Текст книги "Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек"

Хэ Цзянькуй принимал абсолютно неудачные решения буквально на каждом этапе своей работы: неправильный ген, неправильные пациенты, неправильный протокол, неправильная задача. Но еще он поддался неизбежному искушению, возникающему при появлении любой новой технологии: он хотел быть первым. Он часто повторял, что его исследование – это путь к Нобелевской премии. Он сравнивал себя с Эдвардсом и Стептоу, однако мне он напоминает скорее современную версию Лэндрума Шеттлса: чрезвычайно самонадеянный и упрямый, невероятно увлеченный наукой, но, по-видимому, неспособный проводить в экспериментальных исследованиях разграничение между людьми и аквариумными рыбками.

Это его не оправдывает – другие ученые, владеющие такими же технологиями, умеют себя контролировать. Однако генетические манипуляции с человеческими эмбрионами (путем отбора эмбрионов или редактирования генома) для избавления от болезней (или, возможно, для расширения человеческих возможностей) чем дальше, тем больше кажутся неизбежным направлением развития медицины. То, что начиналось как способ решать проблему бесплодия, теперь становится способом избавляться от человеческих уязвимостей. И в центре этой терапии находится чрезвычайно гибкая и чрезвычайно ценная клетка – оплодотворенная яйцеклетка, человеческая зигота.

Сейчас в нашем повествовании мы выйдем из замкнутого мира одноклеточной зиготы и перейдем к развивающемуся эмбриону. Но давайте остановимся и задумаемся, почему мы вообще покинули одноклеточный мир. Как появились “мы” – многоклеточные организмы? Рассмотрим пример дрожжей или некоторых одноклеточных водорослей. Эти единичные, или современные, клетки, как называет их биолог Ник Лейн, обладают фактически всеми свойствами клеток гораздо более сложных организмов, включая человека. Их много, они чрезвычайно успешны в своих средах обитания и прекрасно себя чувствуют в самых разных условиях на Земле. Они общаются между собой, воспроизводятся, осуществляют метаболизм и передают сигналы. У них есть ядра, митохондрии и большинство других органелл, обеспечивающих удивительную эффективность функционирования автономных клеток. И поэтому возникает вопрос: с какой же стати они избрали путь объединения в многоклеточные организмы?¹⁷

Эволюционные биологи, занимавшиеся изучением этого вопроса в начале 1990-х годов, считали, что переход эукариот (ядерных клеток) от одноклеточной к многоклеточной жизни произошел в результате преодоления высокого эволюционного порога. В конце концов, не могла ведь дрожжевая клетка проснуться в один прекрасный день и решить, что ей будет лучше жить в виде многоклеточного организма. Как сказал венгерский эволюционный биолог Ласло Наги, переход к многоклеточным организмам “рассматривался как важнейший переход с большими генетическими [и, следовательно, эволюционными] трудностями”¹⁸.

Однако результаты некоторых недавних экспериментов и генетических исследований указывают на совсем другой ход событий. Во-первых, многоклеточные организмы очень древние. Возраст спиральных окаменелостей, похожих на свернутые побеги папоротника, которые начали формироваться в среде зеленых и сине-зеленых водорослей, составляет около двух миллиардов лет; по какой-то причине индивидуальные клетки начали срастаться друг с другом. Около пятисот семидесяти миллионов лет назад появились и разрослись на дне океана листовидные “организмы” с лучевой структурой, напоминающие тоненькие вены (венулы) и состоящие из многочисленных клеток. Из отдельных клеток сформировались губки. Колонии микроорганизмов самопроизвольно объединялись с образованием новых “существ”, предвещая появление нового типа существования.

Но, вероятно, самым удивительным свойством многоклеточной жизни является ее независимая эволюция у разных видов, произошедшая не один раз, а множество раз¹⁹. Как будто стремление к многоклеточному существованию было столь сильным и всеобъемлющим, что эволюция вновь и вновь перешагивала через все преграды на этом пути. Генетические данные однозначно это подтверждают. Коллективное существование (по сравнению с изоляцией) давало столько преимуществ, что силы естественного отбора многократно приводили к победе коллективизма. Как выразились эволюционные биологи Ричард Гросберг и Ричард Стрэтмэн, переход от одиночных клеток к многоклеточным организмам был “маленьким большим переходом”²⁰.

