделе развития. Ровно посередине между зачатками ног находится полость, которая называется клоака. На данном этапе она представляет собой общее отверстие пищеварительного канала, мочевыводящих и половых протоков (см. рис. 61). Клоака эмбриона напоминает нам о внутреннем строении наших далеких предков – рыб и рептилий. Пищеварительная, мочевыделительная и репродуктивная системы открывались у них наружу общим отверстием. Со временем благодаря росту тканей клоака подразделяется на два или три независимых отверстия. Ее передняя часть становится частью мочевого пузыря и мочеиспускательного канала, задняя часть – прямой кишкой, а центральная часть, куда открываются мюллеровы протоки, образует нижний отдел влагалища (это третье отверстие, разумеется, образуется только у женщин) (рис. 62).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 62. В ходе разделения клоаки эмбриона образуются отдельные отверстия мочевыделительной, женской репродуктивной и пищеварительной систем


На пятой неделе развития около клоаки формируются три утолщения. Два из них – продолговатые валики, по одному с каждой стороны – проходят спереди назад и сходятся прямо перед третьим уплотнением – половым бугорком (см. рис. 62). По мере роста этот бугорок вытягивается в длину. У женщин он остается относительно небольшим и становится клитором, а у мужчин он существенно увеличивается и становится пенисом (рис. 63).

Валики по обеим сторонам клоаки растут. У женщин они не меняют своего положения и дают начало парным половым губам, образующим внешнюю границу женских половых органов. В мужском организме влагалища нет, и ничто не мешает этим валикам встретиться на срединной линии и сформировать непрерывную поверхность – мошонку. Семенники в конечном итоге опускаются в мошонку благодаря длинной связке, проходящей от половых желез к развивающимся гениталиям. Сначала эта связка подтягивает их в нужное положение просто за счет того, что не растет (поскольку остальная часть организма продолжает расти, она «обгоняет» семенники, оставляя их в нижней части), а на более поздних этапах подтягивает их прямо в мошонку за счет активного сокращения. Яичники женских эмбрионов тоже крепятся к связке, но она укорачивается гораздо менее сильно, подтягивая яичники только книзу таза.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 63. Формирование мужских и женских наружных половых органов из одной и той же исходной ткани. На схеме показан участок между ногами развивающегося эмбриона (вид снизу). Сначала имеется отверстие клоаки, окруженное тремя утолщениями (педантичные анатомы делят их на подтипы, но, чтобы понять общую схему процесса, вполне достаточно знать, что утолщений три). После обособления анального отверстия и отверстия мочеполовой системы утолщения развиваются: половой бугорок увеличивается, превращаясь в клитор или пенис, а половые валики образуют половые губы или, смыкаясь по срединной линии, формируют мошонку


Создание мужского или женского организма – многоступенчатый процесс, задействующий сложнейшие механизмы развития. Неудивительно, что он может дать сбой. При этом, в отличие от серьезных ошибок на других этапах развития, например при формировании сердца, сбой при выборе пола не является несовместимым с жизнью. Поэтому нередки случаи, когда люди рождаются «не в том теле» относительно их хромосомного пола или представляют собой нечто среднее между мужчиной и женщиной, а бывает и так, что одни части тела – несомненно мужские, а другие – женские.

Носители мутаций, нарушающих нормальное функционирование SRY или SOX9, имеют мужской хромосомный набор и женское тело. Кроме того, для людей с мутацией, инактивирующей SOX9, характерен особый тип карликовости – кампомелическая дисплазия. Это связано с тем, что, в отличие от SRY, SOX9 также вносит вклад в развитие не связанных с полом частей тела.[219] Мутации, приводящие к образованию дополнительных копий гена SOX9, оказывают обратный эффект. В 1999 г. был описан клинический случай, когда мальчик имел мужское тело и женский хромосомный набор (XX).[220] Однако семнадцатая хромосома, на которой находится SOX9, присутствовала у него в двух экземплярах (это явление называется дупликацией хромосом). Очевидно, SOX9 синтезировался у него в таком большом количестве, что даже в отсутствие SRY мог перевести «переключатель» SOX9 – FGF в «мужское» положение.

Тот факт, что половые железы «оценивают» свой хромосомный набор и сообщают эту информацию остальному организму с помощью гормонов, создает предпосылки для интересных ошибок развития, когда человек имеет половые железы, характерные для одного пола, а тело – для другого. Гормон тестостерон, сообщающий телу мужские черты, можно обнаружить только с помощью особого рецептора. Если этот рецептор инактивируется в результате мутации, организм не сможет обнаружить присутствие тестостерона и пойдет по женскому пути развития, несмотря на наличие семенников. Многие люди с такой особенностью внешне никак не отличаются от женщин (однако у них нет менструальных циклов, потому что нет яичников, и нет структур, производных от мюллерова канала, потому что есть антимюллеров гормон).

Одна из невероятнейших половых аномалий у людей обусловлена мутацией, которая редко встречается в популяции в целом, но относительно часто отмечается у населения небольших островов. Она влияет на преобразование тестостерона в тканях. Хотя в массовой культуре тестостерон рассматривается как неотъемлемый атрибут мужественности, сам по себе он оказывает лишь слабый маскулинизирующий эффект. Однако в тканях под действием определенного фермента тестостерон превращается в значительно более сильный гормон – дигидротестостерон. Если мутация затрагивает ген, кодирующий этот фермент, тестостерон не вступает в нужную реакцию, а сам по себе он не может направить тело по мужскому пути развития. Родившийся ребенок будет иметь женское тело и в детстве ничем не отличаться от обычных девочек.[221] Однако с наступлением половой зрелости у такого человека произойдет, как это обычно бывает у мужчин, всплеск активности тестостерона. Его будет столько, что при всей его «слабости» он сможет пустить организм по мужскому пути развития. Этого может оказаться достаточно, чтобы структура, которая раньше выглядела как клитор, превратилась в пенис, яички опустились в мошонку, а рост волос пошел по мужскому типу. Так, человек, который провел все детство девочкой, всю оставшуюся жизнь живет мужчиной (как Орландо, персонаж из романа Вирджинии Вулф, только наоборот).

Менее глубокие аномалии сигнальных путей и молекул-рецепторов могут вызывать менее резкую половую двойственность. Один человек с подобной двойственностью невольно внес значительный вклад в наше понимание полового развития. Инес де Торремолинос, жившая в XVI в., была вдовой и матерью троих детей, то есть, несомненно, женщиной, но из-за переизбытка тестостерона, вероятно вызванного эндокринным заболеванием, у нее развилась патология, ныне известная под названием клиторомегалии. При этой патологии клитор сильно увеличен, представляя собой нечто среднее между нормальным клитором и пенисом. Ее врач, естествоиспытатель Матео Коломбо, обратил внимание на этот необычный орган и по его промежуточной форме понял связь между развитием мужских и женских половых органов. Возможно, он был первым ученым, который понял, что мужские и женские гениталии – не разные структуры разного происхождения, а две версии одного и того же органа. Он провел своей пациентке, а затем и нормальным женщинам «терапию» (за которую в наше время его бы живо исключили из Списка практикующих врачей Генерального медицинского совета) и осознал в процессе своих «исследований» крайнюю сексуальную чувствительность клитора. Матео Коломбо опубликовал свои наблюдения в 1558 г., и его часто называют «первооткрывателем» сексуальной функции клитора. Это утверждение, конечно, звучит довольно странно: сексуальная чувствительность этого органа явно была известна мужчинам очень давно (судя, например, по древнеримской классической поэзии или непристойным изображениям в Помпеях), не говоря уже о том, что женщины, надо полагать, знали о ней всегда.

В ряде случаев частичные сбои определения пола могут быть вызваны не генетическими факторами, а влиянием окружающей среды. На протяжении жизни нескольких последних поколений репродуктивная функция мужчин в Западной Европе в среднем снизилась. Растет число доказательств того, что это отчасти связано с загрязнением окружающей среды – некоторые виды загрязнителей подавляют гормональные сигналы.[222],[223],[224] Особое беспокойство вызывают фталаты, которые широко используются для повышения гибкости пластмасс. У лабораторных животных, по крайней мере, они сильно подавляют развитие половой системы. Также существует зависимость между воздействием фталатов на женщин и неполным развитием гениталий у их сыновей. Недавно в Европейском Союзе запретили использовать фталаты при производстве игрушек, но многие другие потенциально небезопасные соединения по-прежнему в ходу. Эта тема, неоднозначная сама по себе, осложняется политическими коннотациями. Мы пока не знаем точно, оказывают ли текущие уровни загрязнения существенное влияние на репродуктивную функцию человека, однако данные, полученные на лабораторных животных, как минимум должны послужить нам предостережением. Эмбриональное развитие – очень устойчивый процесс, но это не значит, что он устоит под натиском всех последствий людской беспечности.

Глава 13

В паутине проводов

Свяжите всё воедино!.. Не надо жить обрывками.

Э. М. Форстер

Из всех систем, развивающихся у человеческого эмбриона, самой удивительной является, несомненно, центральная нервная система. К концу развития она состоит из десятков миллиардов отдельных клеток, каждая из которых может быть связана более чем с тысячью других. В отдельных областях человеческого мозга насчитывается около ста миллионов взаимосвязей на кубический миллиметр. Это гораздо больше, чем в микропроцессоре компьютера, с помощью которого я работаю над этой книгой. Если сравнить количество нервных клеток (нейронов) в головном мозге с числом транзисторов в микросхеме компьютера, то окажется, что на один транзистор микропроцессора приходится около трех миллионов нейронов мозга. При этом сравнение будет не вполне корректно, потому что по своим функциям нейрон больше похож не на транзистор, а на микропроцессор в целом. Сотрудничая друг с другом в процессе создания и развития центральной нервной системы, простые клетки эмбриона совершают чудеса, непредставимые в рамках самой передовой инженерной мысли. Нам очень далеко до полного понимания того, как им это удается, но некоторые проблески уже есть.

Центральная нервная система развивается из нервной трубки раннего эмбриона, а та, в свою очередь, образуется при смыкании краев нервной пластинки на его спинной стороне (глава 5). Передняя часть этой трубки впоследствии увеличится и образует головной мозг, а остальная часть даст начало спинному мозгу. После образования нервной трубки ее клетки начинают активно размножаться. Размножение происходит быстрее, чем нужно для удлинения нервной трубки пропорционально росту эмбриона, и «лишние» клетки идут на утолщение стенок трубки. Процесс утолщения задействует довольно сложную «хореографию» движений клеток и ядер внутри клеток, но результат достаточно прост – образуются несколько клеточных слоев. Если не вдаваться в подробности, то можно сказать, что боковые стенки нервной трубки утолщаются сильнее всего, а верхняя и нижняя стенки остаются тонкими.

В предыдущих главах мы уже рассматривали разметку нервной трубки в двух направлениях. Напомню, что разметка в продольном направлении происходит за счет декомпактизации хромосом и активации экспрессии различных комбинаций HOX-генов на разных уровнях оси «голова – хвост» (глава 6). Разметка в поперечном направлении достигается благодаря градиентам концентрации сигнальных молекул, которые распространяются вверх от вентральной пластинки и вниз от дорзальной стороны эмбриона и заставляют клетки развиваться в соответствии с их положением относительно этой оси (глава 7). Образование слоев боковых стенок нервной трубки добавляет третье направление разметки – радиальное (рис. 64). Клетки в слое, обращенном в полость нервной трубки, могут развиваться по иному пути, чем клетки, залегающие в толще стенки, а те, в свою очередь, будут отличаться от клеток наружного слоя. Эти слои очень четко прослеживаются в структуре некоторых отделов центральной нервной системы, например коры головного мозга, где такое строение тесно связано с особенностями работы мозга. В других отделах «слоистое» строение нервной системы менее очевидно.

Оси, по которым идет разметка нервной трубки, по сути просты, но ситуация осложняется тем, что не все клетки остаются на своем месте. В головном мозге, например, очень многие нейроны мигрируют в плоскости нервной трубки, перемещаясь из одного места в другое. Многие нейроны коры головного мозга (то есть отдела мозга, отвечающего за то, что мы называем мышлением) не дифференцируются в этой ткани, а мигрируют в нее из других частей развивающегося мозга. Многие клетки обонятельной луковицы – отдела, отвечающего за восприятие запахов, – тоже мигрируют из других частей мозга.[225] Клетки ориентируются в пространстве с помощью знакомых нам механизмов (глава 8), и многие сигнальные молекулы, обеспечивающие их направленную миграцию, уже выявлены (хотя еще больше только предстоит обнаружить!).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 64. Нервные клетки способны определять свое положение относительно трех осей. От него зависит их дальнейшая дифференцировка. На схеме слева изображено туловище эмбриона (без головы), в том числе нервная трубка и сомиты по бокам от нее. На схеме справа показана увеличенная нервная трубка и три ее оси


Нейроны соединяются друг с другом главным образом за счет длинных тонких отростков – дендритов, которые получают сигналы от других нейронов и могут обрабатывать их на локальном уровне, и аксонов, которые передают сигналы нейрона другим нейронам или мышцам. Длина аксонов может в десятки тысяч раз превышать диаметр клетки, от которой они отходят. Аксоны, соединяющие нижнюю часть спинного мозга с ногами, достигают метра в длину, в то время как диаметр тела нейрона, от которого они отходят, составляет лишь несколько десятитысячных долей миллиметра. Длинные и тонкие аксоны, предназначенные для устанавливания связи, можно уподобить проводам. Как и электрические провода, они проложены на большие расстояния, причем обычно не по отдельности, а в виде «кабелей» – нервов, содержащих сотни отдельных отростков. Сравнить аксоны с проводами можно еще и потому, что передающиеся по ним сигналы имеют электрическую природу. Тем не менее не следует забывать, что это всего лишь аналогия, так как «ток», протекающий по аксонам, значительно сложнее электротока в проводах.

Когда аксоны встречают на своем пути другую клетку, они образуют особый межклеточный контакт – синапс, – через который передается их сигнал. Иногда синапсы основаны на непосредственном электрическом контакте с клеткой. Однако чаще встречаются так называемые химические синапсы: аксон выпускает в небольшую щель между собой и другой клеткой нейромедиатор – мелкую молекулу, стимулирующую рецепторы принимающей клетки, а они, в свою очередь, стимулируют электрическую и/или биохимическую активность в клетке. Так осуществляется передача сигнала. Разные типы нейронов используют разные нейромедиаторы. Именно работу нейромедиаторов имитируют или ингибируют медицинские препараты (а также наркотики), воздействующие на работу мозга за счет избирательного повышения или понижения активности некоторых его систем.

Основная задача развивающейся нервной системы – правильно «протянуть» все эти «провода». Нейроны должны надежно соединяться друг с другом и, когда это необходимо, с органами чувств (глаза, уши, нос, кожные рецепторы и т. д.) или с другими органами (мышцы, кровеносные сосуды, железы и т. д.). Существенную часть этой важной работы выполняют специальные структуры, расположенные на концах растущих аксонов, – конусы роста.

Конусы роста (рис. 65) состоят в основном из белков, которые обеспечивают миграцию клеток (см. главу 8).[226] У них есть ведущий край, где микрофиламенты организованы в сеть, способную продвигать его вперед. По мере сборки микрофиламенты сети удлиняются и толкают мембрану. Иногда продвижение сопровождается образованием длинных и тонких филоподий, способных вытягиваться далеко за пределы конуса роста, а затем снова втягиваться. Двигательные белки, расположенные в глубине конуса роста (например, миозин), взаимодействуют с микрофиламентами, организуя их в сократимые пучки, которые тянут лидирующий край назад. Если бы ничто не препятствовало этому, передний край конуса роста мог просто сокращаться, и никакого движения вперед не происходило бы. Однако конус роста также несет комплексы белков, прикрепляющихся к определенным участкам поверхности, по которой продвигается конус.[227] Эти белковые комплексы надежно заякоривают систему микрофиламентов, обеспечивая точку отталкивания для ведущего края. Благодаря этим комплексам не миозин тянет ведущий край в обратном направлении, а наоборот, центральная часть конуса роста подтягивается к ведущему краю. Таким образом, конус роста, а значит и аксон в целом продвигаются вперед.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 65. Микрофиламенты конуса роста организованы в два типа структур: ламеллиподию (лидирующий край), которая поддерживается разветвленной сетью отдельных микрофиламентов, и филоподии, которые удлиняются, выталкиваясь за счет роста пучков микрофиламентов


Описанный выше механизм предполагает наличие тесной связи между способностью конусов роста крепиться к поверхности и их способностью продвигаться вперед. Это особенно важно, когда конус роста встречает на своем пути разные поверхности, а именно это и происходит как в экспериментальных условиях, так и в живых эмбрионах. Если поверхность под конусом роста более «липкая» с одной стороны конуса, чем с другой, он сместится в сторону более «липкой» поверхности. Именно по этой поверхности будет наиболее эффективно проталкиваться вперед новый лидирующий край. В результате конус роста будет двигаться в этом направлении.

Разные типы нейронов синтезируют разные типы белков адгезионного комплекса. Более того, один и тот же нейрон на разных этапах своего существования может производить разные наборы белков адгезионного комплекса. Каждый получившийся из этих наборов белков адгезионный комплекс избирательно прикрепляется к определенной молекуле на поверхности, по которой движется нейрон (если эта молекула там есть). Таким образом, если перед разными нейронами открывается один и тот же выбор поверхностей, они могут начать расти в разных направлениях.

Различия в адгезивных свойствах поверхностей – не единственная навигационная подсказка, которой могут воспользоваться конусы роста. Некоторые другие сигналы воздействуют на молекулярные механизмы, обеспечивающие сборку лидирующего края конуса роста.[228] Если на различные участки конуса роста действуют разные концентрации внешних сигнальных молекул, баланс между удлинением и сокращением на этих участках будет разным, и конус роста будет двигаться в направлении сигналов, активирующих удлинение, и удаляться от сигналов, активирующих сокращение.[229] Иногда разница в концентрации сигнальных молекул в разных областях эмбриона настолько велика, что конус роста реагирует по типу «все или ничего». Тогда конусы роста определенного типа вообще не достигают определенного участка. В других случаях различия в концентрации не столь резки, и конусы роста реагируют на них более сложным образом, что позволяет плавно подводить их к нужной цели. Бывает и так, что конусы роста доходят до нужного участка эмбриона по градиенту концентрации.

Пример реакции по типу «все или ничего» мы находим в системе, которая определяет, будут ли аксоны пересекать среднюю линию спинного мозга. Строгий контроль в этой системе очень важен, например, для того чтобы человек мог совершать асимметричные движения руками – скажем, для того чтобы, удерживая блюдце в левой руке, правой поднести к губам чашку чая. При движении руки с чашкой происходит произвольное сокращение бицепса (и других мышц). Насколько нам известно, молекулы, которые синтезируются в бицепсе левой и в бицепсе правой руки, совершенно одинаковы. Конусы роста двигательных нейронов в спинном мозге, предназначенные для управления бицепсами, сами по себе не могут уловить разницу между правой и левой рукой. Если бы конусы роста могли свободно пересекать центральную ось спинного мозга перед тем, как покинуть его и отправиться к мышцам, многие нейроны, которые должны контролировать правую руку, контролировали бы и левую, и наоборот. Тогда руки могли бы совершать только одинаковые движения. Этого необходимо избежать, а значит, двигательные нейроны, отходящие от правой стороны спинного мозга, должны идти только к правой руке. То же самое относится и к органам чувств. Мы можем понять, слева или справа от нас находится источник звука, потому что мозг соответствующим образом связан с сенсорной системой левого и правого уха. Организм может обнаружить и исправить какие-то случайные ошибки при помощи компенсаторных механизмов (о них пойдет речь в главе 15), но эти механизмы работают только в том случае, если большая часть «проводки» была изначально проложена правильно.

Пересечет ли конус роста среднюю линию (предположим, например, что речь идет о конусе роста аксона вставочного интернейрона, который передает сигналы от одного нейрона спинного мозга к другому), зависит главным образом от его реакции на контакт с клетками вентральной пластинки (напомню, что эта структура имеет форму полоски, которая проходит по вентральной поверхности нервной трубки; см. главу 5). На поверхности клеток вентральной пластинки есть белок под названием SLIT. Его распознает рецептор ROBO, имеющийся в конусах роста некоторых нейронов. При связывании рецептора ROBO с белком SLIT внутри конуса роста запускаются сигнальные пути, которые блокируют продвижение лидирующего края клетки, а также приводят к его быстрому сокращению.[230] Итак, если какая-то часть лидирующего края конуса роста, несущего рецептор ROBO, вошла в контакт с клеткой, экспрессирующей SLIT, то она сокращается, и продвижение аксона в этом направлении блокируется. Аксон будет расти в том направлении, куда его ведет та часть лидирующего края, которая не контактировала с несущими белок SLIT клетками средней линии, и поэтому не сможет ее пересечь. Если же конус роста лишен рецептора ROBO, он абсолютно невосприимчив к белку SLIT и может безнаказанно пересечь среднюю линию (рис. 66). Набор белков, экспрессирующихся в конусе роста, может меняться на протяжении его жизни. Аксоны, которые должны пересечь среднюю линию, могут послужить тут отличным примером. Пока они движутся к средней линии, у них есть рецепторы, которые регистрируют «притягивающие» сигналы клеток средней линии, а рецепторов ROBO практически нет (более того, у них синтезируются белки, которые в любом случае подавляют работу рецепторов ROBO). Поэтому такие аксоны без труда пересекают срединную линию. В процессе пересечения, однако, их конусы роста подвергаются воздействию высоких уровней концентрации белка Sonic Hedghog, который синтезируют клетки вентральной пластинки (глава 7). Под действием этого белка конусы роста после небольшой задержки, достаточной для пересечения средней линии, приобретают чувствительность к ROBO.[231] Это означает, что средняя линия теряет для них привлекательность, и они не пытаются снова пересечь ее, а движутся дальше к местам назначения.[232] (Аббревиатура ROBO происходит от названия мутации плодовых мушек roundabout (карусель), которая инактивирует аналог ROBO у мушек и приводит к тому, что конусы роста несколько раз пересекают среднюю линию, двигаясь по кругу, как лошадки в карусели.)

Если клеткам нужно образовывать связи только со «своей» стороной центральной нервной системы, они образуют аксоны, которые не должны пересекать вентральную пластинку. Конусы роста этих аксонов несут рецепторы ROBO и не могут пересечь «негостеприимную» зону вентральной пластинки. Некоторые из этих нейронов чувствительны как к «привлекающим» сигналам вентральной пластинки, так и к «отпугивающим» белкам SLIT. Столкнувшись с этим противоречивым влиянием, они остаются как можно ближе к сигналу-аттрактанту, но все же не настолько близко, чтобы непосредственно столкнуться с сигналом-репеллентом.[233] Подобно мотылькам, которые танцуют вокруг пламени, но не сгорают, они держатся на постоянном расстоянии от вентральной пластинки и растут параллельно ей вдоль спинного мозга. Такие аксоны связывают между собой разные уровни тела, например мозг с иннервирующими бицепсы моторными нейронами, располагающимися на уровне рук.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 66. Вентральная пластинка спинного мозга вырабатывает сигнальную молекулу SLIT. Она «отпугивает» конусы роста, несущие активный рецептор ROBO (a), а конусы роста, лишенные активного ROBO (б), могут свободно ее пересекать


Примером реакции, основанной на оценке относительных концентраций сигнальных молекул-репеллентов и плавно подводящих нейроны к цели, может служить установление связи между глазами и мозгом. В глазу взрослого человека изображение проецируется на сетчатку – изогнутый «экран», выстилающий глазное яблоко сзади. Сетчатка содержит светочувствительные клетки – напряжение на их мембранах меняется в зависимости от яркости падающего на них света. Светочувствительные клетки соединены с залегающими в непосредственной близости нейронами, которые выполняют локальную обработку сигналов перед передачей их в мозг. У каждого из этих нейронов есть аксон, идущий прямо в мозг. Многие из них идут в ту часть мозга, которая у млекопитающих называется верхним двухолмием.[234] Аксоны ганглиозных клеток сетчатки идут параллельно друг другу в виде толстого «кабеля» – зрительного нерва, но на подходе к верхнему двухолмию они расходятся и подключаются к нему очень необычным образом. Место в верхнем двухолмии, к которому подключается аксон, точно соответствует положению на сетчатке ганглиозной клетки, от которой он отходит. По сути, структура верхнего двухолмия точно повторяет расположение ганглиозных клеток на сетчатке, поэтому на нем отображается – в виде сигналов электрической активности – точная копия оптического изображения сетчатки.

