Текст книги "Онтогенез. От клетки до человека"

Глава 3
Как создаются различия

Искреннее расхождение во мнениях – хороший признак прогресса.

Мохандас Карамчанд Ганди

Суть раннего дробления можно выразить одной фразой: «умножение без изменения». Количество клеток растет в геометрической прогрессии, но каждая новая клетка идентична всем остальным. Действительно, во время первых нескольких делений клетки даже не пользуются собственными генами, а полагаются на запас молекул, помещенных материнским организмом в яйцеклетку и поровну распределяемых при делении между дочерними клетками.[20]20
  Braude P, Bolton V, Moore S. Human gene expression first occurs between the four and eight-cell stages of preimplantation development. Nature. 1988; 332:459–61.


[Закрыть] Ранние этапы развития полностью посвящены делению. Это имеет смысл: чем больше клеток, тем легче будет в нужный момент создать с их помощью организм. Однако дробление может продолжаться только до определенного момента, так как образующиеся клетки имеют вдвое меньший объем, чем их предшественники. Через некоторое время размер клеток приблизится к минимальному, и им понадобятся паузы для роста между новыми этапами деления. Для роста же необходимы питательные вещества, а чтобы их получить, нужно приложить дополнительные усилия. Это, в свою очередь, означает, что какие-то из клеток должны специализироваться на доставке пищи другим. В эмбрионах многих птиц и рептилий питание осуществляется за счет запасенного в яйце желтка. В случае млекопитающих питательные вещества поступают непосредственно от матери, но общее правило остается неизменным: рано или поздно дробление прекращается и начинается специализация клеток.

Специализация подразумевает, что клетки теряют идентичность. Теперь у разных типов клеток разные функции. На этом этапе эмбрион сталкивается с очень важной проблемой. Создание различий означает необходимость создания нового порядка и новой информации. Увеличение количества информации хорошо иллюстрируется таким примером: для описания асимметричного объекта нам требуется больше слов или, скажем, математических символов, чем для описания симметричного объекта. Так, описать форму кружки с ручкой сложнее, чем описать форму, скажем, стакана. У многих «низших» существ, например насекомых, необходимую информацию обеспечивает мать. Она закладывает пространственную информацию в яйцеклетку в виде градиентов концентрации определенных молекул. Таким образом, во время дробления разные клетки эмбриона наследуют разное количество этих молекул. Затем клетки используют эти различия для выбора пути развития. Этот негенетический метод передачи чрезвычайно важной информации из поколения в поколение очень эффективен, но, насколько мы знаем, у человеческих эмбрионов он не работает, и одна часть яйцеклетки идентична другой.[21]21
  Van de Velde H, Caufman G, Tournaye H, Devroey P, Liebaers I. The four blastomeres of a 4-cell stage human embryo are able to develop individually into blastocysts with inner cell mass and trophectoderm. Hum Reprod 2008; 23:1742–7.


[Закрыть] Создание отличительных особенностей – то есть новой информации – представляет собой серьезную логическую задачу для человеческого эмбриона. Как создать закономерность, которой раньше не было? У этой проблемы очень изящное решение: эмбрион получает информацию исходя из законов геометрии.

Пока эмбрион состоял из нескольких клеток, каждая из них занимала достаточно большую долю в общем объеме. Часть поверхности каждой клетки была обращена в окружающую среду. Когда в ходе дробления получается тридцать две или шестьдесят четыре клетки, уже достаточно мелкие по сравнению с размерами сферического зародыша, некоторые из них оказываются окружены со всех сторон другими клетками. Другие все еще имеют контакт с внешней средой – примерно одна шестая их мембраны обращена наружу. Клетки «чувствуют», окружены ли они другими клетками или какая-то их часть соприкасается только с жидкостью. Эту информацию они используют для того, чтобы определиться с дальнейшими действиями. Клетки, имеющие «свободную поверхность», активируют ряд ранее неактивных генов и образуют первую ткань эмбриона – трофэктодерму. Клетки, окруженные другими клетками, эти гены не активируют. Использование в качестве источника информации простого физического признака – наличия свободной поверхности – избавляет эмбрион от необходимости иметь заранее подготовленный пространственный план. Кроме того, клеткам не нужно «знать» свое точное расположение в эмбрионе. Им нужно только определить, есть у них свободные участки поверхности или нет.

Задача трофоэктодермы заключается только в создании структур для структурной поддержки и питания эмбриона. Частью ребенка она никогда не станет.[22]22
  Sasaki H. Mechanisms of trophectoderm fate specification in preimplantation mouse development. Dev Growth Difer. 2010; 52:263–73.