Этот “маленький большой переход” от одноклеточной к многоклеточной жизни можно изучить и в какой-то степени воспроизвести в лабораторных условиях. В рамках одного из самых интересных экспериментов такого рода, выполненного в 2014 году в Университете Миннесоты, группа исследователей под руководством Майкла Травизано и Уильяма Рэтклифа добилась эволюции многоклеточного существа из одноклеточного организма²¹.

Худой и безмерно воодушевленный Рэтклиф в очках в металлической оправе похож на вечного студента-старшекурсника, однако на деле он профессор, автор многих цитируемых статей и руководитель большой лаборатории в Атланте²². Однажды утром в 2010 году Рэтклиф, завершавший работу над диссертацией по экологии, эволюции и поведению, беседовал с Травизано о происхождении многоклеточной жизни. Оба знали, что многие одноклеточные формы эволюционировали в многоклеточные по разным причинам и разными путями.

Когда Рэтклиф описывал их эксперимент, он посмеивался, перефразируя известное начало классического романа Толстого: “Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему”. Как он сказал мне, в эволюции многоклеточной жизни логика обратная: каждый одноклеточный организм избрал собственный путь превращения в многоклеточную форму. Каждый стал “счастливым”, точнее, приспособленным в эволюционном плане, развиваясь по собственному пути. А одноклеточные организмы остались, так скажем, похожими друг на друга одноклеточными. Говоря словами Рэтклифа, эта ситуация “противоположна ситуации Анны Карениной”.

Травизано и Рэтклиф работали с дрожжами. В декабре 2010 года, во время рождественских каникул, Рэтклиф провел один из самых великолепных по простоте эволюционных экспериментов. Он вырастил клетки дрожжей в десяти колбах, а потом дал им отстояться сорок пять минут, так что одиночные клетки дрожжей продолжали плавать на поверхности, а более тяжелые многоклеточные агрегаты (“кластеры”) осели на дно. (После нескольких экспериментов выяснилось, что разделение происходит эффективнее, если вращать культуру в центрифуге на низкой скорости.) Рэтклиф отобрал многоклеточные кластеры, осевшие под действием силы тяжести, и вырастил их, а затем повторил процесс более шестидесяти раз со всеми десятью культурами, каждый раз отбирая осевшие на дно агрегаты. Он имитировал отбор и рост на протяжении многих поколений²³ – Галапагосские острова Дарвина в колбе.

Когда Рэтклиф шел в лабораторию на десятый день, валил густой снег. “Большие тяжелые хлопья снежинок”, – вспоминал он. Он стряхнул снег с куртки и ботинок, взглянул на колбы и немедленно понял: что-то произошло. Жидкость в колбах с десятой культурой была прозрачной, а на дне лежал осадок. Под микроскопом он увидел такую же картину, как за окном: во всех десяти колбах осадок превратился в многоклеточные агрегаты нового типа – кристалловидные, с многочисленными отростками скопления сотен дрожжевых клеток. Живые снежинки. Однажды объединившись, эти “снежинки” продолжали жить в виде кластеров. При последующем культивировании они не разделялись на одиночные клетки, а сохраняли конфигурацию. Войдя в фазу многоклеточной жизни, эволюция отказывалась поворачивать обратно.

Рэтклиф понял, что агрегаты (он называл их “снежиночками”) возникли по той причине, что материнские и дочерние клетки оставались в кластере даже после деления. Эта картина воспроизводилась из поколения в поколение, как в сплоченной семье, где дети, вырастая, не покидают дом предков.

По мере продолжения эксперимента кластеры становились все крупнее, и у ученых возник новый вопрос. Как размножаются эти агрегаты? Простая модель предполагает, что от кластера отделяется одиночная клетка, которая затем растет, превращаясь в новую звездчатую форму. Однако выяснилось, что кластеры размножаются, расщепляясь посредине по достижении определенного размера. Семья из нескольких поколений распадается на две семьи из нескольких поколений. “Это было невероятно, – рассказывал мне Рэтклиф. – Эволюция – эволюция многоклеточных существ – в колбе”.

Жизненный цикл дрожжевых “снежинок”. “Снежинки” эволюционировали из одноклеточных дрожжей в результате отбора наиболее крупных кластеров. Со временем они сохранили крупную форму и не вернулись в одноклеточное состояние – произошел эволюционный отбор многоклеточной жизни.

