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

Мембрана. Протоплазма. Лизосома. Пероксисома. Ядро. Эти элементы жизненно важны для клетки. Они выполняют специализированные функции, позволяющие клетке поддерживать независимое существование. Их локализация, организация и координация играют чрезвычайно важную роль. Короче говоря, автономность клетки определяется ее анатомией.

А эта анатомия, в свою очередь, обеспечивает важнейшее свойство живых систем – поддержание постоянства внутренней среды, называемое гомеостазом. Идея гомеостаза (слово происходит от греческих слов Ьотео и stasis и обозначает “относящийся к покою”) была впервые предложена французским физиологом Клодом Бернаром в 1870-е годы, а затем в 1930-е развита физиологом из Гарварда Уолтером Кенноном.

На протяжении многих поколений до Бернара и Кеннона физиологи описывали животных как конгломерат машин, как сумму подвижных частей. Мышцы – моторы, легкие – пара мехов, сердце – насос. Толкать, крутить, качать – акцент ставился на движение, на действие, на работу. Не стой просто так, делай что-нибудь.

Бернар перевернул эту логику. “Постоянство внутренней среды есть условие свободной и независимой жизни”, – писал он в 1878 году²². Сместив в физиологии акцент с действия на поддержание стабильности, Бернар изменил наше представление о том, как работает тело. Главная задача физиологической “активности” – парадоксальным образом – заключается в обеспечении стабильности. Не делай что-то просто так, стой здесь.

Бернар и Кеннон изучали гомеостаз в организмах и в органах, однако постепенно выяснялось, что гомеостаз – основополагающее свойство клеток и, следовательно, жизни. Чтобы понять клеточный гомеостаз, мы вновь начинаем с мембраны, ограждающей клетку от внешнего пространства, чтобы отделить внутренние реакции и избавить их от внешнего вмешательства. В мембране есть “насосы”, выводящие из клетки ненужные вещества – опять-таки чтобы поддерживать постоянство внутриклеточного пространства. Протоплазма содержит химические буферы, так что кислотность и щелочность внутренней среды не меняются даже при изменении химического окружения за пределами клеток. Клетке нужна энергия, и митохондрии ее вырабатывают. Протеасома уничтожает ненужные или бракованные белки. Специализированные запасающие органеллы в некоторых клетках гарантируют наличие запаса питательных веществ, который может использоваться в случае необходимости. Токсичные побочные продукты метаболизма направляются в пероксисому для уничтожения.

Вскоре мы переключим внимание с автономности и гомеостаза на другие важнейшие свойства клетки – на репродукцию, функциональную специализацию и способность делиться и формировать многоклеточный организм. Но задержимся немного и перечислим удивительные открытия, относящиеся к содержанию данной главы. Два десятилетия между 1940 и 1960 годами можно назвать наиболее плодотворным и продуктивным периодом в работе клеточных биологов, пытавшихся описать функциональную анатомию внутриклеточного пространства. Это период величия и мастерства, как примерно за сто лет до этого, когда Шванн, Шлейден, Вирхов и другие ученые заложили основы клеточной биологии. Если открытия этого периода сегодня кажутся “рутинными” (варианты фразы “Митохондрии являются клеточными электростанциями” можно встретить в любом учебнике по биологии для старшеклассников), то лишь по той причине, что мы, как это часто бывает, забываем, с каким энтузиазмом они воспринимались тогда. Мне не кажется преувеличением называть переход от открытия клетки к выявлению ее структурной анатомии и в конечном итоге ее функциональной анатомии одним из самых вдохновляющих достижений науки.

Открытие функциональной анатомии клетки способствовало более целостному ее пониманию и, как следствие, определению принципов жизни. Клетка, как отмечалось выше, это не просто система близко расположенных частей, как автомобиль – не просто карбюратор рядом с мотором. Это интегральная система, объединяющая функции отдельных элементов для обеспечения основополагающих принципов жизни. Между 1940 и 1960 годами ученые начали связывать между собой отдельные элементы клетки, чтобы понимать, как независимая живая единица может функционировать и становиться “живой”.

Неизбежным следствием этих фундаментальных открытий стало развитие новой медицины. Если развитие макроанатомии и физиологии способствовало наступлению новой эры в хирургии и медицине в XVIII и XIX столетиях, то функциональная клеточная анатомия и физиология определили новые пути борьбы с болезнями и новые терапевтические подходы в XX столетии. Мы давно знали, что нарушение функции органа влечет за собой болезнь: почечную недостаточность, слабость сердечной мышцы, перелом кости. Но что происходит при нарушении функции клеточных органелл?