В нанесении «карты» сетчатки на верхнее двухолмие при эмбриональном развитии участвуют несколько механизмов. Сначала наносятся общие контуры, а затем «карта» постепенно прорабатывается и становится очень точной. Один мощный механизм основан на взаимодействии молекул-репеллентов на поверхности клеток верхнего двухолмия с рецепторами конуса роста, которые при обнаружении таких молекул вызывают локальное разрушение лидирующего края.[235] Производство молекул-репеллентов клетками двухолмия неравномерно. Их очень много в той его части, которая должна в конечном итоге соединиться с аксонами носовой (то есть ближайшей к носу) стороны глаза. По мере удаления от этой части клетки двухолмия синтезируют все меньше таких молекул, а в той части, которая должна в конечном итоге соединиться с аксонами ближайшей к уху (височной)[236] стороны сетчатки, их совсем мало. Неравномерно и производство рецепторов конусами роста ганглиозных клеток сетчатки: конусы роста аксонов клеток носовой стороны образуют очень мало рецепторов, но по мере удаления от нее их количество неуклонно растет, и конусы роста на височной стороне глаза производят гораздо больше рецепторов. Конусы роста аксонов клеток на височной стороне сетчатки будут активно избегать клеток верхнего двухолмия, которые содержат большое количество белка-репеллента. Поэтому они будут двигаться к краям верхнего двухолмия, где этого белка мало. Конусы роста аксонов клеток, расположенных ближе к середине глаза, тоже несут некоторое количество молекул рецептора, а значит, будут отклоняться от той части верхнего двухолмия, клетки которого синтезируют много молекул-репеллентов. Однако верхнее двухолмие имеет ограниченный размер, и аксоны, идущие от клеток середины сетчатки, не могут соревноваться с аксонами, идущими от височной стороны сетчатки (где образуется больше всего рецепторов), для подключения к той части, где молекул-репеллентов очень мало. В результате им приходится «довольствоваться» областями, где таких молекул не слишком много. Конусы роста на носовой стороне сетчатки имеют так мало рецепторов, что способны «вытерпеть» даже область верхнего двухолмия с очень высоким содержанием молекул-репеллентов. Благодаря такой «конкуренции» за возможность уйти подальше от молекул-репеллентов – а она тем сильнее, чем конусы роста чувствительнее, – конусы роста располагаются в двухолмии в том же порядке, в каком они покинули сетчатку (рис. 67).

Описанный выше механизм позволяет упорядочить конусы роста в соответствии с их положением на горизонтальной (нос – ухо) оси глаза. Похожая система, использующая другие пары рецепторов и молекул-репеллентов, организует конусы роста относительно вертикальной оси (лоб – щека), так что на верхнем двухолмии оказывается точная двумерная «карта» сетчатки. Вполне вероятно, что вдоль обеих осей действуют и другие, пока неизученные сигнальные системы, основанные не только на репеллентах, но и на аттрактантах, и они осуществляют тонкую доработку карты, нанесенной с помощью описанного выше механизма. Мы находимся в самом начале пути к пониманию этих процессов развития.

Механизм «подключения» конусов роста аксонов зрительного нерва к нужному месту в головном мозге, о котором я только что говорил, основан на локальных взаимодействиях. Однако не следует забывать, что, прежде чем конусы роста оказались в районе верхнего двухолмия, они уже проделали долгий путь от сетчатки к верхнему двухолмию. Этот путь тоже очень сложен и основан на множестве разнообразных «отпугивающих» и «привлекающих» сигналов.[237]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 67. Схема, поясняющая механизм, благодаря которому «карта» сетчатки наносится на верхнее двухолмие (из тысяч аксонов показаны лишь три). Аксоны клеток на височной стороне сетчатки (нижняя часть схемы) несут большое количество рецепторов и активно избегают молекул-репеллентов в верхнем двухолмии. Поскольку эти молекулы распределяются по градиенту, аксоны избегают всего двухолмия, кроме той части, где этих молекул меньше всего (на схеме внизу). Аксоны, отходящие от средней части сетчатки, тоже избегают высоких концентраций молекул-репеллентов, но не столь активно. Таким образом, они остаются посередине верхнего двухолмия (они бы и рады спуститься ниже, но им не дают этого сделать аксоны с височной стороны). Аксоны клеток, лежащих на носовой стороне сетчатки, образуют мало рецепторов и почти не реагируют на молекулы-репелленты. Поэтому они подключаются к той области верхнего двухолмия, где этих молекул много (никакие другие аксоны на эти места не претендуют). Следует подчеркнуть, что на рисунке представлена очень упрощенная схема этого процесса, не отражающая ни сложный путь зрительного нерва, ни очертания верхнего двухолмия


Первая навигационная задача, с которой сталкиваются конуса роста на пути от сетчатки глаза к мозгу, – найти точку в задней части глаза, из которой должен выходить зрительный нерв. Это достигается за счет того, что у конусов роста есть рецепторы, чувствительные к молекулам-репеллентам, которые распространяются от края сетчатки, и рецепторы к молекулам-аттрактантам, которые находятся ближе к центру сетчатки (откуда и будет выходить зрительный нерв) (рис. 68). Одной из таких молекул-аттрактантов является белок Sonic Hedghog. Если нарушить синтез этого белка в центре сетчатки эмбриона животного, то конусы роста аксонов ганглиозных клеток сетчатки не смогут обнаружить нужную точку и будут расти хаотично. Есть также данные, указывающие на существование градиента молекул-репеллентов между краем и центром сетчатки.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 68. Поиск аксоном пути в сетчатке, расположенной в задней части глаза и показанной на рисунке в виде чашеобразной структуры (примерно такую форму она и имеет). Аксоны ганглиозных клеток сетчатки находят путь к точке выхода, ведущей к зрительному нерву, пользуясь сигналами молекул-аттрактантов (таких, как Sonic Hedgehog), синтезируемых в центральной части сетчатки, а также, возможно, сигнальных молекул-репеллентов, синтезируемых по краям сетчатки


Первые конусы роста, покидающие область глаза, оказываются в узком «коридоре». Его стены образованы клетками, которые синтезируют еще один тип молекул-репеллентов.[238] По этому узкому коридору конусы роста могут двигаться только в одну сторону – в направлении центральной части развивающегося мозга. Когда тысячи конусов роста выходят из развивающейся сетчатки, тянущиеся за ними аксоны образуют мощный «кабель» – зрительный нерв.

Зрительные нервы от обоих глаз сходятся в одном и том же месте центральной части мозга и сталкиваются с необходимостью выбора дальнейшего маршрута. Некоторые из них пересекут срединную линию и направятся к верхнему двухолмию на противоположной стороне мозга, а другие направятся к верхнему двухолмию на своей стороне (рис. 69). Решающая, функциональная причина такого выбора маршрута связана с тем, как мы видим. У многих животных, особенно у тех, которые должны спасаться от хищников, глаза размещены по бокам головы.

Такое расположение дает определенное преимущество, потому что картины, которые видит каждый глаз, почти не перекрываются, и животное может одновременно следить за происходящим с двух сторон. Это позволяет ему заранее обнаружить хищника и, если повезет, убежать или спрятаться. Если поля зрения не перекрываются, информацию, поступающую от двух глаз, можно обрабатывать по отдельности. У таких животных зрительные нервы просто пересекаются в центре мозга, так что нерв от левого глаза идет к структурам правой части мозга, а нерв от правого глаза – к левой. Люди же смотрят прямо вперед, что характерно для хищников или для животных, которым нужно точно оценивать расстояние, например, когда они перемещаются в древесных кронах, прыгая с ветки на ветку.

У людей больше половины поля зрения охватывается обоими глазами. Поскольку глаза расположены по обе стороны от средней линии тела на некотором расстоянии друг от друга, мозг способен воспринимать картину в трех измерениях. Чтобы проверить, как это происходит, расположите палец на расстоянии 30–60 см от лица и закройте левый глаз. Теперь переместите палец так, чтобы он совместился с каким-нибудь удаленным предметом. Не двигая палец, закройте правый глаз и откройте левый: вам покажется, что палец сдвинулся относительно этого предмета. Разница в восприятии положения объектов глазами позволяет мозгу очень точно рассчитывать расстояние, но для этого одна и та же область мозга должна получать информацию одновременно от обоих глаз. Для этого значительное число конусов роста должно не пересекать центральную линию, а возвращаться к своей стороне головного мозга, встречаясь с конусами роста от другого глаза. Достигнув средней линии, некоторые конусы роста разворачиваются обратно – опять же, под действием молекул-репеллентов, синтезированных клетками средней линии.[239] Некоторые конусы роста чувствуют эти молекулы и следуют их командам, а другие игнорируют их присутствие, потому что их мембрана содержит другие комбинации рецепторов.[240] После того как конусы роста пересекли среднюю линию или, наоборот, развернулись и остались на своей стороне, их путь к верхнему двухолмию снова определяется сигналами-репеллентами, которые не дают им «сбиться с пути». Возможно, от цели их пути также распространяются какие-то молекулы-аттрактанты;[241] во всяком случае, так обстоит дело с некоторыми другими путями миграции конусов роста в пределах мозга, например при создании пути, по которому сенсорная информация поступает в кору.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 69. Схема пути аксонов из сетчатки к верхнему двухолмию – области головного мозга, где воспроизводится видимая глазом картина. На схеме слева (вид мозга сбоку) показано расположение верхнего двухолмия. На схеме справа показано, как аксоны подходят к области перекреста и либо пересекают среднюю линию, либо остаются на той же стороне (размер нервов и верхнего двухолмия немного увеличен для наглядности)


Сигнальные молекулы, указывающие конусам роста правильный путь, – это очень интересно, но возникает вопрос: а как, собственно, сами путеводные сигналы распределяются столь сложным образом? Ответ (во всяком случае, известная нам малая часть ответа) представляет собой частный случай общего правила, характерного для эмбриона в целом. В процессе развития клеток центральной нервной системы комбинация сигналов от близлежащих тканей и белков, уже имеющихся в клетках, определяет, какие гены будут активны в клетках, а какие – нет. Некоторые из этих генов вовлечены в производство сигнальных молекул, которые в свою очередь выступают в качестве сигналов для соседних клеток и могут повлиять на активацию их генов. За счет работы подобных механизмов простая и однородная система может превратиться в невероятно сложную и неоднородную. При развитии нервной системы в действие вступает дополнительный усложняющий аспект: когда нейроны выпускают конусы роста, а те, используя сигналы окружающих клеток для поиска пути, начинают прокладывать путь, оставляя за собой аксоны, эти аксоны сами начинают выступать в качестве сигналов. Они могут менять экспрессию генов в прилегающих клетках или направлять миграцию других конусов роста. Можно сказать, что география нервной системы напрямую зависит от ее истории; как в случае эмбриона в целом, одно усложнение порождает другое.

Этот принцип организации развития, при котором реакция на одно изменение становится триггером следующего изменения, является мощным средством повышения сложности, но при этом он чреват серьезными опасностями. Когда небольшие различия, порожденные одним из процессов развития, многократно усиливаются за счет того, что последующие процессы опираются на эти различия, не остается места для ошибок, и сбой одной системы на ранней стадии может повлечь за собой непропорционально тяжелые последствия. Возможно, именно поэтому очень многие генетические заболевания приводят к серьезным нарушениям работы мозга.

Примером аномалии головного мозга, связанной с проблемой в начале развития нервной системы, является лиссэнцефалия. Существует множество мутаций, препятствующих нормальному перемещению тел нейронов в процессе утолщения нервной трубки. Это приводит к неправильному формированию слоев. В результате нейроны образуют трубку, площадь поверхности которой слишком мала для образования мозговых извилин («лиссэнцефалия» означает «гладкий мозг»).[242] Если слои сформировались неправильно, работа мозга нарушена. Дети с тяжелыми формами этого заболевания отличаются крайне низким уровнем интеллектуального развития – как правило, оно остается на уровне ребенка нескольких месяцев от роду. Такие дети страдают от сильных мышечных спазмов и судорог и часто умирают очень рано из-за неспособности контролировать дыхание.

На более поздних этапах развития различные мутации могут вызвать специфические сбои поиска правильного пути конусами роста. В результате не образуются нужные связи или, наоборот, возникают ненужные. Некоторые клетки мозга синтезируют особую молекулу клеточной адгезии – L1CAM. Конусы роста с рецепторами, распознающими эту молекулу, будут двигаться по маршруту, размеченному секретирующими ее клетками. Мутации, влияющие на функции молекулы L1CAM, лишают конусы роста этого важного сигнала.[243],[244] У людей с такими мутациями не хватает связей между левым и правым полушарием мозга, а также между головным и спинным мозгом. Это приводит к нарушению двигательной функции и ряду других проблем. Встречаются также мутации в генах, кодирующих белки системы ROBO/SLIT (напомню, что она контролирует пересечение аксонами срединной линии). В этом случае конусы роста, которые должны пересечь среднюю линию, не могут этого сделать из-за повышенной чувствительности к ROBO. Носители этих мутаций страдают от зрительных расстройств и нарушений координации движения.[245]

В этой главе я попытался объяснить общие принципы, контролирующие формирование нервной системы на ранних этапах развития. При этом я привел несколько примеров поиска пути аксонами и упомянул несколько названий сигнальных молекул. Боюсь, что из-за такого изложения материала у вас могло сложиться неверное представление о развитии нервной системы, которое я хотел бы развеять. Во-первых, могло показаться, что вся «паутина проводов» находится под контролем двух или трех молекул. Это совершенно не так: в нервной системе есть множество разных белков, направляющих движение конусов роста, и при этом разные конусы роста реагируют на разные белки. Эти белки, как правило, работают в разных сочетаниях. Даже если бы в каждой области нервной системы синтезировалось только два белка, выбор двух молекул из тысячи дал бы миллион возможных комбинаций. На самом же деле в одном и том же месте могут синтезироваться десятки разных белков, а значит, число возможных комбинаций выражается единицей с большим количеством нулей, чем знаков на одной строке этой книги. Вспомним, что сотни миллионов телефонных номеров, существующих в современном мире, представляют собой комбинации всего лишь десяти цифр (0–9). Скорее всего, развивающаяся нервная система способна образовывать так много различных типов связей именно за счет комбинаторики молекул, направляющих рост аксонов. Во-вторых, у вас могло сложиться впечатление, что развитие нервной системы хорошо изучено. Это тоже не так. Есть несколько относительно неплохо изученных примеров, позволяющих сделать вывод об общих принципах поиска пути конусами роста (к их числу относятся те, о которых я говорил в этой главе). Скорее всего, эти общие принципы, какими мы их себе представляем в данный момент, в целом верны. Однако между пониманием общих принципов и знанием того, как именно каждая часть мозга оплетается нервными волокнами, лежит долгий путь, и нам лишь предстоит его пройти.

Механизм, при помощи которого конусы роста ищут путь к цели, обеспечивает формирование основных нейронных связей, но до безупречной точности еще далеко. Она возникнет благодаря сигналам, проходящим по аксонам уже сформированной нервной системы. Процесс усовершенствования структуры и укрепления связей продолжается всю жизнь. Поскольку он происходит на более поздних этапах развития (в основном уже после рождения), мы обсудим его механизмы позже (см. главу 15).

Часть III

Последние штрихи

Глава 14

Рожденные смертными

В расцвете жизни носим мы в себе смерть.

Книга общественного богослужения

Один из многих парадоксов человеческой жизни заключается в том, что она зависит от смерти – смерти огромного количества отдельных клеток вполне здорового организма. Я говорю не о случайной гибели от неизбежных повреждений и не о смерти от бактериальных или вирусных инфекций. Речь идет о преднамеренном самоубийстве, когда клетки активируют белки, запускающие контролируемый процесс их разрушения. Было подсчитано, что таким образом погибают – в ходе абсолютно нормального развития – более половины клеток эмбриона. Поскольку клетки сами избирают путь саморазрушения, этот процесс также называют «избирательной гибелью клеток».[246]

Добровольная гибель клеток может быть связана, например, с тем, что образуемая ими ткань нужна только на промежуточных этапах формирования организма, а затем становится лишней. Такие ткани можно сравнить со строительными лесами, необходимыми для возведения, скажем, арочного моста: когда мост готов и может держаться сам по себе, леса убирают. У эмбриона примером могут послужить, вероятно, ткани временных почек (см. главы 10 и 12).[247] У низших животных, например у рыб, эти почки сохраняются и функционируют у взрослых особей, но у взрослых млекопитающих выделение осуществляют почки нового типа (глава 12). Однако первые клетки крови и кровеносные сосуды у эмбрионов млекопитающих образуются, как и у рыб, в комплексе тканей, который включает примитивные почки. В мужском организме часть «дренажной» системы временной почки идет на формирование каналов репродуктивной системы. Поэтому при эмбриональном развитии млекопитающих без временных почек не обойтись, хотя во взрослом организме они и не выполняют свою исходную выделительную функцию.

Избирательная гибель клеток играет важную роль при образовании ладоней и стоп эмбриона.[248] Они закладываются как лопатообразные структуры, в которых кости пальцев, образующиеся за счет уплотнения мезенхимы, одеты, словно рукавицей, общим слоем эктодермы (глава 11). Затем клетки, расположенные между пальцами, погибают, кожа оттягивается к ладони, и кисть становится похожей уже не на рукавицу, а на перчатку.[249] Роль избирательной гибели клеток при образовании пальцев была показана в экспериментах на эмбрионах птиц. У куриных эмбрионов она выражена очень сильно, и на лапах формируются длинные, хорошо разделенные пальцы, которыми удобно копаться в земле. У утиных эмбрионов, напротив, уровень клеточной смертности в промежутках между пальцами довольно низок. В результате формируются прекрасно приспособленные для плавания перепончатые лапы с прочным двойным слоем кожи и соединительной ткани между пальцами. При обработке куриных эмбрионов препаратом, ингибирующим избирательную гибель клеток, получаются цыплята с перепончатыми лапами (рис. 70).[250]

Наряду с уничтожением вспомогательных тканей, избирательная гибель клеток также используется для ликвидации лишних клеток в постоянных тканях. Многие развивающиеся ткани изначально производят избыточное число клеток, а затем, используя сигналы от других тканей, определяют, какие клетки и в каком количестве нужно сохранить.

Ярчайший пример такого перепроизводства клеток – формирование популяции моторных нейронов развивающегося спинного мозга. (Моторные нейроны иннервируют мышцы стенки туловища и конечностей, отвечая за их движение.) Давайте рассмотрим общий принцип этого явления на примере рук. При нормальном развитии в области спинного мозга, управляющей руками, производится гораздо больше моторных нейронов, чем требуется взрослому организму.[251],[252] От этих моторных нейронов в развивающиеся конечности отходят аксоны, которые должны вступить в контакт с волокнами развивающихся мышц. Через некоторое время происходит всплеск избирательной гибели клеток, и численность моторных нейронов значительно снижается.

Первые проблески понимания того, что же управляет избирательной гибелью клеток, пришло в ходе экспериментов,[253],[254],[255] в которых один зачаток передней конечности (крыла) куриного эмбриона удаляли, а другой оставляли на месте. Сначала по обе стороны спинного мозга образовывалось, как и следует, очень много моторных нейронов. После всплеска избирательной гибели клеток на стороне спинного мозга, связанной с развивающейся конечностью, погибало нормальное, относительно небольшое количество мотонейронов, а с той стороны, где конечности не было, наблюдалась массовая гибель мотонейронов. Этот классический эксперимент показал, что «решение» моторного нейрона (жить ему или умереть) зависит от того, удалось ли его аксону найти мышцу, к которой можно подключиться. Этот предварительный вывод был в дальнейшем подтвержден экспериментом по имплантации дополнительной конечности с одной стороны тела. Такая имплантация значительно снижала уровень гибели мотонейронов, как если бы им было нужно иннервировать мышцы двух конечностей.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 70. Роль гибели клеток в исчезновении перепонок между пальцами. Слева показана схема развития нормальной утиной лапы: гибель клеток между пальцами в зачатке конечности незначительна, перепонки сохраняются. На схеме посередине показано развитие нормальной куриной лапы: избирательная гибель клеток между пальцами сильно выражена (как и в случае человеческой руки), и образуются конечности без перепонок. Схема справа показывает результаты эксперимента, в котором сигналы, в норме вызывающие избирательную гибель клеток в конечности цыпленка, были ингибированы. Образовавшаяся конечность похожа на утиную. Это позволяет предполагать, что избирательная гибель клеток имеет принципиальное значение для исчезновения перепонок. Я говорю «предполагать», а не «считать доказанным», так как нельзя полностью исключать, что метод, используемый для ингибирования сигналов, также влияет на какой-то иной, пока неизвестный процесс в конечности. «Неизвестные неизвестности», как метко окрестил это явление Дональд Рамсфелд, – вечная проблема, возникающая при интерпретации биологических экспериментов


Когда ученые поняли, что при изменении количества мышц может изменяться число погибающих мотонейронов, а некоторые мотонейроны гибнут даже при нормальном развитии, они предположили, что мышц всегда немного меньше, чем мотонейронов. Тщательный биохимический анализ развивающихся мышц показал, что они производят факторы выживания нейронов в очень ограниченном количестве.[256] На ранних стадиях развития мотонейроны могут обходиться без этих факторов, но затем впадают в зависимость от них. Самоубийственный потенциал заложен в клетках изначально, и только сигналы от факторов выживания не дают привести его в исполнение. Мышцы рук нормального эмбриона производят недостаточно факторов выживания, чтобы сохранить все мотонейроны, и только клетки, образовавшие наилучшие соединения с мышцами, получают его в нужном количестве. Другие клетки получают слишком слабый сигнал, недостаточный для сдерживания «тяги к самоубийству». Поэтому такие клетки самоуничтожаются. Таким образом, многочисленные клетки конкурируют друг с другом за факторы выживания, и выживают лишь те, которым удалось создать оптимальное соединение с источниками этих факторов.

Перепроизводство клеток с последующим выбором лучших напоминает перепроизводство молодых животных с последующим отбором наиболее приспособленных (основной принцип естественного отбора, лежащий в основе дарвиновской теории эволюции).[257] Параллель неточная, но обе системы действительно предоставляют способ выбрать «наиболее приспособленные» единицы, обладающие случайной изменчивостью. В случае дарвиновской эволюции изменчивость выражается в разных комбинациях генов, которые несут конкурирующие между собой молодые особи. Изменчивость мотонейронов эмбриона в основном выражается в том, насколько точно их аксоны находят путь к цели. В обоих случаях наиболее приспособленные выживают, а остальные погибают. Благодаря такой организации процесса отпадает необходимость в сверхточном программировании пути движения аксонов, а также повышается устойчивость эмбриона к сбоям в работе системы.

Принцип конкуренции клеток за поступающие от цели сигналы выживания не ограничивается мотонейронами спинного мозга. Он также проявляется в сенсорной системе и во многих областях головного мозга. Самое интересное, что этот принцип проявляется не только в нервной системе. Его широкое распространение легло в основу так называемой трофической гипотезы,[258] согласно которой выживание любых клеток зависит от ограниченного количества факторов выживания, производимых другими клетками. Один из авторов этой гипотезы был настолько уверен в ее истинности, что, когда впервые рассказывал о ней на конференции, предложил внушительную премию тому, кто найдет противоречащий ей пример (оговорившись, что аномальные клетки и эмбрионы на самых ранних стадиях развития в расчет не принимаются). Премия так и осталась невостребованной.

Трофический принцип полезен для объяснения процессов развития, происходящих как на очень коротких, так и на очень длительных периодах времени. Во-первых, в соответствии с этим принципом клетки, которые образовались не там, где надо, или же «заблудились» и оказались далеко от будущих партнеров, просто покончат жизнь самоубийством, не причинив никому неудобств. Во-вторых, трофический принцип, возможно, обусловил эволюцию сложных организмов. Рассмотрим двух гипотетических животных с одинаковой формой тела. В организме одного из них сразу образуется именно столько мотонейронов, сколько нужно для обслуживания мышц рук, а в организме другого, как и у нас, сначала образуется слишком много мотонейронов, а затем избыток ликвидируется. Теперь представьте, что окружающая среда этих животных меняется, и открывается новая экологическая ниша, подходящая для животных с сильными конечностями (например, теперь нужно рыть землю или прыжками перемещаться с дерева на дерево). Чтобы животные первого типа получили более развитые, но функционирующие передние конечности, у одной особи должны одновременно произойти две мутации: одна, чтобы увеличить руки, а другая, чтобы увеличить количество мотонейронов ровно настолько, насколько нужно. Для животных второго типа будет достаточно мутации, которая приведет к увеличению рук, потому что количество выживших мотонейронов будет корректироваться автоматически с учетом нового, большего источника факторов выживания. Вероятность возникновения одной мутации мала; вероятность возникновения двух мутаций у одной и той же особи крайне мала, и такого стечения обстоятельств придется ждать очень долго. Животные, в организме которых имеет место перепроизводство клеток и последующее избирательное выживание, находятся в лучших условиях и имеют больше шансов выиграть эволюционную гонку – то есть эволюционировать быстрее и занимать новые экологические ниши. Поэтому неудивительно, что эти принципы лежат в основе развития сложных животных с долгой эволюционной историей, таких как мыши или люди. Не будь их, такие животные, возможно, просто не смогли бы возникнуть за всю эволюционную историю Земли.

