Текст книги "Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира"

В конце XIX века было очень мало известно о том, как из единственной клетки в итоге формируются различные органы взрослого организма и каким образом одни клетки образуют правую, а другие – левую сторону тела. В 1885 году зоолог Август Вейсман представил два противоположных объяснения, оба из которых на тот момент звучали правдоподобно. Согласно «мозаичной теории», в ходе деления каждой клетки делится и генетический материал. Когда клетка впервые разделяется надвое, в одной клетке содержится генетический материал для левой половины организма, а в другой – для правой. При каждом делении дочерние клетки содержат все более ограниченный набор генетического материала, пока в конечном счете в тех клетках, которые формируют печень, не окажется материал, позволяющий сформировать только клетки печени. Противоположная теория «регулирования» утверждала, что при каждом делении новые клетки получают полную копию генетического материала, а сформируется ли из клетки сердце, мозг или печень зависит от того, как клетка взаимодействует с соседями. В 1888 году Вильгельм Ру, один из основателей экспериментальной эмбриологии, описал важный опыт, свидетельствовавший в пользу мозаичной теории. Работая с лягушачьей икрой, Ру взял эмбрион на двуклеточной стадии развития, а затем убил одну из клеток, с большим трудом пронзив ее раскаленной иглой.

Рис. 5.11. Ранние стадии деления клеток эмбриона ксенопуса (Xenopus), африканской шпорцевой лягушки

Рис. 5.12. Слева – нормальный головастик, вид снизу (вентрально). На рисунке видно, что сердце смещено вправо, а кишечник закручен против часовой стрелки. Справа – головастик с situs inversus, сердце смещено влево, а кишечник закручен по часовой стрелке

Как развивался бы такой эмбрион? Согласно мозаичной теории в оставшейся живой клетке содержалась лишь половина генетической информации, и поэтому сформировалась бы только половина эмбриона; регуляционная теория, напротив, предполагала, что эмбрион будет полноценным. Результат опыта Ру выглядел достаточно ясным (рис. 5.13). Как и предполагала мозаичная теория, сформировалась только половина эмбриона.

Хотя опыт Ру казался сильным аргументом в пользу мозаичной теории, на самом деле он был несостоятелен. Ру допустил критическую ошибку, потому что рядом с живой клеткой оказалась «безжизненная половина… приклеенная к ней распадающаяся масса». Тремя годами спустя Ганс Дитрих провел более тщательный опыт, полностью разделив клетки на двуклеточной стадии, чтобы выяснить, как будет развиваться каждая из них. Результат опыта Ру предполагал, что из одной сформируется левая, а из другой правая половина эмбриона, и сам Дитрих «был убежден, что увидит эффект Ру во всех деталях». Этого не случилось. «Вопреки моим ожиданиям, все обернулось так, как и должно было: на следующее утро в чашечке была типичная целая гаструла, отличавшаяся от нормальной только малым размером». Это значило, что каждая клетка содержит полную наследственную информацию для формирования всего организма – факт, в полной мере подтвердившийся век спустя, когда целая особь, овца Долли, была клонирована из взятой у взрослой овцы единственной клетки тела, которая должна была содержать всю необходимую генетическую информацию[152]152
  Weismann, A. (1885) Die Kontinuität des Keimplasmas als Grundlage der Vererbung, Jena: Gustav Fischer; Wolpert, L. et al. (1998) Principles of Development, London: Current Biology; Maienschein, J. (1994) in Gilbert, S. F. (ed.) A Conceptual History of Modern Embryology, Baltimore: The Johns Hopkins University Press; pp. 43–61; Willier, B. H. and Oppenheimer, J. M. (1964) Foundations of Experimental Embryology, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, pp. 2–37, 38–50; Hamburger, V. (1988) The Heritage of Experimental Embryology: Hans Spemann and the Organizer, New York: Oxford University Press. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Рис. 5.13. Опыт Ру, в ходе которого половина эмбриона была убита уколом раскаленной иглы

В результате эти эксперименты подтолкнули ученых изучить, как можно разделить клетки развивающегося эмбриона. Обычной для проведения необходимых тонких манипуляций стала техника, разработанная Гансом Шпеманом, в 1935 году ставшим первым эмбриологом, удостоенным Нобелевской премии (рис. 5.14). В 1897 году Шпеман начал серию опытов с эмбрионами саламандр. Он завязал скользящий узел на тонком волосе, взятом у своего маленького сына, а затем накидывал петлю на эмбрион и осторожно затягивал ее, либо полностью разделяя клетки, либо оставляя между ними тонкий перешеек. Во втором случае получались «сиамские близнецы», два организма, соединенные друг с другом в какой-то части тела. Особый интерес представляют те, что, как показано на рис. 5.15, были соединены хвостами, но разделены со стороны голов, причем у каждого было свое сердце.