Летом 2003 года одиннадцатилетний хоккеист по имени Джаред начал слепнуть на оба глаза²³. Мир перед его взором медленно тускнел, и Джареду, который пытался продолжать играть, стало трудно различать линии на хоккейной площадке. Родители отвели его к офтальмологу в клинике Мейо в Рочестере, в Миннесоте, чтобы поставить диагноз.

Через неделю в клинике обнаружили причину болезни: у Джареда была так называемая наследственная оптическая нейропатия Лебера²⁴. “Мне очень жаль, но Джаред ослепнет”, – сообщил родителям офтальмолог клиники. Обычно эта наследственная болезнь возникает в результате мутации гена mtND4, который содержится в митохондриях (этот ген был обнаружен и описан в 1988 году, всего за два года до начала проекта “Геном человека”)²⁵. По непонятным пока причинам болезнь специфическим образом затрагивает функции ганглионарных клеток сетчатки глаза, передающих информацию от сетчатки к зрительному нерву и дальше в мозг.

У детей с этим нарушением болезнь неизбежно прогрессирует. Поначалу нервные волокна в области слепого пятна начинают разбухать. Зрительный нерв атрофируется, а нервы сетчатки ослабевают и утончаются. Джаред унаследовал наиболее распространенную форму мутации – в положении 11778 митохондриального генома, длина которого в целом составляет около шестнадцати тысяч нуклеотидных оснований[48]48
  Особенность митохондриальных мутаций заключается в том, что они наследуются только по материнской линии, тогда как большинство других мутаций могут передаваться от обоих родителей. Митохондрии не существуют независимо; они могут жить только внутри клетки. Они делятся, когда делится клетка, а затем расходятся по двум дочерним клеткам. Яйцеклетка формируется в организме матери, и все митохондрии происходят из ее клеток. При оплодотворении сперматозоид внедряет в яйцеклетку свою ДНК, но не приносит ни одной митохондрии. Следовательно, каждая митохондрия, с которой мы рождаемся, дана нам от матери. Мутация в гене mtND4 у Джареда досталась ему от матери. Вероятно, она возникла случайно в процессе закладывания яйцеклетки, поскольку его мать не была больна.


[Закрыть].

“11778, – записал Джаред в дневнике. – Я бы хотел, чтобы это были цифры на моем хоккейном медальоне, или шифр от велосипедного замка или даже от моего шкафчика в школе. А вместо этого генетическая мутация в положении 11778 отперла болезнь в моем теле в одиннадцать лет и изменит мою жизнь навсегда… Слепота, что за чушь? Мне одиннадцать лет. Я хоккеист. Мне нравятся девчонки, а я нравлюсь им. У меня полно друзей и никаких проблем. Слепота? Что значит, я не буду видеть? Не буду видеть чего?.. Просто сделай что-нибудь, пап, и дай мне поиграть с ребятами”²⁶.

Но его отец, как ни старался, не мог ничего сделать. Ганглионарные клетки в сетчатке Джареда начали разрушаться. Родители осторожно переключили внимание сына на игру на гитаре. Он учился играть на слух и на ощупь. Одновременно с приближением слепоты (медленным, но неуклонным) подступала музыка. “И теперь я в Музыкальном институте Лос-Анджелеса в Калифорнии, через восемь лет после того, как исполнил для мамы и папы мой первый раздирающий уши концерт в гитарном центре. Кажется, я первый слепой студент, поступивший в этот замечательный музыкальный институт, что очень круто. Думаю, они посчитали, что я достаточно хорош, чтобы не отставать от других студентов, которые должны читать ноты”²⁷. Джаред потерял зрение, но обрел слух.

В 2011 году группа офтальмологов из Хубэя в Китае модифицировала вирус под названием AAV2 таким образом, чтобы включить в него нормальную версию гена ND4²⁸. Вирус заражает клетки животных и человека, но не вызывает никаких явных или острых заболеваний, и его можно модифицировать, чтобы он нес в себе чужеродный ген, такой как ND4. Миллионы генетически модифицированных вирусов помещали в капельку жидкости, после чего тончайшей иглой прокалывали угол роговицы глаза пациента и вводили густой вирусный суп в стекловидный слой непосредственно над сетчаткой.