Зависимость клеток от сигналов выживания, посылаемых другими клетками, имеет ряд интересных клинических следствий, и уже сейчас вмешательство в эти сигналы помогает спасать жизни людей. Раковые клетки утрачивают все обычные механизмы регулирования размножения (что, по большому счету, и делает их раковыми клетками), но многие из них все же зависят от сигналов выживания. Это ахиллесова пята некоторых опухолей, потому что иногда удается «убедить» их клетки совершить самоубийство, а это гораздо менее вредно для организма, чем традиционная химиотерапия. Такой подход особенно перспективен для борьбы с опухолями не жизненно важных тканей, потому что если в процессе лечения некоторые нормальные клетки тела, относящиеся к тому же типу ткани, тоже решат погибнуть, ничего особенно страшного не произойдет. Например, выживание клеток предстательной железы зависит от сигналов тестостерона. (К слову, наблюдение Карла Фогта (1840 г.), что простата молодых бычков резко уменьшается после кастрации, было первым четким описанием избирательной гибели клеток после нарушения сигнала выживания.) Многие виды рака и предраковых новообразований предстательной железы сохраняют свою зависимость от тестостерона и других гормонов, поэтому препараты, блокирующие передачу сигналов тестостерона, могут быть очень эффективны в борьбе с такими опухолями.[259],[260] Сходным образом, многие виды рака молочной железы зависят от сигналов эстрогена. Мощным ингибитором сигнализации эстрогена в тканях молочной железы является тамоксифен, и этот препарат действительно оказался очень эффективным при лечении рака молочной железы у многих пациенток.[261] Использование этого подхода для борьбы с опухолями жизненно важных тканей осложняется тем, что полное блокирование сигналов выживания может повлечь за собой уничтожение не только опухоли, но и нормальной ткани. Однако, поскольку опухоли нередко расположены беспорядочно, их клетки и так находятся довольно далеко от источников сигналов выживания. Поэтому теоретически возможно подобрать такую дозу препарата, которая поддерживала бы уровень сигнала на достаточном уровне для выживания нормальной ткани на обычном месте, но на слишком низком уровне для выживания клеток опухоли. В сочетании с другими методами управление сигналами выживания может стать ценным подспорьем в лечении разнообразных раковых заболеваний.

Глава 15

Как набраться ума-разума

Системы, системы, системы – от них никуда не деться, потому что природа системна, а человек – природное явление, как и его разум.

Дональд Кроухерст

Самое удивительное и трудное для понимания качество, возникающее у развивающегося эмбриона, – это разум. О работе высших функций мозга мы до сих пор знаем очень мало, но из того факта, что разные типы повреждений мозга имеют определенные и предсказуемые последствия, можно сделать вывод, что разум как психическое явление связан с нейронной активностью мозга как физической структуры.

Головной мозг, как и спинной, развивается из нервной трубки. Сначала на головном конце этой трубки возникают три первичных мозговых пузыря, которые станут передним, средним и задним мозгом (рис. 71). Рост этих пузырей связан с энергичным размножением клеток в стенках нервной трубки (глава 13), а также, возможно, обусловлен внутренним давлением жидкости в центральной полости мозга (на данном этапе развития ее отведение временно заблокировано). После формирования трех основных пузырей боковые стороны переднего мозга тоже вздуваются, образуя две стороны новой структуры – конечного мозга. Другие пузыри тоже начинают подразделяться на четко выраженные участки. Процесс развития идет по схеме, с которой мы уже неоднократно сталкивались: вся область делится на зоны, эти зоны растут, делятся на подзоны, которые, в свою очередь, растут и делятся на подзоны и так далее.

У просто устроенных позвоночных, таких как рыбы, мозг остается прямой трубкой с выпячиваниями, и связь его структур со структурами эмбриона вполне очевидна (поэтому в те времена, когда этическая сторона препарирования еще никого не волновала, школьников на уроках биологии повально заставляли препарировать акул катранов). У млекопитающих, и особенно у человека, ситуация усложняется необходимостью втиснуть большой объем мозга в маленькую голову сложной формы. Это достигается за счет сгибания и складывания основной трубки, которая при этом преображается до неузнаваемости. Кроме того, как будто этих сложностей недостаточно, конечный мозг человека сильно разрастается и покрывает остальную часть головного мозга (рис. 71). После этого на нем образуются бороздки, благодаря которым площадь поверхности мозга увеличивается еще сильнее, не выходя за пределы черепной коробки.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 71. Основная форма человеческого мозга образуется в результате целой серии последовательных выпячиваний и складываний


Насколько нам известно, структуры головного мозга образуются при помощи тех же основных механизмов развития, что и структуры более простого спинного мозга. Новые слои клеток (в головном мозге их очень много) образуются в ходе клеточного деления, дифференциация клеток и усложнение простых структур происходят за счет обмена сигналами, трубка складывается, а затем складывается снова, «провода» прокладываются за счет направленной миграции аксонов (глава 13), лишние клетки погибают за счет избирательной клеточной гибели (глава 14). Разница заключается в том, что эти процессы протекают гораздо более интенсивно, особенно у продвинутых позвоночных, включая людей, мозг которых далеко ушел от трубки с несколькими выпячиваниями. Многие сигналы, вовлеченные в нейронную «проводку» и выживание или гибель клеток, уже идентифицированы, но я не стану рассказывать о них, чтобы не утомлять вас, поскольку ничего принципиально нового здесь нет. Гораздо интереснее поговорить о том, как из этой массы анатомических деталей развивается эпифеномен мозга – реагирующий, обучающийся, мыслящий разум. Нейробиология далека от сколь бы то ни было полного понимания этого явления, но можно взять один из элементов высших функций разума – например, способность к обучению – и попробовать понять, как клетки эмбриона создают структуры, которые делают обучение возможным.

Насколько мы знаем, при обучении происходит перестройка соединений между нейронами в головном мозге в зависимости от сигналов, которые они передают или принимают. Места контактов между нейронами, как мы уже знаем, называются синапсами. Синапс устроен так, что утолщение (синаптическая бляшка) на конце аксона передающего нейрона прилегает к мембране принимающего нейрона. Есть синапсы, в которых электрические сигналы передаются непосредственно от нейрона к нейрону. В синапсах других типов электрические импульсы в аксоне передающего нейрона приводят к высвобождению определенных химических веществ – нейромедиаторов – в узкую щель между ним и принимающим нейроном. Пройдя через этот промежуток, нейромедиаторы связываются с рецепторами принимающего нейрона, стимулируя или подавляя его в зависимости от типа нейромедиатора и рецептора. Большая часть нейронов мозга образует синапсы с тысячами других нейронов. Поскольку нейроны в головном мозге исчисляются десятками миллиардов, а на один нейрон у взрослого человека приходится около тысячи синапсов, в общей сложности в мозге присутствуют триллионы синапсов. В общем случае сигнал от одного синапса недостаточно силен, чтобы привести в действие принимающий нейрон (или, по крайней мере, привести его в действие полностью), но одновременные сигналы от нескольких синапсов могут суммироваться и создать в принимающем нейроне достаточно сильный импульс. Это означает, что нейрон приходит в действие под влиянием сочетания полученных сигналов, что в принципе позволяет определять конкретное действие на основании разнородной информации (зрение, слух, память, желание и т. д.). Этот механизм был показан на модельных животных с просто устроенной нервной системой, и ученые предполагают, что в масштабах человеческого мозга происходит то же самое. (Скажем так: на данный момент нет никаких оснований полагать, что в человеческом мозге это происходит иначе, хотя было бы крайне самонадеянно рассчитывать, что дальнейшие исследования не преподнесут нам каких-нибудь сюрпризов.) Большинство принимающих нейронов посылают аксоны к другим нейронам. В результате образуются сложные нейронные контуры. Аксоны некоторых нейронов (мотонейронов) идут непосредственно к мышцам, и, когда нейроны передают электрический импульс, мышцы сокращаются. Так мысль обращается в действие.

Есть два основных способа изменить соединения между нейронами. Один из них предполагает, что анатомические соединения не меняются, а меняется биохимическая эффективность передачи сигнала каждым нейроном. Достоинство этого способа – быстрота. Другой способ заключается в изменении самой системы нейронной «проводки»: существующие соединения исчезают, и появляются новые. Это происходит медленнее, потому что рост новых аксонов требует времени (за один час конусы роста проходят расстояние, примерно равное одному диаметру нейрона). Около шестидесяти лет назад канадский невролог Дональд Хебб предложил механизм, за счет которого процесс обучения по первому типу – за счет изменения силы существующих соединений – может происходить автоматически.[262] Рассказывать об этом механизме будет проще, если мы вспомним о существовании особого и довольно простого типа обучения – условного рефлекса.

Условные рефлексы открыл русский физиолог И. П. Павлов при изучении физиологии пищеварения. (Его открытие также известно под названием «выработка условного рефлекса по Павлову».) Когда собаки видят пищу или чувствуют ее запах, у них начинается слюнотечение, так как активность слюнных желез контролируется в том числе и мозгом, а не только присутствием пищи во рту. В своих опытах Павлов подвергал собак перед кормлением воздействию не связанных с едой стимулов, например, они слышали звук свистка или колокольчика или получали несильный удар электрическим током. Конкретная собака получала один и тот же стимул перед несколькими приемами пищи. По истечении некоторого периода Павлов обнаружил, что этот стимул начал вызывать у собак слюноотделение сам по себе, без последующего кормления. Собаки «выучили» и «запомнили» связь между стимулом и предстоящим кормлением. У них выработался условный рефлекс.

У собак, как и у всех млекопитающих, очень сложная нервная система, но подобный условный рефлекс встречается и у более простых позвоночных. Например, тропическая рыба Chromobotia macrocanthus быстро научается ассоциировать бренчание банки с кормом с кормлением и при этом звуке впадает в характерное возбужденное состояние. Такое научение было показано даже у плодовых мушек, хотя их нервная система устроена значительно проще, чем у собак. Если обычных плодовых мушек поместить в трубку, проходящую между двумя камерами, в каждой из которых свой характерный запах, мушки перемещаются из камеры в камеру хаотично, без особых предпочтений. Если сначала «познакомить» их с одним из запахов, никакой разницы в последующем поведении не будет. Если же сначала «познакомить» их с одним из запахов, подвергая их при этом серии электрических разрядов, а затем поместить в трубку, мушки будут избегать «знакомого» запаха и переместятся в другую камеру. Очевидно, они «научились» ассоциировать запах с электрическими разрядами.[263],[264]

Хебб предположил, что принимающие клетки могут биохимически менять эффективность ответа на сигналы от конкретных синапсов в соответствии с правилом: эффективность ответа на сигналы от синапса увеличивается, если синапс передает импульс в то же время, когда принимающая клетка тоже передает импульс. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим простую модель части нервной системы плодовых мушек, которые подвергались эксперименту с запахами и электрическим разрядом. В этой модели (рис. 72) задействовано четыре типа нейронов (подобное упрощение далеко от реальности, но поможет объяснить основной принцип). Нейроны типа O1 активируются в присутствии запаха 1, а нейроны типа O2 активируются в присутствии запаха 2. Нейроны типа E активируются под воздействием электрического тока, а нейрон R, к которому подключены все остальные нейроны, при активации вызовет у мушки реакцию «спасения бегством». До обучения связи нейронов обоих типов (O1 и O2) с нейроном R слишком слабые, чтобы активировать его, так что ни один запах не подталкивает мушку к бегству. Однако связь нейрона R с нейронами типа E достаточно сильная, чтобы активировать нейрон R при стимуляции электрическим током. Если при использовании электрического тока и активировании нейрона R с помощью сигналов нейронов типа Е присутствует запах 1, будут активны нейроны типа O1. Таким образом, условие Хебба будет выполнено, и реакция нейрона R на синапсы O1 усилится.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 72. Упрощенная модель выработки условного рефлекса у плодовых мушек. Сначала нейрон R получает слабые сигналы как от нейронов O1, реагирующих на запах 1, так и от нейронов O2, реагирующих на запах 2, а также сигналы от нейронов типа E, которые интенсивно стимулируются электрическим током. На самом деле в процессе участвует гораздо большее количество нейронов каждого типа, но на рисунке для ясности показаны лишь некоторые из них


Если это будет происходить достаточно часто, то реакция будет настолько сильной, что одного только импульса нейронов О1 будет достаточно, и плодовая мушка станет избегать запаха 1, не дожидаясь удара током. Реакция на нейроны O2 при этом не будет усиливаться, и запах 2 не будет вызывать у мушек желания «спастись бегством».

За десятилетия после публикации гипотезы Хебба были открыты некоторые биохимические механизмы, лежащие в основе описанного процесса. Во многих исследованных нервных системах, включая нервную систему плодовой мушки, в синапсах действует определенный нейромедиатор – глутамат. У принимающих клеток есть два типа рецепторов для этого нейромедиатора. Рецепторы типа AMPAR работают просто: каждая молекула AMPAR, связавшись с глутаматом, активирует комплекс белков внутри принимающей клетки и вносит свой скромный вклад в попытки вызвать передачу импульса. Если достаточное количество молекул AMPAR свяжется с глутаматом и если чувствительность комплекса белков внутри клетки достаточно высока, то импульс возникнет. Рецепторы другого типа – NMDAR – работают далеко не так просто: они ведут себя по-разному в зависимости от того, есть в данный момент импульс в клетке или нет. Если нейрон находится в состоянии покоя, молекулы NMDAR ничего не могут сделать, даже если вокруг много глутамата. Однако в возбужденном нейроне (то есть в таком нейроне, который получает достаточно сигналов от всех своих синапсов для возникновения импульса) молекулы NMDAR способны реагировать на глутамат и направлять свои сигналы в клетку. Эти сигналы не активируют клетку напрямую, а локально изменяют систему AMPAR этого синапса, увеличивая силу сигнала, который может создать определенное количество глутамата. Именно рецепторы NMDAR лежат в основе гипотезы Хебба: они активны, если уже активны и принимающая клетка, и конкретный синапс (за счет наличия глутамата), и могут изменить силу синаптической связи, повысив чувствительность системы AMPAR (рис. 73).

Важность системы NMDAR для обучения была наглядно продемонстрирована в экспериментах с плодовыми мушками, запахами и электрическими разрядами. Были созданы генетически модифицированные плодовые мушки, у которых можно было в любой момент отключить производство белков NMDAR и затем снова включить его. Поскольку белки NMDAR довольно короткоживущие, их практически не остается в организме плодовой мушки уже через пятнадцать часов после отключения. У таких мушек способность ассоциировать запах с электрическими разрядами сильно нарушена. После возобновления производства NMDAR к мушкам возвращается способность «учиться» в обычном режиме.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 73. Влияние потенциал-чувствительного рецептора NMDAR на характер стимуляции принимающей клетки рецепторами AMPAR. Вентиль обозначает сети сигнальных белков и систем, контролирующих содержание AMPAR в мембране. Вместе они регулируют силу сигнала, который может подать система AMPAR при наличии конкретного количества глутамата


Хеббовская регулировка силы синаптических связей – один из возможных, но не единственный механизм обучения. Есть убедительные доказательства того, что и у человека, и у низших организмов сами нейронные структуры головного мозга могут меняться в зависимости от жизненного опыта. Один из самых изученных примеров относится к развитию зрительной системы. Давайте посмотрим, что происходит после того, как «карта» сетчатки глаза была в общих чертах нанесена на определенную область головного мозга (глава 13). Связь аксонов сетчатки и нейронов в мозге, возникшая под действием химических сигналов, довольно приблизительна. По мере создания синаптических связей в верхнем двухолмии и других областях мозга аксоны из определенной части глаза подключаются не только ко многим «правильным» клеткам (к которым подключаются также соседние аксоны), но и к нескольким «неправильным» клеткам. Отсутствие корректировки привело бы к затуманиванию зрения, и возможности такой удивительной системы, как человеческий глаз, остались бы нераскрытыми. Поэтому после рождения ребенка, когда глаза открываются, нейронная сеть корректируется за счет перестройки связей, связанной с активностью глаз. Этот механизм напоминает механизм Хебба, но на этот раз от совпадения импульса синапса и импульса принимающей клетки зависит не только сила синаптических связей, но и само их сохранение. Если, например, аксон из левой верхней части глаза образует синапс с нейроном, с которым уже соединены аксоны других клеток верхней левой части глаза, импульс будет возникать одновременно, потому что все они будут передавать информацию об одних и тех же событиях, попадающих в поле зрения. Совместное действие всех этих синапсов будет возбуждать принимающий нейрон, и все его синаптические соединения усилятся. По мере того как принимающая клетка будет передавать все больше импульсов, она будет все неохотнее сохранять слабые синапсы, которые никогда не «попадают в такт». Синапс, не синхронизированный с импульсами принимающей клетки, скорее всего, реагирует не на те стимулы, на которые реагируют большинство синапсов этой принимающей клетки. Это значит, что его аксон выходит из другой части глаза или его передающий нейрон чувствителен к какой-то другой части поля зрения. Как бы то ни было, в этой принимающей клетке такому синапсу не место. Отключая такие «рассинхронизированные» синапсы, принимающие клетки освобождаются от груза неправильных соединений. Свободный конец аксона может «попытать счастья» и подключиться к другой принимающей клетке (за счет химических сигналов, описанных в главе 13). Процесс повторяется до тех пор, пока аксон не найдет подходящий нейрон и не образует с ним синапс, синхронизированный с другими синапсами этого нейрона.

Зависящая от активности перестройка нейронных связей имеет интересные последствия для животных с бинокулярным зрением, например для человека или кошки, у которых оба глаза смотрят вперед и поля их зрения во многом совпадают. У таких животных аксоны, передающие сигналы о какой-то части зрительного поля от одного глаза, присоединяются примерно к той же части зрительной коры, что и аксоны другого глаза, покрывающие ту же часть зрительного поля. Если прикрыть один глаз новорожденного животного на несколько недель, его аксоны будет неактивны, так как не будут передавать никакого изображения. Другой глаз будет работать нормально, и синаптические соединения его аксонов будут стабилизированы, а синаптические соединения, идущие от закрытого глаза, будут по большей части утрачены. После снятия заслона глаз остается анатомически идеальным, но не взаимодействующим со зрительной корой и, по сути, слепым. Такое нарушение зрения у людей, когда один глаз не подключен мозгу должным образом, называется амблиопией, или «ленивым глазом». И у людей и у животных это нарушение можно скорректировать, отключив деятельность ведущего глаза, например на несколько месяцев закрыв ребенку действующий глаз глазным пластырем и таким образом дав другому глазу возможность установить собственные соединения с мозгом. После этого обоим глазам требуется определенный период совместной работы, пока не будет достигнуто полное совпадение изображений.

Карта сетчатки – не единственный пример пространственного «картирования» в головном мозге. Звук тоже картируется, именно поэтому мы можем установить местонахождение его источника. У людей это не самая сильная сторона, но, например, совы, которые охотятся в условиях низкой освещенности, очень хорошо определяют положение источника звука на основании мелких различий в громкости и времени получения звука между одним и другим ухом. В мозге совы сигналы от ушей и глаз сходятся в тектуме (птичьем эквиваленте верхнего двухолмия; см. главу 13), так что каждая часть тектума реагирует на интегрированные световые и звуковые сигналы из определенного участка в пространстве.[265] Совмещение зрительной и слуховой карт связано с перестройкой, зависящей от активности. Это было показано в известном эксперименте, в котором на сов надевали очки. Призмы, вмонтированные в очки, смещали поле зрения в сторону: когда сова смотрела вперед, она видела то, что находилось на несколько градусов правее нормального центра поля зрения. У таких сов начиналась перестройка нейронных соединений в тектуме, направленная на то, чтобы нормальный сигнал от ушей правильно совмещался со смещенным сигналом от глаз. Процесс перестройки занимал около двух недель. Пока совы продолжали носить очки, ситуация оставалась стабильной. При снятии очков в молодом возрасте (меньше шести месяцев) соединения снова перестраивались, и слуховая карта правильно совмещалась с визуальной. Совы старше полугода были гораздо хуже способны к перестройке соединений.[266] Это напоминает ситуацию с изучением языков у людей – детям оно дается значительно легче, чем взрослым.

Такая способность мозга к перестройке нейронных соединений предоставляет в его распоряжение механизм, позволяющий устанавливать надежные связи между ассоциированными сигналами и совмещать входящие сигналов, совпадающие во внешнем мире. Таким образом, синхронизированные нейроны образуют устойчивые связи.

Механизм обучения по Хеббу, основанный на формировании ассоциаций между разными нейронными сигналами, и перестройка нейронных связей, направленная на укрепление этих ассоциаций, явно играют роль как в улучшении обработки сенсорной информации, так и в ускорении простейших типов обучения (например, при выработке условного рефлекса). Может показаться, что от этого далеко до таких проявлений разума, как анализ экономической ситуации, сложение любовных стихов или планирование нейробиологических исследований. Могут ли столь сложные вещи основываться на таких простеньких клеточных механизмах? Этого мы не знаем, но есть основания полагать, что они играют существенную роль. Большинство высших функций разума основано на ассоциациях между объектами, местами, идеями, воспоминаниями и множеством других вещей, а система Хебба и другие подобные системы – это мощный механизм ассоциативного обучения.

Пример умственной способности, в значительной мере опирающейся на ассоциации, – это способность к изучению языков. Суть большинства языков в том, что произносимые звуки или письменные знаки, используемые для обозначения чего-либо, являются случайными и, как правило, не имеют никакого отношения к природе обозначаемого. Встречаются звукоподражательные слова (они обычно используются для передачи издаваемых животными звуков, например «кря-кря» или «му»), но их немного. Однако роза, как ее ни назови – rhosyn, ruusu, роза, tăng, 玫 瑰, – пахнет одинаково приятно. Таким образом, понимание языка отчасти зависит от образования устойчивых нейронных связей между реальными объектами (местами и т. д.) и словами. В принципе это похоже на образование прочных нейронных связей между звоном колокольчика и кормлением у собак Павлова, а значит, при овладении языком могут использоваться аналогичные механизмы стабилизации или элиминации синапсов. Даже если отвлечься от языка, наше повседневное понимание мира в значительной степени основано на ассоциациях: между лицом и именем человека и воспоминанием о добром поступке, между местом и возможностью купить букет роз, между движением ноги и безопасной остановкой автомобиля. Недавние исследования показали четкую взаимосвязь между развитием областей мозга, важных для ассоциативного обучения, и занятиями, которые предполагают запоминание огромного количества географической информации, как, например, работа лондонского таксиста. Это еще один пример того, как мозг перестраивается в ответ на изменения окружающей среды, но на этот раз речь идет не просто о зрении или слухе, а о высших функциях мозга.

Вполне возможно, что разум и сознание далеко не исчерпываются хеббовскими синапсами и перестройкой нейронных связей. Тем не менее эти аспекты развития нервной системы, которые мы уже более или менее понимаем, являются принципиально важной предпосылкой для возникновения разума. Это еще один пример того, что построение тела зависит от налаживания связей между клетками в соответствии с сигналами, которые они получают. Гены, задействованные при создании головного мозга, не содержат информацию о его окончательном строении – в системе, структура которой должна меняться в зависимости от результатов обучения, такой подход был бы обречен на провал. Вместо этого конкретные белки, кодируемые этими генами, образуют механизмы, которые укрепляют, ослабляют или разрушают связи в зависимости от степени совпадения поступающих и исходящих сигналов. Постоянно сравнивая выходящие сигналы с входящими, эти системы совершенствуют мозг, меняя способы ассоциации сигналов и переводя результаты обучения в трехмерную структуру меняющихся нейронных сетей.

