Ученые из Университета Сан-Диего, применив новейший молекулярно-биологический метод, показали, что на стадиях четырех и даже двух клеток уже существует разница между клетками мышиного эмбриона. Этот факт несколько противоречит сложившемуся на сегодняшний день в науке консенсусу: до сих пор считалось, что разница появляется на стадии восьми или даже шестнадцати клеток.
В организме взрослого человека (или мыши) очень много клеток разных типов, совсем не похожих друг на друга. Они не могут друг друга заменить, у каждого типа клеток свои функции. Такие клетки называются полностью дифференцированными. За последние годы, однако, был разработан (и уже проходит первые клинические испытания) метод, позволяющий превращать клетки одного типа в клетки другого типа. Для этого надо обратить дифференцировку клеток вспять, превратив их в эмбриональные стволовые клетки. Эти эмбриональные стволовые клетки – это и есть клетки, из которых состоит зародыш на самых ранних этапах своего развития.
Но если эмбриональные стволовые клетки все одинаковые, каждая из них может под действием химических сигналов превратиться в клетку любого типа, то в какой момент определяется их судьба? В какой момент и за счет чего между ними появляются различия?
В яйцеклетках некоторых видов содержится большое количество неравномерно распределенного желтка – питательных веществ, за счет которых зародыш продержится первое время. В этом случае у клеток, находящихся на одном полюсе зародыша, в которые при дроблении попал желток, и клеток с другого полюса, без желтка, принципиально разная судьба. В классических экспериментах Свена Герстадиуса (Sven Hörstadius) оплодотворенная яйцеклетка морского ежа разделялась на две половины так, чтобы желток оставался в одной из дочерних клеток, или перпендикулярно: так, чтобы желток разделялся по дочерним клеткам поровну. Оказалось, что, когда желток разделялся поровну между дочерними клетками, из обеих клеток получалось по маленькому, но совершенно нормальному морскому ежику. Зато при неравномерном распределении желтка из каждой дочерней клетки получалась только половина ежа, да и то ненормальная.
Не у всех видов существует такая асимметрия желтка. У млекопитающих ее нет. Фактически, первое решение, которое принимает клетка эмбриона млекопитающих – это стать ли ей клеткой внутренней клеточной массы (из которой получится сам зародыш и некоторые внезародышевые органы) или стать клеткой трофобласта – вспомогательной структуры, ответственной за имплантацию зародыша и формирующей часть хориона (зародышевой оболочки).
Не вполне понятно, когда именно клетки выбирают свою судьбу, и могут ли они передумать. Время от времени у млекопитающих рождаются однояйцевые близнецы с идентичным генотипом. Для этого нужно, чтобы из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом, развилось два организма. Примерно две трети однояйцевых близнецов обладают общим хорионом, а у трети – хорион свой у каждого. Это значит, что разделение клеток происходит до разделения на трофобласт и внутреннюю клеточную массу, вероятно, на стадии двух клеток. Есть эксперименты, показывающие, что изоляция даже одной клетки из восьмиклеточного мышиного эмбриона приводит к развитию из этой единственной клетки полноценной мыши. Эти знания противоречат идее о том, что глобальные различия между клетками появляются на стадии двух или четырех клеток.
Противоречия, однако, могут быть устранены, если представить себе, что в случае разделения клеток возникшие различия могут быть обратимы. Другое возможное объяснение заключается в том, что предрасположенность не определяет судьбу однозначно. Когда говорят, например, о предрасположенности человека к болезни, имеют ввиду, что он заболеет с большей вероятностью, чем средний человек, а не то, что он заболеет наверняка или даже с большой вероятностью.
Как же сравнивали между собой клетки эмбриона авторы статьи? Они воспользовались последним словом молекулярно-биологической техники и смогли прочитать последовательности матричных РНК для каждой из клеток.
В ядре клетки есть ДНК, в ней закодированы последовательности всех генов и кое-что еще. Каждому гену соответствует белок (иногда несколько форм). Посредником между ДНК и белками работает матричная РНК. В ядре информация с ДНК переписывается на РНК, РНК мигрирует из ядра в цитоплазму и там рибосомы, считывая информацию с РНК, синтезируют белки. Поведение и судьба клетки определяются в первую очередь присутствующими в ней белками. Белки в среднем живут недолго, все время происходит круговорот: старые белки утилизируются и разбираются до аминокислот, а из этих аминокислот синтезируются новые. Матричные РНК тоже живут не слишком долго, стабильна только ДНК в ядре, если в ней возникают поломки, клетка погибает или, того хуже, превращается в раковую.
Поскольку белки живут недолго, получается, что количество белка легко измерить, измерив количество соответствующей РНК. Измерять РНК гораздо проще. И РНК, и белки – полимеры, но для белков существует 20 вариантов аминокислот-мономеров, а для РНК – только четыре. Кроме того, между мономерами РНК (и ДНК) возможно уотсон-криковское взаимодействие на основе комплементарности, и в природе есть специальные ферменты, которые умеют синтезировать молекулы нуклеиновых кислот, комплементарные имеющимся.
Такие ферменты, например, есть у вирусов. У некоторых вирусов геном представляет собой молекулу РНК. Когда вирус заражает эукариотическую клетку, ему нужно преобразовать свой геном в ДНК, чтобы встроить его в геном хозяина. Тут в дело вступает фермент – обратная транскриптаза. Именно у вирусов ученые позаимствовали этот фермент, и используют его для переноса информации с РНК на ДНК, чтобы потом ДНК можно было размножить в ходе полимеразной цепной реакции (это удобнее, потому что ДНК стабильнее РНК) и, в конце концов, прочитать, что в ней записано. Все эти методики непрерывно совершенствовались и, наконец, доэволюционировали до возможности прочитать мРНК из единственной клетки. Этим и воспользовались авторы работы.
Авторы исследовали десять эмбрионов на стадии двух клеток и пять на стадии четырех. Оказалось, что несколько дюжин генов по-разному активны в клетках одного и того же эмбриона, и это различие было сильнее, чем между разными эмбрионами. Одним из них, с наиболее выраженной разницей, оказался белок GADD45α. Разница в его активности подтвердилась и при измерении на непосредственно белковом уровне. Этот белок связан с контролем клеточного роста и деления в стрессовых условиях. Разница на уровне мРНК обнаружилась также и для ряда генов, непосредственно связанных с дифференцировкой клеток.
При этом не надо забывать, что любая клетка на стадии двух или четырех клеточных зародышей может дать начало хоть отдельному эмбриону. Речь идет о предрасположенности и о возникновении самых ранних различий, которые могут запускать другие процессы, которые через некоторое время запустят еще процессы, и только тогда судьба клетки будет полностью определена.
