Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем - Льюис Уолперт

В процессе развития эмбриона в активированном состоянии находятся несколько тысяч генов, которые осуществляют контроль над его развитием. Существует также множество генов, функция которых заключается в поддержании обычной жизнедеятельности клеток. Эти гены, не имеющие отношения к генетической программе развития эмбриона, присутствуют в большинстве клеток.

Все клетки, из которых состою я и из которых состоите вы, ведут начало от тех клеток, которые формируются из слоя внутренней поверхности оплодотворенной яйцеклетки. Строительство человеческого тела из этого набора клеток является чрезвычайно сложной задачей. Для этого необходимо задействовать не только механизм образования структур тела, чтобы клетки знали, что им следует делать в различных местах в разное время, но и обеспечить возможность изменения форм клеток и их свободное перемещение.

Из клеток внутренней поверхности оплодотворенной яйцеклетки происходят три клеточных слоя, из которых состоит наше тело: эктодерма, мезодерма и эндодерма. Эктодерма — это внешний тканевый слой, в нее входят кожа и нервная система. Находящаяся под ней мезодерма включает в себя мускулы, скелет, сердце, кровь и почки. Третьим, самым глубинным тканевым слоем является эндодерма, из нее состоят кишки, печень и легкие. В процессе формирования клеточных слоев эктодерма, мезодерма и эндодерма должны расположиться в правильном порядке. Этот процесс называется гаструляцией.

Особенность животных в том, что клетки, которым предстоит сформировать их кишечник и мускулы, скелет и сердце, изначально находятся на внешней стороне эмбриона и им необходимо передвинуться во время гаструляции. Определение будущих функций этих клеток на ранней стадии позволяет сформировать основные оси развития эмбриона — в частности, выявить, где будет находиться его голова, а где хвост. При этом определяется расположение трех клеточных слоев, из которых будет состоять тело, в результате чего клетки мезодермы и эндодермы направляются внутрь эмбриона, чтобы занять назначенное положение. Меня знают как автора высказывания «Самым важным моментом вашей жизни является не рождение, свадьбы и смерть, а гаструляция». В нем действительно содержится изрядная доля истины.

Гаструляция в ходе развития человеческого эмбриона крайне сложна и трудно поддается описанию. Однако основные стороны этого процесса можно наглядно проиллюстрировать на примере гаструляции эмбриона морского ежа, яйцеклетки и эмбрионы которого являются превосходными объектами для наблюдения за поведением клеток, поскольку они, во-первых, легкодоступны и, во-вторых, прозрачны. Достаточно просто извлечь из особей морского ежа женского пола во время брачного периода яйцеклетки и поместить в пробирку. Затем в пробирку следует ввести каплю спермы морского ежа мужского пола, дабы произвести оплодотворение. Через час каждая яйцеклетка начнет делиться, причем процесс повторится на протяжении следующих десяти часов примерно десять раз, в результате чего из оплодотворенной яйцеклетки образуется полая сфера толщиной всего в одну клетку.

После этого яйцеклетка проходит период гаструляции и образует личинку. Первой стадией гаструляции эмбрионов морских ежей является движение примерно шестидесяти клеток, находящихся в той области, где будет сформирован кишечник эмбриона, в пустую внутреннюю полость оплодотворенной яйцеклетки. Эти клетки порождают мезодерму, мускулы эмбриона и те клетки, из которых будет сформирован скелет. Они направляются в нужное место, выбрасывая длинные пальцеобразные усики-филоподии, которые сокращаются и за счет этого двигают клетку вперед. Когда в пределах досягаемости филоподий появляется другая клетка, с нею устанавливается прочная связь.

Затем образуется кишечник морского ежа — за счет того, что клетки свертываются, образуя подобие трубочки, которая протягивается через все полое внутреннее пространство оплодотворенной яйцеклетки, пока не вступит в соприкосновение с клетками на противоположной стороне. Это похоже на то, как если бы у вас в руках был воздушный шарик и вы давили бы на одну его сторону пальцем до тех пор, пока не коснулись бы им противоположной стороны шарика.

После этого клетки, находящиеся на конце кишечника, выбрасывают филоподии, которые вытягивают кишки — также к противоположной стороне яйцеклетки. Здесь они сращиваются со встреченными клетками и образуют ротовую полость. Этот процесс представляет собой удивительное зрелище — он заснят, и его можно наблюдать. Он демонстрирует, что все изменения форм эмбриона объясняются довольно простыми растяжениями и сокращениями клеток. Подобные процессы происходят и во время гаструляции человеческого эмбриона, только проявляются они в более сложном виде. Разумеется, все это происходит, потому что в нужное время и в нужном месте синтезируются определенные белки, а это становится возможным благодаря активации и деактивации соответствующих генов.