К разрастающимся отросткам добавлялись новые клетки, увеличивая размер кластеров. Сначала “снежинки” распадались под действием физического напряжения из-за своего размера, как слишком длинные ветви отваливаются от дерева, когда больше не могут держаться. Однако со сменой поколений возникли специализированные клетки, которые шли на преднамеренное, запрограммированное самоубийство, чтобы создать специфический участок расщепления, облегчающий отделение одного кластера от другого.

Сначала размножение многоклеточных кластеров определялось физическими ограничениями: “снежиночки” становились такими большими, что распадались под действием физического напряжения из-за собственного размера. Но потом обнаружился новый сюрприз: по мере эволюции в середине кластеров появилась группа клеток, совершавших намеренное и запрограммированное самоубийство, в результате чего внутри агрегата возникала борозда – разлом, по которому происходило отделение нового кластера от материнского.

Я спросил Рэтклифа, что будет, если он продолжит выращивать все новые и новые поколения “снежинок”. Он уже вырастил несколько тысяч поколений и намерен продолжать до пятидесяти или даже сотни тысяч на протяжении своей жизни. “Мы уже обнаружили появление новых свойств, – мечтательно ответил он, как будто воображая будущее нового Существа. – Сейчас кластеры в двадцать тысяч раз крупнее единичных клеток. И между клетками возникла некая связь. Теперь их трудно разделить, пока не возникнет линия раздела из мертвых клеток. А между некоторыми начинают рассасываться стенки. Мы пытаемся понять, не возникают ли между клетками в крупных кластерах своего рода каналы коммуникации для передачи питательных веществ или сигналов. Мы добавили гены гемоглобина, чтобы посмотреть, не появится ли механизм для переноса кислорода. Мы начали добавлять гены, которые могли бы позволить клеткам получать энергию из света, как это делают растения”.

Эволюционисты провели несколько вариантов подобных экспериментов с разными одноклеточными организмами²⁴ – дрожжами, слизевиками, водорослями, – и из этих экспериментов начинает вырисовываться один общий принцип. При правильном эволюционном давлении одноклеточные организмы всего за несколько поколений могут превращаться в многоклеточные агрегаты. Однако некоторым на это нужно больше времени: в рамках одного эксперимента одноклеточные водоросли превратились в многоклеточные кластеры только через семьсот пятьдесят поколений. Это лишь миг, мгновение на эволюционной шкале, но это семьсот пятьдесят жизней для клеток водорослей.

Мы можем лишь строить догадки и проводить эксперименты, чтобы понять, почему одноклеточные существа так стремятся к образованию многоклеточных кластеров. Чтобы увидеть истинный естественный отбор в действии, пришлось бы повернуть время вспять. Однако господствующие ныне теории предполагают, что специализация и кооперация позволяют сохранять энергию и ресурсы за счет развития новых синергических функций. Одна часть коллектива может заниматься удалением отходов жизнедеятельности, а другая – добывать пищу, и за счет этого многоклеточный кластер приобретает эволюционное преимущество. Как предполагает одна известная гипотеза, подтвержденная экспериментами и математическими моделями, многоклеточные формы эволюционировали для того, чтобы организм мог стать крупным и быстрым, что помогает спасаться от хищников (трудно проглотить тело размером со снежинку) или совершать более быстрые и координированные движения по слабым пищевым градиентам. Эволюция двигалась в направлении коллективного существования, поскольку это позволяло “организмам” не быть съеденными, но поедать других²⁵. Может быть, ответ никогда не будет найден, а может быть, их будет несколько. Но мы знаем, что эволюция многоклеточных форм была не случайностью, а намеренным и целенаправленным явлением. Как в эксперименте Рэтклифа с дрожжами, некоторые клетки приобретают способность идти на запрограммированную смерть, на самопожертвование, чтобы обеспечить отделение одного кластера от другого, – и это признак специализации клеток со специфической локализацией. И, как обнаружил Рэтклиф, при увеличении агрегатов по мере смены поколений в них, возможно, начинают развиваться каналы для доставки питательных веществ к внутренним анатомическим структурам.

