В самом начале развития мы представляем собой одну-единственную клетку — зиготу. Она возникает при слиянии двух других клеток: мужской и женской гамет. Зигота делится, и её прямые потомки-клетки некоторое время после деления выглядят одинаково. Но потом из них получаются совершенно разные органы: мозг, сердце, кости. Как клетки понимают, кем стать и куда расти?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(32). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

В те времена, когда о ДНК и других биологических молекулах фактически ничего не знали, процессы, лежащие в основе превращения зиготы в многоклеточный эмбрион с различными (или, как ещё говорят, дифференцированными) тканями и органами, были для учёных неразрешимой загадкой. Поэтому объяснения того, как происходит индивидуальное развитие организма до его рождения или вылупления, могли быть самыми фантастическими.

Соблазнительно было думать, что зародыш всё «знает» сам, с самого начала. Такое объяснение не требовало ни химических, ни физических данных, да и биологических тоже. К примеру, бытовало мнение, что в одной из клеток, сливающихся с образованием зиготы, находится план взрослого организма. Натуралист и изобретатель Антони ван Левенгук, впервые увидевший под микроскопом мужские половые клетки — сперматозоиды,— решил, что план находится именно в них. Тех, кто поддерживал его точку зрения, называли анималькулистами. Но были и те, кто помещал план строения человека в яйцеклетку,— овисты.

Овисты помещали план строения человека в яйцеклетку

Но не столь важно, в чьей гамете, по мнению учёных прошлого, находился миниатюрный человечек — гомункул. Важно, что эта концепция неверна. Смотрите: если в каждой мужской половой клетке (сперматозоиде) уже содержится будущий человек, то у него тоже есть сперматозоиды, только ещё более мелкие. И так далее. А если зародыш женского пола, как он передаст потомкам информацию об их будущем облике? Ну и потом, даже с развитием технологий микроскопии никакого гомункула внутри сперматозоидов не увидели. Так что предположение о его существовании провалилось не только на уровне теории, но и при столкновении с практическими данными.

Несмотря на явные нестыковки, представление о том, что судьба каждой клетки зародыша предопределена, а развитие эмбриона в целом детерминировано, было популярно долгое время, особенно в XVII–XVIII веках. Оно называлось преформизм, а его сторонники — преформистами.

Миниатюрный будущий организм в представлении анималькулистов

Научное обоснование преформизма звучало так. Многие яйцеклетки содержат солидный запас питательных веществ — желток. Содержимое желтка может быть неоднородным. Мужская половая клетка, по крайней мере у животных, не участвует в формировании этого запаса, а значит, не меняет состав желтка и расположение в нём веществ. После оплодотворения зигота дробится — делится на клетки, но не растёт. Таким образом, каждой клетке, образующейся в ходе дробления (теперь их называют бластомерами), достаётся часть желтка, немного отличающаяся по составу от того, что получили её соседки. Поэтому и свойства потомков различных бластомеров различаются. Одни способны дать начало наружному слою клеток зародыша, эктодерме, другие — внутреннему, энтодерме, третьи — среднему, мезодерме. Когда дробление заканчивается, клетки начинают расти, но ни в одной из них уже нет всех тех компонентов, что были в целом желтке. Поэтому их свойства уже никогда не станут одинаковыми. Звучит неплохо, по крайней мере разумнее, чем история с гомункулами.

 Результат эксперимента по разделению двух бластомеров, образовавшихся при первом делении зиготы тритона

Но есть как минимум одна загвоздка. Эксперименты с зародышами амфибий показали, что, если специальной ниткой аккуратно отделить один бластомер от другого на той стадии развития, когда их всего два (то есть после первого деления зиготы), из каждого вырастают вполне себе нормальные животные. Это верно и для людей, только в нашем случае никто специально клетки не разделял. Иногда они расцепляются сами, и получаются идентичные близнецы. Их ещё называют однояйцевыми — именно потому, что они появились из одной и той же яйцеклетки. Если бы первые два бластомера уже отличались друг от друга по свойствам, ни нормальных амфибий в упомянутых опытах, ни однояйцевых близнецов у человека быть бы не могло.