Рис. 5.14. Ханс Шпеман (1869–1941)

Один из дипломников Шпемана, Герман Фалькенберг, использовал «метод удавки», чтобы выяснить, справа или слева окажется сердце у соединенных тритонов-близнецов. Он не дожил до публикации результатов своей работы, потому что, как и Роберт Герц, погиб на Первой мировой войне в Битве на Сомме, возглавив ночную атаку немцев 5 сентября 1916 года близ Беллуа-ан-Сантерр. В 1919 году Шпеман опубликовал результаты этих экспериментов. Они оказались поразительными и неожиданными. Хотя сердца обоих тритонов были нормальными, и у левого тритона оно почти всегда оказывалось, как обычно, слева, у правого тритона почти в половине случаев сердце было зеркальным и оказывалось не с той стороны (справа). Чем бы ни было вызвано такое отклонение, но к мозаичной теории это не имело никакого отношения, потому что в случаях, когда эмбрион разделяли надвое волосяной петлей, нормальные расположенные слева сердца развивались в обеих половинах. А два частично разделенных эмбриона каким-то образом взаимодействовали друг с другом[153]153
  Horder, T. J. and Weindling, P. J. (1986) in Horder, T. J., Witkowski, J. A. and Wylie, C. C. (eds) A History of Embryology, Cambridge: Cambridge University Press, p. 186; Spemann, H. and Falkenberg, H. (1919) Wilhelm Roux’ Archiv für Entwicklungsmechanik 45: 371–422; Huxley, J. S. and de Beer, G. R. (1934) The Elements of Experimental Embryology, Cambridge: Cambridge University Press, pp. 75–7; Oppenheimer, J. M. (1974) American Zoologist 14: 867–79, pp. 871–2.


[Закрыть].

Рис. 5.15. Опыт Шпемана и Фалкенберга со сросшимися тритонами-близнецами. а. Петля из тонкого волоса затягивается так, чтобы сдавить эмбрион, но не разделить его. b. Сиамские близнецы на стадии нейрулы, видна нейральная складка, из которой сформируется головной и спинной мозг. c. Оригинальное фото сиамских близнецов, сделанное Шпеманом и Фалькенбергом в 1919 г. d. Рисунок тех же близнецов, сделанный Хаксли и де Биром в 1934-м, на котором видно situs inversus в правом близнеце (который на рисунке слева, так как снимок сделан снизу, с вентральной позиции). L – печень, которая обычно справа; P – расположенная в центре поджелудочная железа

Годы после Первой мировой войны отмечены широким интересом к экспериментальной эмбриологии, и многие ученые совершенствовали технику Ру и Шпемана, как, например, лорд Эдвард Тентемаунт, второй сын в семье из знатного рода, восходящего ко временам Генриха VIII. Хотя младшие сыновья, как правило, становились военными, Эдварду, поскольку его старший брат был инвалидом, судьба сулила карьеру политика – путь, который, как и многое другое в жизни, не слишком его интересовал. Но все изменилось в полдень 18 апреля 1887 года, когда тридцатилетний Эдвард, вяло перелистывая толстый ежеквартальный журнал, наткнулся на цитату французского физиолога Клода Бернара: «Живые существа не составляют исключения из великой гармонии природы, заставляющей все приспосабливаться друг к другу». Внезапно Эдвард осознал, чем он хочет заниматься – быть биологом. Он начал учиться и на следующий год уже работал в Берлине под руководством Дюбуа-Реймонда, немецкого физиолога, специалиста по нервам и мышцам, изучая проблемы ассимиляции и роста. Несмотря на запоздалый старт, Тентемаунт быстро достиг успеха, и в 1897 году на собрании Британской ассоциации в Торонто его доклад об осмосе привлек широкое внимание, в том числе со стороны юной канадской дамы, вступившей в дискуссию с сорокалетним Тентемаунтом и спустя несколько месяцев ставшей леди Тентемаунт. Пара вернулась в Лондон, где дама стала хозяйкой одного из самых заметных салонов города, а Эдвард продолжил работать в своей частной лаборатории на верхнем этаже их особняка на Пикадилли.