Обратите внимание на эти слова: специализация, анатомия и локализация. Вероятно, в какой-то момент Рэтклиф начнет называть эти кластеры организмами. Он уже выясняет, как строится их анатомия. Его интересует, как при делении клеток появляются специализированные структуры, почему они приобретают специфические функции и чем определяется локализация этих структур внутри кластеров. Как происходит формирование каналов? Клеточных сосудов? Систем доставки питательных веществ? Первичного сигнального аппарата? У клеточного биолога может возникнуть искушение использовать специфический термин, описывающий появление организованной функциональной анатомии и специализированных клеток, которым сопровождается увеличение размера и сложности этих “организмов”. Он может называть этот процесс “развитием”.

Развивающаяся клетка. Клетка становится организмом

Жизнь – не столько то, что “существует”, а скорее то, что “возникает”¹.

Игнац Дёллингер, немецкий натуралист, анатом и профессор медицины XIX века

Давайте остановимся на минуту и поговорим о том, как рождается человеческая зигота. Сперматозоид прокладывает себе путь[64]64
  Сперматозоид движется главным образом с помощью длинного извивающегося хвоста, называемого жгутиком. В его основании расположено несколько белков, которые взаимодействуют друг с другом, как крохотный, но мощный мотор, создающий постоянные движения жгутика, как движения хлыста. Вокруг молекулярного мотора располагается кольцо митохондрий, обеспечивающих необходимую энергию для неистового продвижения сперматозоида навстречу яйцеклетке. Кроме большого подвижного жгутика, похожие белки формируют гораздо более мелкие подвижные отростки, или волоски, называемые ресничками, которые играют важнейшую роль в клеточной биологии. Реснички позволяют перемещаться многим типам клеток за счет непрерывного и часто однонаправленного движения. Вот несколько примеров. Реснички клеток, выстилающих кишечник, обеспечивают продвижение пищи, а реснички белых клеток крови позволяют им перемещаться по кровеносным сосудам, чтобы защищать тело от инфекций. Считается, что реснички клеток фаллопиевых труб проталкивают только что высвобожденную яйцеклетку к месту оплодотворения. А реснички клеток выстилки дыхательных путей постоянно движутся, изгоняя слизь и посторонние частицы. Реснички способствуют перемещению клеток эмбриона в процессе развития организма. Воспроизводство, развитие и выздоровление человеческого организма были бы невозможны без нормального функционирования ресничек. Иногда дети рождаются с редким генетическим заболеванием – цилиарной дискинезией, – при котором реснички утрачивают способность участвовать в основных и вспомогательных механизмах функционирования тела. Это приводит к многочисленным нарушениям, таким как хроническая заложенность носа и частые респираторные заболевания, связанные с накоплением мокроты и чужеродных частиц в дыхательных путях. У половины больных картина усложняется врожденным смещением органов из-за нарушения клеточной функции в процессе развития, в частности, сердце может оказаться не в левой, а в правой стороне тела. Женщины с этим синдромом часто бесплодны, поскольку клетки репродуктивной системы не могут перемещать яйцеклетки к месту оплодотворения.


[Закрыть] через океанические по его меркам расстояния и проникает в яйцеклетку. Две клетки соединяются за счет специального белка на поверхности яйцеклетки и соответствующего ему рецептора на сперматозоиде. Когда один сперматозоид проникает в яйцеклетку, из нее выделяется волна ионов, которые вызывают серию реакций, препятствующих проникновению внутрь других сперматозоидов.

В конце концов, на клеточном уровне все мы моногамны.

Аристотель считал, что на последующих стадиях происходит некая “лепка” плода из менструальной крови. Он предположил, что “тело” плода возникает из менструальной крови матери, а отец предоставляет сперму (“информацию”) для превращения крови в тело плода и для вдыхания в него жизни и тепла. В этой гипотезе была своеобразная логика, хотя и извращенная: зачатие приводит к прекращению менструальных кровотечений, а куда в таком случае может уходить кровь, рассуждал Аристотель, как не на формирование плода?

Схема была полностью ошибочной, но в ней содержалось зерно истины. Аристотель ушел от древней теории преформизма, согласно которой мини-человечки, называемые гомункулами, возникают в чреве в уже готовом виде (с глазами, носом, ртом и ушами), но только микроскопическими, упакованными в сперме, как игрушка, которая увеличивается до настоящего размера при добавлении воды. Теория преформизма витала в умах многих ученых с самых давних времен и вплоть до начала XVIII века.