Эти открытия (замечу, что многие из них уже далеко не новы) могли бы существенно снизить накал споров об относительном влиянии природы и воспитания, которые так любят вести поклонники генетики с социологами-любителями. Одни утверждают, что умственные способности обусловлены генетически, другие – что они складываются под воздействием окружающей среды. Из того, о чем шла речь в этой главе, следует, что практически во всех существенных случаях гены и окружающая среда работают вместе: белки, кодируемые генами, создают нейронные «машины», а связи в этих машинах образуются под воздействием окружающей среды. И гены, несущие опасные мутации, и неблагоприятная среда ведут к умственной неполноценности. «Хорошие» гены позволяют создать в процессе развития такой мозг, в котором потенциально сформируется здоровый разум, но этот потенциал будет реализован только в том случае, если стимулы окружающей среды, получаемые в детстве, позволят создать правильные нейронные связи. Для таких социальных животных, как человек, это означает не простые визуальные и слуховые стимулы, но и богатство языка, общения, игры и любви. Теперь мы знаем (не предполагаем на основе каких-то конкретных политических позиций, а действительно знаем, основываясь на таких беспристрастных доказательствах, как изображения, полученные в ходе МРТ-сканирования мозга), что мозг детей, которые часто подвергаются сильной вербальной агрессии и плохому отношению, развивается с физическими отличиями от мозга детей, которые росли в более благополучной среде.[267],[268] То же касается детей, подвергающихся физическому (частые телесные наказания)[269] или сексуальному насилию,[270] причем в каждом случае затрагиваются разные отделы мозга. МРТ-снимки мозга детей с отклонениями – страшная иллюстрация к словам писательницы Берил Бейнбридж: «Все можно перерасти, кроме детства».

Глава 16

Мера всех вещей

Будь твой дед хоть под потолок ростом, тебе расти самому.

Ирландская пословица

В Венеции, в Галерее Академии, что на южном берегу Большого канала, хранится один из ярчайших символов Возрождения – рисунок «витрувианского человека» работы Леонардо да Винчи. На нем изображена обнаженная мужская фигура. И ноги и руки фигуры показаны в двух положениях: ноги вместе или немного расставлены, руки вытянуты в стороны параллельно земле или вытянуты и приподняты до уровня макушки. Тело вписано в окружность с центром в пупке, а также в квадрат, сторона которого соответствует росту человека (рис. 74).

Пояснения к рисунку написаны зеркальным письмом, которым Леонардо обычно делал тайные записи, и содержат сведения об относительных размерах частей тела. К ним относятся, в частности, следующие правила: длина разведенных в стороны рук равна росту человека (это показывает квадрат), расстояние от линии роста волос до подбородка равно одной десятой доле человеческого роста, расстояние от локтя до кончиков пальцев – четверти, длина уха составляет треть длины лица и так далее. Всего правил тринадцать. Придумал их не Леонардо, а римский архитектор Витрувий еще в первом веке до нашей эры, и поэтому рисунок Леонардо обычно называют «витрувианским человеком». Как показывает стилизованный рисунок «витрувианской женщины», выполненный современной художницей Сьюзан Доротеей Уайт, те же самые правила справедливы и для женского тела.

Хотя теперь мы понимаем, что эти правила отражают не абсолютные, а усредненные пропорции, и что у многих людей лица более вытянуты, а уши длиннее, чем следует из правил Витрувия, все же удивительно, с какой точностью большинство тел, за исключением аномальных, укладываются в эту схему. Каким же образом мельчайшие клетки могут так точно сложиться в определенные формы и пропорции тела, во много раз превышающего их собственные размеры?


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 74. Витрувианский человек (рисунок Леонардо да Винчи) (Wikimedia Commons) CC gaggio1980-Fotolia.com


Пропорции взрослого человека иные, чем у эмбриона: относительные размеры частей тела закономерно отличаются у плода, младенца, ребенка и подростка. Например, голова новорожденного младенца намного больше относительно общих размеров тела, а конечности намного короче, чем у взрослого человека, не говоря уже о том, что все тело гораздо меньше. На протяжении дальнейшего роста размер различных частей тела находится под контролем, так что они всегда пропорциональны по отношению друг к другу. Таким образом поддерживается замечательная, почти точная симметрия человеческого тела. При этом части тела не обязательно контактируют друг с другом (например, левая и правая нога), а длина таких крупных частей тела, как конечности, даже у новорожденного превышает длину отдельной клетки в десять тысяч раз. Как же части тела измеряют сами себя? Какие механизмы сообщают растущему организму чувство меры? Если в двух словах, то это пока неизвестно, но, собрав воедино данные экспериментов на разных животных, от плодовых мушек до млекопитающих, мы можем высказать ряд обоснованных предположений.

Прежде чем говорить о пропорциях, давайте посмотрим, как контролируется абсолютный размер человеческого тела. Существенная часть наших знаний на эту тему получена при изучении людей, у которых этот контроль так или иначе нарушен, а именно карликов и гигантов.

Уже давно было замечено, что гигантизм, при котором рост человека намного больше среднего, часто связан с опухолями гипофиза. Если такие опухоли активны в период нормального роста ребенка, он вырастает очень высоким (2,10–3,60 м). При этом такие люди, несмотря на исключительно высокий рост, имеют нормальные пропорции тела.

Гипофиз – сложный орган, выделяющий множество гормонов, но с точки зрения контроля размера тела важнее всего так называемый гормон роста. Здоровый гипофиз выделяет небольшие количества этого гормона в пульсирующем ритме, один выброс в несколько часов. Как правило, наибольшая активность гормона достигается во время сна. Концентрация гормона роста довольно высока в раннем детстве, когда организм растет быстро, и резко снижается до скромного «взрослого» уровня в возрасте примерно от 18 до 20 лет. Люди, в организме которых производится мало гормона роста, очень невысокие (около 1,2 м), но имеют более или менее нормальные, «витрувианские» пропорции тела. Сама по себе связь между количеством гормона роста и размером тела еще не говорит о том, что здесь причина, а что – следствие. Однако тот факт, что дети с низким содержанием гормона роста растут вполне нормально, если делать им инъекции этого гормона,[271],[272],[273] явно указывает на то, что количество гормона роста определяет размер тела.

Гормон роста не оказывает непосредственного влияния на рост и размножение клеток. Он заставляет некоторые клетки, в частности клетки печени, образовать вторую сигнальную молекулу дальнего действия – инсулиноподобный фактор роста I (ИФР-I; родственная молекула ИФР-II контролирует рост плода).[274] Именно ИФР-I передает большинству клеток организма инструкции, касающиеся размера состоящих из них структур. Гормон роста регулирует синтез ИФР-I за счет сложного процесса, включающего его связывание со специфическим рецептором и запуск внутреннего сигнального пути, приводящего к экспрессии гена, кодирующего ИФР-I.[275] Мутация гена, кодирующего этот рецептор, приводит к тому, что клетки носителей мутации приобретают аномальную чувствительность к гормону роста.[276] Это является причиной особого типа карликовости – синдрома Ларона. Для людей с этим синдромом характерен низкий рост и непропорционально малый размер таких внутренних органов, как сердце, в сочетании с нормальными пропорциями скелета. (Любопытно, что среди людей с синдромом Ларона много долгожителей. Самые разные животные, от круглых червей до грызунов, в организме которых уровень ИФР-I опускается ниже нормы, как правило, переживают нормальных животных своего вида, и, возможно, у людей имеет место тот же самый эффект.)[277]

Далеко не при всех нарушениях контроля роста пропорции тела остаются нормальными. Яркий пример этого – Анри де Тулуз-Лотрек, художник, живший через четыре столетия после того, как Леонардо да Винчи нарисовал «витрувианского человека». Тулуз-Лотрек – пост импрессионист, запечатлевший на своих картинах, рисунках и плакатах богемный декаданс Парижа на рубеже веков, – обладал необычным телосложением. Его лицо и туловище были нормальными по размеру и пропорциональными относительно друг друга; голова, правда, была деформирована из-за позднего и неполного закрытия зазоров между костями черепа. В возрасте 13 лет у художника было нормальное телосложение, но затем ноги перестали расти, а туловище – нет. Поэтому в зрелом возрасте ноги выглядели короткими, и рост его составлял всего 1,5 м. Кости были хрупкими, и ноги часто болели.[278] Большинство современных медицинских генетиков, рассматривавших случай Тулуз-Лотрека, сходятся на том, что он страдал от генетического нарушения, которое теперь называется пикнодизостоз.[279],[280],[281]

Пикнодизостоз – заболевание крайне редкое. За всю историю медицины описано только около двухсот случаев. Он обусловлен мутацией в гене, кодирующем фермент, который должен в том числе высвобождать ИФР-I из костей.[282],[283],[284],[285] Если такого фермента нет, ИФР-I остается в «ловушке» и не может стимулировать рост. Пациентам с пикнодизостозом хорошо помогают дополнительные дозы гормона роста, поддерживающие уровень ИФР-I в нужных пределах.[286] Гораздо чаще, чем пикнодизостоз, встречается другой тип карликовости – ахондроплазия, затрагивающая примерно одного из 25 тысяч людей. Ахондроплазия вызвана мутацией в сигнальном рецепторе, которая нарушает нормальный рост костей конечностей.[287],[288],[289] Люди с ахондроплазией имеют непропорционально короткие конечности, а также определенные неправильности их формы и формы других частей тела.

Телосложение Тулуз-Лотрека и людей с ахондроплазией свидетельствует о том, что неспособность некоторых частей тела поспевать за общим ростом не обязательно останавливает рост всего организма. Таким образом, пропорциональность не является следствием того, что каждая часть тела постоянно «проверяет», не переросла ли она другие части. Разные части тела должны по-своему реагировать на гормон роста, ИФР-I и другие влияющие на рост гормоны. Это справедливо даже для двух однотипных частей тела. В одном особенно наглядном эксперименте, проведенном двадцать лет назад, рост одной задней лапы кролика ингибировался с помощью местного введения химического препарата. Вторая задняя лапа кролика продолжала расти нормально, и кролик вырос кривобоким. Очевидно, что одинаковая длина ног не обусловлена тем, что растущие конечности обмениваются сигналами и подстраиваются друг к другу в процессе удлинения.[290],[291]

Из строения конечностей Тулуз-Лотрека и людей с ахондроплазией следует еще один важный вывод. В обоих случаях определенное биохимическое нарушение, являющееся первопричиной отклонения в развитии, непосредственно влияет на рост длинных костей конечностей. Прямого влияния на рост кожи, мышц, нервов, кровеносных сосудов и т. д. нет, но тем не менее эти ткани не образуют вокруг короткой кости бесформенную мягкую массу, предназначенную для нормальной конечности. Они растут в соответствии с длиной аномальной конечности. Это хорошо иллюстрирует глубинную дихотомию контроля над размерами тела: некоторые ткани организма, например кости кролика в эксперименте, самостоятельно регулируют свой абсолютный размер и могут считаться главными детерминантами размеров тела, а другие ткани ориентируются не на свои абсолютные размеры, а на размеры относительно тканей первого типа. В плане контроля над размерами ткани второго типа оказываются подчиненными, их задача заключается в том, чтобы не отставать от роста тканей-начальников, но никогда не обгонять его. Поэтому проблема контроля над размерами распадается на два вопроса: во-первых, как ткани-начальники измеряют сами себя, и, во-вторых, как подчиненные ткани подстраиваются под начальников?

Давайте сначала посмотрим, как ткани-начальники, скажем кости, контролируют свой рост. Возьмем в качестве примера развитие конечностей. Кости конечностей растут не по всей длине, а в специализированной зоне роста – эпифизарной пластинке. Она располагается близко к концу, но не на самом конце кости. Эпифизарная пластинка подразделяется на несколько зон (рис. 75). На внешнем ее конце клетки активно размножаются. Эта пролиферация является одной из непосредственных причин роста кости, хотя и не самой главной. На внутренней границе зоны пролиферации клетки меняют свое поведение и начинают формировать хрящ – мягкий предшественник кости. За счет этого внутренняя граница зоны пролиферации смещается на один ряд клеток, так что в приграничном положении оказываются новые клетки. Им нужно некоторое время на то, чтобы отреагировать на изменение ситуации, после чего эти клетки тоже переключатся на образование хряща, и так далее. Таким образом, на дистальном конце зоны пролиферации постоянно появляются новые клетки, а на проксимальном конце клетки постоянно покидают эту зону и создают хрящ. В результате зона пролиферации продвигается вперед.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 75. Эпифизарная пластинка кости растущей конечности


Формирование хряща сопровождается увеличением объема: отчасти потому, что клетки увеличиваются в размерах, а отчасти потому, что они выделяют студенистое вещество, заполняющее межклеточное пространство. Это увеличение объема ткани и является основной причиной удлинения кости. Со временем хрящ созревает, хрящевые клетки отмирают и замещаются клетками, источником которых является прилегающая сформировавшаяся кость. Эти клетки заселяют хрящ, постепенно превращая его в костную ткань. Поскольку клетки в зоне пролиферации продолжают активно размножаться, процесс идет непрерывно: кость удлиняется, а зоны эпифизарной пластинки смещаются все дальше в дистальном направлении. Таким образом, скорость удлинения кости зависит прежде всего от скорости пролиферации клеток в наружной части эпифизарной пластинки и скорости, с которой клетки покидают зону пролиферации и начинают формировать хрящ.

Насколько мы знаем, скорость пролиферации и скорость перехода к созданию хряща зависят от сигналов двух типов: внутренних сигналов, которые организуют эпифизарную пластинку, и внешних сигналов, которые задают темп ее работы. Внутренние организующие сигналы необходимы для поддержания достаточного уровня пролиферации, то есть такого, при котором эпифизарная пластинка сохраняется в более или менее неизменном виде, несмотря на постоянную «потерю» клеток в каждой зоне («потеря» связана с тем, что клетки по мере созревания переходят в следующую зону). Зрелые хрящевые клетки, обреченные на гибель и замену костными клетками, выделяют сигнальный белок, под действием которого клетки на внутренней границе зоны пролиферации меняют поведение и начинают формировать хрящ. Тот факт, что сигнал подают сами зрелые клетки, автоматически приводит к равновесию между количеством полностью созревших, готовых погибнуть хрящевых клеток и количеством клеток в зоне пролиферации, которые получают сигнал к превращению в новые хрящевые клетки. Такое равновесие позволяет поддерживать размер зоны формирования хряща по мере ее продвижения в дистальном направлении.

Только что описанная система сигналов чревата одной опасностью: если под действием этих сигналов клетки начнут переходить к формированию хряща слишком быстро, пролиферирующие клетки не будут поспевать за ними, и популяция клеток зоны пролиферации может истощиться. Предотвратить такую ситуацию помогает другой сигнальный белок. Его выделяют клетки, которые только что перестали делиться и перешли к созданию хряща. Этот сигнал распространяется через развивающуюся кость. На него реагируют особые клетки на внешней стороне кости, за эпифизарной пластинкой. Они начинают вырабатывать еще один сигнальный белок.[292] Он распространяется обратно к зоне пролиферации на эпифизарной пластинке и заставляет расположенные там клетки размножаться быстрее (рис. 76).

В результате совместного действия этих двух сигнальных систем одна из которых говорит «созревайте!», а другая «размножайтесь!», к созреванию приступает именно столько клеток, сколько нужно для замены погибающих, а число клеток, вступивших на путь созревания, точно компенсируется за счет пролиферации. Таким образом, система в целом остается стабильной.

Основным внешним регулятором роста костей является уже рассмотренная нами система «гормон роста – ИФР-I». Далее в этой главе я буду для простоты называть ее просто «гормоном роста». По-видимому, гормон роста меняет уровень пролиферации и, таким образом, действует сообща с внутренними сигналами эпифизарной пластинки, регулирует количество клеток, которое можно потратить на формирование хряща. Влияния гормона роста недостаточно, чтобы отменить способность эпифизарной пластинки к самоорганизации, поэтому ее структура остается постоянной, независимо от того, медленно или быстро растет человек. Предположительно, эпифизарные пластинки костей различных типов (бедренной кости, костей пальцев и т. д.) обладают разной чувствительностью к гормону роста. Поэтому они растут с разной скоростью, и образуются кости с характерными относительными пропорциями. Заметим, что какая бы система не отвечала за этот процесс, она должна легко перестраиваться, учитывая большое разнообразие пропорций костей у разных обезьян и человека.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 76. По мере роста эпифизарной пластинки ее структура остается постоянной за счет различных сигналов. Некоторые из этих сигналов внутренние, а некоторые «ретранслируются» через промежуточную станцию в надкостнице


Как же все-таки получается, что кости одного типа, например бедренные кости левой и правой ноги, в конечном итоге примерно равны по размеру? Ответ подсказывает нам вариант описанного выше эксперимента с лапой кролика. В этом варианте, опубликованном в той же статье, что и основной эксперимент, исследователи ограничивали рост одной конечности так, чтобы кролик стал асимметричным, а затем снимали это ограничение. Результат был поразительным – короткая лапа тут же начинала расти быстрее, чем росла нормальная, и в конечном итоге достигала нормальной длины. Понятно, что в организме было достаточно гормона роста, чтобы поддерживать быстрый рост, но нормальная конечность не реагировала на него столь активно, как та, с которой сняли временное ограничение на рост. Почему же две конечности с разной интенсивностью реагировали на одну и ту же концентрацию циркулирующего гормона роста? Может быть, процесс роста сам по себе снижал чувствительность эпифизарной пластинки к подобным гормонам? Такой гипотетический механизм был бы изящным способом обеспечить равную длину парных конечностей: даже если бы по какой-то причине одна из них отстала в росте, она бы сохранила повышенную чувствительность к гормону роста и имела бы шанс «догнать» нормальную конечность.[293]

Особенности одного из внутренних сигнальных путей наводят на мысль о возможном механизме того, как скорость роста кости может зависеть от уже достигнутого размера. Как я уже говорил, созревающие клетки влияют на увеличение числа клеток в зоне пролиферации не напрямую, а через сигнальную петлю, ведущую к внешнему слою растущей кости и обратно к зоне пролиферации. Если кость небольшая, внешний слой находится не слишком далеко даже от середины эпифизарной пластинки, и сигнальная петля получается короткой и эффективной. Когда кость увеличивается, края эпифизарной пластинки находятся еще довольно близко к наружному слою кости и получают эффективный сигнал, а вот середина лежит дальше и получает менее интенсивный сигнал. В среднем по эпифизарной пластинке темпы пролиферации падают, и спад продолжается по мере роста кости и, следовательно, удлинения сигнальной петли. Таким образом, чем длиннее кость, тем менее охотно она откликается на одно и то же количество гормона роста. Такой механизм полностью объяснял бы и обычную симметрию левой и правой конечности, и результаты эксперимента с кроликом. Тем не менее хочу подчеркнуть, что этот механизм является гипотетическим, и его существование пока не доказано. Содержание этого абзаца – чисто умозрительная попытка непротиворечиво объединить данные разных исследований.

Скорость нашего роста непостоянна. С наступлением полового созревания происходит скачок роста, который характерен только для человека и, по-видимому, появился в эволюции у Homo erectus.[294] После этого скачка наш скелет перестает расти, хотя тело может увеличиваться в обхвате за счет мышц или жира. Как скачок роста, так и его остановка, судя по всему, запускаются половыми гормонами, которые вызывают и такие явные признаки полового созревания, как рост волос на теле у мужчин и формирование молочных желез у женщин.[295] Из всех половых гормонов для роста важнее всего эстроген.[296] Его часто называют женским половым гормоном из-за его роли в менструальном цикле, но он вырабатывается и в организме мужчин (под действием фермента, превращающего тестостерон в эстроген). Эстроген стимулирует производство гормона роста и ускоряет рост, а также непосредственно влияет на поведение костных клеток.[297] В этом возрасте рост может даже немного опережать скорость отложения минералов, необходимых для окончательного формирования кости. Поэтому кости подростков могут быть очень хрупкими. Примерно половина детей ломают кости в подростковом возрасте,[298] и половина этих переломов приходится на быстро растущие длинные плечевые кости. Следует заметить, что хрупкость костей – не единственная причина повышенного риска переломов в этом возрасте. Растущая физическая сила нередко сочетается у подростков с полным отсутствием головы на плечах.

Расплачиваться за обусловленный эстрогеном быстрый рост приходится эпифизарной пластинке. Под действием высоких концентраций эстрогена клетки перестают размножаться и переходят к образованию хряща. Этот эффект настолько силен, что, по-видимому, нарушает тонкое равновесие самоорганизующихся петель обратной связи, которые поддерживают организацию эпифизарной пластинки. Это означает, что к самому концу полового созревания, когда уровень эстрогена очень высок у обоих полов, пролиферация отстает от созревания. Постепенно вся эпифизарная пластинка превращается в зрелый хрящ. После этого она «закрывается» и утрачивает способность расти. Есть мутации, при которых эстроген не производится и, следовательно, эпифизарные пластинки не закрываются. Носители таких мутаций, повзрослев, продолжают расти. Такой рост можно остановить при помощи инъекций эстрогена, который закрывает эпифизарные пластинки. Были случаи, когда эстроген вводили вполне нормальным девушкам, если было понятно, что они рискуют вырасти слишком высокими. Аналогичным образом, невысоким мальчикам-подросткам вводили препараты, блокирующие действие эстрогена, чтобы эпифизарные пластинки не закрывались еще некоторое время и мальчики успели подрасти. Эта книга – не место для обсуждения вопросов об этичности такого вмешательства и о том, кто имеет право диктовать «правильный» рост конкретного человека. Я привел эти примеры для того, чтобы показать два важных момента: во-первых, эстроген закрывает эпифизарные пластинки, во-вторых, изменив время их закрытия, можно повлиять на окончательный рост. Таким образом, окончательный рост человека определяется, помимо скорости роста, еще и временны́м фактором.

Подведем промежуточный итог. Насколько нам известно, контроль над размером скелета осуществляется следующим образом.

I. Кости растут благодаря самоорганизации пролиферирующих и созревающих клеток, которые обмениваются сигналами.

II. Гормон роста стимулирует рост, но растущие кости постепенно теряют чувствительность к нему.

III. Половые гормоны вызывают быстрый рост в период полового созревания, но при сильном повышении их концентрации нарушается самоорганизация эпифизарных пластинок; они закрываются, и рост прекращается. Гормон роста производится непосредственно в гипофизе, в то время как половые гормоны производятся в половых железах в ответ в основном на команды из гипофиза. В этом смысле, если скелет является тканью-«начальником» процесса роста, то гипофиз осуществляет общее руководство процессом.

А что же происходит с тканями-«подчиненными» – с теми, которые подгоняют свой размер под общий размер тела, определяемый скелетом? Поразительно, но и у нормальных животных, и у мутантов со всевозможными отклонениями от нормального размера скелета и нормальных пропорций «подчиненные» ткани растут в соответствии с размерами тела, которое должны обслуживать. Это касается даже тех случаев, когда из-за аномальной формы тела эти ткани должны иметь необычные пропорции, например кожа на слишком короткой конечности нормальной ширины или кожа на животе тучного человека. Учитывая такую устойчивость к отклонениям, маловероятно, что «подчиненные» ткани слепо следуют биохимическим сигналам, сообщающим о количестве ткани-«начальника», ведь эти сигналы не могут сообщить тканям о необходимой форме, особенно в случае аномального строения. Тем не менее один «сигнал», способный эффективно донести информацию и об относительном размере, и о форме, все-таки есть. Этим «сигналом» является механическая сила.

Если ткань, например кожа ноги, не успевает за ростом нижележащих тканей, она будет растягиваться и испытывать натяжение. Натяжение – это сила, которая действует на весь объект, и 10 %-ное натяжение ткани можно будет обнаружить в любой точке этой ткани независимо от ее размера. Механизм, использующий чрезмерное натяжение как индикатор недостаточного роста, имеет то достоинство, что он не зависит от размера: он будет работать одинаково хорошо как на большом, так и на маленьком участке ткани. Другим достоинством этого механизма является то, что он никак не связан с конкретной формой. Если при избыточном натяжении клетки будут делится и образовывать дочерние клетки, формирующие дополнительную ткань в направлении натяжения, ткань всегда будет расти в нужном направлении. Знать заранее, куда расти, ей совершенно не нужно. Поэтому система будет надежно работать для разных форм тела. Это упрощает не только обслуживание самых необычных вариантов роста, но и эволюционные изменения формы тела.

Существуют убедительные доказательства того, что механическое натяжение может запускать пролиферацию клеток. Если в течение нескольких дней мягко оттягивать ухо живой крысы, темп пролиферации клеток уха увеличится, и ткань вырастет.[299] Судя по оттянутым мочкам ушей у людей, которые постоянно носят тяжелые серьги, это явление характерно и для человека. Активизация пролиферации при растяжении может быть показана в простых экспериментах на культурах клеток, где одни клетки подвергаются натяжению в большей степени, чем другие.[300],[301] Клетки, используемые в этих экспериментах, в организме формируют клеточные пласты и трубки и соединяются друг с другом благодаря межклеточным контактам. Эти контакты механически связаны друг с другом внутри каждой клетки при помощи белковых микрофиламентов, которые проходят через клетку насквозь и всегда создают легкое натяжение. Клетки культивируются на поверхности, где «островки», к которым клетки могут легко прикрепиться, перемежаются участками, к которым они прикрепляться не могут. Островки в форме квадратов или звезд имеют прямые края и острые углы. Клетки, расположенные вдоль прямых краев, не испытывают сильного механического воздействия с их стороны; на них действует только легкое натяжение, которое испытывают и создают все клетки. А вот клеткам, расположенным в острых углах, приходится изгибаться самым невероятным образом и по-прежнему противостоять легкому натяжению со стороны соседей. Это означает, что они испытывают гораздо более сильное напряжение. Именно такие угловые клетки размножаются наиболее активно (рис. 77). Если растянуть поверхность, на которой растут такие клетки, имитировав таким образом растяжение ткани, не поспевающей за ростом тела, пролиферация будет происходить по всей площади поверхности.