В 1922 году Тентемаунт вместе со своим ассистентом Иллиджем начал работать над новой, захватывающей областью экспериментальной эмбриологии, пересаживая формирующийся хвост тритона в другие части тела, чтобы выяснить, разовьется ли в новом месте хвост или, например, нога. Эмбриология оставалась одной из загадочных областей биологии. Как может единственная оплодотворенная яйцеклетка расти и делиться и все же не превращаться в бесконечно делящуюся раковую клетку, а формировать весь набор тканей и органов? Как замечает Тентемаунт, «если задуматься, рост и принятие определенной формы очень маловероятны». Очевидно, что-то должно контролировать этот процесс и влиять на него, и не в последнюю очередь из-за этого две стороны тела столь различны. Однажды вечером, когда в доме Тентемаунтов в самом разгаре был прием, Тентемаунт и Иллидж, как обычно, были заняты совсем другими проблемами: «Что там с нашими головастиками?» – спросил Тентемаунт у Иллиджа. «С асимметричными?» У них был выводок головастиков из икринок, которые с одной стороны держали в холоде, а с другой – в тепле. Нечасто удается подслушать реплики ученых, занятых своей работой, и пришло время раскрыть карты. Эдвард Тентемаунт и в самом деле редкая птица – ученый-герой великого романа Олдоса Хаксли «Контрапункт», книги, которую по полноте описания современной жизни вполне можно сопоставить с «Ярмаркой тщеславия» Теккерея[154]154
  Huxley, A. (1996 [1928]) Point Counter Point, Illinois: Dalkey Archive Press. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Роман Хаксли, опубликованный в 1928 году и сразу ставший бестселлером, – редкий случай поверхностного, но осознанного понимания научных идей – в нем встречаются мимолетные отсылки к Дарвину, Пастеру, Маху, Канту, Геккелю, Ньютону, Монду и Фарадею, а также к Бернару и Дюбуа-Реймону. Хаксли свободно ориентировался в этих сферах. Его дедом был Томас Генри Хаксли (Гексли), а его старший брат Джулиан Хаксли в 1920-х занимался экспериментальной эмбриологией и работал с эмбрионами тритонов, а в 1934 году в соавторстве с Гэвином де Биром опубликовал объемный труд «Основы экспериментальной эмбриологии» (The Elements of Experimental Embryology)[155]155
  Bedford, S. (1973) Aldous Huxley, A Biography. Vol I: 1894–1939, London: Chatto & Windus; Huxley, J. S. and de Beer, G. R. (1934) op. cit. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Несмотря на усилия таких эмбриологов, как Хаксли и де Бир, за следующие более чем полвека особого прогресса достигнуто не было, и лишь немногие эмбриологи проявляли интерес к тому, как эмбрион различает левое и правое. Позже внимание к теоретическим вопросам возродилось, но, как ни удивительно, – со стороны психологии. Интерес к тому, каким образом мозг оказался разделен на два полушария, постепенно возрастал во время и после Второй мировой войны, усилившись в 1960-е годы. В результате психологи стали задаваться вопросами о формировании полушарий мозга и о биологической основе значительной разницы в психологических феноменах, связанных с разными полушариями. Но чего здесь не хватало, так это эмпирических данных, которые позволили бы понять биологические процессы, посредством которых в организме определяется левая и правая сторона. В 1976 году появились две научные работы, заново открывшие эту область, не в последнюю очередь потому, что взаимно подтверждали друг друга – в одной шла речь о лабораторной мыши, в другой – о пациентах с необычным наследственным синдромом[156]156
  Oppenheimer, J. M. (1974); Von Kraft, A. (1999) Laterality 4: 209–55; Bryden, M. P. et al. (1996) Laterality 1: 1–3; Corballis, M. C. and Beale, I. L. (1976) The Psychology of Left and Right, Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates; Morgan, M. J. (1977) in Harnad, S., Doty, R. W., Jaynes, J., Goldstein, L. and Krauthamer, G. (eds), Lateralization in the Nervous System, New York: Academic Press, pp. 173–94; Corballis, M. C. and Morgan, M. J. (1978) Behavioral and Brain Sciences 2: 261–9, 270–78; Wehrmaker, A. (1969) Wilhelm Roux’ Archiv für Entwicklungsmechanik 163: 1–32. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Джексоновская лаборатория в Бар-Харбор в штате Мэн с 1929 года специализируется на разведении лабораторных мышей, в частности на выведении мышей с необычными генетическими отклонениями. В 1959 году двое ученых сообщили, что у некоторых мышей внутренние органы, обычно расположенные справа, находятся слева и наоборот. Мутацию, вызвавшую это, назвали iv – сокращение от inverted viscera. В 1971 году анатом Уильям Лейтон получил десять потомков первых iv-мышей и приступил к их разведению. В 1976 году ему удалось описать 441 потомка исходных десяти мышей, в дополнение к еще 507 мышам, описанным в более ранней работе 1959 года. К счастью, есть простой способ узнать, слева или справа сердце у крошечного новорожденного мышонка, – подождать 24 часа, и тогда крошечный желудок, обычно расположенный справа, окажется полон молока – он виден как белый пузырек под почти прозрачной розовой стенкой животика голого новорожденного. Если пузырек слева, значит, в мыши все наоборот и ее органы в situs inversus. Лейтон сосредоточился на тех мышах, которые, как точно было известно, получили от своих предков двойную копию iv-гена, гомозиготных, получивших этот ген от обоих родителей. Почти ровно у половины из 948 мышей, у 50,8 %, если быть точным, сердце оказалось справа, а у остальных – слева. 50 % – это как раз столько, сколько должно получиться, если предположить, что положение сердца справа или слева определяется случайным образом. И, как отмечает Лейтон, такую же долю situs inversus наблюдали Шпеман и другие в правых сиамских близнецах тритонов, лягушек и саламандр[157]157
  Hummel, K. P. (1969) and Chapman, D. B. (1959) Journal of Heredity 50: 9–13; Layton, W. M. (1976) Journal of Heredity 67: 336–8; Brown, N. A. and Wolpert, L. (1990) Development 109: 1–9; Layton, W. M. (1978) Birth Defects 14: 277–93. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Вторую важную работу в 1976 году представил шведский врач-исследователь Бьёрн Афзелиус, наблюдавший пациентов с синдромом Картагенера. Хотя обычно его обнаруживают в детстве, этот синдром может проявиться и в среднем возрасте, как в случае с 48-летним лондонцем, который на протяжении четырех месяцев выкашливал значительное количество зеленой мокроты. За два дня до поступления в больницу он испытывал боль в левой стороне груди из-за острой пневмонии. В течение долгих лет у него ежедневно с кашлем выходило до полной чашки мокроты, чему, безусловно, способствовали и два десятка сигарет, которые он ежедневно выкуривал. Так что это было уже не первое его серьезное легочное заболевание, кроме того, он страдал от тяжелых приступов синусита. При обследовании и в ходе рентгеноскопии стало ясно, что у пациента не только сердце расположено в правой стороне груди, но и все органы размещены зеркально – как раз случай situs inversus. Помимо проведения анализов, обычных для пациентов с легочными заболеваниями, врачи также обратились к нему с просьбой, которая могла показаться очень странной – провести анализ спермы. На самом деле это был тонкий диагностический ход, так как под микроскопом стало очевидно, что сперматозоиды неподвижны. У пациента был классический случай синдрома Картагенера, в котором сочетается необычная триада симптомов: бронхоэктазия (производство большого количества инфицированной мокроты), синусита и situs inversus. Мужчины с таким синдромом бесплодны, в отличие от женщин[158]158
  Kartagener, M. (1933) Beiträge zur Klinik und Erforschung der Tuberkulose und der Lungenkrankheiten 83: 489–501; Parraudeau, M. et al. (1994) British Medical Journal 308: 519–21; Afzelius, B. A. et al. (1978) Fertility and Sterility 29: 72–4; Sivak, B. and MacKenzie, C. L. (1989) Brain and Cognition 9: 109–22. См. веб-сайт.