Теория же Аристотеля, напротив, гласила, что развитие плода происходит как серия отдельных событий, в результате которых плод приобретает форму. Генезис (развитие) происходит за счет… генезиса, а не просто масштабирования. Физиолог Уильям Гарвей в 1600-е годы писал: “У некоторых [животных] одна часть появляется раньше другой, а затем из того же материала получает одновременно питание, массу и форму”. Эта теория позднее стала называться теорией эпигенеза: в целом она отражает идею, что генезис происходит в результате каскада эмбриологических изменений, действующих “на” (epi) развивающуюся зиготу.

В середине 1200-х годов немецкий монах Альберт Великий, интересы которого простирались от химии до астрономии, изучал эмбрионы зверей и птиц. Подобно Аристотелю, он ошибочно полагал, что самые первые этапы образования зародыша заключаются в затвердевании тела, возникающего из спермы и яйцеклетки, как сыр образуется из молока. Но Альберт Великий значительно развил теорию эпигенеза. Он одним из первых наблюдал появление органов эмбриона: выпячивание глаза на том месте, где раньше ничего не было, удлинение крыльев из едва заметных бугорков на боках эмбриона цыпленка.

Почти пять столетий спустя, в 1759 году, двадцатипятилетний сын немецкого портного Каспар Фридрих Вольф написал диссертацию под названием Theoria Generationis, в которой развил наблюдения Альберта Великого и описал серии последовательных изменений в процессе эмбрионального развития². Вольф нашел хитроумный способ наблюдения за эмбрионами птиц и животных под микроскопом. И смог увидеть поэтапное развитие органов: как сердце плода начало производить первые пульсирующие движения, как сформировались искривленные трубочки кишечника.

Вольф обнаружил непрерывность процесса развития: он мог проследить за образованием новых структур из тех, что уже возникли раньше, хотя их окончательная морфология не имела очевидного сходства с признаками раннего эмбриона. “Нужно описать и объяснить новые элементы, – писал он, – и одновременно нужно обозначить их историю, даже если они не достигли своей прочной и окончательной формы, а все еще постоянно развиваются” (курсив С. М.). Немецкий поэт Иоганн Вольфганг Гёте считал эти постепенные (и удивительные) метаморфозы при превращении эмбриональной формы во взрослый организм проявлением сил Природы. “[Мы] начинаем понимать форму, с которой Природа, скажем так, всегда играет, – писал он в 1786 году, – и, играя, рождает многообразие жизни”³. Плод не просто пассивно раздувается как шар; Природа “играет” с его ранними формами, как ребенок играет с пластилином, формируя, вылепливая и доводя до формы взрослого организма.

В конечном итоге наблюдения Альберта Великого и позднее Каспара Вольфа о непрерывном изменении органов плода способствовали развенчанию теории преформизма⁴. Ей на смену пришла клеточная теория эмбрионального развития, утверждающая, что все анатомические структуры развивающегося эмбриона формируются за счет деления клеток, создающих разные структуры с разными функциями. Как писал натуралист Игнац Дёллингер в 1800-х годах, “жизнь – не столько то, что «существует», а скорее то, что «возникает»”.

Но давайте вернемся к зиготе в матке. Оплодотворенная яйцеклетка вскоре делится, образуя две клетки, потом четыре и так далее, пока не образуется маленький клеточный шарик. Клетки продолжают делиться и двигаться – именно это шевеление обнаружила в свое время медсестра и биолог Джин Парди из лаборатории Роберта Эдвардса. Процесс продолжается до тех пор, пока внутри этой массы клеток не возникает полость, делая ее похожей на наполненный жидкостью шар, стенки которого образуют новые клетки. Данную структуру называют бластоцистой. Крохотный комочек клеток продолжает делиться, формируя внутреннюю стенку полого шара. Обволакивающая шар внешняя стенка прикрепляется к матке и становится частью плаценты (оболочки плода) и пуповины. А маленький комочек клеток, висящий на внутренней стенке шара подобно летучей мыши, превращается в человеческий зародыш[65]65
  Конечно, это упрощенная схема, и я старался не использовать специфические эмбриологические термины. Для тех, кого интересуют подробности: из стенки бластоцисты, называемой трофобластом, возникают оболочки, ограждающие ранний эмбрион (хорион и амнион), а также желточный мешок, обеспечивающий питание зародыша. Когда хорион внедряется в матку, формируя плаценту, желточный мешок рассасывается – и плацента становится для зародыша главным источником питательных веществ. Пупочный канатик (пуповина), содержащий кровеносные сосуды и другие протоки, соединяет эмбрион с материнской системой циркуляции крови и обеспечивает обмен газами и питательными веществами. Для более подробного ознакомления с развитием трофобласта я советую прочесть эту статью: Knofler М. et al. Human Placenta and Trophoblast Development: Key Molecular Mechanisms and Model Systems. Cell Mol Life Sci 76, no. 18 (2019): 3479-96.