Ученые знали, что ступали на опасную, зыбкую почву: в сентябре 1999 года Джесси Гелсингеру – подростку с метаболическим заболеванием средней тяжести, из-за которого его печень не могла расщеплять побочные продукты распада белков, что приводило к почти токсическому уровню аммиака в крови, – был введен генетически модифицированный аденовирус. Врачи надеялись, что экспериментальная процедура введения вируса избавит мальчика от болезни. Однако произошла трагедия: у Джесси развилась катастрофическая иммунная реакция на вирус, быстро приведшая к фатальному отказу органов. Последствия его смерти не заставили себя ждать. На протяжении первого десятилетия XXI века область генной терапии замерла в глубокой зимней спячке. Немногие исследователи осмеливались вводить людям генетически модифицированные вирусы, и контролирующие инстанции ограничили такие исследования строжайшими правилами.

Однако сетчатка – особенное место. Мало того, что маленькой капельки с вирусами достаточно для заражения клеток сетчатки, так еще у этой ткани, наряду с несколькими другими отделами тела (среди них мужские семенники), особый иммунный статус: она не подвержена строгому контролю со стороны иммунной системы, и по этой причине вероятность возникновения в ней активной реакции на введение инфицирующего агента достаточно низка. Кроме того, после истории Гелсингера векторы для генной терапии были значительно усовершенствованы, что усиливало уверенность ученых в том, что ген может быть доставлен без нежелательной побочной реакции.

В 2011 году китайские врачи привлекли к небольшим клиническим испытаниям восемь пациентов с наследственной оптической нейропатией Лебера²⁹. Были достигнуты первые успехи: вирус вносил гены в ганглионарные клетки сетчатки, и клетки начинали производить нормальный белок ND4, который потом попадал в митохондрии. В последующие тридцать шесть месяцев у пяти из восьми пациентов повысилась острота зрения.

Пока я пишу эти строки, исследования продолжаются: ученые уточняют критерии подбора пациентов и продлевают период наблюдений. Вирусный препарат, получивший название Lumevoq, сейчас проходит заключительную фазу испытаний для пациентов с наследственной оптической нейропатией Лебера на ранней стадии потери зрения. В мае 2021 года специалисты объявили о завершении испытаний RESCUE, направленных на применение генной терапии для остановки прогрессирующей потери зрения у пациентов с мутацией, когда лечение начинали в шестимесячный период с начала ухудшения зрения³⁰. В этих двойных слепых рандомизированных испытаниях с плацебо в качестве контроля (золотой стандарт для такого рода исследований) участвовало тридцать девять пациентов (один пациент получил более низкую дозу вируса, так что итоги были подведены для тридцати восьми). В один глаз людям вводили вирус, а в другой – пустой раствор (без вируса). Через двадцать четыре недели острота зрения продолжала падать в группе испытуемых и в контрольной группе (без лечения). Через сорок восемь недель ухудшение зрения прекратилось. Но через девяносто шесть недель, как это ни удивительно, острота зрения начала значительно повышаться в обоих глазах у 75 % людей, подвергавшихся лечению. Результаты исследования одновременно ознаменовали успех и породили новую загадку: надежда, что глаз, который лечили, станет видеть лучше, была, но почему улучшилось зрение на другом глазу? Существует ли взаимосвязь между ганглионарными клетками сетчатки двух глаз, или есть какие-то другие механизмы сообщения между двумя глазами, о которых мы не знаем? Мог ли вирус проникать в кровь, а оттуда в другой глаз?

К сожалению, пациентам, полностью потерявшим зрение, таким как Джаред, замена гена ND4 вряд ли принесет пользу: их зрение уже не восстановить. Когда реагирующие клетки погибают, восстанавливать функцию органеллы бесполезно. Органелла может функционировать только в нормальной клетке.

Если испытания будут продвигаться достаточно быстро и успех окажется долгосрочным (это пока неточно), препарат Lumevoq наконец займет место в медицинской практике[49]49
  В настоящее время клинические испытания Lumevoq продолжаются. Через четыре года после их начала (в 2024-м) улучшение остроты зрения после однократного введения сохраняется. В испытаниях теперь принимают участие и пациенты, которым была сделана инъекция Lumevoq в оба глаза. Исследования еще не завершены, предполагается, что пациенты будут находиться под наблюдением в течение пяти лет после инъекции. Только после этого можно будет сделать вывод об эффективности или неэффективности предложенного метода терапии наследственной оптической нейропатии Лебера. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Однако исследования в области клеточной терапии для изменения митохондриальной функции уже обозначили новое направление развития медицины.