[Закрыть] В первую очередь трофэктодерма перекачивает в эмбрион жидкость. Эта жидкость накапливается, что приводит к образованию обширной полости (рис. 6). Формирование этой полости, в свою очередь, приводит к тому, что внутренние клетки группируются на внутренней поверхности трофэктодермы в виде эксцентрично расположенного комка, который называется «внутренняя клеточная масса». Если судить только по внешнему виду, эти клетки кажутся менее интересными, чем активные клетки трофэктодермы, постоянно занятые питанием, накачкой жидкости, внедрением в материнский организм. Однако именно из внутренней клеточной массы и формируется ребенок. Иногда эта масса делится на два комочка, каждый из которых развивается, формируя в итоге человеческий организм. Такие близнецы, как и те, о которых рассказывалось в главе 2, будут генетически идентичны, но на этот раз они будут расти в одной общей трофэктодерме. В то же время у каждого из близнецов будет свой желточный мешок и амниотическая полость (см. далее). Таким образом, они надежно изолированы друг от друга. Это самый распространенный механизм появления однояйцевых близнецов, на его долю приходится две трети всех случаев. (Третий, крайне редкий вариант появления близнецов будет описан несколько позже.)

К тому времени, когда клетки трофэктодермы закачают внутрь эмбриона объем жидкости, достаточный для создания полости, и создают вздувшуюся структуру, эмбрион должен покинуть фаллопиеву трубу матери, где произошло оплодотворение, и переместиться в матку. Этот орган в норме как бы немного «сдут»: его стенки слипаются, как снятая с руки резиновая перчатка. Особенно «сдувшейся» матка выглядит через неделю после овуляции. Поэтому весьма вероятно, что ранний эмбрион, попав в матку, вскоре столкнется с ее внутренней поверхностью. Когда это произойдет, он закрепляется на ней, используя специальный набор адгезивных молекул. После прикрепления клетки эмбриона образуют новые белки, которые позволяют им внедриться между клетками стенки матки.[23]23
  Cohen M, Meisser A, Bischof P. Metalloproteinases and human placental invasiveness. Placenta. 2006; 27:783–93.


[Закрыть] В течение нескольких часов «пальчики» клеток эмбриона проникнут в ткани матери, и образуется плацента. Многие клетки матки при этом разрушаются, а их остатки становятся пищей для эмбриона. Реакция матери на эту атаку приводит к дальнейшему отмиранию ткани. Таким образом, через десять дней после оплодотворения формируется полость, в которой легко умещается эмбрион. У людей и некоторых животных внутренняя выстилка матки обрастает эмбрион, скрывая место имплантации.

Рис. 6. Схема перехода от стадии двух клеток к стадии образования полости и затем к стадии обособления трофэктодермы и внутренней клеточной массы. Эмбрион заключен в плотную желеобразную «капсулу», прежде служившую оболочкой яйцеклетки; она носит название вителлинового слоя, или zona pellucida

Образ жизни эмбриона человека близок к паразитическому, но не стоит принимать эту метафору слишком близко к сердцу. В любом случае это единственный способ вынашивания потомства, а значит, выживания у нашего вида. Мать не просто терпит паразитизм ребенка, а поощряет его за счет постоянного взаимодействия. Если построенный на сигнальных молекулах «диалог» между маткой и эмбрионом прекращается, эмбрион не может оставаться имплантированным, и беременность прерывается.[24]24
  Mor G. Inflammation and pregnancy: the role of toll-like receptors in trophoblastimmune interaction. Ann N Y Acad Sci. 2008; 1127:121–8.


[Закрыть]

Иногда эмбрион движется по женским половым путям от места оплодотворения в маточной (фаллопиевой) трубе чересчур медленно и не достигает матки к тому времени, когда уже готов к имплантации. Одной из распространенных причин этого медленного перемещения является повреждение выстилки маточной трубы бактериями Chlamydia.[25]25
  Shaw JL, Dey SK, Critchley HO, Horne AW. Current knowledge of the aetiology of human tubal ectopic pregnancy. Hum Reprod Update. 2010 July—August; 16(4): 432–44.


[Закрыть] В наше время это часто встречается у молодых женщин.[26]26
  Хламидии, конечно, не единственная причина внематочной беременности. Во многих случаях ее причины абсолютно неясны.


[Закрыть] Эмбрион, достигший определенной стадии развития, пытается имплантироваться там, где он находится в данный момент, даже в яйцеводе. Это ведет к внематочной беременности. Маточная труба не приспособлена для поддержания роста плода ни физически (по размеру и растяжимости), ни физиологически (в плане возможности обеспечить питание и приток крови). Во многих случаях это приводит к выкидышу. Иногда выкидыш приходится вызывать искусственно для спасения жизни матери.