[Закрыть].

Следующая серия событий представляет собой настоящее чудо эмбриологии. Внутренняя масса клеток, этот крохотный кластер, свисающий со стенки клеточного шарика, чрезвычайно быстро делится с образованием двух слоев клеток: внешний слой называется эктодермой, внутренний – энтодермой. А примерно через три недели после зачатия появляется третий слой, который встраивается между двумя первыми, как ребенок устраивается в постели между родителями. Этот средний слой называют мезодермой.

Эти три эмбриональных слоя (или листка) – эктодерма, энтодерма и мезодерма – служат основой для построения всех органов человеческого тела. Из эктодермы образуются все внешние элементы тела: кожа, волосы, ногти, зубы и даже хрусталики глаз. Энтодерма дает начало всем обращенным внутрь элементам, таким как легкие и кишечник. А из мезодермы возникает все, что посредине: мышцы, кости, кровь, сердце.

Теперь эмбрион готов к последней серии превращений. Вдоль тонкой оси внутри мезодермы выстраиваются клетки, формирующие стержневую структуру – хорду, протянутую от передней до задней части эмбриона. Хорда становится “осью координат” развивающегося эмбриона, определяющей локализацию и направленность осей внутренних органов, а также производит белки, называемые индукторами. В ответ на появление этой жесткой структуры участок внешнего слоя (эктодермы) изгибается и образует трубку непосредственно над хордой. Позднее из этой трубки развивается нервная система, состоящая из головного мозга, спинного мозга и нервов.

Интересно, что, как это часто случается в эмбриологии, сыграв эту роль оси координат развивающегося эмбриона, хорда при взрослении организма теряет свое значение и функцию. В теле взрослого человека от нее остается лишь пульпа внутри костей[66]66
  Точнее говоря, у человека, как и у других млекопитающих, остатки хорды образуют студенистое ядро межпозвоночных дисков. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. В конце концов “главнокомандующий”, руководивший развитием эмбриона, заключается в костяную тюрьму в том самом существе, которое он и создавал.

После формирования хорды и нервной трубки из трех слоев (четырех, если отдельно считать нервную трубку) образуются индивидуальные органы: примитивное сердце, зачаток печени, кишечник, почки. Примерно на четвертой неделе беременности происходят первые сокращения сердца. Через неделю после этого одна часть нервной трубки начинает превращаться в зачаток головного мозга. А мы помним, что все это возникает из одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки. Как пишет физик Льюис Томас в сборнике рассказов “Медуза и улитка. Дополнительные заметки наблюдателя биологии”: “На определенном этапе возникает единственная клетка, потомством которой станет весь человеческий мозг. Само существование такой клетки является одним из самых невероятных чудес на Земле”⁵.

До сих пор я лишь описывал сам процесс. Но какие механизмы управляют эмбриогенезом? Откуда клетки и органы знают, что должно происходить? В нескольких параграфах невозможно отобразить невероятно сложные взаимодействия между клетками и между клетками и генами, которые обеспечивают развитие всех отделов эмбриона – органов, тканей, систем органов – в правильное время и в правильном месте в организме. Каждое такое взаимодействие – виртуозная игра, сложная симфония для многих инструментов, доведенная до совершенства за миллионы лет эволюции. Здесь мы можем напеть лишь главную тему симфонии – основные процессы и механизмы, за счет которых развивающаяся клетка превращается в развивающийся организм.