[Закрыть].

В любом синдроме, сочетающем на первый взгляд странную комбинацию симптомов, должна существовать какая-то объединяющая их скрытая причина. Афзелиус предположил, что бронхоэктазия и синусит связаны с какой-то проблемой с ресничками респираторного эпителия. Этими ресничками покрыт эпителий и бронхов, и синусов носа – эти крошечные ворсинки регулярно колышутся, выгоняя вверх и наружу всевозможные загрязнения, попадающие в дыхательные пути и способные вызвать инфекцию. Проблемы возникают, если реснички не работают. Афзелиус изучал работу ресничек пациентов с синдромом Картагенера с помощью электронного микроскопа. У нормальной реснички очень характерный вид, известный как «строение 9+2» – две крохотные микротрубочки, спрятанные в центральной оболочке, и девять микротубул вокруг нее (рис. 5.16). С одной стороны каждой из девяти микротрубочек находится так называемая динеиновая ручка; динеин – это содержащийся в клетках белок, вызывающий их движение. Афзелиус выяснил, что у пациентов с синдромом Картагенера реснички дефектны, у них нет динеиновых ручек. Так как ресничка не в состоянии двигаться, легкие и синусы не очищаются от всяческих загрязнений, и в результате возникает инфекция. Мужчины, страдающие этим синдромом, бесплодны, поскольку динеиновых ручек нет и в хвостах их сперматозоидов, а неподвижные сперматозоиды не могут оплодотворить яйцеклетку[159]159
  Afzelius, B. A. et al. (1978) op. cit.; Afzelius, B. A. (1976) Science 193: 317–19.