До начала специализации клетки внутренней клеточной массы могут дать начало любой клетке организма. Во всяком случае, так происходит у мышей: на людях подобные эксперименты не могут проводиться по этическим соображениям. Для описания спектра типов клеток, в которые может дифференцироваться та или иная клетка эмбриона, исследователи часто используют специальную древовидную диаграмму, отображающую типы клеток и последовательность дифференцировки. Пример такой диаграммы приведен на рис. 7. Все возможные варианты в конечном счете происходят от одного типа клеток, который на такой диаграмме представляет собой ствол дерева. Поэтому эти клетки называют стволовыми клетками. (Это буквальный перевод немецкого термина «Stammzelle», который предложил в 1909 г. Александр Максимов, изучавший «древо» клеток крови.) В зависимости от конкретной схемы термин «стволовые клетки» может быть применен как к клетке, которая может создать только несколько различных типов клеток организма, так и к клеткам с большими потенциями.

Рис. 7. Типичная древовидная диаграмма, которая обобщает данные о траекториях клеточных дифференцировок – клетки ранних стадий развития дают начало клеткам более поздних стадий (или дифференцируются в них). Эта диаграмма, которую следует читать снизу вверх, отражает события, описанные в этой и последующих главах. Древо всего процесса развития человека было бы огромным и содержало бы сотни ветвей. Нижняя точка таких диаграмм всегда принимается за «стволовую клетку» независимо от того, находится ли эта клетка на самом раннем этапе развития или уже прошла определенное расстояние «вверх» вдоль ствола дерева. Об использовании термина «стволовые клетки» будет рассказано позже

В последнее время понятие «стволовые клетки» несколько сузилось. Многие авторы утверждают, что стволовыми клетками следует называть только клетки, способные поддерживать собственную популяцию, а также давать начало другим типам клеток, расположенным на диаграмме над ними. (Термин, предложенный Максимовым, в явном виде не предполагал подобной трактовки).[27]27
  Maximow AA. The lymphocyte is a stem cell, common to different blood elements in embryonic development and during the post-fetal life of mammals. Eng. Trans in Cell Ter Transplant. 2009;1:e.000032.01. doi:10.3205/ct-2009-en-000032.01.


[Закрыть] К счастью, эта терминологическая тонкость не влияет на применимость термина «стволовые клетки» к внутренней клеточной массе, которая показана на рис. 7 в нижнем правом углу, потому что ее клетки могут поддерживать свою популяцию, даже если удалить их из эмбриона и поместить в пробирку. Они дают начало всем тканям организма. Поэтому клетки внутренней клеточной массы иногда называют эмбриональными стволовыми клетками (ЭСК), особенно в тех случаях, когда их извлекают из эмбрионов и выращивают в культуре.[28]28
  Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature. 1981; 292:154–6.


[Закрыть]

Эмбриональные стволовые клетки сыграли очень важную роль в медико-биологических исследованиях последних десятилетий. В хорошо отработанных рутинных экспериментах ученые направленно «редактируют» гены ЭСК мышей, а затем вводят такие модифицированные клетки в клеточную массу эмбриона обыкновенной мыши. В результате в организме мыши, которой сделали инъекцию, образуется смесь нормальных клеток внутренней клеточной массы и генетически модифицированных ЭСК. Как правило, удается сделать так, чтобы часть сперматозоидов самца мыши развивалась именно из генетически модифицированных клеток. Потомство такого самца, полученное в результате обычного спаривания, будет иметь модифицированные гены во всех клетках тела. Этот метод позволил ученым создать мышиные «копии» генетических заболеваний человека, а эксперименты, проведенные на таких копиях, дают возможность лучше понять болезнь и разработать способы лечения.[29]29
  Pitera JE, Turmaine M, Woolf AS, Scambler PJ. Generation of mice with a conditional null fraser syndrome 1 (Fras1) allele. Genesis. 2012 June 22. doi: 10.1002/dvg.22045.


[Закрыть] Всего в лабораториях мира были получены десятки тысяч таких мышей. Многие факты, описанные в этой книге, были открыты в процессе наблюдения за протеканием беременности и эмбриональным развитием генетически модифицированных мышей.

Существуют и человеческие ЭСК.[30]30
  Tomson JA, Odorico JS. Human embryonic stem cell and embryonic germ cell lines. Trends Biotechnol. 2000; 18:53–7.