Первые ответы на эти вопросы были получены в 1920-е годы благодаря одним из самых захватывающих экспериментов в истории эмбриологии, проведенных дородным и грубоватым немецким биологом Хансом Шпеманом и его студенткой Хильдой Мангольд. Подобно тому как ранее Антони ван Левенгук научился полировать стеклянные шарики для изготовления самых прозрачных линз, Шпеман и Мангольд научились делать тончайшие стеклянные пипетки и иглы, нагревая над горелкой Бунзена и растягивая наполовину расплавленную стеклянную трубочку до состояния тонкой, почти невидимой нити. (Вообще говоря, историю клеточной биологии можно было бы написать через призму истории стекла.) С помощью таких пипеток, игл, аспираторов, ножниц и микроманипуляторов Шпеман и Мангольд смогли выделять крохотные фрагменты ткани из разных участков эмбриона лягушки, пока эмбрионы все еще находились в форме глобулы – задолго до образования сложных структур, слоев и органов.

Шпеман и Мангольд извлекли один фрагмент ткани из эмбриона лягушки, находящегося на очень ранней стадии развития. Из предыдущих экспериментов, в которых они отслеживали судьбу различных частей эмбриона, они знали, что этот кластер клеток должен превратиться в передний конец хорды, отделы кишечника и некоторые прилежащие органы⁶. Позднее этот фрагмент назвали “организатором”.

Шпеман и Мангольд пересадили эту ткань в другой эмбрион лягушки и стали ждать появления головастика. То, что они увидели под микроскопом, напоминало двуликого Януса. Как и ожидалось, химерный головастик имел два нотохорда и два кишечника – один собственный и один донорский. Но по мере роста эмбрион все больше и больше походил на монстра: он превращался в головастика с двумя полностью слитыми верхними частями тела, двумя полностью сформированными нервными системами и двумя головами. Ткань из второго эмбриона не просто формировалась сама, но также заставляла следовать ее указаниям расположенные рядом хозяйские клетки⁷. Как выразился Шпеман, она “индуцировала” рост полноценной второй головы[67]67
  В этом случае были пересажены клетки из передней части хорды, и поэтому у головастика появились две головы и две нервные системы. По анатомическим причинам вырастить заднюю часть эмбриона лягушки из заднего конца нотохорда и мезодермы гораздо сложнее.


[Закрыть].

Ученым понадобилось несколько десятилетий, чтобы понять, какие именно белки “заставляют” клетки формировать новую нервную систему и новую голову. Однако Шпеман и Мангольд заложили основы понимания этих последовательных стадий развития структур эмбриона[68]68
  Хильда Мангольд трагически погибла в 1924 году в двадцать шесть лет. В 1935 году Ханс Шпеман был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие эмбриональных организаторов и эмбриональной индукции. – Прим. перев.


[Закрыть]. Клетки, появляющиеся на ранних стадиях развития, такие как клетки организатора, выделяют локальные факторы, которые определяют судьбу и форму клеток, появляющихся позднее, а эти клетки, в свою очередь, выделяют факторы, создающие органы и связи между органами[69]69
  Встает еще один вопрос: откуда клетки организатора узнают собственное предназначение? Ответ: благодаря сигналам, посланным клетками, которые возникли на еще более ранних этапах, – и так в ретроспективе до единственной оплодотворенной яйцеклетки. Оплодотворенная яйцеклетка уже имеет белковые факторы, распределенные по градиенту. По мере ее деления градиенты белков начинают посылать сигналы и диктовать будущее клеток в разных частях эмбриона.


[Закрыть]. Рост эмбриона – это процесс, целый каскад событий. На каждом этапе уже существующие клетки выделяют белки и химические молекулы, которые диктуют вновь образующимся и мигрирующим клеткам, куда двигаться и во что превращаться. Они управляют формированием других слоев клеток, а позднее – тканей и органов. А клетки в этих слоях включают и выключают гены в зависимости от своей локализации и свойств, тем самым определяя собственную идентичность. Каждый этап развития происходит под действием сигналов предыдущего, что опровергает теорию эпигенеза, которая так привлекала первых эмбриологов.