[Закрыть].

Дефекты ресничек изящно объясняют большинство компонентов синдрома Картагенера, но как в эту картину вписывается situs inversus? Что общего между ресничками и положением сердца? Ключ в том, что среди братьев и сестер людей с выраженным синдромом Картагенера есть те, кто также страдает бронхоэктазисом, синуситами, а если это мужчины, то и бесплодием – но сердце у них слева, а не справа. Похоже, на каждого пациента с выраженным синдромом приходится один пациент без situs inversus. Другими словами, похоже, что реальный синдром заключается в сочетании бронхоэктазии, синусита, бесплодия и случайного расположения сердца, при этом у половины пациентов сердце окажется справа, а у половины – слева. И снова появляются эти 50 %. Возможно, нормальная работа ресничек каким-то образом подтверждает, что сердце – слева, а если реснички не движутся, то сердце оказывается или слева, или справа. Именно это и предположил Афзелиус в своей первоначальной работе. Однако эта теория столкнулась с проблемами, не в последнюю очередь связанными с тем, что никто не мог представить себе механизм, посредством которого реснички могли бы определять положение сердца. Еще больше вопросов возникало из-за того, что пациенты с похожим расстройством, известным как полинезийский бронхоэктаз, страдали бронхоэктазом, синуситом, дефектами ресничек, но не situs inversus. Более того, iv-мыши Лейтона демонстрировали прямо противоположное, поскольку никаких проблем с ресничками у них не было, да и у людей с situs inversus часто не было никаких других составляющих синдрома Картагенера. На этом этапе теория ресничек зашла в тупик и была практически забыта, и лишь некоторые работавшие в этой области специалисты упоминали о ней, как о еще одном курьезе латерализации, которых уже набралось немало[160]160
  Afzelius, B. A. (1999) International Journal of Developmental Biology 43: 283–6; Waite, D. et al. (1978) Lancet ii: 132–3; Handel, M. A. and Kennedy, J. R. (1984) Journal of Heredity 75: 498. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Рис. 5.16. Сечение нормальной человеческой реснички (A) и реснички пациента с синдромом неподвижных ресничек, сходным с синдромом Картагенера (B). С – схема организации 9+2. Стрелка в А и C указывает на одну из динеиновых ручек, а стрелка в B указывает на место, где динеиновая ручка должна была быть – у пациента их нет, и поэтому реснички не могут двигаться. Вид реснички дан снизу вверх по ее длине, а динеиновые ручки размещены по часовой стрелке

В 1980-х годах вопрос о причине, из-за которой сердце расположено слева, снова стал интересовать биологов, хотя проведению экспериментов мешало отсутствие убедительной биологической модели. Положение изменилось в конце 1980-х с появлением двух совместных работ Найджела Брауна и Льюиса Уолперта. Первая открывалась подтверждением старого, но странного открытия: высокие дозы ацетозоламида вызывают дефекты конечностей у эмбрионов мыши, и при этом поражается практически вся правая сторона тела. При этом интересно, что, как далее показали Браун и Уолперт, у iv-мышей с situs inversus лекарство вызывало дефекты левой стороны. Каким-то образом это простое вещество различало, с какой стороны тела расположено сердце – факт, предполагающий, что на это указывает какой-то очень простой знак или индикатор. Но что бы это могло быть? В 1990 году Браун и Уолперт предложили теоретическую модель того, как развивающийся эмбрион мог бы различать левое и правое. На философском уровне модель предлагала все то же, о чем говорил Кант на двести лет раньше – что левое и правое можно различить, только если есть некая общая точка отсчета. Однако Браун и Уолперт сформулировали эту идею на практическом уровне, так, чтобы биологи ее поняли и захотели идти дальше. В частности, они предположили существование так называемой F-молекулы, которая могла бы ориентироваться относительно антериально-постериальной и дорсально-вентральной осей организма; при этом асимметричная молекула заодно указывала бы левое и правое. Одновременно с этим Браун предложил в феврале 1991 года провести в Лондоне в Фонде Ciba встречу небольшой, тщательно подобранной группы ученых самых разных специальностей, чтобы обсудить проблемы, – встречу, на которой Уолперт был председателем и которая продолжалась три дня. Хотя она называлась «Биологическая асимметрия и предпочтение рук», лучше было бы назвать ее «Двадцать девять ученых в поисках F-молекулы». При взгляде назад не возникает сомнений, что именно в этот момент лево-правая асимметрия стала солидной, обсуждаемой и, что примечательно, глубокой проблемой, которую предстояло решить биологии. Итак, в 1990-х годах, после полувекового слабого прогресса, биологи неожиданно снова продвинулись вперед благодаря появлению новых мощных инструментов, предоставляемых молекулярной биологией[161]161
  Brown, N. A. et al. (1989) Development 107: 637–42; Brown, N. A. and Wolpert, L. (1990) Development 109: 1–9; Brown, N. A. et al. (1991), in Biological Asymmetry and Handedness pp. 182–201. См. веб-сайт.