Первый явный признак гаструляции в человеческих эмбрионах — формирование плотного слоя клеток, который разрастается и формирует желоб, соответствующий основной оси нашего тела. На конце этого слоя находится область, организующая рост и движение, которая называется наростом. По мере продвижения нароста к противоположному концу яйцеклетки образуется новый слой клеток. Клетки, находящиеся по разные стороны от этого слоя, перемещаются под него и формируют эндодерму и мезодерму. Когда эти перемещения заканчиваются, новообразованный плотный слой начинает сдвигаться в направлении заднего конца эмбриона. Теперь на его кончике находится будущая голова эмбриона.

При этом поверхностный слой клеток, эктодерма, начинает разворачиваться в районе срединной линии, образуя трубку, из которой впоследствии будут сформированы спинной мозг и головной мозг. Находящаяся под ней и возвращающаяся назад мезодерма оставляет за собой пары небольших комочков ткани, по одному на каждой стороне, которые известны под названием сомитов; впоследствии сомиты сформируют позвоночный столб, мускулы спины и конечностей. Таким образом становится очевидна основная структура эмбриона; конечности же его разовьются позже из отростков, которые вырастут из тела.

Но если теперь можно определить, где находится голова и где будут находиться ноги эмбриона, то по-прежнему остается не ясно, где будут правая и левая его стороны. Несколько органов нашего тела являются симметричными, как, например, конечности, однако сердце располагается слева, у печени имеется только левая доля, слева располагаются желудок и селезенка.

Во время развития эмбриона левую сторону от правой отличают реснички. Благодаря им активируется особый ген, который в свою очередь активирует гены левой стороны тела. У одного из десяти тысяч человек обычная асимметрия правой и левой стороны нарушена. Такие люди во всем остальном являются совершенно нормальными; правда, некоторые, очень немногие, могут испытывать проблемы с дыханием.

Все это развитие происходит за счет деятельности клеток, которая контролируется генами и теми белками, которые закодированы в них. Важно понимать, что гены не содержат в себе готовый чертеж того взрослого человека, в которого должен превратиться эмбрион. Скорее, содержащиеся в тканях эмбриона гены обеспечивают основу для выполнения программы развития новорожденного человеческого существа, в которой каждая предыдущая фаза обусловливает последующую.

Хорошей аналогией в этом смысле является оригами — искусство создания фигурок из бумаги. Довольно легко, например, последовательно сгибая листок бумаги, превратить его в сложную фигурку птицы, однако эта фигурка не появляется сама собой из складок бумаги, ведь каждое складывание листка оказывает сложное воздействие на то, каким будет эффект от последующих складок. То же самое происходит и с действием генов — каждая фаза развития эмбриона определяется тем, как была выполнена ей предшествующая.

Развитие эмбриона, подобно созданию оригами, зависит от реализации наследственной программы. Важно отметить, что развитие эмбриона определяется в первую очередь поведением отдельных клеток, а не сложностью взаимодействия, происходящего между клетками. Сигналы, которыми обмениваются клетки между собой, не приводят к передаче сложной информации, а прежде всего определяют выбор того состояния клетки, в которое клетка может войти в конкретный момент. Таким образом, в развитии эмбриона по-настоящему определяющим фактором является именно внутреннее состояние клетки.

Связь, которая осуществляется между различными клетками в развивающемся эмбрионе, позволяет активировать нужные гены в нужное время, чтобы белки могли выполнять свою работу. Подобно инструкциям по составлению оригами, которые предписывают, когда и как следует сгибать бумагу, гены активируются тогда и в тех местах, когда там необходимо синтезировать определенные виды белков. Сигнал, который получает при этом клетка, редко проникает внутрь нее. Почти всегда этот сигнал, являющийся в форме некоего вещества, воздействует на внешнюю оболочку клетки и вызывает ряд цепных реакций внутри клетки, которые приводят к активации либо деактивации определенных генов. Это немного напоминает то, как если бы вы нажимали определенные кнопки на музыкальном автомате, чтобы заставить его играть нужные вам мелодии. Таким образом, развитие эмбриона проистекает в результате последовательных реакций внутри клетки, которые вызываются сигналами, поступающими извне.