Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир - Партасарати Рагувир

В примерах построения структурных паттернов, которые мы рассматривали в этой главе, нам не приходилось думать о клетках. Мы можем представлять себе поля морфогенов и пласты тканей без учета отдельных единиц, которые реагируют на них или из которых они состоят. В случае с ранним эмбрионом мушки это даже нельзя считать упрощением: эллипсовидный зародыш состоит не из отдельных клеток, а из множества ядер, плавающих в общем цитоплазматическом море. Позже формируются мембраны, которые отделяют ядра друг от друга и ограничивают клетки. В эмбрионах позвоночных, включая человека, отдельные клетки есть с самого начала. В любом случае стоит клеткам возникнуть, как у них появляются дополнительные инструменты для структурирования.

Клетки могут передавать и получать сигналы, контактируя с другими клетками. Мы уже видели, как сигналами обмениваются иммунные клетки: мембранные белки преодолевают зазор между клетками, чтобы узнавать партнеров и запускать специфические реакции. Межклеточные контакты крайне важны и в онтогенезе, особенно в мелкомасштабном структурировании. Представьте слой клеток, каждая из которых может экспрессировать гены А и B. Эти гены могут служить факторами определения типа клеток – A или B. Допустим, любая клетка, вступающая в контакт с клеткой A, получает инструкцию не экспрессировать ген A; в итоге она экспрессирует ген B и становится клеткой типа B. Любая клетка, не вступающая в контакт с клеткой A, экспрессирует ген A и становится клеткой типа A. При таких правилах можно ожидать, что сложится показанная на рисунке мозаика, напоминающая пчелиные соты, где каждую из клеток А (они темные) окружает кольцо из B-соседок (они светлые).

Такой способ построения паттернов вполне типичен. Так, например, вы слышите благодаря тысячам волосковых клеток в вашем внутреннем ухе; они обязаны своим названием пучкам нитей, торчащим из их мембран и напоминающим крошечные ирокезы. Каждая волосковая клетка окружена когортой вспомогательных клеток, расстановка которых определяется как раз по описанной схеме, называемой латеральным торможением¹².

Латеральное (боковое) торможение определяет расположение клеток в фасеточных глазах насекомых, особенности гладкомышечных клеток в стенках артерий, формирование гормон-секретирующих клеток в поджелудочной железе и многое другое. Существование этого механизма предсказали еще в 1970-х, но наглядно продемонстрировали его работу в развивающемся животном лишь в следующем десятилетии. В середине 1980-х Кори Гудман и Крис Доу (теперь он работает вместе со мной в Орегонском университете) провели серию хитроумных экспериментов, в которых разрушали лазером особые клетки дрозофил, чтобы их соседки, не подавляемые более окружением, получили возможность экспрессировать гены, превращающие их в нейроны¹³.

Как клетка может управлять судьбой своих соседей? У множества разных клеточных пар во множестве разных организмов ключевой молекулой выступает белок Notch, пронизывающий поверхностную мембрану производящих его клеток. Его наружный сегмент может прикрепляться к мишеням вроде Delta, другого трансмембранного белка, выходящего из соседней клетки. Межклеточное рукопожатие этих двух белков подталкивает Notch изменить форму так, чтобы у него обнажился обычно скрытый участок, который распознают белки, разрезающие аминокислотные цепочки. (Наверное, страшно представить, что по клетке бродят вооруженные топорами белки, готовые разрубить своих товарищей надвое, стоит лишь их спровоцировать, но спровоцированное разрушение встречается в биологии сплошь и рядом.) Notch сначала разрезается над местом его выхода на поверхность, в результате чего высвобождается крупный внешний домен белка, который диффундирует и участвует в других событиях. Второй разрез внутри мембраны отделяет внутренний домен Notch от мембранного якоря. Этот фрагмент перемещается в ядро, где взаимодействует с другими белками, меняя характер их связывания с ДНК, – иными словами, он корректирует активность ряда факторов транскрипции и тем самым регулирует экспрессию генов. Внутриклеточный домен Notch в числе прочих эффектов подавляет экспрессию гена delta, чтобы клетка, контактирующая с белком Delta, не была клеткой, производящей его же, то есть экспрессирующей ген delta. Следовательно, в нашей A-B-схеме delta выступает в роли гена A.