Если напряжение и натяжение – это способ сообщить ткани, что она растет недостаточно быстро, то сжатие и скученность можно использовать, чтобы подать клеткам противоположный сигнал – их теперь достаточно, нужно перестать делиться. Уже давно было показано, что, если поместить нормальные клетки в чашку Петри, они размножаются, пока не покроют дно, после чего деление прекращается.[302] Если удалить некоторые клетки, например проведя по дну чашку Петри стерильным ластиком, то клетки на границе образовавшегося просвета будут делиться снова, пока не заполнят его, а потом опять остановятся. Это явление, получившее название «контактное торможение», послужило одним из первых указаний на то, что пролиферация клеток может контролироваться их собственным ощущением скученности. Расшифровать механизмы этого явления не удавалось несколько десятков лет, но последние данные, полученные на плодовых мушках, проливают свет на эту проблему. Ключом к механизму, насколько мы теперь понимаем, являются две крупные молекулы белков клеточной поверхности, похожие по строению на адгезионные молекулы, которые сцепляют клетки между собой. Есть очень убедительные данные о том, что эти молекулы тоже «прилипают» друг к другу. Чем больше клеток, тем больше площадь соприкосновения их поверхностей и тем сильнее взаимодействие между поверхностными белками. Это взаимодействие запускает сложный сигнальный путь внутри клетки, который приводит к ингибированию пролиферации.[303],[304]

Ткани-«подчиненные» могут почувствовать свою соразмерность еще одним способом – отследив свое собственное биохимическое воздействие на организм. Они могут сделать это напрямую или опосредованно за счет «переговоров» с другими типами тканей. О такой регуляции уже шла речь в связи с кровоснабжением (глава 9): рост новых кровеносных сосудов отчасти контролируется тем, насколько успешно имеющиеся сосуды обеспечивают ткани кислородом. Указания на то, что подобный метод могут использовать целые органы, были получены в экспериментах по трансплантации, в которых животному сначала удаляли какой-то орган (не из числа жизненно важных), а затем пересаживали один или несколько эмбриональных зачатков того же органа. Эти эксперименты обычно ставятся для изучения трансплантации, так что полученные сведения о контроле над размером оказались своего рода бонусом.[305] Если пересадить животному с удаленной селезенкой один зачаток селезенки плода, он вырастет до размеров нормальной селезенки.[306] Если пересадить животному несколько зачатков селезенки, то они перестанут расти, когда совокупность их индивидуальных объемов достигнет объема нормальной селезенки. Это говорит о том, что либо селезенки сами «поняли», что в организме достаточно селезеночной ткани, либо это обнаружил организм и подал сигнал маленьким селезенкам. Тем не менее это явление не носит универсального характера. Когда подобный эксперимент проводился над тимусом, каждый зачаток вырос до размеров нормального тимуса, и у животного возник избыток этих желез.[307] Таким образом, разные органы регулируют свои размеры, руководствуясь разными правилами. Это значительно усложняет проблему.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 77. Когда клетки выращиваются на маленьких квадратных «островках», клетки по краям и особенно по углам испытывают сильное механическое напряжение. Уровень пролиферации у таких клеток выше, чем у клеток посередине «островка», которые не испытывают столь сильного напряжения (рисунок основан на оригинальной микрофотографии, сделанной Селестой Нельсон и ее коллегами)


Контроль над размером и пропорциями остается малоизученной областью. В этой главе я представил выжимку того, что нам уже известно. Размеры тела в основном диктует скелет, а большинство других тканей подстраивается под него. Рост скелета регулируется гормонами роста, которые производит гипофиз, и половыми гормонами. Они действуют на самоорганизующиеся эпифизарные пластинки в развивающихся костях. Другие ткани реагируют на механическое напряжение, обусловленное ростом скелета и других тканей, и растут в соответствии с ним. Некоторые внутренние органы могут «ощущать» собственную соразмерность, отслеживая свое биохимическое воздействие на организм, но это относится не ко всем органам. Ни один из этих механизмов не предполагает, что клетки должны иметь представление об организации своей ткани. Ни чертежи, ни подробные планы действий клеткам не нужны. Все, что от них требуется, – это следовать простым командам, таким как «размножайтесь быстрее, если получаете вот такой сигнал». Размер, пропорции и симметрия тела – результат следования этим простым, слепым, локальным правилам. С этой точки зрения, организм подростка, в котором больше клеток, чем звезд в нашей галактике, использует абсолютно те же самые основные принципы контроля над развитием, что и организм крошечного эмбриона, каким он когда-то был.

Глава 17

Друзья и враги

Не обижайте бактерий – у некоторых людей другой культуры нет.

Наклейка на заднем стекле машины

Разум – не единственная обучающаяся машина, которая продолжает свое развитие в течение многих лет после рождения человека. Развитие умения взаимодействовать с полной микроорганизмов окружающей средой и обращать ее себе на пользу имеет огромное значение для поддержания здоровья человека.

Мы никогда не бываем одни. Первые девять месяцев нашей жизни мы живем в утробе матери. После рождения наш организм населяют сотни триллионов микроорганизмов, даже когда нам кажется, что мы свободны от них. Это очень много: на одну клетку человеческого тела приходится примерно десять микроорганизмов.[308] После нашей смерти эти микроорганизмы продолжают жить, питаясь нашими останками и друг другом, пока запасы не исчерпаются. Некоторые из этих микробов – всего лишь попутчики, от которых нет ни пользы, ни вреда, но многие другие имеют большое значение для работы наших внутренних органов. Они нужны нам, потому что могут выполнять биохимические трюки, недоступные человеческим клеткам.

В здоровом кишечнике содержится от одного до десяти миллиардов бактерий на грамм ткани. Эти крошечные организмы выполняют несколько важных задач. О некоторых из них я расскажу потом, а пока упомяну одну: бактерии выделяют различные ферменты, способные переваривать компоненты пищи, недоступные нашим собственным ферментам.[309] Ферменты расщепляют большие, неудобоваримые молекулы на мелкие кусочки, которые могут всасываться как слизистой оболочкой кишечника, так и бактериями. Бактерии сразу используют поглощенные молекулы и применяют полученную энергию и сырье для размножения и дальнейшего синтеза ферментов. Слизистая оболочка кишечника передает питательные вещества в близлежащие кровеносные сосуды, откуда они отправляются на переработку в печень, а затем поступают в другие части организма. Некоторые из молекул пищи, на которые действуют бактериальные ферменты, в неизменном виде были бы токсинами или канцерогенами, поэтому второй важной функцией кишечных бактерий является обеспечение безопасности пищи.[310] С другой стороны, некоторые вещества, в частности алкоголь, становятся под действием бактериальных ферментов гораздо опаснее. Бактерии перерабатывают спирт в уксусный альдегид – токсичное и, вероятно, канцерогенное вещество.[311] Некоторые кишечные бактерии образуют много витамина К, который важен для свертывания крови и роста костей. Клетки человеческого организма не могут сами производить этот витамин.[312] Некоторые бактерии также синтезируют фолиевую кислоту, дополняя ту, что мы получаем с пищей. Фолиевая кислота нужна для пролиферации клеток, а кроме того, ее достаточное количество в организме матери очень важно для смыкания нервной трубки на ранних этапах развития эмбриона (глава 5). Учитывая, что кишечные бактерии участвуют в переваривании пищи, они имеют доступ к энергии и сырью и могут быстро размножаться. Однако большая часть бактерий выводится из организма вместе с остатками пищи: примерно три пятых массы нормального стула человека составляют бактериальные клетки, как мертвые, так и живые.

Еще одно место, где много полезных бактерий, – это влагалище. Они нужны там для того, чтобы помешать развитию патогенных микроорганизмов, которые, не будь во влагалище своей микрофлоры, могли бы воспользоваться теплыми и влажными условиями. Вагинальные лактобактерии питаются компонентами слизи и выделяют молочную кислоту, которая так или иначе препятствует развитию других бактерий.[313] Ситуация во влагалище, где одни микроорганизмы защищают организм от других, – частный случай общей проблемы, характерной также для пищеварительного тракта и других органов: организм должен найти способ поддерживать полезную микрофлору, не пуская при этом внутрь опасных патогенных бактерий. Последние исследования показывают, что за долгое время совместного существования люди и их полезные бактерии разработали способы «общения» друг с другом и научились работать как одна команда.

Плод развивается в стерильной среде, глубоко в утробе матери, окруженный несколькими оболочками. Таким образом, новорожденный лишен полезных бактерий и должен приобрести их вскоре после рождения. К счастью, положение родовых путей (как заметил Сен-Бернар из Клерво, inter faeces et urinam nascimur[314]) практически гарантирует, что в процессе появления на свет ребенок соприкоснется с бактериями влагалища, кишечника, мочевого тракта и кожи. Младенцы, появившиеся с помощью кесарева сечения, сталкиваются с этими бактериями сразу после того, как матери начинают ухаживать за ними, хотя в этом случае развитие нормальной бактериальной флоры может занять гораздо больше времени.

Когда симбиотические бактерии попадают в рот новорожденного, они проглатываются вместе со слюной или молоком и проходят через желудок в кишечник. Здесь начинается их сигнальный «диалог» с клетками человеческого организма. Этот процесс в большей степени изучен у мышей, чем у людей, но некоторые его аспекты уже проверены, по крайней мере, на культурах человеческих клеток, а эпидемиологические исследования человека говорят о том, что управление этими процессами, скорее всего, происходит у людей и мышей очень сходным образом.

Каждый участок кишечника создает питательную среду именно для того типа бактерий, который нужен на этом участке. Это можно проиллюстрировать на примере взаимодействия клеток кишечника и одного из наиболее важных симбионтов мышей – бактерий вида Bacteroides thetaiotaomicron. Попав в пищеварительный тракт, эта бактерия выделяет молекулу, которая распознается слизистой оболочкой тонкой кишки. Эта маленькая молекула существенно отличается от описанных выше сигнальных белков, которые клетки человека обычно используют в ходе развития. Это заурядная молекула из биохимического арсенала бактериального метаболизма. Тем не менее в этой главе я буду следовать принципам биосемиотики[315] и считать, что любую молекулу, несущую информацию об определенном положении дел и влияющую на поведение клетки, которая ее получает, следует считать сигнальной, независимо от ее молекулярной природы и первопричины ее синтеза.

В ответ на этот сигнал клетки кишечника слегка меняют собственный метаболизм. Клетки животных, включая человека, как правило, «декорируют» синтезируемые ими белки, размещая на их поверхности цепи сахаров. Сахара в цепи соединены сильными химическими связями и, в отличие, например, от отдельных молекул в стакане подслащенной воды, не могут служить пищей сами по себе: комплекс сахаров и белков слишком большой, чтобы пройти через поглощающие каналы на поверхности бактериальной клетки. Бактерия может извлечь пищу из этих сахарных цепей, только если у нее есть фермент, способный разрезать связи в цепи, а для высвобождения разных типов сахара с конца цепи необходимы разные ферменты. Bacteroides thetaiotaomicron синтезирует фермент, который может освободить с концов одной из таких цепей сахар фукозу. До получения сигнала от Bacteroides thetaiotaomicron кишечные клетки не помещают фукозные остатки на концы многих цепей, но после его получения они начинают активно присоединять фукозу.[316] По сути дела, бактерия словно бы говорит «покорми меня!», и клетка услужливо кладет ей пищу прямо в рот, причем так, чтобы другим микроорганизмам, у которых нет фермента для отщепления фукозы, не досталось ни крошки. Другие части кишечника производят другие типы связанных сахаров, вероятно, в ответ на сигналы от других симбиотических бактерий. Таким образом, каждая часть кишечника создает благоприятную среду для тех видов бактерий, которые ей нужны.

Для кишечника выгода от присутствия Bacteroides thetaiotaomicron заключается в том, что эта бактерия может перерабатывать трудноперевариваемые компоненты пищи и высвобождать питательные вещества, усвояемые клетками кишечника. Поглощение пищи, или какой-либо молекулы, всегда наиболее эффективно, если поглощенные ранее молекулы уже доставлены в отдаленные части организма, в противном случае некоторые из них «утекают» обратно и пропадают зря. Эффективность процесса «отведения» молекул повышается благодаря другой реакции на сигналы от симбиотических бактерий.[317] Эти сигналы воспринимаются определенным типом кишечных клеток, которые в свою очередь действуют на кровеносные сосуды, вызывают образование плотного слоя разветвленных капилляров (глава 9). Эта сеть помогает собирать абсорбированные питательные вещества и отправлять их в печень, а оттуда к остальным частям тела, и, соответственно, предотвращает накопление этих веществ в стенках кишечника и их утечку. Под действием еще одного типа сигналов[318] от Bacteroides thetaiotaomicron клетки тканей выделяют антибактериальные молекулы, относительно безвредные для этих бактерий, но токсичные для их нежелательных и опасных конкурентов, например бактерий рода Listeria. Таким образом, симбиотические бактерии и слизистая оболочка кишечника «заботятся» друг о друге: организм предоставляет бактериям питание и защиту, бактерии поставляют питательные вещества для организма, а их совместное действие препятствует появлению вредных бактерий. Это происходит как благодаря системе, создающей антимикробные молекулы, так и благодаря тому, что Bacteroides thetaiotaomicron чисто физически занимает пространство, которое иначе заполнили бы нежелательные виды бактерий (рис. 78).

Не всем бактериям «рады» в кишечнике и других частях организма. Тысячи видов бактерий вторглись бы, если бы могли, в наш теплый, богатый питательными веществами организм и поглотили бы его. Даже обычные симбионты могут вызывать болезнь, если попадут в саму ткань (что может произойти, например, при пулевом ранении, язве или раковом заболевании, когда нарушается целостность стенки кишечника). «Полезные» бактерии полезны до тех пор, пока знают свое место. К счастью, наш организм оснащен сложными защитными системами, которые, как правило, эффективно предотвращают вторжение. Немногочисленные виды бактерий, которые научились обходить эту защиту (по крайней мере, на некоторое время), печально известны как возбудители страшных болезней, наложивших печать на историю человечества. Речь идет о таких заболеваниях, как туберкулез, бубонная чума, проказа, сифилис, дифтерия, холера и брюшной тиф. Чтобы понять, как организм позволяет жить полезным бактерии в нужном месте и убивает вредные бактерии или бактерии, оказавшие не там, где надо, мы должны рассмотреть работу защитных систем организма.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 78. Схема, обобщающая самые важные аспекты обмена сигналами между симбиотическими бактериями и тканью стенки кишечника. Под действием сигнальных молекул, выделяемых симбиотическими бактериями, кишечные клетки присоединяют остаток фукозы к цепям сахаров, продуцируют внутренние сигнальные молекулы, стимулирующие рост капилляров, и выделяют соединения, убивающие вредные бактерии. На этой схеме размер бактерии по отношению к ткани сильно преувеличен, как и пространство между ними


Есть три основные линии защиты. Первая линия в основном представлена пассивной защитой, как физической, так и химической. Физический компонент защиты состоит из барьеров на пути инфекции: твердые слои омертвевших клеток внешнего слоя кожи, вязкая, постоянно заменяющаяся слизь в носу, во рту, в трахеях и кишечнике, в уретре и во влагалище и даже непроницаемые для патогенов пленки симбиотических бактерий. Химический компонент представлен множеством белков крови, которые связываются с бактериями и повреждают их клеточные стенки.[319] Клетки животных лишены клеточной стенки, поэтому клеточная стенка бактерий – отличная мишень для химической атаки, не сопровождающейся риском для клеток организма. Поэтому в организме животных синтезируются различные ферменты и порообразующие белки, которые проделывают в стенках бактерий смертельные дыры. Некоторые из них, в том числе лизоцим и дефензины, защищают внешние поверхности, например глаза. Другие, например, порообразующие белки системы комплемента, содержатся в крови и жидкостях, омывающих внутренние ткани. Они могут активироваться напрямую поверхностями патогенов или другими способами, о которых мы поговорим позже. Пассивные защитные системы – древнейшая первая линия защиты; она встречается в сходном виде практически у всех животных.

Вторая линия защиты активна и состоит из различных типов мигрирующих клеток, которые носят общее название фагоциты (буквально «клетки, которые едят»). Есть несколько разных видов фагоцитов, и все они образуются в костном мозге, о котором пойдет речь в главе 18. Они распространяются по всему телу с током крови, но могут покидать кровеносные сосуды, протискиваясь между выстилающими их клетками. Так они проникают в тканевые пространства, где оседают или активно патрулируют их. Перемещающиеся фагоциты очень похожи на мигрирующие клетки эмбриона (глава 8). У них есть лидирующий передний край, продвижение которого контролируется деятельностью сигнальных путей, запускаемых рецепторами на поверхности клетки. У фагоцитов есть рецепторы, которые активируются сигналами двух типов. Первый тип сигналов, к которому относится множество конкретных случаев, – это клеточные стенки и продукты жизнедеятельности бактерий (живые бактерии не могут не выделять эти продукты). С точки зрения фагоцитов, продукты жизнедеятельности бактерий тоже сигнализируют о том, что вредные бактерии неподалеку. Второй, тоже очень обширный тип сигналов – это молекулы, которые выделяют клетки человеческого организма, когда они находятся в состоянии стресса и в процессе гибели.

Вполне очевидно, для чего нужны рецепторы, распознающие бактериальные молекулы. Фагоциты мигрируют в направлении бактерий так же, как мигрирующие клетки эмбриона перемещаются в направлении источника сигналов, контролирующих эмбриональное развитие (глава 8). Оказавшись в нужном месте, фагоциты выделяют новые сигнальные молекулы, выплескивают коктейль высокотоксичных химических веществ и стараются заглотить и уничтожить любые бактерии на своем пути. Сигнальные молекулы усиливают местный кровоток и повышают утечку жидкости из кровеносных сосудов, и в результате на подмогу прибывают новые фагоциты. Токсичные вещества убивают бактерии сразу, так что фагоцитам даже не надо их заглатывать. Они настолько агрессивны, что часто наносят значительный ущерб даже нормальным тканям человеческого организма. Результатом всего этого является местное покраснение и повышение температуры (за счет увеличения кровотока), вспухание (из-за жидкости и накопления клеток) и боль в нервных окончаниях, на которые тоже действует токсичный коктейль. Эти классические признаки воспаления – rubor, calor, tumor et dolor – описал Авл Корнелий Цельс около двух тысяч лет тому назад. В центре воспаления также может быть участок беловатого гноя – это фагоциты, мертвые бактерии и отмершие ткани. Эти признаки хорошо видны на примере прыщей, от которых страдают многие люди в период полового созревания. Они вызваны бактериальной инфекцией сальных желез кожи, которые забиваются из-за перепроизводства кожного сала под действием гормонов. Прыщики – это, конечно, неприятно, но при опасной инфекции воспаление может быть спасительным, ведь вся мощь защитных систем организма направляется на саму причину воспаления.

Роль рецепторов, распознающих сигналы от клеток в состоянии стресса и сигналы, представляющие собой продукты распада мертвых клеток, – обеспечение приспособляемости организма. Не все опасные микроорганизмы являются бактериями. Есть среди них, например, одноклеточные организмы с клетками «животного» типа; они лишены клеточной стенки, которую можно было бы легко распознать, и выделяют меньше продуктов жизнедеятельности, которые могли бы выдать их присутствие. Организм таких многоклеточных паразитов, как паразитические черви, с точки зрения биохимии вообще очень похож на наш. Вирусы, мельчайшие из наших паразитов, по сути, представляют собой крошечные паразитические геномы, замаскированные оболочками инфицированных клеток человеческого организма; следовательно, они очень «человечны» с химической точки зрения. Если бы наши защитные системы реагировали только на столь конкретные химические следы, как продукты жизнедеятельности бактерий, мы были бы беззащитны перед лицом организмов, которые не оставляют таких следов. Даже если бы в процессе эволюции у нас появлялось все больше рецепторов против растущего числа возбудителей, то эти микроорганизмы, которые, как правило, размножаются очень быстро и хаотично и образуют огромные и изменчивые популяции, почти наверняка опередили бы нас в этой эволюционной «гонке вооружений». Мы, заложники нашего медленного размножения, должны каким-то образом активно реагировать на возбудителя, даже если непонятно, что он собой представляет.

Тогда и вступают в игру рецепторы, которые обнаруживают клетки в состоянии стресса и отмершие ткани человеческого организма. Защитная реакция возникнет везде, где бы ни погибали клетки.[320] Вот почему даже стерильные ожоги сопровождаются болезненным воспалением. Чрезмерная на первый взгляд «жестокость» возбужденных фагоцитов, токсины которых убивают не только бактерии, но даже ближайшие ткани, имеет глубокий смысл в условиях внезапного повреждения ткани. Даже если фагоциты не смогут напрямую найти и обезвредить микроорганизм или вирус, спрятавшийся в клетке организма, он наверняка погибнет в общей сумятице. При этом могут серьезно пострадать нормальные ткани, но, по крайней мере, распространение болезни будет остановлено.[321]

Таким образом, повреждение тканей – важный общий регулятор активной защитной реакции организма.[322] Это уже отчасти объясняет, как мы можем одновременно терпеть симбиотических партнеров и отбиваться от других бактерий, но для полного понимания нужно рассмотреть третью линию защиты. Она есть только у позвоночных животных и основана на способности учиться на собственном опыте. Эта линия по-прежнему использует древнее оружие – сочетание химических веществ (составляющих систему комплемента) и фагоцитов, позволяющее эффективно убивать вторгшихся в организм врагов, – и по-прежнему контролируется, по большому счету, сигналами от поврежденной или инфицированной ткани. Новое в этой линии защиты – ряд дополнительных типов клеток и, что самое важное, набор высокоспециализированных белков, которые способны очень точно и быстро направлять фагоциты и химическое оружие системы комплемента на борьбу с захватчиками при условии, что у системы было достаточно времени. Из-за своей способности к обучению и адаптации эта линия защиты получила название «адаптивная иммунная система».

Поскольку адаптивная иммунная система состоит из мигрирующих клеток, контактирующих друг с другом относительно недолго, ее структура значительно отличается от другой самообучающейся машины – мозга. Тем не менее логика, лежащая в основе обучения, удивительно схожа в обоих случаях. В головном мозге (глава 15) основной принцип обучения заключался в том, что сначала закладывается большое количество нейронных связей, а затем, в зависимости от опыта, некоторые закрепляются, а некоторые – нет. На основе опыта, накапливающегося с ростом потока сигналов, система устраняет ненужные связи и укрепляет нужные. В адаптивной иммунной системе поток сигналов, проходящий через рецепторы, играет роль, напоминающую роль связей между нейронами в головном мозге. И здесь принцип заключается в создании огромного количества возможностей – в данном случае рецепторов, – некоторые из них в дальнейшем пригодятся, а некоторые – нет, и в пропускании через них потока сигналов, чтобы решить, какие рецепторы следует укрепить, а какие убрать.

Хотя стратегии обучения похожи в общих чертах, их детали существенно различаются, поскольку адаптивная иммунная система – это жидкая ткань, лишенная жесткой архитектуры. В отличие от нервной системы, она не может опираться на дискретные соединения между точками. Рецепторы, необходимые для процесса обучения, находятся на поверхности клеток, которые есть только у позвоночных, – Т-клеток (буква «Т» означает «тимус» – железа, где эти клетки проводят много времени на ранних этапах своего существования). Т-клетки бывают разных типов: одни контролируют деятельность других клеток, другие выступают в роли «палачей», вводя смертельно опасные ферменты в зараженные клетки ткани. Все они несут важнейшие Т-клеточные рецепторы (TCR). Чтобы система обучения начала функционировать, требуются миллионы Т-клеток. Каждая конкретная клетка несет лишь один из многих возможных TCR, а каждый TCR уникален в том, что он может распознать.