Один из первых рисунков Шпемана и Мангольд из статьи с описанием их эксперимента. Показано, что перенос ткани из дорсальной губы одного эмбриона в другой индуцирует развитие эмбриона с двумя нервными валиками, в результате чего появляется двухголовый головастик. Часть дорсальной губы очень раннего эмбриона лягушки (до начала формирования каких-либо структур или органов) была перенесена в другой эмбрион. В результате у реципиента было две дорсальных губы: одна своя и одна донорская. Шпеман и Мангольд обнаружили, что пересаженные клетки организатора лягушки-донора создают собственную нервную трубку, кишечник и в конечном итоге вторую полностью сформированную голову головастика. Иными словами, сигналы клеток дорсальной губы заставляют расположенные вокруг них клетки формировать структуры эмбриона, включая голову и нервную систему. Следовательно, клетки организатора обладают способностью управлять судьбой соседних клеток.

За время, прошедшее с 1970-х годов, эмбриологи начали понимать, что процесс эмбрионального развития на самом деле устроен еще сложнее. Он зависит от связи между внутренними сигналами, закодированными в генах клеток, и внешними сигналами от окружающих клеток. Внешние сигналы (в виде белков и химических молекул) достигают клеток-реципиентов и стимулируют или подавляют активность их генов. Сигналы взаимодействуют между собой, отменяя или усиливая клеточную активность, что заставляет клетки следовать своему предназначению, локализации и взаимодействиям.

Вот так мы сами строим наш клеточный дом.

В 1957 году немецкая компания Chemie Griinenthal разработала “чудодейственное” седативное средство для сглаживания тревожных состояний, названное талидомидом⁸. Маркетинг велся очень активно. Препарат в первую очередь предназначался для беременных, которых в те времена распространенного пренебрежительного отношения к женщинам часто считали чрезмерно “беспокойными”, “эмоциональными” и, следовательно, нуждавшимися в успокоительных средствах. Талидомид был быстро разрешен к применению в сорока странах и прописан десяткам тысяч женщин.

Немецкие производители с самого начала предполагали, что талидомид станет сенсацией в Соединенных Штатах, где врачи назначали успокоительные средства еще чаще и где возни с одобрением препаратов для клинического использования было меньше, чем в Европе. В начале 1960-х годов немецкая компания начала искать партнера для производства препарата в Штатах. Единственным препятствием было получение разрешения от FDA, что обычно было простой задачей, хоть и требовавшей некоторой волокиты. Партнер был найден в лице компании V‰. S. Merrell, позднее превратившейся в фармацевтический концерн Richardson-Merrell.

В начале 1960-х годов на должность нового проверяющего в FDA была назначена Фрэнсис Келси. Эта сорокашестилетняя американка канадского происхождения получила диплом врача и защитила диссертацию в Чикагском университете. Раньше она работала преподавателем фармакологии (и знала, как оценивать безопасность лекарств) и врачом общей практики в Южной Дакоте (где она поняла, что даже “безопасные” лекарства могут вызывать серьезное побочное действие при неправильной дозировке или у “неправильных” пациентов), а потом начала свою долгую карьеру в FDA. Через некоторое время она была назначена руководителем отдела новых лекарств и представителем по научным и медицинским вопросам в службе защиты прав трудящихся. Чиновник среднего уровня. Просто секретарь – по мнению представителей Merrell. Очередная ничего не значащая фигура среди многих других на пути внедрения нового лекарства, созданного одним фармацевтическим монстром и продвигаемого другим.

Заявка компании Merrell на распространение талидомида в США поступила в FDA и оказалась на столе у Келси. Но когда Келси стала читать о препарате, она не ощутила уверенности в его безопасности. Данные выглядели слишком хорошо. “Они были слишком положительными, – вспоминала она. – Но идеальных лекарств без риска не бывает”.

В мае 1961 года, когда руководство компании Merrell надавило на FDA, уговаривая разрешить широкое применение препарата, Келси выдала ответ, который, возможно, стал одним из самых важных в истории FDA: “Ответственность за доказательства безопасности препарата… лежит на заявителе”⁹ (курсив С. М.). Она не спала по ночам, читая отчет за отчетом. И обратила внимание, что в феврале 1961 года один английский врач сообщал о значительной потере чувствительности периферических нервов у нескольких пациентов, а одна медсестра, имевшая доступ к препарату, родила ребенка с серьезными дефектами конечностей. Келси уцепилась за этот случай. “В этой связи нас очень тревожит, что очевидные доказательства периферических невритов в Англии были хорошо известны, но не были отражены”¹⁰.