[Закрыть].

По-настоящему исследования в этой области начались с эксперимента, результаты которого в 1995 году опубликовали Майк Левин и его коллеги из лаборатории Клиффа Тэбина в Гарвардском университете. Они изучали развитие сердца в эмбрионе курицы, сосредоточившись на этапе, когда сердце и другие органы еще невидимы, а эмбрион выглядит совершенно симметричным. На этой стадии, примерно спустя 16 часов после того, как яйцо снесено, эмбрион курицы соответствует пятнадцатидневному эмбриону человека и представляет собой узкий гребень – первичную полоску. На переднем крае полоски формируется «гензеновский узелок», который медленно смещается назад, оставляя за собой клетки, из которых разовьется голова. Перед гензеновским узелком формируется проходящая по центру прямая трубка, из которой позже сформируется сердце. Хотя изначально она симметрична, первый видимый признак того, что сердце становится асимметричным, проявляется в слабом смещении влево, так называемом джоггинге, после которого трубка начинает выпячиваться вправо (рис. 5.17). Далее следует долгая и сложная последовательность смещений и поворотов, пока не проявится окончательная схема, обычно с сердцем в левой стороне грудной клетки, где и можно почувствовать его биение. Левин и его коллеги выяснили, что на столь ранней стадии развития белки, подобные Sonic hedgehog, присутствуют по обеим сторонам эмбриона в очень разном количестве. На рис. 5.18, где изображен эмбрион задолго до формирования сердца, темное пятно, соответствующее Sonic hedgehog, ясно видно с левой стороны, а с правой почти не заметно[162]162
  Levin, M. et al. (1995) Cell 82: 803–14; Ibid., Wolpert, L. et al. (1998); Goldstein, A. M. et al. (1998) Developmental Genetics 22: 278–87. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Рис. 5.17. Девятидневный эмбрион мыши, вид со стороны будущей морды. Два больших пятна в верхней части – головные складки, которые соединятся, формируя голову и мозг. Под ними единственная трубочка сердца. На левом рисунке сердечная трубка изогнута вправо, и у этого эмбриона сердце в результате окажется с обычной левой стороны. На правом рисунке – эмбрион с situs inversus, сердечная трубка изгибается влево

Итак, было изящно продемонстрировано, что белок Sonic hedgehog активнее накапливается на левой половине эмбриона, но тут возникла вечная проблема биологии: корреляция – это не объяснение. Но работа Левина тем и отличалась, что могла дать ответ на подобную критику. Ученые поместили крошечную группу клеток, вырабатывающих Sonic hedgehog, справа от гензеновского узелка и посмотрели, что получится на следующий день. Сердце развивалось нормально, только не слева, как обычно, а справа. Впервые выяснилось, что точно размещенное химическое вещество может предопределить, справа или слева окажется сердце животного. Разместите группу клеток справа – и сердце окажется справа, поместите слева – и сердце будет слева. С той поры последовал шлейф открытий различных сигнальных молекул, одной из которых оказался и Sonic hedgehog. И все же ключевого элемента все еще не хватало: что же все-таки отличает левую сторону гензеновского узелка от правой?[163]163
  Esteban, C. R. et al. (1999) Nature 401: 243–51; Capdevila, J. et al. (2000) Cell 101: 9–21; Levin, M. et al. (1997) Developmental Biology 189: 57–67; Ryan, A. K. et al. (1998) Nature 394: 545–51; Whitman, M. and Mercola, M. (2001) Science’s STKE http://www.stke.org/cgi/content/full/OCV_sigtrans:2001/64/re1: См. веб-сайт.