Возникновение разнообразных TCR порождает интересную проблему. Выбор TCR-специфических молекул для связывания зависит от точной последовательности аминокислот в белках, которые входят в состав TCR.[323] Как и во всех белках, последовательность аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов (азотистых оснований) в гене. В принципе, животное может научиться создавать несколько видов рецепторов, имея несколько версий гена, немного отличающихся нуклеотидной последовательностью. Этот подход действительно используется во многих семействах сигнальных рецепторов, участвующих в развитии, но для адаптивной иммунной системы он не годится. У нас около двадцати пяти тысяч генов, а адаптивной иммунной системе требуются миллионы различных TCR. О добавлении миллионов новых генов в геном не может быть и речи по многим причинам. Во-первых, копирование такого большого количества генов при делении клеток будет слишком затратно, во-вторых, такой геном будет нестабильным из-за рекомбинации, которая происходит между похожими участками ДНК, и, наконец, это дополнительное количество ДНК просто не поместится в клетку.

Т-клетки выходят из этой тупиковой ситуации следующим образом. Имея лишь один основной ген для каждого из двух типов белковой цепи, которые, объединяясь, образуют TCR, они проявляют крайнее пренебрежение всеми биологическими «правилами»: каждая клетка сознательно мутирует и перестраивает часть гена TCR. У них есть особый набор ферментов, которые реорганизуют именно этот участок только этого гена. Итогом процесса, включающего несколько сложных шагов, является то, что каждая Т-клетка создает TCR на основе генов со случайной последовательностью оснований именно на том участке, который определяет, с чем будет связываться TCR. Каждая клетка может создать только одну версию TCR.

Минусом такого случайного характера образования TCR является то, что многие из версий TCR не смогут образовать даже слабые связи и, следовательно, будут бесполезны. Некоторые из них смогут распознавать фрагменты опасных микроорганизмов, что ценно для защиты организма. Другие будут распознавать нормальные ткани организма, что в лучшем случае бесполезно, а в худшем опасно. Именно поэтому первым аспектом обучения в адаптивной иммунной системе является удаление бесполезных или опасных TCR, а значит, и их носителей – Т-клеток.[324] Молодые Т-клетки, которые только что перетасовали нуклеотиды в генах случайным образом и начали производить TCR, находятся в тимусе, в окружении клеток, на поверхности которых находится множество фрагментов белков, характерных для данного организма. У TCR имеется множество шансов для распознавания этих фрагментов, если они ему подходят. На данном этапе жизнь каждой Т-клетки зависит от стимуляции TCR, но стимуляция не должна быть слишком сильной. TCR, не образующий связей ни с чем, судя по всему, бесполезен, и поэтому клетка-носитель убивает себя. Ясно, что, если TCR реагирует слабо и связывается спорадически, он может обнаруживать фрагменты молекул, но не слишком эффективно. Однако это обнадеживает, ведь слабое обнаружение фрагмента нормального белка означает, что TCR, по крайней мере, работает и есть вероятность, что он сможет обнаружить фрагмент какого-то бактериального или вирусного белка намного лучше. Поэтому такие клетки будут жить, созревать и распространяться по организму. Если TCR образует прочные связи еще в тимусе, это означает, что он с высокой точностью распознает фрагменты нормального белкового материала. В этом случае он либо совершит самоубийство, либо научится подавлять активность в отношении таких фрагментов. В любом случае иммунная система не будет действовать против самого организма.

К концу этого процесса организм будет заполонен миллионами Т-клеток, несущих разные версии TCR. Они не реагируют сколь бы то ни было сильно на компоненты тела, но проявили очень слабую реакцию хотя бы на что-то. В организме Т-клетки часто контактируют со специфическим типом фагоцитов, которые демонстрируют им мелкие фрагменты того, что им удалось заглотить (в этом случае с помощью специальных белков, удерживающих эти фрагменты на поверхности клетки). Если фагоцит прибыл из очага инфекции, среди этих фрагментов будут кусочки микроорганизма. Большинство Т-клеток никак не реагируют на эти фрагменты, но иногда фагоциту может попасться Т-клетка, которая распознает его груз. Именно этого и ждет Т-клетка. Она полностью активируется, быстро делится, создавая целую армию дочерних клеток с таким же TCR, и выделяет сигнальные молекулы, которые привлекают другие Т-клетки в этот район. Некоторые из них распознают другие фрагменты микроба и тоже активируются. Часть Т-клеток отправится убивать клетки тканей, которые несут тот же фрагмент белка, ведь они, предположительно, заражены (рис. 79).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 79. Обобщенная схема некоторых способов, при помощи которых Т-клетки организуются и принимают участие в защитной реакции. Т-клетки имеют TCR, которые активируются, узнав показанный фагоцитом фрагмент бактерии. Разные события на этой схеме, например гибель клеток и использование системы комплемента, также могут привлекать фагоциты, вовлеченные во второй уровень иммунной реакции


Обучающий аспект этого процесса зависит как от деления вовлеченных в него клеток (что приводит к увеличению числа клеток с нужным типом TCR), так и от способности некоторых клеток оставаться в живых после гибели большинства других. Выжившие клетки становятся клетками памяти. Их присутствие означает, что, если тот же возбудитель болезни снова проникнет в организм, там будет гораздо больше клеток, способных распознавать его и запустить реакцию. Кроме того, клетки памяти более чувствительны к этому возбудителю, чем были любые клетки во время первого вторжения, и они меняют способы взаимодействия с остальной иммунной системой. В результате повторное вторжение того же патогена вызывает очень быструю и эффективную защитную реакцию. В таких условиях у вторгшихся микроорганизмов остается мало шансов на победу. Именно поэтому мы переносим большинство болезней только однажды, а затем у нас вырабатывается иммунитет и мы не заболеваем даже после непосредственного контакта с больным. Кажущиеся исключения, например простуда, на самом деле вызываются множеством различных микроорганизмов (в данном случае вирусов), так что всякий раз – это первый раз. Некоторые микроорганизмы, например возбудитель малярии, являются исключением, потому что в процессе эволюции у них появились механизмы обхода иммунной системы (это пример эволюционной «гонки вооружений», о которой я уже упоминал).

Т-клетки не единственные клетки тела, которые используют случайную перестановку нуклеотидов конкретных генов для производства огромного разнообразия рецепторов. Такой же прием используют В-клетки[325] при создании В-клеточных рецепторов (BCR). BCR очень похожи на TCR. Каждая В-клетка обладает только одним уникальным BCR. В-клетки патрулируют организм, и, если находят молекулу, которую могут распознать их BCR, они поглощают ее и «разрезают» с помощью ферментов. Затем они выставляют ее фрагменты на своей поверхности – на тот случай, если встретятся с Т-клетками, которые смогут их распознать. Если это произойдет, Т-клетка пошлет В-клетке сигнал, и та начнет делиться, образуя многочисленные В-клетки с тем же BCR. Некоторые дочерние В-клетки становятся клетками памяти, готовыми к предстоящим схваткам с тем же микроорганизмом, а другие начинают выделять свои BCR в окружающую жидкость (рис. 80). Секретированный BCR называется антителом. Он может быстро распространяться по тканям и связываться с распознаваемой молекулой, все еще плавающей в жидкости или уже находящейся на поверхности микроба или инфицированных клеток. Антитело задействует старейшую химическую защиту, а также фагоциты: таким образом оно выносит «смертный приговор» любой клетке, с которой связывается.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 80. Схема активации В-клеток. Если В-клетки связываются с участком бактерии, который распознал их BCR, то они демонстрируют его Т-клеткам. Если В-клетки находят Т-клетку, TCR которой распознает фрагмент, клетки обмениваются сигналами, и В-клетки активируются. Некоторые из них начинают делиться и становятся клетками памяти, которые смогут быстро активироваться при повторной инфекции. Остальные клетки созревают и производят антитела (свободные BCR). Антитело, сохранившее изначальную способность BCR связываться с этой конкретной бактерией, может задействовать систему комплемента и фагоциты и, следовательно, вызывать быструю смерть этих бактерий


Способность адаптивной иммунной системы к обучению лежит в основе вакцинации. В этом случае в организм вводят отдельные белки или безвредный или ослабленный штамм опасной бактерии или вируса, чтобы произошел первый «бой». Когда он закончится, у организма остаются клетки памяти T – и B-типа, которые смогут быстро и эффективно отреагировать, если когда-нибудь организм столкнется с настоящей болезнью. Для эффективной вакцинации, как правило, нужно, чтобы инъекция препарата вызывала достаточно сильное раздражение: она должна вызвать повреждение тканей, задействовать клетки и помочь молекуле-«мишени» продержаться достаточно долго, чтобы быть распознанной. Чистый белок в этом случае работает плохо. На этом примере хорошо видно, что начальная активация реакции адаптивной иммунной системы основана в конечном счете на древнем механизме производства сигналов тревоги от ткани в состоянии стресса или умирающей ткани, а также от бактериальных продуктов.

Адаптивная иммунная система не нуждается в априорном, генетически обусловленном знании химического строения противников, с которыми она столкнется. Как и мозг, она изменяется в зависимости от опыта, а Т – и В-клетки, которые активировали свои рецепторы в первой битве, становятся «отрядом быстрого реагирования», готовым снова нанести удар по знакомому врагу, не дожидаясь значительного повреждения тканей. Так что в данном случае выражение «все, что не убивает нас, делает нас сильнее» вполне справедливо.

Это краткое объяснение принципов работы адаптивной иммунной системы возвращает нас к вопросу о том, как же мы все-таки уживаемся с симбиотическими бактериями. Совсем недавно было обнаружено,[326],[327] что клетки человеческого кишечника, распознающие сигналы от симбиотических бактерий, посылают защитным системам сигналы, означающие: «ничего страшного здесь не происходит». Сигналы действуют на фагоциты, которые специализируются на демонстрации связанных с поверхностью фрагментов бактерий Т-клеткам. Эти фагоциты[328] могут быть в двух состояниях: в одном они демонстрируют фрагменты, сопровождая демонстрацию сигналами, которые побуждают Т-клетки начать агрессивную атаку, а в другом состоянии – сигналами, которые убеждают Т-клетки успокоиться и проявить терпимость. В норме клетки кишечника, которые контактируют только с симбиотическими бактериями, выделяют два белка, которые переводят фагоциты в зоне досягаемости в «спокойное» состояние. Фагоциты будут по-прежнему демонстрировать молекулы бактерий, частично переваренной пищи и т. д., но при этом будут способствовать толерантности, а не агрессии. Если же клетки стенки кишечника находятся в контакте с вредоносными бактериями, они посылают не успокаивающие сигналы, а сигналы тревоги. Тогда фагоциты демонстрируют Т-клеткам фрагменты бактерий вместе с сильными активирующими сигналами, и организм быстро мобилизует защиту. И в этом случае главным контролирующим элементом защитной реакции является то, испытывает ли ткань (в том числе ее иммунные клетки) стресс. А «диалог» между бактериями и стенкой кишечника добавляет к этому позитивный сигнал – ничего плохого не происходит.

Влияние симбиотических бактерий кишечника на иммунную реакцию не ограничивается обеспечением их собственного выживания. Мыши, развивающиеся в стерильных условиях и лишенные кишечных бактерий, имеют странную и дефективную иммунную систему,[329] уязвимую к атакам разных микроорганизмов, в том числе никак не связанных с кишечником. Складывается впечатление, что фрагменты поверхности некоторых кишечных бактерий, включая Bacteroides fagilis, которые заселяют кишечник почти сразу после рождения, оказывают сильное влияние на созревание различных популяций Т-клеток во всем организме, изменяя баланс между теми клетками, которые запускают иммунные реакции, и теми, которые развивают толерантность к различным раздражителям. Если нормальное развитие иммунной системы зависит от контакта с безобидными бактериями (возможно, не только с Bacteroides fagilis, но и с сотнями других бактерий), то это может объяснить, почему повышение уровня гигиены, к которому мы так стремимся, сопровождается повышением частоты таких заболеваний, как астма, которая свидетельствует о дисбалансе иммунной системы и вызывается такими безвредными веществами, как пыль, шерсть животных и пыльца.[330] Еще одно изменение, связанное с гигиеной, – это практически полное избавление от глистов. Люди и паразитические черви развивались вместе в течение долгого времени, и, как теперь выясняется, глисты меняют баланс иммунной системы, по сути успокаивая ее, что идет на пользу как паразитическим червям, так и их хозяевам. Животные и, вероятно, люди без глистов проявляют иммунную гиперактивность в гораздо большей степени, чем животные с некоторым количеством паразитических червей (конечно, когда их слишком много, это тоже плохо).

В организме человека две основные системы обучения – мозг и адаптивная иммунная система – начали совместную деятельность по созданию четвертого уровня защиты в дополнение к трем уровням, которые есть у всех позвоночных. Даже у других млекопитающих инстинктивный и приобретенный груминг, а также избегание гнилой пищи позволяют мозгу помочь защитным системам, просто ограничивая контакт особи с опасными микробами. Человеческий мозг, способный систематически исследовать мир и передавать знания следующим поколениям, добавил сюда новое измерение поведенческой защиты. Самые опасные занятия с точки зрения заражения – это прием пищи и питье, потому что всегда есть риск, что еда и вода содержат опасные микроорганизмы, например возбудителей сальмонеллеза или холеры. Наши древнейшие культурные открытия – термическая обработка пищи, кипячение воды или употребление ферментированных напитков – резко снизили опасность заражения. Скорее всего, не случайно все цивилизации, создавшие крупные, густонаселенные города, изобрели чай, эль или что-то подобное. Относительно недавно, после открытия бактерий и путей заражения ими, люди стали строить водопроводы для подачи чистой воды и канализацию для отведения грязной. Это лежит в основе благополучного существования городов с миллионным населением. Разработка вакцин, антибиотиков и противовирусных соединений еще больше усилила безопасность как отдельных людей, так и целых популяций. Несомненно, нас ждут новые опасности: возбудители болезней эволюционируют быстро, а благодаря глобальному туризму еще и распространяются по миру со скоростью лесного пожара. На нашем уровне развития цивилизации мы полностью зависим от этого четвертого, научно-культурного уровня защиты. Если человечество как вид когда-нибудь откажется от активных научных исследований, оно вскоре заплатит страшную цену.

Развитие разума, о котором мы поговорим в последней главе, и развитие иммунной системы, которое мы только что обсудили, – важнейшие события, связанные с развитием, которые происходят после рождения. Так и должно быть, ведь они связаны со взаимодействием новорожденного с непредсказуемой средой. Продолжительность их развития еще раз говорит о том, что развитие человека ни в коем случае не заканчивается рождением. И разум, и иммунная система продолжают развиваться всю жизнь, откликаясь на жизненный опыт. По мере развития организм также должен оберегать себя от повреждений и ежедневного износа. Об этом «техобслуживании» и его связи с эмбриональным развитием мы сейчас и поговорим.

Глава 18

Текущий ремонт

– Есть два типа женщин: с малыми запросами и с большими.

– К какому же типу принадлежу я?

– К самому худшему. Запросы у тебя большие, а ты думаешь, что маленькие.

Цитата из фильма «Когда Гарри встретил Салли» (автор сценария – Нора Эфрон)

Учителя биологии любят играть со своими учениками в одну игру: они просят их дать определение жизни, придумать простой критерий того, является ли тот или иной объект живым или нет. В нее можно играть на всех ступенях обучения от начальной школы до аспирантуры и далее, и каждый раз этот вопрос порождает очень похожие споры (основная разница заключается в том, что аспиранты используют много умных слов, считая, что они придают их доводам убедительности).

Даже ученики начальной школы быстро отбрасывают такие ложные критерии, как способность двигаться, указывая на неподвижные живые организмы, например кораллы, и подвижные неживые объекты, например капли дождя. Нетрудно понять и ложность такого критерия, как реакция на стимулы: живые грибы не реагируют на прикосновение, а неживые мышеловки очень даже реагируют. Нередко определяющей характеристикой жизни называют способность к размножению. Об этом можно прочитать даже в учебниках биологии, хотя, казалось бы, их авторы должны были бы разобраться, что к чему. Несостоятельность этой идеи очевидна: если довести ее до логического завершения, то придется отнести к неживой природе красные кровяные клетки, мулов, рабочих муравьев и женщин после менопаузы. Более продвинутые студенты предлагают в качестве критерия способность к самоорганизации, но и это не панацея: некоторые неживые объекты, такие как кристаллы, ячейки конвекции, а также волновые структуры некоторых химических реакций (например, реакции Белоусова – Жаботинского[331]), проявляют по крайней мере некоторые признаки самоорганизации.

Тем не менее одна универсальная особенность живого мира все-таки есть. Это способность живых организмов использовать полученную извне энергию для поддержания и обновления организма. В такой форме этот критерий предложил Пьер Луиджи Луизи,[332] который основывался на более ранних формулировках Александра Опарина и Жака Моно (все эти ученые внесли огромный вклад в наше понимание феномена возникновения жизни). Необходимость в обновлении отчасти связана со случайными внешними повреждениями, которым подвержены все организмы, а отчасти – с непрочностью, по природе свойственной материалам нашего тела. Эта непрочность выражается в том, что, даже когда тело не подвергается ударам, укусам, ссадинам или ожогам, его молекулы лишь недолго выживают в химическом «котле» клетки и должны часто заменяться. Такая непрочность свойственна и рукотворным объектам, отдельные части которых приходится многократно заменять в течение срока службы. Разница в том, что такие объекты не способны сами создавать и встраивать в себя новые компоненты. Если в машине надо заменить тормозные колодки, мне нужно заказать их у поставщика и установить вручную. К сожалению, если я просто занесу необходимые материалы или новые колодки в гараж, моя машина не сможет сама заменить изношенные части, пока я буду заниматься своим делом. Эта способность к самоподдержанию и обновлению и представляет собой абсолютную разницу между живыми существами и неживыми машинами, как мы понимаем ее сегодня. Возможно, это различие будет валидно, даже если в один прекрасный день нам удастся построить самонастраивающуюся и самоподдерживающуюся машину, так как такую машину будет вполне резонно считать живым организмом.

Таким образом, конструирование тела, о котором шла речь в этой книге, – лишь прелюдия к его долгому самоподдержанию. Поскольку в ходе самоподдержания приходится опять делать те же самые вещи, которые были сделаны в ходе развития, естественно задать вопрос: повторяют ли механизмы «ремонта» механизмы развития или же в корне отличаются от них? Этот вопрос имеет далеко не только теоретический интерес. Четкий ответ на него важен, если мы хотим улучшить нашу способность восстанавливать наши тела или даже попробовать полностью победить старение.

Заменить изношенные компоненты машин можно практически в любом размерном масштабе. Иногда мелкие компоненты можно заменить по отдельности, а в других случаях приходится менять большую часть, содержащую сотни мелких компонентов. В моем стареньком «лендровере» мне приходилось менять как мелкие детали, например стопорные шайбы, так и многокомпонентные модули, такие как генератор и мотор вентилятора. Если у него по-прежнему будет в самый неподходящий момент вылетать третья передача, мне, вероятно, придется заменить всю коробку передач, состоящую из многих сотен деталей, потому что это гораздо проще, чем разбирать ее и чинить один испорченный вал. При этом новая коробка передач будет абсолютно такой же, как та, что была поставлена на автомобиль при сборке.

В организме млекопитающих замены многокомпонентных модулей не происходит. Поврежденные белки в клетках и поврежденные клетки в тканях замещаются белками и клетками, но это аналогично замене отдельных деталей машины. Ткани и органы никогда не заменяются целиком (разве что в дело вмешается хирург-трансплантолог). Вместо этого в них постоянно идет текущий ремонт. Это объясняется тремя основными причинами. Во-первых, многие органы возникают на эмбриональной стадии развития из тканей, которых в организме взрослого человека уже нет. Примерами структур, существующих лишь краткое время в жизни эмбриона, являются энтодермальная выстилка желточного мешка, из которого формируется кишечник, и сомиты, из которых развиваются позвонки, мышцы и внутренняя часть кожи. Создать новые версии таких органов и тканей невозможно просто потому, что структур, из которых они образовались, у взрослых организмов нет. Во-вторых, многие активно изнашивающиеся части тела, например верхние слои кожи и выстилка кишечника, существуют около недели, а затем заменяются. На этапе эмбрионального развития на их создание уходит гораздо больше времени, и взрослый организм просто не успел бы заменить старый орган новым. В-третьих, полная замена органов в сложившемся организме, с его многочисленными плотно упакованными частями, представляла бы непреодолимую геометрическую и логистическую трудность. Поэтому «ремонт» должен опираться на механизмы, в корне отличные от механизмов эмбрионального развития.

В принципе можно представить себе простой способ замены изношенных клеток – это пролиферации идентичных им соседних клеток. Назовем это «заменой равных равными». Такая замена может быть связана с определенными трудностями, например, клеткам, чтобы делиться, придется «впасть в детство», то есть отказаться от сложной формы и особого метаболизма, характерных для зрелого состояния. Тем не менее эти трудности, вероятно, преодолимы. В конце концов, клетке нужно всего лишь заменить себе подобную, и сложные механизмы дифференцировки, характерные для эмбрионального развития, ей не понадобятся. Все, что нужно, – это механизм, с помощью которого клетки могли бы понять, что соседние клетки нуждаются в замене.

При всей внешней простоте поддержание организма только за счет «замены равных равными» привело бы к серьезными проблемам у долгоживущих животных. Многие клетки находятся в агрессивной среде, где постоянно подвергаются воздействию повреждающих агентов. Слизистая кишечника, например, контактирует с желудочным соком, созданным специально для переваривания клеточных компонентов, а наружные слои кожи подвержены воздействию сухого воздуха, ультрафиолетового излучения, ветра и бактерий. Все клетки в органах, по сути, находятся «в одной лодке», и если вредное воздействие достигает такого уровня, что клетка умирает, то велика вероятность того, что и соседняя клетка сильно повреждена. После смены нескольких поколений отмерших клеток за счет пролиферации поврежденных «соседей» здоровой ткани останется немного.

Есть два способа, с помощью которых животное может справиться с этой проблемой, не отказываясь от идеи «замены равных равными». Один способ – это жить недолго и избегать вредных воздействий. Не исключено, что многие мелкие животные взяли на вооружение именно эту стратегию (хотя, насколько мне известно, вопрос о том, используют ли они только метод «замены равных равными», остается открытым). Второй способ – вложить много затрат в контроль за повреждениями и ремонтные механизмы в клетках. Такие механизмы, безусловно, существуют. Есть набор ферментов и других белков, которые могут обнаружить повреждения ДНК и восстановить ее; есть мембранные насосы, которые могут выводить небольшие количества токсинов из клеток; есть разрушающие белки ферменты, которые быстро разрушают клеточные белки, чтобы их можно было тут же заменить новыми. Если клетка вложит много энергии и ресурсов в эти системы, она останется здоровой в агрессивной среде, и «замена равными равных» будет более реальна. Проблема в том, что такие вложения потребуют слишком значительных (пищевых) ресурсов и могут оказаться не по средствам организму. И даже если ресурсов хватит, такие затраты на клеточную защиту, скорее всего, приведут к непозволительному снижению ресурсов, которые животное сможет направить на рост и развитие.

Ключевой особенностью системы «замены равных равными» является то, что, если все клетки равны, их следует беречь в равной степени, а значит, с равными затратами. Если бы животное защищало лишь некоторые клетки и использовало бы их для замены обычных поврежденных клеток, это позволило бы существенно сократить расходы. В идеале хорошо защищенные клетки должны располагаться в каком-то безопасном месте. И уже совсем хорошо с точки зрения экономии ресурсов было бы, если бы малочисленные клетки с высоким уровнем защиты могли давать начало любым типам клеток в ткани. Такие клетки, расположенные на стволе генеалогического древа различных типов клеток, называются «стволовыми». Поддержание ткани за счет стволовых клеток имеет значительные преимущества по сравнению с системой «замены равных равными». Если «замена равных равными» используется для быстрого залечивания небольших ран, обновление тканей за счет стволовых клеток у больших животных, например мышей и людей, позволяет тканям существовать на протяжении многих месяцев и лет.

Одним из наиболее изученных примеров обновления тканей за счет стволовых клеток является слизистая кишечника. Ее внутренняя поверхность подвергается химическому воздействию целого коктейля пищеварительных ферментов и солей желчных кислот, а также физическому воздействию частично переваренной пищи. Поэтому не приходится удивляться, что, несмотря на то что эти клетки в какой-то степени защищены слизью, большинство из них живет недолго. У мышей, хорошо изученных в отношении клеточной биологии кишечника, большая часть поверхностных клеток живет только пять дней. Скорее всего, у человека они живут примерно столько же. В подобной ситуации маловероятно, что поврежденные клетки в принципе могут заменяться за счет соседей неопределенно долгий срок. И действительно, они заменяются за счет популяции кишечных стволовых клеток, спрятанных в относительно безопасном месте. Чтобы понять, как кишечные стволовые клетки выполняют свою работу, необходимо сначала рассмотреть строение кишечной стенки.