В 1950-е и 1960-е годы в медицине и хирургии произошел прорыв в области терапии органов: мы стали свидетелями создания обходных кровеносных сосудов, позволяющих избежать последствия закупорки коронарных сосудов и пересадки донорских почек при почечных заболеваниях. Возникли целые новые классы лекарственных средств: антибиотики, антитела, химические препараты для предотвращения тромбообразования или для снижения уровня холестерина. Но теперь речь идет о терапии на уровне органелл: о восполнении функциональной недостаточности митохондрий ганглионарных клеток сетчатки. Это кульминация многолетних исследований клеточной анатомии, анализа внутриклеточных отделов и характеристики их повреждений при болезни. Конечно, это терапия генная, но это также клеточная терапия in situ, иными словами, восстановление функции больной клетки в ее исходном анатомическом положении внутри человеческого тела.

Делящаяся клетка. Воспроизведение клеток и зарождение ЭКО

Нет такой вещи, как воспроизводство…

Когда два человека решают завести ребенка, они включаются в процесс производства¹.

Эндрю Соломон,

“Далеко от яблони: родители и дети в поисках своего «я»”

Клетка делится.

Наверное, самое ответственное событие в жизненном цикле клетки – момент, когда она дает начало дочерним клеткам. Не все клетки умеют воспроизводиться; некоторые, такие как нейроны, подвергаются окончательному делению и больше никогда не делятся. Но каждая клетка рождена другой клеткой – Omnis cellula e cellula. Как однажды заметил французский биолог Франсуа Жакоб, “мечта каждой клетки – стать двумя клетками”² (за исключением, конечно, тех, которые отказались от мечты вовсе).

В концептуальном плане деление клеток животных можно рассматривать в качестве решения двух задач – производства и воспроизводства. Под производством я подразумеваю создание новых клеток для строительства, роста или лечения организма. Клетки кожи делятся для заживления ран, Т-клетки делятся для обеспечения иммунного ответа – клетки дают жизнь новым клеткам, чтобы произвести ткань или орган или выполнить свою функцию.

Совсем другое дело, когда в человеческом теле формируются сперматозоиды или яйцеклетки. Эти клетки нужны для воспроизводства – они делятся не для создания нового органа или выполнения своей функции, а для построения нового организма.

В организме человека и прочих многоклеточных существ процесс производства новых клеток для создания органов и тканей называется митозом – от греческого слова mitos, что означает “нить”. А рождение новых клеток – сперматозоидов и яйцеклеток – для целей воспроизводства (производства нового организма) называется мейозом, от греческого слова meion, означающего “уменьшение”.

Митоз был открыт немецким ученым – разочарованным близоруким военным врачом, искавшим новых путей в биологии. Сын психиатра Вальтер Флемминг учился на врача в 1860-е годы³. Как и Рудольф Вирхов, он посещал военную медицинскую школу и, опять-таки как и Вирхов, нашел эту область косной и негибкой – и вскоре занялся изучением клеток. Человек, как и любой многоклеточный организм, состоит из клеток, но процесс построения целого организма из клеток (из одной до нескольких миллиардов) оставался загадкой. В 1870-е годы Флемминга особенно заинтересовала анатомия клетки, и он стал окрашивать ткани организма анилиновыми красителями и их производными, надеясь обнаружить внутриклеточные структуры.

Поначалу он видел очень мало. Окрашивалось лишь туманное волокнистое вещество, сосредоточенное по большей части в ядре – сферической, окруженной мембраной внутриклеточной структуре, впервые обнаруженной шотландским ботаником Робертом Брауном в 1830-е годы.

Вслед за своим коллегой Вильгельмом фон Вальдейером-Гарцем Флемминг называл нитевидные структуры в ядре нейтральным словом “хромосомы”, что означает буквально “цветные тела”. Его интересовала их функция и поведение в процессе клеточного деления. И поэтому он смотрел на делящиеся клетки под микроскопом. Но смотреть – не означает видеть. Видение – настоящее видение – подразумевает понимание. Другие ученые, такие как Моль и Ремак, уже видели делящиеся клетки, но не сделали почти никаких заключений по поводу регуляции этого процесса или его стадий. Флемминг понимал, что они смотрели на клетки, но не внутрь клеток. В 1878 году он сделал важнейшее открытие: он проследил за процессом деления клеток с помощью микроскопа, окрашивая хромосомы синим красителем и наблюдая за поведением хромосом и ядра.