А теперь вспомним, что даже после усовершенствования микроскопов гомункулов в яйцеклетках и сперматозоидах не нашли. Зато работавший в России эмбриолог Каспар Фридрих Вольф в конце 1750‑х годов своими глазами наблюдал, как из неструктурированного студня разбитого и помещённого на покровное стекло куриного яйца формируются пластинки, трубки и даже целые органы будущего цыплёнка. Он предположил, что зародышевые структуры постепенно «разворачиваются» и усложняются в изначально простой по составу массе под действием некой движущей жизненной силы. Подобную систему взглядов назвали эпигенезом.

В рамках эпигенеза получалось, что воздействие одних веществ (и, увы, загадочных «сил», существование которых не подтвердилось) на другие в развивающемся эмбрионе влияет на судьбу его частей, то есть она не предопределена раз и навсегда. Это означало, что развитием зародыша в теории можно управлять и получать из зиготы практически всё что угодно.

На самом деле и преформисты, и приверженцы концепции эпигенеза правы и неправы одновременно. Развитием организма в оплодотворённой яйцеклетке управляет и изначально заложенная информация (то есть гены), и факторы внешней среды, и вещества, выделяемые клетками в пространство между ними.

Чтобы управлять объектом, нужно, чтобы он воспринимал и понимал обращённые к нему команды. Например, бессмысленно показывать кроту табличку «Вход воспрещён». Мало того что животное не умеет читать, так у него ещё и нет глаз, чтобы увидеть табличку.

Конечно, у отдельных клеток нет органов чувств и мозга, способного обрабатывать информацию и посылать мышцам сигнал совершить некое действие. Но мини-аналоги таких структур в клетках всё же имеются. Это рецепторы и сигнальные молекулы. Они управляют работой ферментов — веществ, ускоряющих биохимические реакции.

Благодаря особым белковым молекулам на мембране, рецепторам, клетки воспринимают сигналы из окружающей среды. Разные клетки, в зависимости от выполняемых функций, имеют характерный набор рецептов. Внешние химические посредники-молекулы, связываясь с ними, влияют на протекание химических реакций внутри клетки.

Как правило, рецепторы — это белки, встроенные в мембрану клетки. Концы рецептора выступают за пределы мембраны: один внутрь клетки, другой наружу. Наружные концы, находясь в межклеточном пространстве, способны взаимодействовать с молекулами сигнальных веществ (медиаторов), образовывая с ними химические связи. Чаще всего эти связи слишком слабы, чтобы комплекс рецептора с медиатором существовал долго. Но их хватает, чтобы временно изменить форму молекулы рецептора (ещё говорят — его конформацию). Тот его конец, что внутри клетки, тоже не остаётся нетронутым. Изменение его формы приводит к запуску (или, наоборот, торможению) некоторых биохимических процессов внутри клетки. Это влияет на активность её генов, а следовательно, на количество кодируемых ими белков. От них во многом зависит, что за функции выполняет клетка.

Зародыш курицы в конце четвёртого дня развития. В центре виден сам эмбрион. Во все стороны от него отходят кровеносные сосуды, получающие питание из остатков желтка. Возникновение этих структур из однородной бесклеточной массы и наблюдал Каспар Фридрих Вольф.

Помимо химических процессов на клетки, разумеется, влияют и физические факторы: температура окружающей среды, сила тяжести, солнечный свет вместе с другими видами излучения, натяжение мембран. Все эти воздействия рецепторы также регистрируют. Только теперь их конформация меняется не от контакта с медиаторами, а под влиянием соответствующих физических процессов. Как и в других случаях, это приводит к изменению набора и интенсивности химических реакций в клетке. Всё в итоге сводится к химии.