Основной функцией кишечника является усвоение питательных веществ из пищи и повторное поглощение воды, добавленной к пище в процессе пищеварения. Усвоение происходит на внутренней поверхности кишки, а его эффективность во многом определяется общей площадью этой поверхности. У позвоночных выработалось два основных способа увеличения площади поглощающей поверхности. Одним из них является максимально компактная упаковка кишечника в брюшной полости: он не вытянут в прямую трубку, а образует многочисленные петли. Другой способ – придание выстилке сложной структуры. Выросты и гребни существенно увеличивают площадь всасывающей поверхности. Внутренняя поверхность тонкого кишечника густо покрыта ворсинками – мелкими пальцеобразными выростами (рис. 81). Они есть уже при рождении, а вскоре после него области между ворсинками складываются внутрь, образуя узкие углубления – крипты. Дно крипты образовано клетками Панета, которые секретируют бактерицидные белки (дефензины). Многочисленные клетки на стенках крипты выделяют слизь. Итак, углубленное положение защищает крипты от механических повреждений, слизь – от химического воздействия, а дефензины – от бактерий. Таким образом, крипты – значительно более безопасное место, чем ворсинки. Неудивительно, что именно в криптах залегают кишечные стволовые клетки.[333]


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 81. Строение кишечной стенки и структура типичной крипты


Кишечные стволовые клетки могут находиться либо между клетками Панета на самом дне крипты, либо над ними, либо на обоих участках.[334] Там они размножаются примерно раз в четыре дня. Дочерние клетки принимают решение – стать новыми стволовыми клетками или оставить эту нишу и начать двигаться вверх по стенке крипты. Мы пока не знаем, определяется ли решение клетки ее положением или наоборот. Так или иначе, популяция стволовых клеток сохраняется, а некоторые дочерние клетки покидают ее и продвигаются вверх по крипте. По мере продвижения эти клетки продолжают делиться, так что дочерняя клетка, образовавшаяся в результате деления одной стволовой клетки, примерно за три дня образует до шестидесяти четырех отдельных клеток. В ходе этого процесса эти клетки дают начало кишечным клеткам разных типов: одни станут всасывающими клетками, другие – клетками, выделяющими слизь, третьи – клетками Панета, а четвертые – редкими, специализированными клетками, которые синтезируют гормоны. Они продолжают двигаться вверх, потому что их выталкивают новые поколения образующихся внизу клеток. Тем не менее движение клеток не вполне пассивно, потому что немногие клетки, ставшие новыми клетками Панета, способны двигаться в противоположном направлении к нижней части крипты. Судя по всему, они следуют сигналам того же типа (EPH/ EPHRIN[335]), которые использовались для разметки пути аксонов от глаза к мозгу (глава 13). К тому времени, когда клетки поднялись наверх и покинули крипту (то есть через несколько дней после деления исходной стволовой клетки), они уже достаточно созрели, чтобы в полной мере участвовать в деятельности кишечника по всасыванию питательных веществ и заменить отмершие клетки. Еще через несколько дней некоторые клетки поднимутся по ворсинкам и останутся там, пока не погибнут и не заместятся новыми клетками, образовавшимися в крипте.

Скорость отмирания клеток кишечника варьирует в зависимости от здоровья и рациона конкретного человека. У тех, кто ест мало и употребляет мягкую пищу, кишечные клетки гибнут относительно медленно. Скорость гибели кишечных клеток будет гораздо быстрее, если человек ест много жесткой, волокнистой пищи, имеет серьезную кишечную инфекцию или отравился токсинами. Понятно, что стволовые клетки и пролиферирующие дочерние клетки должны «чувствовать», как быстро они должны делиться: слишком медленное деление приведет к нехватке клеток кишечной стенки, а слишком быстрое деление вызовет закупорку кишечника массой ненужных клеток.

Механизмы, за счет которых кишечные стволовые клетки могут чувствовать нужную скорость деления, изучены не до конца, но мы уже знаем, что в этот процесс вовлечены сигнальные белки WNT, которые играют важную роль во многих процессах эмбрионального развития.[336] Есть веские доказательства того, что ближайшие «потомки» стволовых клеток и, вероятно, сами стволовые клетки получают сигнал WNT от близлежащих клеток Панета и из более удаленных источников.[337] Более того, у мышей, генетически модифицированных так, что эти клетки не могут отвечать на сигналы WNT, стволовые клетки не делятся, и стенки кишечника не функционируют.[338] У мышей с противоположным типом мутации – клетки реагировали на WNT, которого на самом деле не было, – клетки делились слишком активно.

Источником сигнала WNT являются клетки, расположенные вокруг стволовых клеток. Учитывая, что пролиферация стволовых клеток, по-видимому, управляется сигналами WNT, надо полагать, что между уровнем определяемого стволовыми клетками сигнала и объемом текущего ремонта должна быть какая-то связь. Тем не менее этот механизм до сих пор окутан туманом. Непонятен и механизм, с помощью которого пролиферирующие клетки, движущиеся вверх по крипте, принимают правильное решение о том, в какой тип клеток дифференцироваться, и, таким образом, поддерживают правильное соотношение между количеством всасывающих клеток, защитных клеток и клеток, производящих слизь. Не исключено, что существует самоорганизующаяся система, в которой зрелые клетки каждого типа выделяют следовые количества определенного сигнала, говорящего о том, что незрелая клетка ни в коем случае не должна становиться клеткой этого типа. Если в такой системе клеток одного типа слишком много, их совокупный сигнал будет сильным, и «молодые» клетки будут становиться клетками другого типа. С другой стороны, если клеток определенного типа будет не хватать, уровень «запрещающего» сигнала будет очень низким, и близлежащие клетки будут, как правило, превращаться в клетки именно этого типа. Однако это пока лишь гипотезы. Интересно будет посмотреть, что покажут эксперименты.

Еще одна часть организма, подверженная довольно жесткому воздействию среды, – это роговица. Она не только защищает глаз снаружи, но и служит линзой, помогающей фокусировать свет на сетчатку. Собственно говоря, глаз функционирует как линза на две трети за счет роговицы и только на одну треть за счет хрусталика.

Роговица подвергается ультрафиолетовому облучению (особенно у неразумных людей, которые находятся на ярком солнце без солнцезащитных очков), ее царапают песок и пыльца, по ней несколько раз в минуту проходит моргающее веко. Роговицу может раздражать сигаретный дым, особенно если курит сам хозяин роговицы. Поскольку роговица должна быть прозрачной, в ней нет обильного кровоснабжения, очень важного для здоровья большинства тканей.

На эмбриональном этапе развития роговица формируется из эктодермы, обрастающей хрусталик на раннем этапе формирования глаз. Это уникальное событие, которое не может повториться. Как только роговица сформирована, она заменяет эктодерму, из которой образовалась, так что создать новую роговицу таким же образом, каким была создана исходная, нельзя. Изношенные клетки роговицы заменяются за счет стволовых клеток. Как и в случае кишечника, стволовые клетки находятся в более защищенном месте, чем полная опасности область, которую они обслуживают, а именно в лимбе – кольце по краю роговицы (рис. 82).[339] Популяция стволовых клеток размножается, поддерживая саму себя и создавая дочерние клетки, предназначенные для роговицы. Как и в кишечнике, дочерние стволовые клетки пролиферируют относительно быстро, так что каждое деление исходных стволовых клеток дает начало многим клеткам роговицы. Пролиферирующие клетки покидают зону стволовых клеток глаза и движутся радиально внутрь, к самому центру зрачка – наиболее удаленной от стволовых клеток области глаза. Движение клеток от лимба к центру глаза было ярко продемонстрировано в экспериментах на химерных мышах,[340] названных так по имени Химеры – мифического существа, состоящего из частей разных животных. Химерные мыши получаются из смеси эмбриональных клеток, часть которых нормальные, а часть несет экспериментально введенный маркерный ген, который может быть обнаружен либо при жизни животного, либо после его смерти с помощью метода специфического окрашивания. У химерных мышей некоторые стволовые клетки несут маркерный ген, а некоторые – нет. Когда глаза взрослой мыши исследуют на экспрессию маркерного гена,[341] выявляется целая серия полос, которые, как спицы в колесе, сходятся в центре роговицы. Хотя эти полосы выглядят так, как будто они исходят от центра, на самом деле они создаются клетками, движущимися со стороны лимба, как было показано при изучении молодых мышей, у которых эти полосы еще не достигли центра.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 82. Строение глаза и расположение лимб


Кишечник и роговица подвергаются агрессивному воздействию окружающей среды, поэтому их зрелые клетки активно изнашиваются, а стволовые клетки размножаются относительно быстро. Многие другие ткани находятся в гораздо менее жестких условиях, и их зрелые клетки могут жить месяцы или даже годы. Стволовые клетки, обслуживающие такие ткани, делятся очень редко, но они все равно очень важны, особенно если нужен крупномасштабный ремонт после инфекции или травмы. Хорошим примером такой популяции являются стволовые клетки почек.

В почечных канальцах здорового человека клетки, как правило, живут долго, но они могут получить сильные повреждения и погибнуть в результате инфекции или отравления. При развитии почек (глава 10) длинные, сложные трубочки нефронов формировались из групп клеток, которые собирались вместе и образовывали цистообразный шар, который затем удлинялся и изгибался, формируя трубку. Этот процесс формирования новых канальцев из клеток, которые изначально не были частью нефронов, происходит только при эмбриональном развитии. После рождения в организме человека новые канальцы не могут образовываться с нуля, но, судя по всему, клетки канальцев могут заменяться за счет маленькой популяции стволовых клеток, существующей в особой зоне каждой трубочки, между клубочком и самой трубочкой (рис. 83).[342]

В здоровом организме уровень пролиферации этих стволовых клеток очень низок. Когда стволовые клетки «улавливают» повреждение клубочка или канальца (какими-то пока неизвестными способами), они делятся, и их дочерние клетки перемещаются в каналец или в клубочек, по мере своего продвижения переставая быть стволовыми клетками и приобретая свойства дифференцированных клеток. Добравшись до места назначения, они заполняют пробитую повреждением брешь.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 83. Местоположение стволовых клеток в канальцах зрелых почек (стволовые клетки могут также находиться в других местах)


На данный момент есть одна система, в которой нам известны по крайней мере некоторые сигналы. Это популяция стволовых клеток крови. Кровь в системе кровообращения содержит несколько типов зрелых клеток. Наиболее распространены эритроциты, содержащие гемоглобин – пигмент, который переносит кислород и придает крови ее характерный цвет. В гораздо меньших количествах в крови присутствуют различные клетки иммунной системы, в том числе фагоциты, В-клетки и Т-клетки (глава 17), а также кровяные пластинки (тромбоциты), играющие важную роль в процессе свертывания крови. На ранней стадии развития первые клетки крови образовались при взаимодействии тканей рядом с временными почками (глава 9), но затем эти ткани исчезли, и поддержание кровеносной системы переключилось на использование механизма, основанного на стволовых клетках. На какое-то время стволовые клетки поселяются в печени эмбриона, а после появления длинных костей перемещаются в их центральную часть. Стволовые клетки и развивающиеся клетки крови образуют большую часть костного мозга.

Как и в случае кишечника, сами стволовые клетки (гематопоэтические стволовые клетки, или ГСК) находятся в основании разветвленного древа разных типов дочерних клеток (рис. 84). Популяция ГСК делится медленно, поддерживая себя и давая начало дочерним клеткам, которые затем выбирают путь созревания. Дочерние клетки размножаются быстро и создают постоянно растущие колонии клеток, которые позже изберут свою судьбу, пройдя ряд определенных этапов (рис. 84). И в этом случае пролиферация клеток должна соответствовать потребностям организма – на смену погибающим клеткам крови должно приходить то же количество новых. Если бы в костном мозге образовалось слишком много новых клеток, кровь превратилась бы в густой «суп», а если бы клеток образовалось слишком мало, кровь не могла бы переносить достаточное количество кислорода или эффективно защищать организм. Баланс типов клеток тоже должен тщательно регулироваться и может меняться в зависимости от обстоятельств: например, во время поражения организма инфекциями количество защитных клеток увеличивается.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 84. «Генеалогическое древо» клеток, образующихся в костном мозге из гематопоэтических стволовых клеток (ГСК). Популяция этих стволовых клеток постоянно самоподдерживается и дает начало клеткам, расположенным выше на схеме. Эти клетки тоже размножаются, и поэтому каждое деление ГСК в нижней части «древа» приводит к образованию огромного количества терминально дифференцированных, зрелых клеток


Хитроумные эксперименты с клетками костного мозга, выращенными в лабораторных условиях, позволили выявить множество сигнальных молекул, влияющих на скорость пролиферации клеток костного мозга. Каждый тип клеток реагирует на определенный набор сигналов. Клетки, которые уже приняли решение стать эритроцитами, несут на своих поверхностях рецепторы для гормона эритропоэтина. При низком содержании этого гормона клетки делятся очень неактивно – можно сказать, выжидают. Если эритропоэтина мало, клетки энергично пролиферируют, и их дочерние клетки превращаются в новые эритроциты. Сам эритропоэтин производится в основном в той части почки, где кровоснабжение по анатомическим причинам довольно скудно даже у здорового человека. Клетки почек «ощущают» концентрацию кислорода вокруг них, используя ту же молекулярную систему, что и клетки, «запрашивающие» новые кровеносные сосуды (глава 9). Чем ниже концентрация кислорода, тем больше эритропоэтина выделяют и высвобождают клетки почек. Этот эритропоэтин идет к костному мозгу, где стимулирует пролиферацию клеток и, следовательно, производство новых эритроцитов. В результате кровь переносит больше кислорода, и его содержание в тканях повышается. Чувствуя это, клетки почек сокращают производство эритропоэтина, и система приостанавливает свою работу, так что производство эритроцитов только балансирует потери и поддерживает оптимальное число этих клеток.

Таким образом, система в целом самоорганизуется и производит ровно столько новых эритроцитов, сколько нужно. При этом ее отдельные компоненты не должны ничего «знать», а должны только правильно реагировать на простой химический сигнал. Этот механизм вполне надежен, если единственный источник эритропоэтина находится в здоровых тканях организма, но может нарушаться при болезненных состояниях, создающих ложные сигналы. Когда кровоснабжение почки снижается (например, при болезни или повреждении почечной артерии), клетки почки испытывают острую нехватку кислорода, в то время как остальные ткани организма находятся в полном порядке. Тогда клетки почек производят эритропоэтин в очень больших количествах, и новых эритроцитов производится слишком много. Аналогичным образом, если в организм вводят дополнительное количество эритропоэтина, костный мозг ведет себя так, как если бы количество эритроцитов достигло критически малого уровня, и производит новые клетки. Целый ряд спортивных скандалов последнего времени связан с тем, что спортсмены использовали эритропоэтин, чтобы увеличить кислородную емкость крови и, следовательно, максимальную мощность мышц.

Производство клеток иммунной системы и их предшественников в костном мозге также регулируется сигналами организма. Например, под действием микробного заражения существующие защитные клетки – Т-клетки и фагоциты (глава 17) – производят сигнальные молекулы дальнего действия. Они распространяются через кровеносную систему по всему организму и достигают костного мозга, где стимулируют клетки вырабатывать «коктейль» локальных сигнальных молекул. Эти сигналы запускают пролиферацию клеток, уже вступивших на путь дифференцировки в клетки иммунной системы, а также активируют быстрое созревание клеток иммунной системы. Таким образом костный мозг реагирует на заражение в любом месте организма и быстро посылает туда подкрепление.

Ситуационно зависимая стимуляция производства эритроцитов эритропоэтином и производства клеток иммунной системы другими сигналами решает проблему поддержания нужного количества клеток в кровеносной системе, но создает новую проблему в самом костном мозге. Популяция предшественников эритроцитов, пролиферация и созревание которых активируются эритропоэтином, не может самоподдерживаться бесконечно. Рано или поздно все клетки созреют и покинут костный мозг уже в качестве эритроцитов. Следовательно, им нужна замена за счет деления клеток, расположенных ниже на «генеалогическом древе» (рис. 84). Эти клетки тоже рано или поздно кончатся, и тогда придется делиться самим стволовым клеткам (ГСК). Это означает, что проблема контроля над пролиферацией охватывает все уровни «древа». Такое впечатление, что эта проблема решается с помощью относительно простого общего механизма сигнализации, который работает для всех клеток одинаково, хотя для разных типов клеток используются разные молекулы.[343] В принципе каждая клетка выделяет молекулы, которые ингибируют пролиферацию типа клеток, расположенного ниже на «генеалогическом древе». Если на высшем уровне достаточно клеток, вместе они будут производить достаточно ингибирующих сигналов, чтобы клетки под ними могли спать спокойно. Если количество клеток на более высоком уровне снижается из-за того, что клетки созревают и покидают костный мозг, то ингибирующих сигналов будет меньше, и поэтому клетки на более низких уровнях будут делиться более активно, а их дочерние клетки заполнят уровень над ними. Эта система ступенчато спускается вниз до уровня ГСК. В костном мозге явно есть и другие сигналы, но результаты компьютерного моделирования говорят о том, что эти нисходящие ингибирующие сигналы являются главными регуляторами пролиферации.

Важность костного мозга как хранилища стволовых клеток крови была открыта уже несколько десятков лет назад, хотя многие детали работы этого хранилища все еще ждут своих исследователей. Одним из самых последних открытий является то, что стволовые клетки, расположенные в костном мозге, могут также давать начало клеткам других тканей организма. На самом деле, не исключено, что костный мозг способен производить клетки для поддержания любого типа соединительной ткани. Это открытие потрясает основы нашего понимания биологии человека. Эти стволовые клетки называются мезенхимными стволовыми клетками[344] и, видимо, являются дочерними клетками ГСК, о которых я только что говорил. Если удалить их из организма и выращивать в лабораторных условиях, мезенхимные стволовые клетки могут давать начало огромному спектру зрелых клеток, в том числе клеток соединительной ткани, жира, хрящей и костей. Разные условия культивирования приводят к получению разных типов клеток.

Тот факт, что мезенхимные стволовые клетки из костного мозга могут производить те или иные типы клеток в лаборатории, не означает, что они на самом деле делают это в организме. Однако один непреднамеренный «эксперимент», поставленный непосредственно на людях, показал, что эти клетки действительно способствуют поддержанию удаленных соединительных тканей. Жизнь людей с разрушенным костным мозгом (например, под воздействием высоких доз радиации или агрессивной химиотерапии, применяемой против лейкемии) можно спасти, пересадив им здоровый костный мозг от донора. Если организмы донора и реципиента достаточно сходны и отторжения не происходит, донорские клетки поселяются в костном мозге реципиента и там начинают делать новую кровь. Совместимость донора и реципиента зависит в том числе от совместимости белков клеточной поверхности, которые производят их клетки. Это немного похоже на систему групп крови для донорства, только гораздо сложнее. Пол донора и реципиента не имеет значения, и нередко донор и реципиент являются братом и сестрой или отцом и дочерью.

Во всех клетках мужского организма есть Y-хромосома, а в клетках женского ее нет (глава 12). Когда костный мозг от мужчины-донора пересаживается женщине-реципиенту, Y-хромосома донорских клеток является четким генетическим признаком, отсутствующим в клетках реципиента. Если операция проходит успешно, то женщина-реципиент может прожить долгие годы, и ее организм будет самоподдерживаться. Если мезенхимные стволовые клетки в костном мозге в естественных условиях способствуют обновлению соединительной ткани организма, то некоторые клетки соединительной ткани должны содержать Y-хромосому, что можно проверить путем микроскопирования образцов ткани, полученных с помощью биопсии или аутопсии. По всей видимости, это так и есть: соединительные ткани женщин-реципиентов, получивших костный мозг от доноров-мужчин, действительно содержат клетки с Y-хромосомой. Такие клетки были описаны в соединительной ткани сердца,[345] кишечника,[346],[347],[348] мозга,[349],[350] и почек[351] и всегда были, по видимому, неотъемлемой частью этих тканей (а не просто, например, клетками проходящей через них крови). Y-хромосома иногда даже обнаруживалась в некоторых тканях, которые в принципе не являются соединительными, например в канальцах печени и почек, в выстилке кишечника и в нервных клетках головного мозга. Клетки, по происхождению связанные с костным мозгом, входили в состав таких патологических структур, как клеточные массы эндометриоза (доброкачественного разрастания слизистой матки в неправильном месте) и злокачественная карцинома. Донорские клетки, несущие Y-хромосому, обнаруживались даже в составе матки женщины-реципиента, что еще раз подчеркивает тот факт, что большинство клеток организма принимают решение о том, создавать им мужские или женские структуры, вовсе не на основании наличия или отсутствия Y-хромосомы, а под действием их окружения и гормонов (глава 12).[352],[353]

Эти данные не доказывают, что мезенхимные стволовые клетки являются источником клеток любого типа, но свидетельствуют о том, что какие-то стволовые клетки такого рода в костном мозге есть. На это же указывают и результаты других исследований, никак не связанных с трансплантацией, а использующих, например, спонтанные генетические изменения в костном мозге некоторых людей как маркеры определенных клеток костного мозга.

Странно, но факт: клетки, несущие Y-хромосому, были также обнаружены в тканях женщин, которые никогда не переносили трансплантацию, но родили мальчиков.[354],[355] По-видимому, стволовые клетки мужского эмбриона проникли через плаценту и поселились в организме матери. Они обнаруживались спустя годы после родов, а в одном исследовании[356] даже присутствовали во всех проанализированных тканях. Можно сказать, что ребенок навсегда оставил след в сердце своей матери, и в данном случае это не просто метафора.[357]

Даже если мы признаем, что костный мозг может участвовать в обслуживании отдаленных тканей, пока непонятно, насколько его вклад важен по сравнению со стволовыми клетками, которые находятся непосредственно в тканях. Методы, используемые для оценки вклада костного мозга, очень чувствительны, и не исключено, что они зарегистрировали крайне интересный, но по большому счету незначительный способ поддержания тканей. Например, вклад клеток костного мозга в обслуживание тканей кишечника очень мал по сравнению с вкладом стволовых клеток крипт. Однако даже если вклад костного мозга в восстановление тканей организма незначителен, он может оказаться полезным с медицинской точки зрения. Я расскажу об этом в последней главе.

Как я уже говорил, стволовые клетки обычно очень берегут себя. Например, они тратят много энергии и ресурсов на создание насосов и каналов для отведения токсинов. Они также очень чувствительны к повреждениям ДНК и скорее совершат самоубийство, чем будут с ними бороться. Можно предположить, что такое положение дел сложилось в ходе естественного отбора и связано с пагубными последствиями пролиферации поврежденных клеток. Забота стволовых клеток о себе любимых и их склонность к «самоубийству» при сильных повреждениях – это реальность, которая может обернуться темной стороной, если человек болен. Одним из примеров является острая лучевая болезнь.[358] Через несколько дней после умеренного или сильного воздействия ионизирующего излучения у человека обычно развивается сильнейший понос с кровью, рвота, выпадение волос и оппортунистические инфекции. Одной из причин диареи является гибель множества кишечных стволовых клеток в криптах, которые обнаружили повреждение ДНК и самоустранились. С таким количеством отмерших клеток выстилка кишечника, и сама по себе поврежденная, больше не может обновляться.[359] Люди, которые переживают этот этап, часто умирают в течение нескольких недель из-за аналогичной потери стволовых клеток костного мозга и, следовательно, неспособности обновлять клетки крови (в том числе клетки иммунной системы). Общее состояние обычных клеток организма может быть, несмотря на повреждения, не таким уж плохим, но нетерпимость стволовых клеток к повреждениям обрекает человека на медленную и мучительную смерть. Так погибли жертвы печально известных событий в Лос-Аламосе, Хиросиме, Нагасаки, Бикини, Кыштыме, Винче, К-19, К-8, К-431 и Чернобыле.

Системы обнаружения повреждений стволовых клеток могут давать сбой, и тогда даже эти клетки могут быть затронуты мутациями. Многие из этих мутаций «молчащие», то есть они не сказываются на поведении клетки, но некоторые могут оказаться серьезными. Мы уже говорили о важности системы WNT-сигнализации в управлении скоростью деления стволовых клеток кишечника и их дочерних клеток и отметили, что у мышей мутации, принудительно запускающие WNT-сигнализацию в этих клетках, приводят к сильному увеличению темпа пролиферации. Кишечные опухоли – третий по распространенности вид рака у людей, и большинство из них связано с активирующими мутациями в системе WNT-сигнализации.[360] К моменту образования агрессивной, распространяющейся опухоли в клетках уже есть и другие мутации, но частота встречаемости мутаций WNT заставляет полагать, что именно они являются основной причиной этого вида рака.