Что делали хромосомы? И как ядро или содержащиеся в нем хромосомы связаны с делением клетки? “Какие силы действуют при делении клетки?” – такой вопрос ставил он в статье из двух частей, написанных в 1878 и 1880 годах. “Следуют ли изменения положения видимых оформленных структур клетки [ядра и хромосом в процессе деления клетки] какой-то схеме и, если да, что это за схема[50]50
  Теодор Бовери и Уолтер Саттон сделали следующий логический шаг, связав хромосомы с наследованием (см. Sutton W. The Chromosomes in Heredity. Biological Bulletin 4, no. 5 (1903): 231-51; Boveri T. Ergehnisse iiher die Konstitution der chromatischen Suhstanz des Zellkerns. Jena, Ger.: Verlag von Gustav Fischer, 1904). Если говорить коротко, они связали генетическое наследование с анатомическим и физическим наследованием хромосом и тем самым соотнесли гены (и наследование) с хромосомами. Грегор Мендель в опытах с горохом идентифицировал гены лишь как абстрактные “факторы”, которые могут передаваться из поколения в поколение и передавать признаки, или черты, от родителей детям; у него не было возможности установить физическую локализацию этих факторов. Саттон и Бовери среди прочих представили первые доказательства, что наследование признаков (т. е. генов) происходит через наследование хромосом. Томас Морган и другие ученые, работавшие с дрозофилами, основывались на этой теории и окончательно установили, что локусы генов расположены на хромосомах. Через несколько десятилетий благодаря исследованиям Фредерика Гриффита, Освальда Эвери, Джеймса Уотсона, Фрэнсиса Крика, Розалинд Франклин и других ученых удалось идентифицировать ДНК – молекулу в центре хромосом – в качестве носителя генетической информации. В последующих исследованиях Маршалла Ниренберга и его коллег в Национальных институтах здоровья США было показано, как гены расшифровываются и превращаются в белки, что и определяет форму и свойства организма.


[Закрыть]?⁴

Флемминг нашел эту схему, и она оказалась удивительно последовательной[51]51
  Ботаник Карл Вильгельм фон Негели считал эксперименты Флемминга аномалией, но затем он и работу Менделя объявил чудачеством. Лишь через несколько десятилетий принципы деления клеток во всех организмах были признаны универсальными.


[Закрыть]. Она состоит из строго определенных этапов, как военная тренировка. Флемминг обнаружил одинаковый ритм деления клеток фактически во всех видах организмов: в личинках саламандры, в делящихся клетках млекопитающих, земноводных и рыб. Это был потрясающий результат: никто до него не мог даже вообразить, что деление клеток столь разных организмов происходит по практически идентичной ритмичной схеме.

Как установил Флемминг, на первом этапе деления происходила конденсация нитевидных хромосом с образованием плотных пучков (он называл их “мотками”). Краситель прочно связывался с ними, и хромосомы выглядели под микроскопом как катушки ниток, окрашенных густым индиго. Затем конденсированные хромосомы удваивались и разделялись вдоль клеточной оси с образованием структур, которые Флемминг сравнивал с парой взорвавшихся звезд. “На последовательных стадиях в процессе деления формируются ядерные фигуры”, – писал он⁵. Ядерная мембрана распадалась, и ядро тоже начинало расщепляться. Наконец, делилась сама клетка, ее мембрана распадалась на фрагменты, и возникали две дочерние клетки.

Последовательные стадии митоза, или клеточного деления, изображенные Вальтером Флеммингом. Сначала хромосомы присутствуют в ядре в виде размотанных нитей. На первом рисунке показаны две соседние клетки – в каждой есть ядро с деконденсированными хромосомами. Затем нити уплотняются с образованием тугих пучков. Ядерная мембрана распадается, и хромосомы расходятся в две стороны клетки, словно движимые какой-то силой. Потом они полностью разъединяются (предпоследний рисунок), и клетка расщепляется, давая начало двум новым клеткам.

