Онтогенез. От клетки до человека Дейвис Джейми

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.

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]

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.

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.

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).

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».

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.

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 61-интегрин связывается с поверхностным белком ламинином, а аналогичный комплекс 51-интегрин связывается с другим поверхностным белком – фибронектином. Разные типы клеток несут специфические комбинации адгезионных комплексов. Клетки с адгезионным комплексом 61-интегрином будут «считать» ламинин поверхностью с сильной адгезией, а клетки с 51-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.

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 большего 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).

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]

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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] (Hif1). При нормальных концентрациях кислорода Hif1 быстро переходит в состояние, в котором он сразу разрушается клеточной системой переработки белка.[162],[163] При недостатке кислорода Hif1 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 Hif1, 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, Hif1 в них тут же разрушается. Когда концентрация Hif1 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 синтза 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.

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).

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).

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.

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.

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.

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]

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]

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.

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]

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.

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).

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]

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).

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