[Закрыть] Есть надежда, что, если найти способы управления их развитием и получения нужных типов клеток, их можно будет использовать для «ремонта» поврежденных тканей в организме человека или даже для создания новых тканей для пересадки. Тем не менее эти разработки воспринимаются неоднозначно: ЭСК можно получить, только уничтожив человеческий эмбрион на раннем этапе развития. Для некоторых людей тот факт, что эмбрион впоследствии становится человеком, является достаточным основанием для придания ему статуса человека. В рамках такого подхода уничтожение эмбриона, по сути, является убийством; оно неприемлемо, какую бы пользу ни сулило. Кто-то, напротив, считает, что у раннего эмбриона отсутствуют такие человеческие атрибуты, как мысли или чувства, и он не нуждается в защите. Тем не менее многие придерживаются промежуточной позиции и допускают возможность исследований на человеческих эмбрионах при условии, что это регулируется определенными правилами. Последние разработки могут помочь найти выход из этой этической дилеммы. Исследовательская группа из Японии недавно открыла способ превращать обычные соматические клетки мыши в клетки, подобные ЭСК. Они получили название индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, сокращенно ИПСК.[31]31
  Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fbroblast cultures by defined factors. Cell. 2006 Aug 25; 126(4):663–76.


[Закрыть] Чтобы проверить, насколько они сходны с ЭСК, исследователи заменили на них внутреннюю клеточную массу эмбриона. В результате родились здоровые мышата. Этот метод относительно прост и в настоящее время используется во многих лабораториях по всему миру. Многие ученые применяли его к соматическим клеткам человека, создавая на их основе нечто очень похожее на ИПСК. Я говорю «нечто очень похожее», так как по этическим причинам нельзя экспериментировать с человеком, как с мышью, и точно проверить это нельзя. Если ИПСК действительно идентичны ЭСК человека, их можно будет использовать для того же, для чего сейчас используются ЭСК. Таким образом, отпадет необходимость использовать человеческие эмбрионы в исследованиях подобного рода. Это может воплотиться в жизнь, но вряд ли обрадует тех, кто присваивает эмбриону статус человека на том лишь основании, что эмбрион может им стать. Если все наши клетки могут стать плюрипотентными и дать начало человеческому организму, почему бы не считать людьми и их?

У нормального эмбриона клетки внутренней клеточной массы очень недолго остаются в исходном состоянии: уже через короткий промежуток времени они начинают специализироваться, и каждый из типов клеток приобретает свои отличительные черты. Наличие у эмбриона особой заполненной жидкостью полости означает, что некоторые клетки внутренней клеточной массы, которая лишь незначительно увеличивается в размерах, окружены другими, а некоторые имеют свободную поверхность. Наличие свободной поверхности снова нарушает симметрию межклеточной адгезии, так что клеточный слой, соприкасающийся с жидкостью, стоит особняком от других клеток. Он становится плотным слоем – гипобластом.[32]32
  Гипобласт млекопитающих обычно называют «первичной эндодермой». В этой книге я использую термин «гипобласт», чтобы избежать возможных аналогий с другими типами эндодермы.


[Закрыть] Раньше считалось, что клетки превращаются в гипобласт в силу того, что просто оказываются в нужное время в нужном месте. Однако недавние эксперименты на мышах показали, что некоторые клетки внутренней клеточной массы могут иметь к этому предрасположенность. Как только где-то возникает свободная поверхность, эти клетки мигрируют туда, а другие переходят внутрь, на их место.[33]33
  Cockburn K, Rossant J. Making the blastocyst: lessons from the mouse. J Clin Invest. 2010; 120:995–1003.


[Закрыть] В любом случае определяющим фактором пространственной организации служит именно свободная поверхность (рис. 8). Некоторые клетки гипобласта остаются там, где образовались, но большинство распространяются по слою трофэктодермы и формируют полый желточный мешок (это название используется по аналогии с эмбрионами низших позвоночных).

Оставшиеся клетки внутренней клеточной массы делятся на два слоя. Клетки, непосредственно прилегающие к гипобласту, остаются на месте и образуют новый слой – эпибласт. Клетки вышележащего слоя отслаиваются от эпибласта, и в результате формируется еще одна полость. Она называется амниотической полостью (см. рис. 8). Двухслойный диск, состоящий из эпибласта и гипобласта, зажат между полостью желточного мешка и амниотической полостью, как перемычка в греческой букве тета (θ). Эпибласт, слой, обращеннный к полости желточного мешка, даст начало всем клеткам будущего ребенка.[34]34
  Gardner RL, Rossant J. Investigation of the fate of 4–5 day post-coitum mouse inner cell mass cells by blastocyst injection. J Embryol Exp Morphol. 1979; 52:141–52.