Оказавшись в ядрах дочерних клеток, хромосомы медленно переходили из конденсированной формы обратно в аморфную “покоящуюся” форму, как бы возвращаясь к исходной точке клеточного деления. Поскольку поначалу хромосомы удваивались, а затем в процессе деления клетки попарно разделялись, число хромосом в клетках оставалось прежним. Сначала из сорока шести хромосом образовывались девяносто две, а потом в результате деления клетки надвое их число возвращалось к сорока шести. Флемминг назвал этот процесс “гомотопическим”, или “консервативным”, делением: родительские клетки и дочерние клетки в конечном итоге имели одинаковое, “консервативное” число хромосом[52]52
  Два других цитолога, Эдуард Страсбургер и Эдуард ван Бенеден, тоже наблюдали расхождение хромосом и разделение клеточной мембраны с образованием двух дочерних клеток (митоз).


[Закрыть]. В период с 1880-х и до начала 1900-х годов биологи Теодор Бовери, Оскар Хертвиг и Эдмунд Уилсон прояснили многочисленные детали этой основной схемы клеточного деления, проанализировав отдельные этапы описанного Флеммингом процесса.

Флемминг описал весь процесс в виде цикла: нитевидные хромосомы конденсируются в пучки, расщепляются, а затем возвращаются в состояние покоя. А затем они вновь принимают компактную форму и расходятся опять, когда клетка готова к следующему циклу деления. Конденсация, расщепление и рассредоточение – как будто дыхание жизни.

Но должен существовать и какой-то другой тип клеточного деления – тот, который приводит к воспроизводству. Задним числом легко понять, что динамика этого способа деления не может быть такой же, как при митозе, – элементарная арифметика. Как мы знаем, в результате митоза дочерние клетки получают такое же количество хромосом, как у родительской клетки. Скажем, все начинается с сорока шести хромосом (столько их в человеческих клетках), потом число хромосом удваивается до девяноста двух, а затем каждая дочерняя клетка получает половину (опять сорок шесть).

Но ведь при воспроизводстве расчет не может быть таким же, верно? Если сперматозоид и яйцеклетка имеют такое же количество хромосом, как их родительская клетка, а именно сорок шесть, тогда оплодотворенная яйцеклетка должна содержать удвоенное число – девяносто две хромосомы. В следующем поколении это число удвоится до ста восьмидесяти четырех, потом до трехсот шестидесяти восьми и так далее, возрастая в геометрической прогрессии. В таком случае клетки вскоре стали бы просто лопаться от количества хромосом.

По этой причине при производстве сперматозоидов и яйцеклеток количество хромосом сначала должно сокращаться вдвое, уменьшаясь до двадцати трех в каждой клетке, а затем при оплодотворении возвращаться к сорока шести. Такой вариант клеточного деления (сокращение числа хромосом с его последующим восстановлением) обнаружили Теодор Бовери и Оскар Хертвиг у морских ежей в середине 1870-х годов. В 1883 году бельгийский зоолог Эдуард ван Бенеден наблюдал мейоз у червей, продемонстрировав универсальность этого процесса.

Итак, жизненный цикл многоклеточных организмов следует воспринимать как игру с переходами между мейозом и митозом. Человек имеет по сорок шесть хромосом в каждой клетке тела, и только сперматозоиды в семенниках и яйцеклетки в яичниках образуются по механизму мейоза, в результате чего в каждой из этих клеток содержится по двадцать три хромосомы. Когда сперматозоид и яйцеклетка сливаются с образованием зиготы, количество хромосом восстанавливается до сорока шести. Зигота растет за счет деления клеток по механизму митоза, производит эмбрион, в котором последовательно развиваются взрослые ткани и органы – сердце, легкие, кровь, почки, мозг, и все они состоят из клеток, содержащих по сорок шесть хромосом. При созревании организма в нем образуются гонады (семенники и яичники), содержащие по сорок шесть хромосом. И здесь игра повторяется: когда клетки в гонадах производят женские и мужские половые клетки, они подвергаются мейозу, так что в сперматозоидах и яйцеклетках оказывается по двадцать три хромосомы. Оплодотворение восстанавливает набор хромосом до сорока шести. Появляется зигота, и цикл повторяется. Мейоз, митоз, мейоз. Уменьшение вдвое, восстановление, рост. Уменьшение вдвое, восстановление, рост. Ad infinitum.

Как контролируется деление клеток? Флемминг наблюдал последовательные стадии митоза. Но кто (точнее, что) регулирует протекание этих стадий? За десятилетия, минувшие с того момента, как Флемминг опубликовал свою важнейшую работу по делению клетки, клеточные биологи заметили, что жизненный цикл делящейся клетки можно подразделить на фазы.