[Закрыть]

Рис. 5.18. Асимметричность выделения белка Sonic hedgehog в эмбрионе курицы. На верхнем рисунке показано схематическое изображение эмбриона: HP – формирующаяся голова, HN – гензеновский узелок, PS – первичная полоска. На нижнем рисунке – сечение эмбриона на уровне гензеновского узелка, показанное на верхнем рисунке пунктиром, PP – первичная ямка в гензеновском узелке, E – внешний эктодермальный слой, M – внутренний мезодермальный. Эмбрион был окрашен, чтобы выделить белок Sonic hedgehog, который выглядит как большое черное пятно слева от срединной линии в верхней части эмбриона

Пока Левин и другие искали сигнальные молекулы, Мартина Брюкнер и ее сотрудники, работавшие в лаборатории Артура Хорвича в Йельском университете, пытались выяснить, что не так с iv-мышами, стараясь найти дефектный ген. Этот долгий и трудный поиск Хорвич назвал лаконично: «Скучная работа». Понадобилось шесть лет, чтобы отыскать этот ген, и его расшифровка была опубликована в 1997 году. Выяснилось, что iv-ген отвечает за выработку белка, который группа Брюкнер назвала «лево-правый динеин». Ненормальность динеинов при синдроме Картагенера уже говорила о том, что эти молекулярные моторы клеток как-то связаны с латерализацией сердца. Однако единственное, что было совершенно ясно в отношении лево-правого динеина, – это то, что он не имеет никакого отношения к формированию реснитчатого эпителия в дыхательных путях и синусов iv-мышей, поскольку они были в норме. Так как же он был связан с различением левого и правого? Теории множились, некоторые предполагали, что, возможно, молекулы работают примерно так же, как F-молекула Брауна и Уолперта, перекачивая химические вещества из левой части клетки в правую, таким образом показывая эмбриону, где какая сторона. Но, похоже, дело было совсем не в этом. В некотором отношении все оказалось куда проще, намного проще, чем четверть века назад предполагал Афзелиус. У iv-мышей оказался ненормальный реснитчатый эпителий, но совсем не там, где его раньше искали, и не того же типа, как тот, что был дефектным при синдроме Картагенера[164]164
  Brueckner, M. et al. (1989) Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 86: 5035–8; Brueckner, M. et al. (1991) in Biological Asymmetry and Handedness, pp. 202–18; Supp, D. M. et al. (1997) Nature 389: 963–6. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Ключевое открытие сделала группа ученых под руководством Нобутаки Хирокавы из Университета Токио. Они изучали кинезины, которые, как и динеины, представляют собой молекулярные моторы, которые, скользя по микротрубочкам, перемещают молекулы в клетке. Каждый кинезин состоит из более мелких белков, два из которых называются KIF3A и KIF3B. Хирокава и его коллеги изучали, какую роль в развитии играют KIF3A и KIF3B, выведя мышь, в которой один из этих белков был выключен. Оба белка явно очень важны, так как подвергнутые эксперименту эмбрионы оказывались очень по-разному деформированы и погибали на ранней стадии беременности. Неожиданно выяснилось, что примерно у половины эмбрионов сердце оказалось справа, что добавило еще одно генетическое отклонение в список тех, что вызывают situs inversus. Зная, что узел считался ключевым в установлении лево-правой асимметрии, поскольку кинезины участвовали в формировании таких тканей, как реснитчатый эпителий, Хирокава внимательно изучил узелковую область под микроскопом. Узел показан на рис. 5.19, где он выглядит как небольшая ямка примерно треугольной формы, под которой около двадцати клеток – так называемых моноцилий[165]165
  Nonaka, S. et al. (1998) Cell 95: 829–37; Takeda, S. et al. (1999) Journal of Cell Biology 145: 825–36; Marszalek, J. R. et al. (1999) Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 96: 5043–8; Vogan, K. J. and Tabin, C. J. (1999) Nature 397: 295–8.


[Закрыть].