[Закрыть],[35]35
  Lawson K, Meneses JJ, Pedersen R. Clonal analysis of epiblast fate during germ layer formation in the mouse embryo. Development. 1991; 113:891–911.


[Закрыть]

Рис. 8. Эмбрион снова проделывает «трюк со свободной поверхностью», чтобы получить из граничащего с жидкостью слоя клеток внутренней клеточной массы новый тип клеток – гипобласт. Слой оставшейся внутренней клеточной массы, соприкасающийся с гипобластом, снова дифференцируется, образуя эпибласт. Благодаря этому слой вышележащих клеток отделяется, образуя новую полость. Эпибласт – невзрачный клеточный диск – даст начало будущему младенцу; все остальное пойдет на образование тканей, необходимых для поддержания жизни плода в матке

События, описанные в этой главе, в основном вели к нарушению единообразия и появлению различий между ранее идентичными клетками. На ранней стадии развития эмбрион несколько раз использует один и тот же трюк – дальнейшая судьба клеток зависит от наличия или отсутствия у них свободной поверхности. Это позволяет использовать чистую геометрию в качестве источника новой информации. В каждом случае сугубо локальные взаимодействия приводят к масштабным изменениям. При этом ни одна клетка не «руководит процессом» и не «видит» его общей картины. С появлением разных типов тканей эмбриону будет значительно легче создавать дальнейшие различия. Например, новый тип клеток – С – может развиваться в местах контакта клеток типов А и B. Таким образом, сформируются две новые зоны контакта (АС и СВ), и каждая из них будет служить основой для спецификации следующих типов клеток. На более поздних стадиях развития «эпоху внешних воздействий» (например, использование свободных поверхностей) сменяют механизмы, основанные на внутренних различиях. Первый из них и, возможно, наиболее примечательный станет следующей темой для обсуждения.

Глава 4
Закладка плана строения

Самый важный момент в вашей жизни – не рождение, не свадьба или смерть, а гаструляция.

Льюис Уолперт

Что видят люди, оглядываясь на прожитые годы? Долгие периоды однообразной жизни, перемежаемые всплесками резких изменений. Возможно, эти изменения являются результатом долгой и тщательной подготовки, занимающей месяцы или годы, но эта подготовка скрыта от глаз. Лепет ребенка перерастает в нечто более осмысленное почти незаметно для родителей, но они никогда не забудут его первое слово. Постепенно складываются и отношения семейной пары: сначала возникает привязанность, затем растет доверие, возникает взаимопонимание, и, наконец, они осознают, как много значат друг для друга. Накопление профессиональных навыков гораздо менее очевидно, чем новая работа или продвижение по карьерной лестнице, которое мы получаем в награду. Гораздо менее приятный пример – постепенное накопление повреждений на клеточном уровне, незаметно подводящее к рубежу, когда можно установить точный диагноз и здоровый человек становится больным.

Такое чередование рутинных событий со скачкообразными изменениями свойственно не только жизни взрослого человека, но и жизни эмбриона. На ранних этапах развития эмбриона, описанных в предыдущих двух главах, происходило всего лишь простое деление клеток. Затем – на первый взгляд, внезапно – начались новые процессы, связанные с формированием клеточных слоев, заметно отличающихся друг от друга. Получившаяся в результате структура – по сути, наполненная жидкостью сфера, которая разделена на две камеры парой дисков (рис. 9), – по-прежнему далека от того, чтобы в ней можно было опознать что-то человекоподобное. Скажите кому-нибудь, что из этой пары дисков получится животное, и он, вероятно, предположит, что это будет медуза. По крайней мере, ее колокол, как и диски эмбриона, радиально симметричен, и у нее есть верх и низ, но нет оси, разделяющей тело на половинки (см. рис. 9). Тем не менее эмбрион уже успел подготовиться к масштабной реорганизации, после которой он уже будет напоминать человека. Этот процесс, занимающий всего пару дней, называется гаструляция.

Рис. 9. Простая радиальная симметрия зародышевого диска человеческого эмбриона в сравнении с аналогичной симметрией медузы

Чтобы подойти к теме гаструляции, можно было бы сначала рассмотреть строение примитивного организма, который образуется в результате данного процесса, а затем посмотреть, какой вклад в его образование вносит каждый этап гаструляции. Это, пожалуй, был бы самый рациональный и простой подход к описанию гаструляции, однако он может создать ложное впечатление о том, что клетки имеют какое-то представление об анатомии организма, в строительстве которого участвуют. На самом же деле развитие организма основано вовсе не на том, что клеткам известны законы развития (понять эти законы трудно даже нам, с нашим мозгом из миллионов клеток), а на том, что клетки автоматически откликаются на изменения окружающей их среды. Поэтому в этой главе мы, следуя логике развития, сначала рассмотрим поведение клеток развивающегося организма и только потом посмотрим, к чему оно приводит.