Давайте начнем с рассмотрения клеток, которые навсегда отказались от клеточного цикла. Они постоянно или почти постоянно находятся в состоянии покоя, поэтому их так и называют – покоящимися клетками. Эту фазу именуют GO (“G-ноль”)[53]53
  G – от английского слова gap, “промежуток”. – Прим. перев.


[Закрыть]. Вообще говоря, некоторые клетки, находящиеся в этой фазе, никогда не будут делиться, это постмитотические клетки. Наилучший пример – зрелые нейроны.

Когда клетка решает включиться в цикл деления, она переходит в новую фазу – G1. Клетка как бы пробует ногой водичку, обдумывая свое решение. Под микроскопом в этой фазе не видно значительных изменений, но на молекулярном уровне она чрезвычайно важна: в этот момент синтезируются белки, координирующие деление клетки. Клетка накапливает молекулы, собирая и синтезируя те, что необходимы для метаболизма и питания, и увеличивая их количество, прежде чем распределить по двум дочерним клеткам. И еще это первый важный момент принятия решения, включаться ли клетке в серьезное дело клеточного деления. Идти или не идти? Если не хватает каких-то питательных веществ или не в порядке гормональная среда, клетка может принять решение остаться в фазе G1. Это точка перед точкой невозврата.

Фаза, следующая за G1, является очень характерной и особенной: это этап удвоения числа хромосом и, следовательно, синтеза ДНК. Эти процессы требуют энергии, усердия и радикальной перемены активности. Это так называемая фаза S – от слова synthesis, поскольку в ней происходит синтез новых хромосом. Если бы мы “плавали”, как раньше, в протоплазме внутри клетки, то обнаружили бы, что основная активность в этой фазе перемещается из цитоплазмы в ядро. К хромосомам пристраиваются ферменты, занимающиеся удвоением ДНК. Другие ферменты начинают расплетать цепочки ДНК. В ядро доставляются строительные блоки для синтеза ДНК. Сложный комплекс ферментов, занятых репликацией ДНК, усаживается на хромосому, синтезируя ее копию. В клетке формируется аппарат, предназначенный для разведения удвоенных хромосом.

Третья фаза цикла, вероятно, самая загадочная и наименее изученная – это вторая фаза покоя, G2. Зачем останавливать деление клетки, если она уже синтезировала копию хромосом? Зачем выбрасывать только что синтезированные цепочки ДНК? Фаза G2 служит последней контрольной точкой перед началом клеточного деления, поскольку клетка не может допустить хромосомных катастроф, таких как транслокации, обрывы плеч, радикальные мутации, потери фрагментов. В этой фазе клетка проверяет и перепроверяет точность копирования ДНК, защищаясь от повреждений ДНК или опасных модификаций хромосом.

Под влиянием излучения, разрушающего ДНК, или под воздействием химиотерапии клетка может останавливать деление на этой стадии. Белки, которые называют “хранителями генома”, включая опухолевый супрессор р53⁶, проверяют геном и состояние клетки, убеждаясь в том, что она здорова и может производить новые клетки[54]54
  Проведение проверки в фазе G2 кажется прекрасным и простым решением, пока вы не осознаете, что для осуществления этой проверки требуется соблюдать весьма тонкое равновесие. Остановка в фазе G2 в значительной степени предназначена для выявления катастрофических мутаций. Мутации возникают в фазе S. Как любой копировальный аппарат, неизбежно совершающий какое-то количество ошибок, молекулярные системы, создающие новые копии ДНК в процессе синтеза, тоже делают ошибки. Некоторые из них немедленно исправляются, но некоторые остаются. Если бы задача фазы G2 заключалась в выявлении всех мутаций, идентификации и исправлении всех ошибок, стало бы невозможным появление мутантов – и не было бы эволюции. Поэтому фаза G2 должна служить очень разборчивым контролером, который знает, что нужно отслеживать, а что не нужно.


[Закрыть].

Заключительный этап клеточного цикла – фаза М, собственно фаза митоза, деление родительской клетки на две дочерние. На этом этапе происходит разборка ядерной оболочки. Хромосомы, которым предстоит разойтись, еще плотнее упаковываются в структуры, обнаруженные Флеммингом с помощью красителя. На этом этапе уже полностью собран молекулярный аппарат, разъединяющий копии хромосом. И теперь две копии каждой хромосомы, уложенные бок о бок, как близнецы в кроватке, начинают расходиться до того момента, пока одна не окажется в одной половине клетки, а другая – в другой. Между формирующимися клетками возникает борозда, и цитоплазма делится надвое. Материнская клетка производит две дочерние.