Хотя моноцилии и состоят в отдаленном родстве с обычным реснитчатым эпителием, дефект которого вызывает синдром Картагенера, они во многом от него отличаются. У них нет двух микротрубочек в центральной части, и их структура организована по формуле 9+0, а не 9+2, как у клеток обычного реснитчатого эпителия. Большинство биологов считают, что и функционируют моноцилии иначе, и в отличие от обычных ресничек, не могут двигаться. К удивлению Хирокавы, у мышей с выключенным белком в гензеновском узелке полностью отсутствуют моноцилии. Еще большим сюрпризом оказалось, что в узелке нормальных, живых эмбрионов моноцилии движутся, что стало ясно при исследовании под микроскопом. И они не просто двигались, но вместо волнообразного движения, свойственного обычным ресничкам, они вращались по часовой стрелке, словно пропеллеры. Это сразу же изменило все представления о происхождении лево-правой асимметрии. «F-молекула», которую искали Браун и Уолперт, оказалась вообще не молекулой, но объектом куда более крупным: клеточной органеллой, видимой даже в световой микроскоп. Более того, поскольку она вращалась в одном направлении, а нижним концом крепилась к основанию узелка, который в свою очередь был зафиксирован относительно срединной линии организма и дорсально-вентральной оси (то есть верха и низа), то это могло бы задавать точку отсчета и репер, сообщающий организму, какая сторона правая, а какая – левая. Но каким образом?[166]166
  См. веб-сайт.


[Закрыть]

Рис. 5.19. Узелок в трех последовательных увеличениях. a. Эмбрион, узелок внизу. b. Увеличенный вид узелка. с. Моноцилии в основании узелка, при еще большем увеличении

В отличие от ученых, увидевших вращение моноцилий под микроскопом, другие клетки растущего эмбриона лишены такой возможности. Так каким же образом моноцилии сообщают остальным клеткам эмбриона, где правая, а где левая сторона? Последним сюрпризом для группы Хирокавы стал эффект, который возник после того, как они поместили в узелок крошечные флуоресцирующие латексные крупинки и увидели, как их с большой скоростью выстреливает с правой стороны узелка на левую – и только справа налево. Это был мощный поток, означавший, что моноцилии перекачивают любые сигнальные молекулы, вырабатываемые узелком, почти исключительно на левую сторону, где они могут породить каскад сигнальных молекул, подобных белку Sonic hedgehog. Если это происходит у нормальных мышей, то у мышей с выключенными белками KIF3A и KIF3B должны быть какие-то нарушения. Поскольку у таких мышей нет реснитчатого эпителия, то сигнальные молекулы, вырабатываемые узелком, должны примерно в равных количествах появляться и справа, и слева. «Примерно в равных» – потому что, как и всюду, флуктуирующая асимметрия означает, что у половины мышей несколько более высокая их концентрация окажется слева, и сердце у них поэтому будет слева, а у половины более высокая концентрация окажется справа, и органы окажутся в положении situs inversus. Несмотря на то что у iv-мышей частота situs inversus также составляла 50 %, поначалу казалось, что подобное объяснение в их случае не работает, потому что под микроскопом было ясно видно, что у них в узелке присутствуют реснитчатые клетки. Однако хотя реснички и выглядели совершенно нормальными, они не двигались – по описаниям «они явно застыли», – а потому этот механизм, как в случае с мышами, у которых не было KIF3A и KIF3B, должен приводить к тому, что у половины сердце окажется справа, а у половины – слева[167]167
  Okada, Y. et al. (1999) Molecular Cell 4: 459–68, p. 459; Ainsworth, C. (2000) New Scientist 17 June: 40–45; Supp, D. M. et al. (2000) Trends in Cell Biology 10: 41–5. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Моноцилии в узелке, казалось, объясняют большую часть происходящего самым прекрасным образом. Прекрасным, если не считать того, что с 1992 года в этой бочке меда появилась изрядная ложка дегтя. Группа ученых из Бейлорского медицинского колледжа в Хьюстоне поместила в мышь новый ген – процедура, которая могла привести к очень неожиданным результатам. Ген, который ввел Пол Овербик и его группа, должен был быть вставлен точно в середину другого важного гена, потому что мыши со слишком серьезными отклонениями умирали бы слишком рано. Самым удивительным в этих мышах оказалось то, что у всех до одной сердце было справа. Не у пятидесяти процентов, как у iv-мышей, а у всех ста. Новую мутацию не слишком удачно назвали inv-мутацией, по первым буквам слов «inversion of embryonic turning» – «инверсия эмбрионального вращения». Как именно работала эта мутация, было полной загадкой, потому что со времен Шпемана ученые полагали, что как бы серьезно ни нарушалось развитие сердца – мутациями, травмой или чем-то еще, доля случаев situs inversus могла составлять максимум половину. Превзойти этот барьер случайности казалось невозможным, но каким-то образом inv-мутация его преодолевала[168]168
  Yokoyama, T. et al. (1993) Science 260: 679–82; Brown, N. A. and Lander, A. (1993) Nature 363: 303–4; Morgan, M. J. (1978) Behavioral and Brain Sciences 2: 325–31. См. веб-сайт.


[Закрыть].