Прежде чем начать рассказ, хочу сделать важное предупреждение: изучать процесс гаструляции у человека крайне сложно, поэтому почти все, что описано в этой главе, основано на исследованиях животных. Существуют строгие правовые ограничения относительно выращивания человеческих эмбрионов в лабораторных условиях, и изучать эмбрионы на стадии гаструляции нельзя (почему – я расскажу чуть позже). Основная последовательность анатомических изменений человеческого эмбриона известна. Эти данные были получены в исследованиях немногочисленных (и очень ценных) эмбрионов, извлеченных при посмертном вскрытии или при удалении матки у женщин, которые чаще всего даже не знали о том, что беременны. Гаструляция начинается примерно через пятнадцать дней после оплодотворения, то есть примерно тогда, когда женщина ожидает начала менструации. Некоторым из этих эмбрионов более ста лет, но они до сих пор хранятся в музеях под особым присмотром, потому что новый материал такого рода поступает крайне редко. Исследования проводятся главным образом на мышах и курицах, а процесс гаструляции у этих животных значительно отличается от гаструляции у человека. Цыпленок развивается в яйце, а не в матке; эпибласт и гипобласт мыши имеют форму чаши, а не диска. Эти особенности могут играть существенную роль при развитии. Поэтому реконструировать механизмы гаструляции человека на основе данных, полученных при изучении модельных животных, рискованно – слишком мало у нас информации, и мы можем неверно интерпретировать какие-либо детали процесса.

Отправной точкой для гаструляции является эмбрион в том состоянии, в котором мы оставили его в конце главы 3. К этому времени уже сформировался ряд вспомогательных тканей, таких как плацента, а также два заполненных жидкостью внутренних пространства: амниотическая полость и желточный мешок. Между этими полостями лежат два диска, расположенные один над другим: гипобласт и эпибласт. Из гипобласта образуются дополнительные вспомогательные ткани, а из эпибласта – сам плод. Ни один из этих двух дисков не имеет каких-либо явных особенностей, которые позволяли бы отличить один его край от другого (см. рис. 9).

Первое изменение (судя по данным, полученным на животных) происходит в гипобласте. У клеток, расположенных в середине этого диска,[36]36
  У мыши это происходит на дистальном полюсе, и поэтому резонно предположить, что у человека это должно происходить в центре гипобласта. Однако это всего лишь предположение, и, если когда-нибудь будут получены данные по человеческим эмбрионам, может оказаться, что оно неверно.


[Закрыть] включаются новые гены, в том числе и ген ДНК-связывающего белка, который называется HEX.[37]37
  Tomas PQ, Brown A, Beddington RS. Hex: A homeobox gene revealing peri-implantation asymmetry in the mouse embryo and an early transient marker of endothelial cell precursors. Development. 1998; 125:85–94.


[Закрыть] Что является сигналом к этому изменению, пока неясно. Возможно, что все клетки гипобласта изначально готовы к нему, но большинство из них ингибируется сигнальным белком, который синтезируется тканями, окружающими гипобласт.[38]38
  Bouwmeester T, Kim S, Sasai Y, Lu B, De Robertis EM. Cerberus is a head-inducing secreted factor expressed in the anterior endoderm of Spemann’s organizer. Nature 1996; 382:595–601.


[Закрыть] Достаточно далеко от источника этого ингибитора находятся только клетки в центре диска, поэтому они могут избежать его влияния и запустить экспрессию гена HEX. Этот механизм – только предположение, но активация гена HEX – факт. Клетки, в которых экспрессируется HEX, уходят из центра диска – они перемещаются, расталкивая соседние клетки, и собираются в одной точке на краю диска гипобласта[39]39
  Srinivas S, Rodriguez T, Clements M, Smith JC, Beddington RS. Active cell migration drives the unilateral movements of the anterior visceral endoderm. Development. 2004; 131:1157– 64.


[Закрыть],[40]40
  Jones CM, Broadbent J, Tomas PQ, Smith JC, Beddington RS. An anterior signaling centre in Xenopus revealed by the homeobox gene XHex. Curr Biol. 1999 Sep 9; 9(17):946–54.