Я познакомился с Полом Нёрсом в 2017 году, когда ехал на машине через равнины Голландии. Этот плотный мужчина с английским акцентом и широкой открытой улыбкой показался мне похожим на постаревшего и умудренного Бильбо Бэггинса[55]55
  Бильбо Бэггинс – хоббит, персонаж произведений Дж. Р. Р. Толкина. – Прим. перев.


[Закрыть]. Мы оба должны были выступать с докладами в Детском госпитале Вильгельмины в Утрехте и поэтому в Амстердаме взяли машину на двоих. Нёрс был дружелюбным, скромным и милым – ученые такого типа мне сразу нравятся. Пейзаж вокруг был плоским и невыразительным: сухие убранные поля, сено и солома, да редкие ветряные мельницы, которые иногда крутились под порывами ветра.

Циклы. Изменение энергии – усиление и ослабление ветра – заставляло механизм совершать рабочий цикл. Можно ли сказать, что делящаяся клетка – это механизм с циклом деления и покоя? Работая после защиты диссертации в Эдинбурге, Нёрс заинтересовался координацией клеточного цикла. Какие факторы определяют, решит ли клетка делиться и когда именно? В 1880-е и 1890-е годы Флемминг и Бовери среди прочих идентифицировали отдельные стадии клеточного деления. Возник вопрос: какие молекулы и сигналы осуществляют и регулируют эти стадии? Как клетка узнает, когда переходить, скажем, из фазы G1 в фазу S?

Нёрс – выходец из рабочей семьи. “Мой отец был рабочим, – рассказывал он журналисту в 2014 году. – Мама была уборщицей. Все братья и сестры закончили учебу в пятнадцать лет. Я был не таким. Я сдал экзамены, как-то попал в университет, получил стипендию, защитился”⁷. Через несколько десятков лет после окончания университета Нёрс узнал, что его “сестра” на самом деле приходилась ему матерью. Он был внебрачным ребенком, и его воспитала бабушка, игравшая роль матери до тех пор, пока секрет не раскрылся много лет спустя, когда Нёрсу уже перевалило за шестьдесят. Он невозмутимо рассказывал мне все это, когда мы подъезжали к Утрехту. Глаза его блестели. “Воспроизводство не такой простой процесс, как может показаться”, – сухо добавил он.

Руководитель Нёрса в Эдинбургском университете Мёрдок Митчисон исследовал клеточный цикл определенного штамма дрожжей, называемых делящимися дрожжами, которые размножаются, как человеческие клетки, расщепляясь посредине. Более распространенный способ размножения дрожжей заключается в почковании, когда дочерняя клетка нарастает на родительской, как маленькая почка.

В 1980-е годы Нёрс начал выращивать мутантные дрожжи, которые делятся неправильно. Примерно в шести тысячах километров от него, в Сиэтле, клеточный биолог Лиланд Хартвелл использовал ту же стратегию; он тоже охотился за генами, которые управляли клеточным циклом и делением клетки, и производил мутантов почкующихся пекарских дрожжей.

Хартвелл и Нёрс надеялись, что мутанты подскажут им, как найти нормальные гены, контролирующие клеточное деление. Это старый прием в биологии: чтобы понять нормальный физиологический механизм, нужно повредить физиологическую функцию. Анатом может перерезать или перевязать животному артерию, чтобы увидеть, какая часть тела перестанет снабжаться кровью, и в результате понять функцию артерии. А генетик может вызвать мутацию гена, чтобы нарушить генетический процесс, например деление клетки, и в результате найти гены, отвечающие за управление процессом митоза.

Летом 1982 года клеточный биолог Тим Хант из Кембриджского университета отправился в Морскую биологическую лабораторию в Вудс-Хоуле в Массачусетсе, на живописном полуострове Кейп-Код, чтобы помогать вести там курс эмбриологии. Туристы в шортах с изображением китов и в льняных рубашках съезжаются на Кейп-Код, чтобы поесть жареных моллюсков и полежать в шезлонгах на широких песчаных пляжах. А ученые – чтобы искать мелкие каменистые заливы, где водятся моллюски и еще чаще – морские ежи.