Хорошо, получается, что каждая клетка эмбриона указывает соседним, что им делать. А как клетке определить, с какой скоростью выполнять то или иное действие? Например, делиться ей раз в час или раз в сутки?

Оказывается, и тут есть хитрый механизм — воздействие на рецепторы натяжения. У взрослого организма они находятся на клетках органов, которые часто подвергаются натяжению, например в коже. Основу клеточных мембран составляют фосфолипиды. С водой эти вещества не смешиваются, а поскольку львиную долю внешней и внутренней среды клетки составляет вода, молекулы фосфолипидов образуют плёнку, примерно как подсолнечное масло на поверхности воды.

Рецепторы натяжения заякорены в этой плёнке и состоят из нескольких субъединиц белков, связь между которыми способна видоизмениться. За счёт этого меняется и конформация всего рецептора. Например, если раньше все его субъединицы прилегали друг к другу фактически без зазоров, то при растяжении фосфолипидной мембраны они немного расходятся и между ними появляется отверстие — пора. Фактически открывается канал. В зависимости от диаметра поры и заряда участков субъединиц, их образующих, через неё могут проходить разные типы заряженных частиц — ионов.
Ионы, как и другие частицы в растворе, переходят из области, где их много, туда, где их мало (ещё говорят — по градиенту концентрации). Так осуществляется диффузия. Концентрация различных ионов в любой живой клетке отличается от таковой снаружи. Подытожим: части рецептора натяжения раздвигаются и открывают проход ионам определённого типа, благодаря чему по градиенту концентрации они поступают внутрь клетки или наружу. В любом случае это меняет их содержание в клетке. А это влияет на набор и интенсивность протекающих в ней реакций.

Чаще всего в развивающемся организме натяжение наблюдается там, где одна часть интенсивно растёт, а другая, граничащая с ней, за этим ростом не успевает. Поскольку соседние клетки связаны специальными контактами, мембраны медленно растущих клеток, находящихся рядом с мембранами быстро пролиферирующих (растущих и делящихся) клеток, растягиваются. Это и «замечают» рецепторы натяжения. Изменение концентрации ионов внутри клетки, вызываемое реакцией рецепторов, приводит к активации деления этой клетки и росту её потомков. За счёт этого отстающие в росте ткани догоняют остальные.

Исследования ДНК, РНК и белков примирили эпигенез с преформизмом. Оказалось, что большинство химических реакций в клетке осуществляется при участии белков. В одних случаях их молекулы преобразуются и их изменённые формы выполняют роль продуктов реакции. В других — белки ускоряют химические превращения других веществ, в том числе ДНК, а сами после реакции остаются такими же, как прежде. Все белки кодируются генами — участками ДНК, а РНК позволяет считывать с генов информацию и переводит её на язык, понятный клеточным машинам по производству белков — рибосомам. Таким образом, передающаяся по наследству ДНК несёт информацию о том, какие белки могут образоваться в данном организме (и это проявление преформизма), а эти белки уже воздействуют друг на друга и другие классы соединений, определяя, какие реакции и с какой интенсивностью будут идти в клетке.

Так выглядит современная концепция. Но до 1950‑х годов, пока не выяснили окончательно, какой класс молекул несёт наследственную информацию — ДНК или белки,— учёные исследовали влияние одних фрагментов зародышей на другие. Одним из важнейших экспериментов в этой области стала серия опытов Ганса Шпемана и его ученицы Хильды Мангольд, проведённая в начале 1920‑х годов. Немецкие эмбриологи тоже экспериментировали с земноводными: их икра крупная и прозрачная, поэтому за происходящим в ней сравнительно легко наблюдать.

Шпеман и Мангольд позволили эмбрионам тритонов развиться до состояния гаструлы — двуслойного зародыша с углублением посередине. Это углубление носит название первичного рта, или бластопора. Бластопор окружают губы — дорсальная (верхняя) и вентральная (нижняя). Из дорсальной губы бластопора образуются структуры, которые окажутся на спине зародыша, из вентральной, соответственно,— на животе. Учёные отрезали кусочек верхней губы бластопора от тёмноокрашенного эмбриона тритона и подсадили его светлоокрашенному практически на противоположную сторону.