[Закрыть],[41]41
  Migeote I, Omelchenko T, Hall A, Anderson KV. Rac1-dependent collective cell migration is required for specification of the anterior-posterior body axis of the mouse. PLoS Biol. 2010 Aug 3; 8(8):e1000442.


[Закрыть] (рис. 10). Все еще непонятно, даже в случае мышей, что же особенного в этой точке диска, что клетки мигрируют именно туда. У «низших» животных расположение похожей «особой» точки обусловлено начальными условиями развития. В некоторых случаях положение этой точки определяется переходящей к зародышу асимметрией распределения молекул, заложенных в яйцеклетку материнским организмом. В других случаях в этой точке располагаются полярные тельца, «побочные продукты» клеточных делений, предшествующих формированию яйцеклетки. У некоторых организмов эту точку, по-видимому, маркирует место проникновения сперматозоида. Весьма вероятно, что у млекопитающих это тоже так, и есть указания на то, что эмбрионы мышей асимметричны уже на самых ранних стадиях развития.[42]42
  Beddington RS, Robertson EJ. Axis development and early asymmetry in mammals. Cell. 1999; 96:195–209.


[Закрыть] Соответствующих данных по эмбрионам людей, разумеется, нет. Это очень досадно, потому что скопление в одном месте клеток, у которых экспрессируется HEX, приводит к исключительно важному результату – одно конкретное место на краю диска гипобласта становится не таким, как другие. Иными словами, это первый шаг в сторону от простой радиальной симметрии эмбриона (рис. 10).

Достигнув края диска гипобласта, группа клеток, экспрессирующих ген HEX, становится новой структурой ПВЭ.[43]43
  ПВЭ (англ. AVE – anterior visceral endoderm) означает «передняя висцеральная эндодерма», но, поскольку термин «висцеральная энтодерма» скорее запутает читателя, чем что-нибудь ему прояснит, в этой главе будет использоваться только аббревиатура.


[Закрыть] Клетки ПВЭ начинают секретировать собственные сигнальные белки. Эти белки, способные распространяться на небольшие расстояния, вполне могут достигнуть эпибласта, лежащего непосредственно над гипобластом, явно в пределах дистанции распространения сигнала.[44]44
  Idkowiak J, Weisheit G, Plitzner J, Viebahn C. Hypoblast controls mesoderm generation and axial paterning in the gastrulating rabbit embryo. Dev Genes Evol. 2004; 214:591–605.


[Закрыть] На этом этапе клетки эпибласта уже реагируют на сигналы, поступающие от вспомогательных тканей эмбриона. Эти сигналы подготавливают их к тому, чтобы создать структуры, характерные для задней части организма. Если бы больше ничего не происходило, весь эпибласт формировал бы структуры задней части, и это имело бы катастрофические последствия для эмбриона. Сигналы, поступающие от ПВЭ, уравновешивают эту тенденцию, запуская процессы создания тканей головы.[45]45
  Martinez-Barbera JP, Beddington RS. Geting your head around Hex and Hesx1: forebrain formation in mouse. Int J Dev Biol. 2001; 45:327–36.


[Закрыть] Если ПВЭ не будет синтезировать сигнальные белки, эмбрион не сможет правильно сформировать голову. Таким образом, положение ПВЭ в уникальной области на краю диска гипобласта диктует полярность вышележащего эпибласта: сторона, ближайшая к ПВЭ, сформирует голову, а удаленная от нее – заднюю часть тела эмбриона. Только небольшая часть эпибласта удалена от ПВЭ настолько, что вообще не получает от нее сигналов. По-видимому, это очень важно для локализации области, в которой происходят первые заметные изменения эпибласта. В этом месте клетки эпибласта переключаются на образование сигнального белка, который привлекает окружающие клетки – они мигрируют по направлению к источнику этого белка.[46]46
  Voiculescu O, Bertocchini F, Wolpert L, Keller RE, Stern CD. The amniote primitive streak is defined by epithelial cell intercalation before gastrulation. Nature. 2007 Oct 25; 449(7165):1049–52.


[Закрыть] В результате такого перемещения клеток образуется важная структура со скромным названием – первичная полоска (см. рис. 10).

Рис. 10. Нарушение радиальной симметрии. Клетки в центре гипобласта «включают» ген HEX, движутся к краю и концентрируются в одном месте. Это нарушает радиальную симметрию гипобласта, а поскольку его клетки синтезируют сигнальные белки, которые «вмешиваются» в процессы, происходящие в эпибласте, его радиальная симметрия тоже нарушается

Особая роль ранней активности клеток ПВЭ гипобласта в определении места формирования первичной полоски была показана в экспериментах на куриных эмбрионах. После того как у них начинала нарушаться радиальная симметрия, гипобласт поворачивали относительно передне-задней оси эмбриона.[47]47
  Azar Y, Eyal-Giladi H. Interaction of epiblast and hypoblast in the formation of the primitive streak and the embryonic axis in chick, as revealed by hypoblast-rotation experiments. J Embryol Exp Morphol. 1981; 61:133–44.