Итак, Notch и Delta в паре координируют латеральное торможение. Notch, однако, может взаимодействовать и с другими белковыми партнерами, сидящими на других клетках, запуская другие сценарии разрезаний и генетической регуляции¹⁴. Некоторые из них могут подталкивать контактирующую клетку, наоборот, к выбору судьбы клетки A, тем самым распространяя этот тип по ткани. Помимо Notch и Delta в зонах межклеточных контактов встречается множество белков, участвующих в образовании тканевых паттернов, и их параметры связывания и функции отклика генов сильно разнятся. Подобно тому как в мозаике замысловатая картина постепенно складывается из маленьких соседних фрагментов, контактные сигналы могут организовывать сложные и устойчивые структуры по простым локальным правилам. И снова мы видим самосборку в действии, поскольку инструкции по более масштабной, межклеточной организации содержатся в самих клетках.

Группы клеток могут организовываться не только в пространстве, но и во времени. Более того, с помощью временны́х сигналов они могут создавать пространственные паттерны – рисовать трехмерные орнаменты, образно говоря. Рассмотрим пример, в котором хронометрирование обеспечивает повторяемость формы. Полоски на шкуре тигра, ноги многоножки и позвонки вашего позвоночника – все они демонстрируют регулярную повторяемость черт и следуют друг за другом, не идентичные, но сильно схожие. Возьмем позвоночник. Внешне его упорядоченная костная структура напоминает полосы в эмбрионе дрозофилы, поэтому можно ожидать, что развивается она тоже под действием перекрывающихся градиентов морфогенов. Однако на ранних стадиях формирования мушки размер животного не меняется, пока гены строят схемы взаимодействий. Позвоночник же развивается из сегментов, которые появляются в ходе вашего стремительного роста, и это характерно для всех позвоночных. Человеческий эмбрион начинает удлиняться примерно с третьей недели после зачатия. Развивающееся тело – это не гладкая трубка: оно содержит равновеликие образования, называемые сомитами, которые попарно повторяются вдоль его передне-задней оси.

У человека формируется 42–44 пары сомитов (но некоторые из них исчезают в процессе дальнейшего развития), у рыбы данио-рерио – 30–32, у мыши – около 65, у некоторых змей – более 400¹⁵. Эмбрионы позвоночных достигают устойчивой регулярности в расположении десятков и сотен сомитов благодаря прекрасной способности к хронометрированию.

В главе 4 мы говорили, что клетки способны создавать осцилляторы и часы на основе генетических схем, поскольку гены экспрессируются ритмически. Эмбрионы часто пользуются такими часами. Первые несколько делений после оплодотворения, как правило, синхронизированы: обе клетки в двухклеточном эмбрионе делятся одновременно, и клеток становится четыре, затем они делятся все вместе, и клеток становится восемь – и так продолжается еще какое-то время, пока клеточное разнообразие не разваливает координацию.

У клеток удлиняющегося эмбриона, формирующих сомиты, тоже есть часы. В изолированных клетках происходят регулярные подъемы и спады экспрессии генов, и у клеток в составе ткани эти колебания синхронизированы. Как же эмбрион превращает такие временны́е ритмы в пространственные паттерны? В 1976 году Джонатан Кук и Эрик Кристофер Зиман описали изящную биофизическую стратегию¹⁶, и последующие эксперименты, особенно группы Оливье Пуркье из Института медицинских исследований Стоуэрса в Канзас-Сити, показали, что именно ее человек в числе прочих позвоночных использует для формирования сомитов: это привязывание генетических часов к градиенту морфогена.