Зародыш при этом не погиб, а продолжил расти и развиваться. Только вот спины у него получилось две: одна светлая и побольше, другая тёмная и поменьше. Были у него также две нервные системы и две головы. То есть фрагмент дорсальной губы бластопора, попав в другой эмбрион, «уговорил» соседние клетки, которые должны были стать час­тью живота тритона, образовать спинные структуры. Шпеман и Мангольд назвали этот пересаженный участок организатором (за его открывшиеся в ходе опыта способности), а вещества, им выделяемые, — морфогенами, дословно «формообразователями».

Чем дальше, тем больше молекул морфогенов открывали биологи. Чаще всего ими оказывались белки. В какой-то момент стало понятно, что различные их концентрации неодинаково влияют на окружение. Логично, что высокий уровень отдельно взятого морфогена сильнее меняет работу и судьбу клеток, имеющих рецепторы к нему. Поэтому говорят о градиенте морфогенов — плавном изменении их концентрации по мере перемещения от одной части зародыша к другой.

Пожалуй, главные белки-морфогены кодирует большая группа генов, называемых гомеозисными. В хромосомах они часто идут один за другим. Одни гомеозисные гены более активны в передней части эмбриона, другие — в задней. Это значит, что в зародыше имеется несколько градиентов белков, кодируемых этими генами. При этом «головные» белки подавляют активность «хвостовых» гомеозисных генов и, соответственно, производство кодируемых ими белков. Таким образом, сопоставляя концентрации продуктов различных гомеозисных генов, клетки в разных частях зародыша «понимают», в передней или в задней части находятся.

Гомеозисные гены весьма похожи даже у таких далёких организмов, как человек и плодовая мушка дрозофила (но называются у позвоночных и беспозвоночных они по-разному). А всё потому, что у большинства животных набор частей тела приблизительно одинаковый и почти всегда включает голову, туловище, конечности и хвост. В каждом из сегментов тела, хорошо различимых у эмбрионов, но редко заметных у взрослых особей, зачастую главенствует какой-то один гомеозисный ген — и, конечно, кодируемый им белок.

Влияние гомеозисных генов на развитие изучают, «выключая» их в организме в целом или «включая» в тех сегментах, где они обычно неактивны. Обоих эффектов можно достичь, прицельно управляя строением соответствующих участков ДНК методами генной инженерии либо размножая мутантов, полученных случайно.

Мутации в гомеозисных генах могут приводить к развитию новых конечностей. Впрочем, не так, как на этой иллюстрации.

Множество мутаций в гомеозисных генах известно у дрозофил. По названиям этих генов можно примерно понять, к чему приводят их «поломки». Например, при мутации в гене antennapedia (pedis — нога) на голове мухи вместо антенн вырастает дополнительная пара конечностей. А неправильное строение гена ultrabithorax (thorax — грудь) «дарит» мухе вторую пару полноценных крыльев вместо их остатков — жужжалец. Ultrabithorax отвечает за формирование сегмента груди, несущего крылья, а из-за мутации становится избыточно активным и образует лишний сегмент.

Нормальная муха (слева) и насекомое с мутацией в гене ultrabithorax (справа). Видно, что муха-мутант имеет не одну, а две пары крыльев.

Ответ на вопрос, как определяется судьба клеток развивающегося организма, предстоит уточнять и дополнять. Но основные принципы формирования тканей и органов эмбрионов известны. Есть в них немного и от преформизма, и от эпигенеза. Зигота несёт всю информацию, нужную для развития зародыша, в ДНК. По мере её дробления клетки, посылая друг другу сигналы в виде химических веществ и некоторых физических воздействий, начинают приобретать отличия в наборе активных генов. Из-за этого появляется разница и в составе клеток, и в их размере, и в функциях.