[Закрыть] Эти манипуляции приводили к тому, что эпибласт формировал первичную полоску, подстраиваясь под новые координаты, а значит, именно гипобласт контролирует этот процесс.

Рис. 11. Удлинение первичной полоски и образование узелка (что такое узелок, я объясню далее в этой главе)

Так как все больше и больше клеток эпибласта мигрирует в область первичной полоски, они начинают расталкивать друг друга и встраиваться между соседями. Это приводит к постепенному удлинению первичной полоски от края диска внутрь по его радиусу (рис. 11). Поскольку в эту миграцию вовлекается все больше клеток, на краях диска их становится меньше. В результате, по мере того как полоска удлиняется, диск в целом начинает сужаться. Он приобретает овальную форму, и радиальная симметрия эпибласта теряется (см. рис. 11). В длинной оси овала угадывается будущая ось тела, которая проходит от макушки до последнего позвонка (если бы речь шла о животных, можно было бы сказать «до кончика хвоста», но применительно к человеку это будет звучать немного странно). Та часть первичной полоски, которая образуется первой (она находится на краю диска), становится задней частью тела, а часть, которая образуется последней (примерно в середине диска, теперь имеющего овальную форму), становится головой. Таким образом, формирование нашего тела начинается с седалища, а создание головы откладывается «на потом», и это не единственный случай, когда эмбриология напоминает нам о том, что не стоит воспринимать себя слишком серьезно.

Роль ПВЭ в определении места образования первичной полоски имеет одно интересное следствие. Если клетки, экспрессирующие ген HEX, образуют не одно, а два скопления на краю диска, то сформируются две отдельные небольшие ПВЭ, а значит, два центра распространения сигналов. Тогда возможно образование двух первичных полосок. Это третий – и самый редкий – тип близнецов, который встречается менее чем в 1 % случаев двуплодной беременности.

Если образуются две независимые первичные полоски, то они дадут начало двум полностью независимым осям тела, а значит, двум организмам. Такие близнецы, возникшие из одного и того же эпибласта после образования амниотической полости, будут иметь общую амниотическую, а также хорионическую полость. Этим они отличаются от близнецов, описанных в главе 2 (у них нет общих полостей), и от близнецов, описанных в главе 3 (они имеют общую хорионическую полость, но амниотическая полость у каждого из них своя). (Именно по числу общих полостей акушеры могут понять, с каким случаем возникновения близнецов они имеют дело.) Возникновение близнецов за счет двух первичных полосок в одном и том же эпибласте чревато опасностями, так как между ними нет четкой разграничительной линии и существует серьезный риск, что они не разделятся полностью. В этом случае на свет появятся сиамские, или сросшиеся, близнецы. Как правило, они не просто «срослись» друг с другом, но и имеют общие части тела. Общими могут оказаться в том числе жизненно важные внутренние органы. В принципе, сросшиеся близнецы могут быть вполне здоровыми людьми, хотя, конечно, их жизнь простой не назовешь. Пожалуй, самые известные сиамские близнецы – это Чанг и Энг Банкер[48]48
  Martin HE. Chang and Eng Bunker, “Te original Siamese twins”: Living, dying, and continuing under the spectator’s gaze. J Am Cult. 2011; 34(4):372–90.


[Закрыть],[49]49
  Chichester P. Eng and Chang Bunker: A hyphenated life. Blur Right Country magazine 2009; 17 Feb: htp://blueridgecountry.com/archive/a-hyphenated-life.html.


[Закрыть] (1811–1874 гг.), много лет гастролировавшие с цирком Барнума. В те времена глазеть на уродов считалось нормальным, и бородатые женщины, карлики, великаны и аномально тучные люди в цирках выступали на потеху публики. Братья Банкер назвали свой «дуэт» в честь родной страны, и за феноменом сросшихся близнецов с тех пор закрепилось название «сиамские близнецы». Родись братья в наши дни, их, скорее всего, разделили бы, но во многих других случаях разделить сросшихся близнецов очень трудно или вообще невозможно. Иногда это возможно только ценой жизни одного из близнецов. Поэтому операции по разделению сросшихся близнецов, помимо чисто технических проблем, нередко осложняются серьезными этическими вопросами.