По крайней мере при некоторых видах рака толстой кишки нормальная схема работы стволовых клеток кишечника, которые возобновляют свою популяцию и дают начало пролиферативным дочерним клеткам, сохраняется даже тогда, когда клетки мутировали и образовали опухоль.[361] С этого момента размножение стволовых клеток выходит из-под контроля, и точно так же ведут себя их дочерние клетки. Однако если мутировавшие стволовые клетки могут поддерживать свою популяцию, их дочерние клетки после многократного деления исчерпывают себя и погибают, вытесняемые более поздними дочерними клетками. Аналогичным образом раковые стволовые клетки могут образовать новую опухоль при пересадке другому животному, а другие клетки опухоли не могут.[362] Поскольку нормальное строение стенки кишечника при опухоли нарушено, действия мутировавших стволовых клеток и их дочерних клеток уже не имеют анатомического смысла, но их основная логика сохраняется. Кроме того, стволовые клетки сохраняют «привычку» поддерживать себя в хорошей форме.[363] Раковые опухоли, которые нельзя удалить хирургическим путем, как правило, лечат с помощью химиотерапии, то есть с помощью препаратов, которые токсичны для делящихся клеток. Проблема в том, что стволовые клетки отлично умеют избавляться от этих препаратов и устранять вызванные ими повреждения. Кроме того, хотя стволовые клетки продолжают делиться, они обычно делятся гораздо медленнее, чем дочерние клетки, которые (в норме) должны выйти из крипты. В кишечнике здорового человека стволовые клетки делятся примерно раз в четыре дня, а их дочерние клетки, которые продвигаются по крипте, – примерно раз в двенадцать часов. Таким образом, стволовые клетки в меньшей степени подвержены воздействию препаратов, направленных на делящиеся клетки, а также лучше их выводят. Таким образом, существует реальная опасность того, что лекарства уничтожат всю опухоль кроме самих стволовых клеток, которые, учитывая их уникальную способность образовывать новые опухоли, следовало бы убить в первую очередь. При раке этого типа рецидив опухоли после нескольких лет кажущейся свободы от болезни связан с выживанием небольшого числа стволовых клеток.

Следует подчеркнуть, что, несмотря на убедительные аргументы в пользу того, что определенные опухоли связаны с мутациями стволовых клеток, далеко не все онкобиологи согласны, что эта модель описывает все виды рака или хотя бы их большинство.[364],[365] Этот вопрос необходимо разрешить как можно скорее, так как ответ на него помог бы определить стратегию разработки методов лечения, которые, возможно, должны быть прицельно направлены на стволовые клетки. Учитывая, что у каждой стороны есть веские доводы, может просто оказаться, что в основе одних видов рака лежат раковые стволовые клетки, а в основе других – нет. Тогда первоочередной задачей онколога должно стать выяснение того, какой тип опухоли имеет пациент.

Рак – не единственная болезнь, связанная с аномальным поведением стволовых клеток в тканях. Слишком сильная пролиферация стволовых клеток и их дочерних клеток может вызвать серьезные проблемы в тканях, даже если эти клетки не затронуты раком. Сразу после открытия стволовых клеток почечных канальцев (см. выше) ученые поняли, что главная проблема серьезных заболеваний почек, скорее всего, связана с неправильным поведением стволовых клеток.[366] Основным патологическим признаком серповидного гломерулонефрита является повреждение фильтрующих клубочков на концах канальцев и замена их бесполезной в качестве фильтра массой неспециализированных клеток, расположенных в форме полумесяца. Если такая замена затрагивает много почечных канальцев, это может привести к почечной недостаточности. Судя по экспрессии белков в этих клетках, они являются дочерними клетками стволовых клеток почечных канальцев, которые делились слишком активно и, вместо того чтобы стать клетками клубочков, образовали клеточную массу. Избыточная пролиферация не имеет ничего общего с раком и, вероятно, связана с какой-то первопричиной заболевания, которая заставляет почку сигнализировать клеткам о необходимости делиться, хотя на самом деле такой потребности нет.

Недостаточно активное деление стволовых клеток приводит к коллапсу ткани, которую они обслуживают. При кератопатии, связанной с аниридией, прозрачная роговица глаза заменяется молочно-белой тканью, похожей на шрам. Видимо, это происходит из-за нарушения деления лимбальных стволовых клеток (хотя, возможно, это не единственная причина).[367] В результате развивается слепота. При этом заболевании основная проблема, видимо, связана не с самими стволовыми клетками, а с неправильной средой лимба, нарушающей их нормальное поведение.

Описанные выше нарушения работы стволовых клеток встречаются у относительно немногих людей. Однако одна проблема, связанная с работой стволовых клеток, затрагивает всех без исключения. Замена поврежденных и изношенных клеток нашего тела новыми несовершенна, и в ходе жизни мы постепенно накапливаем повреждения. Иными словами, мы стареем. Существует множество различных теорий того, почему мы стареем (небольшие и просто устроенные организмы этого не делают). Согласно одной из них, дело просто в том, что мы накапливаем случайные повреждения (от излучения, свободных радикалов, ядов и т. п.) быстрее, чем они устраняются или компенсируются за счет деления клеток. Даже если в организме еще много неповрежденных стволовых клеток, постепенная деградация основной массы тканей приводит к трудностям при их ремонте. Поврежденные клетки посылают сумбурные сигналы, межклеточные контакты препятствуют «уборке территории» и т. п. Эти проблемы, поначалу мелкие, накапливаются медленно, но неумолимо, и естественный ремонт перестает справляться с ними. Со временем старение ускоряется. Когда изменения начинают серьезно нарушать работу какой-нибудь из важнейших систем организма, например почек или сердца, вся внутренняя среда становится аномальной, и рано или поздно наступает момент, когда она уже не подлежит восстановлению.

В принципе организм может вкладывать в ремонт больше ресурсов и стареть медленнее. В многочисленных генетических экспериментах были получены организмы, стареющие гораздо медленнее нормальных, хотя и они в конечном итоге все же стареют и умирают. Чтобы понять, почему мы, как и другие организмы, не несем наборы генов, обеспечивающие максимально долгую жизнь, нужно попытаться понять, как работает эволюция.

Рассмотрим начальную популяцию животных, в которой относительный объем ресурсов, вкладываемых в ремонт организма, варьируется от особи к особи: одни вкладывают много и живут долго, другие вкладывают мало и живут энергично, но недолго. Представленность каждой из этих двух категорий животных в следующем поколении будет зависеть от того, сколько потомства каждой категории дожили до зрелости. Потенциально долгоживущие животные могут многократно размножаться, что является несомненным плюсом, но для успешного размножения нужно искать партнеров, пищу и территорию. Их соперники, которые сделали ставку на энергичную и короткую жизнь с небольшими затратами на «ремонт» организма, будут иметь меньше времени на размножение, но если им хватит энергии на то, чтобы более эффективно найти партнеров, пищу и территорию, то, может, они и смогут размножиться. Если бы все было так просто, то долгая жизнь, возможно, была бы наилучшим вариантом для получения наибольшего количества потомства, и долгоживущие животные стали бы доминировать. Однако баланс может быстро измениться под действием хищников и болезней. Если существует высокая вероятность погибнуть в любой момент, то вложения в механизмы ремонта, обеспечивающие долгую жизнь, становятся намного менее выгодными, ведь значительная часть таких вложений может пропасть зря. Нет смысла вкладываться в систему восстановления организма, которая позволяет жить веками, если шансы быть съеденным составляют около 50 % каждый год. В таких условиях альтернативные вложения в быструю жизнь и бурное размножение без заботы о завтрашнем дне дают реальные преимущества.

Теория о том, что риск гибели от хищников обуславливает выбор генных наборов, которые не вкладывают слишком много ресурсов в долгожительство, в определенной мере подтверждается сравнением сходных животных, которые находятся под разным давлением хищников. На мелких летучих мышей, например, мало кто охотится. Они вкладывают много ресурсов в долгосрочное поддержание организма и живут в природе около тридцати лет. На обычных мышей примерно такого же размера охотится множество хищников. Они быстро размножаются, но вкладывают мало ресурсов в поддержание организма. Даже ручные мыши, которых держат как домашних питомцев и оберегают от всех опасностей, живут лишь около трех лет, то есть десятую часть жизни летучей мыши.

Палеонтологическая летопись человека свидетельствует, что наш вид – Homo sapiens – отделился из других гоминид лишь несколько сотен тысяч лет назад в Африке, где было много хищников. Хотя к тому времени наши предки использовали различные орудия в течение нескольких миллионов лет, они, скорее всего, были в той же мере уязвимы для хищников, что и другие гоминиды, – во всяком случае, до внезапного технологического прорыва, случившегося около десяти тысяч лет назад и ознаменовавшего начало неолита. Десять тысяч лет – то есть всего пятьсот поколений – небольшой отрезок времени с точки зрения эволюции, и, вероятно, поэтому мы до сих пор являемся компромиссным вариантом между энергичной короткой жизнью и вложением в долголетие, который сложился у наших предков под воздействием хищничества на африканской равнине. Даже сейчас, когда для тех из нас, кому посчастливилось жить в странах «первого мира», риски умереть от болезней и хищников сведены к минимуму, отбор на долгожительство практически отсутствует. На самом деле тот факт, что даже осиротевший ребенок остается под надежным присмотром, нейтрализует один из немногих эволюционных факторов, увязывающих долголетие родителей с успехом потомства. Поэтому наши естественные системы поддержания организма вряд ли когда-либо позволят нам жить больше ста лет. Если мы хотим обзавестись более эффективными системами ремонта и жить дольше, мы должны сделать что-то сами, применяя на практике знания о нормальном развитии и обновлении организма.

Часть IV

Перспективы

Глава 19

Перспективы

γνϖθι σεαυτόν.[368]

Сократ

В предыдущих главах мы мысленно снова прошли замечательный путь от одной оплодотворенной яйцеклетки к организму взрослого человека, состоящему из десяти триллионов клеток. Многочисленные события и процессы, происходящие во время этого пути, невозможно описать в короткой книге, а кроме того, нам известны, скорее всего, далеко не все. Однако вовсе необязательно знать детали каждого процесса, чтобы понять, как работает эмбриональное развитие в целом. «Искусство науки» заключается в том, чтобы выводить общие истины из ограниченного числа наблюдений. Примеров тому множество. Движение нескольких планет легло в основу законов Кеплера, а затем и закона всемирного тяготения Ньютона, слоистая структура нескольких горных формаций в Шотландии подтолкнула Хаттона к созданию первой современной геологической теории строения Земли, а изучение изменчивости относительно немногих видов привело Дарвина к теории эволюции путем естественного отбора, применимой ко всему живому. Даже на основе ограниченного количества имеющихся данных по эмбриональному развитию человека, малая часть из которых представлена в этой книге, можно составить общее представление о том, как человеческое тело создает себя практически из ничего.

Красной нитью через почти все рассмотренные события проходит межклеточное взаимодействие. На каждом этапе развития «механизмы», построенные из белковых молекул, регистрируют сигналы клеточного окружения – механические (напряжение, свободная поверхность) или биохимические (молекулы, секретируемые клетками других тканей). Эти сигналы в сочетании с внутренним состоянием клетки определяют ее дальнейшие действия. Это тесное взаимодействие совсем не похоже на связи в обычных механизмах. Реле и транзисторы не обращают друг на друга внимания на этапе конструирования, и даже если взаимодействуют в работающей машине, например в компьютере. Тесное взаимодействие между компонентами – это тот аспект живой природы, который разительно отличает ее от неживой. С него и можно начать поиск новой модели эмбрионального развития, которая должна описывать его гораздо лучше, чем уже отвергнутые нами модели.

Обмен межклеточными сигналами, описанный в предыдущих главах, служит двум задачам: увеличению сложности и исправлению ошибок. Биологическую сложность трудно выразить численно,[369] но в случае эмбриона ее можно примерно оценить как число разных типов клеток и анатомических структур (без учета внутриклеточных структур).[370] Тогда эмбрион начинает с низкого уровня сложности (один тип клеток, одна структура) и приходит к высокому уровню (сотни типов клеток, тысячи внутренних структур). Более того, во время самой активной фазы развития число структур возрастает практически экспоненциально (рис. 85).


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 85. На ранних этапах развития мыши число типов тканей экспоненциально увеличивается. На двух графиках показаны одни те же данные. Слева – линейный график с экспоненциальной кривой в качестве примера; справа – логарифмический график, на котором экспоненциальные взаимоотношения выглядят как прямые линии. По мере дальнейшего развития скорость увеличения числа типов ткани выравнивается. Список тканей, использованных при построении графика, приведен в Проекте эдинбургского атласа мышей (Edinburgh Mouse Atlas Project), www.emouseatlas.org (информация по состоянию на 6 июля 2013 г.)


Экспоненциальный рост характерен для систем, в которых уже достигнутый рост придает системе повышенную способность к росту. Классическим примером является численность бактерий в культуре. Одна бактерия растет и делится на две, и каждая из двух теперь может расти и делиться, в результате получаются четыре бактерии, затем восемь, затем шестнадцать и так далее. Приращение численности увеличивается с каждым делением. Сходный эффект наблюдается при экспоненциальном росте сложности: достигнутый уровень сложности повышает способность эмбриона усложняться на следующем этапе. Мы уже видели, как обмен межклеточными сигналами приводит именно к этому. Как только между клетками двух областей эмбриона возникает различие и, соответственно, граница, клетки, находящиеся на границе, могут ее детектировать и использовать как сигнал к дифференцировке в клетки третьего типа. Тогда возникнут две новые границы между клетками разных типов, и на каждой из них может произойти то же самое. Этот процесс схематично изображен для простого ряда клеток в ткани на рис. 86, а реальный пример того, как различия в сигналах от эктодермы и от нотохорда используются для возникновения сложного чередования разных типов клеток в сомитах и нервной трубке, обсуждался в главе 7. В реальной жизни, как и на схеме, различия порождают различия. Используя этот эффект, эмбрион поднимается от скучной однородности до удивительного внутреннего разнообразия – так сказать, вытягивает сам себя за волосы из болота. И по-видимому, как я говорил в главе 3, затравкой для запуска этого сложного процесса служат простые различия физических параметров.

Во-вторых, межклеточное взаимодействие используется для обеспечения правильного соотношения разных типов тканей и исправления неизбежных ошибок, проистекающих из присущего биохимическим реакциям случайного теплового шума. Запрос о более интенсивном росте, который одна ткань посылает другой, например, когда требуется усилить кровоснабжение (глава 9), подстраивание размера клеточной популяции под потребности организма (глава 16), «самоубийство» клеток, оказавшихся не там, где надо (глава 14), контроль над пролиферацией стволовых клеток за счет сигналов от клеток, которым они сами же и дают начало (главы 16 и 18), – вот лишь некоторые примеры удивительной гибкости нашего развития.

Эта гибкость возможна благодаря существованию сигнальных петель. Подчеркну, что речь идет не просто о сигналах, а о петлях обратной связи. Смысл в том, что результат процесса как бы передается в обратном направлении, то есть контролирует сам процесс. Мы уже рассматривали пример такой обратной связи в главе 9: кислород, поступивший в ткань в результате роста капилляров, снижает производство сигнальной молекулы VEGF, которая в противном случае способствовала бы дальнейшему росту капилляров. Благодаря петлям обратной связи межклеточные взаимодействия действительно напоминают разговор: клетки отвечают на сигналы другими сигналами, которые прямо или косвенно достигают цели. Поэтому поведение клеток в высшей степени взаимообусловлено. Это, вероятно, и является ключом к пониманию того, как может происходить биологическое конструирование при отсутствии внешнего «строителя», сверяющегося с планом и графиком работ. Кирпичи не могут почувствовать, на какой стадии находится строительство дома, и внести изменения в кладку в зависимости от того, что почувствовали. А вот клетки могут. В отличие от строителя, который может отойти и окинуть взглядом строящийся дом, они не способны «видеть» весь эмбрион, зато способны почувствовать все, что нужно, чтобы действовать в верном направлении.


Онтогенез. От клетки до человека

Рис. 86. Граница между двумя типами клеток может способствовать дифференцировке на этой границе третьего типа клеток. При этом формируются две новые границы, которые могут способствовать следующим раундам дифференцировок и появлению новых типов клеток. Эта схема показывает общую идею, а не относится к какой-то конкретной области эмбриона. Примеры похожих процессов, протекающих в нервной трубке и сомитах, были приведены выше (глава 7)


Указания на то, что постоянная коммуникация между компонентами системы может устранить необходимость во внешнем строителе или организаторе, встречаются и в повседневной жизни. Инопланетянин, наблюдающий за покупателями на Оксфорд-стрит в Лондоне, за танцующими парами в заполненном зале или за фанатами на концерте под открытым небом, мог бы предположить, что всеми этими людьми управляет невидимый организатор, следящий за тем, чтобы они не сталкивались и не устраивали давку. Мы же знаем, что каждый участник просто руководствуется тем, что видит и слышит, и хотя ни один конкретный человек не может оценить общую картину, толпа самоорганизуется достаточно безопасным и разумным способом.[371] На более высоком уровне это проявляется в основных механизмах возникновения цивилизации, таких как развитие языка, экономические законы, способы распределения пищи и даже методы научных исследований. Они появились в результате взаимодействия очень многих людей, которые не видели глобальной перспективы (это прерогатива внешнего наблюдателя) и действовали на основании весьма ограниченных и сугубо локальных знаний. Тем не менее, несмотря на периодические экономические потрясения, цивилизация организована достаточно устойчиво и в целом не так уж плохо. Более того, те достаточно редкие ситуации, когда кто-либо пытался в одиночку придумать язык или планировать экономику, свидетельствуют о том, что это гораздо менее эффективный способ, чем традиционная самоорганизация многих людей, каждый из которых действует на свой манер. При образовании групп – от семьи до общества в целом – мы активно общаемся, и так же ведут себя термиты, муравьи и пчелы, образующие социальные колонии. Какой бы неточной ни была эта аналогия, она полезна для понимания того, как взаимодействующие клетки могут создавать организованные сообщества, значительно большие, чем они сами.

Удивительной особенностью механизмов развития является их структура, имеющая несколько уровней «вложения»: более поздние механизмы включают в себя более ранние, и эти более ранние механизмы нужны для протекания процессов более мелкого масштаба. Чтобы сформировалась нормально функционирующая сенсорная нервная система, нужно подстроить силу нервных соединений, а это происходит за счет использования положительной обратной связи при обучении (глава 15). Для того чтобы сложились петли положительной обратной связи, нужно, чтобы сначала образовалось очень много нервных соединений, что происходит за счет миграции клеток нервного гребня и их отростков при помощи навигационных подсказок (глава 13). Возможность связать навигацию с движением клеток зависит от самоорганизующихся петель обратной связи на ведущем крае клеток (глава 8), а эти петли, в свою очередь, зависят от простых реакций самосборки белковых единиц в микрофиламенты (глава 1). «Вложенная» структура прослеживается и за пределами уровня отдельного организма, а именно в человеческом обществе, хотя, конечно, не нужно доводить эту аналогию до абсурда. Общественная организация породила принципиально новые возможности, такие как передача приобретенных знаний из поколения в поколение, которые не имеют явных аналогов в организме, а организмы имеют свои особенности, которых нет в большинстве человеческих сообществ, например обновление за счет клеток зародышевой линии (хотя в колониях некоторых муравьев и пчел размножение является уделом определенных особей, которые, по сути, служат «зародышевой линией» колонии).

Как соотносится только что изложенная теория развития человека на основе клеточной коммуникации с превалирующим подходом, ставящим во главу угла гены? Если вспомнить, что белковые «машины», лежащие в основе коммуникативной модели развития, построены в соответствии с генетической информацией, станет понятно, что они не противоречат друг другу (глава 1). Белки регулируют экспрессию генов, а гены определяют синтез белков. Если корректно сформулировать эти две точки зрения на развитие, они никоим образом не войдут в конфликт. Это две стороны одной медали. Тем не менее на практике конфликт иногда возникает, и связано это с небрежной формулировкой геноцентрической точки зрения. Я думаю, что причина кроется в непонимании научного жаргона, покинувшего стены лабораторий и породившего путаницу даже среди студентов-биологов, не говоря уже о широкой публике. Это должно послужить предостережением всем ученым: нужно аккуратнее обращаться с терминологией, даже когда кажется, что «это и так всем понятно». В данном случае фраза «ген такого-то признака» породила представление, что конкретные гены напрямую определяют конкретные признаки организма на самом высоком уровне организации, например длину носа, силу рук или IQ.

Классическая генетика прежде всего занимается изучением корреляций, в частности корреляций между мутацией гена и ее заметным воздействием на организм. В контексте развития открытие какой-то корреляции означает, что ген можно описать как «ген, определенная мутация которого приводит к неправильному формированию такой-то структуры тела». Ни один нормальный докладчик не станет по сто раз повторять эту фразу во время пятиминутного выступления, и она быстро превращается в выражение «ген такой-то структуры тела». Когда гену наконец присваивается название, оно нередко сохраняет след былого обозначения: например, wingless («бескрылый»), thick vein («толстая жилка») или small eye («маленький глаз»). Пока все помнят, что стоит за тем или иным названием, никакой проблемы нет. Однако если смысл забылся, то, услышав такую фразу, можно подумать, что функция гена заключается в создании определенной части тела или даже что между этим геном и развитием данной части тела есть жесткое соответствие. Это очень распространенное заблуждение. Вся проблема в направленном характере причинности, которую прекрасно иллюстрирует известный детский стишок (возможно, основанный на событиях, стоивших жизни английскому королю Ричарду III):

Не было гвоздя – подкова пропала,

Не было подковы – лошадь захромала,

Лошадь захромала – командир убит,

Конница разбита, армия бежит.

Враг вступает в город, пленных не щадя,

Потому что в кузнице не было гвоздя (пер. С. Маршака).

В стишке устанавливается четкая причинная связь между отсутствием конкретного предмета и драматической развязкой. Однако никакому здравомыслящему человеку не придет в голову рассматривать гвоздь как причину победы в Войне роз. Функция гвоздя – закреплять подкову лошади, и учитель, который станет говорит о «гвозде правления Тюдоров», привьет ученикам весьма неортодоксальное понимание истории. Считать, что функция немутантной формы гена wingless плодовой мушки – это создание крыльев, означает впасть в ошибку того же рода. Функция этого гена вовсе не в этом, а в том, чтобы производить сигнальный белок (мушиный эквивалент знакомых нам человеческих белков WNT). У плодовой мушки этот сигнальный белок выполняет несколько функций, одна из которых важна для образования крыльев. При определенных мутациях этого гена крылья отсутствуют, но в остальном плодовая мушка развивается нормально. Отсутствие крыльев и позволило впервые обнаружить этот ген.

Может показаться, что различие несущественно, а недовольство по поводу того, что некоторые буквально воспринимают сочетание «ген такой-то структуры тела», – не более чем академическое занудство. Однако я считаю, что правильное понимание здесь очень важно. Проблема с выражением «ген такой-то структуры тела» в том, что оно наводит на мысль о жестком плане, а не о гибкой системе «вложенных» механизмов, организующих тело за счет интеграции собственных сигналов и сигналов окружающей среды. Так создается впечатление предопределенности, а оно не соответствует действительности. Цепкость этого заблуждения хорошо видна по яростной полемике о сравнительной роли генов и окружающей среды при развитии человека, иначе говоря, о роли «природы» и «воспитания». Уже в 1909 г. биологи Вильгельм Йоханнсен[372] и Ричард Вольтерек[373] независимо друг от друга опубликовали два четких подтверждения того, что развитие животных определяется не только генетикой, но и взаимодействием генетических механизмов с окружающей средой. В дальнейшем то же самое было показано во многих других исследованиях на огромном количестве видов, включая людей. Тем не менее буквальная интерпретация таких чисто технических обозначений, как «ген такой-то структуры тела», породила в умах некоторых психологов, социологов, педагогов и политиков, а также общественности ложную дихотомию «природы» и «воспитания». Когда политики и врачи закладывают неверно интерпретированные научные результаты в основу разработки образовательных программ, программ охраны психического здоровья и уголовного кодекса, становится понятно, что «академическим занудством» этот вопрос никак не назовешь.

Данные по аномалиям развития и их причинам (как генетических, так и связанных с окружающей средой) были и остаются исключительно важными для понимания нормального развития, только их нужно правильно использовать. Название тератологии – науки об аномальном развитии – происходит от древнегреческого слова, означающего «монстр» или «диво», хотя, когда речь идет об отклонениях в развитии человеческого тела, большинство людей предпочитают использовать нейтральную терминологию. Тератология вносит огромный вклад в биологию развития, который можно условно разделить на две основные части. Во-первых, тератология позволяет ассоциировать конкретный ген или биохимический путь с определенным событием при развитии. Например, инактивирующая мутация в обеих копиях гена, кодирующего сигнальную молекулу GDNF, приво