Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком - Магдалена Зерницка-Гетц

запускающих формирование проамниотической полости. Когда он использовал ЭС-клетки, лишенные бета-интегрина, они не смогли образовать полость, что указывало на критическую важность передачи сигнала (посредством этого белка) между внеэмбриональными и эмбриональными тканями. Это наглядная демонстрация пользы упрощенных моделей эмбрионов для изучения эмбриогенеза. Наше открытие розетки, механизмов ее формирования в эмбрионе, а также ее имитация при помощи ЭС-клеток были опубликованы в 2014 году в журнале Cell [10].

Но можно ли было воспроизвести следующий шаг развития, тот, что приводит к нарушению симметрии и гаструляции, существенной для формирования всех тканей эмбриона? Те, кто занимается биологией развития, легко ответят на этот вопрос. Вместо использования одних только ЭС-клеток следовало добавить стволовые клетки, формирующие трофэктодерму, из которой образуется плацента, а также стволовые клетки, формирующие примитивную энтодерму, из которой получается желточный мешок. Могли этот рецепт привести к самоорганизации целого эмбриона, ведущей, в свою очередь, к нарушению симметрии?

Наш сумасшедший проект

Тот период совпал с первым годом скитания Сары Харрисон по разным лабораториям, где она выполняла краткосрочные проекты, прежде чем выбрать тему докторской диссертации. Сара подошла ко мне и спросила, могу ли я стать ее научным руководителем. Я с радостью согласилась и попросила ее помочь осуществить мою мечту — создать эмбрионоподобную структуру in vitro из разных типов стволовых клеток. У Сары было полно энтузиазма, сообразительности и амбиций, чтобы взяться за что-то трудное, но значительное. Зная, что прошу многого, я обещала всестороннюю поддержку на протяжении всего ее пути, который, как я подозревала, мог оказаться извилистым.

Под конец первого года работы над диссертацией Сара научилась имитировать с помощью ЭС-клеток первые этапы развития, а именно — поляризацию и люменогенез (Иван к тому времени покинул лабораторию, чтобы собрать собственную команду в Институте Макса Планка в Германии). Затем она продвинулась на шаг дальше и уже наблюдала, как клетки этих структур активируют ген Brachyury, экспрессия которого знаменует нарушение симметрии и обособление мезодермы. И все бы ничего, однако экспрессия Brachyury в ее синтетических эмбрионах была неорганизованной — происходила в случайных местах и совсем не так, как в естественных эмбрионах, у которых экспрессия этого гена всегда происходит между эмбриональной и внеэмбриональной тканями и на одной стороне эмбрионально-внеэмбриональной границы, то есть асимметрично.

Пока мы думали, что же предпринять с первыми результатами Сары, наши соседи из кембриджского отделения генетики во главе с Альфонсо Мартинесом Ариасом опубликовали статью с похожими выводами [11]. Их подход отличался от нашего. Вместо того чтобы начать с небольшого количества ЭС-клеток, формирующих розеточную структуру с открывающейся затем полостью, как у эмбрионов, они начали с сотен ЭС-клеток, создающих эмбриоидное тело, как в оригинальном исследовании Дерка тен Берга и Роэля Нуссе из Стэнфорда [12]. Такой подход тоже индуцировал экспрессию Brachyury, но, как и в нашем эксперименте, без настоящей гаструляции. Хотя методики были разными, итоговый смысл был схож с нашим. Многим исследователям было бы очень обидно наблюдать, как другая команда публикует их исследование. Но только не Саре.

Мы не стали писать еще одну научную статью с похожими результатами, а решили сделать глубокий вдох и предпринять следующий шаг. Он заключался в том, чтобы воссоздать структуру эмбриона с помощью всех компонентов, тем самым позволив ЭС-клеткам сотрудничать с ТС- и XEN-клетками — стволовыми клетками, происходящими из трофэктодермы и примитивной мезодермы, как мы и планировали изначально. Мы надеялись, что в результате экспрессия Brachyury будет организованной, а не стохастичной.

Однако создать успешный союз между разными типами стволовых клеток in vitro проще на словах, чем на деле. Поначалу мы, коротко говоря, не смогли заставить все клетки расти в одной среде и «договариваться» между собой. Но позже нам действительно удалось подтолкнуть ЭС-клетки к сотрудничеству с ГС-клетками, поместив их во внеклеточный матрикс из матригеля. Этот матрикс важен, поскольку заменяет собой третий недостающий тип ткани, примитивную энтодерму, ведь именно она индуцирует первый критический шаг самоорганизации — поляризацию клеток.

Пошаговая сборка эмбриона

Если бы мы занимались настоящей клеточной инженерией, мы бы складывали эмбрион из отдельных клеток, как ребенок по кирпичику собирает конструктор Лего. Мы смешали в чашке Петри два типа ткани в разных концентрациях и позволили клеткам взаимодействовать в случайном порядке. На второй день проверка под микроскопом показала, что некоторые клетки и в самом деле начали взаимодействовать и собираться в структуры. Их было немного, так как они формировались за счет непредсказуемых встреч, но когда эти ЭС- и ГС-клетки объединялись, их самоорганизация была изумительной — они как будто знали, что им делать, и преследовали конкретную цель.

Глядя в микроскоп во мраке лабораторной комнаты, мы стали свидетелями многих фундаментальных процессов развития. Первым делом мы увидели поляризацию клеток. Следуя ей, стволовые клетки организовывали себя таким образом, чтобы ЭС-клетки скапливались на одном конце, а ГС-клетки на другом. Затем в пределах каждого скопления открывалась полость и, благодаря диалогу между эмбриональными (производными ЭС-клеток) и внеэмбриональными (производными ГС-клеток) компартментами, получалась трехмерная структура в виде восьмерки. Мы выяснили, что при этом происходит передача сигнала с помощью белка Nodal[19]. Две полости в итоге сливались в одну с образованием крупной, так называемой проамниотической полости, существенной для развития эмбриона. Казалось, что этот люминогенез был идентичен таковому в естественном эмбрионе вскоре после имплантации. Мы стали свидетелями потрясающего подвига самоорганизации.

Но, как всегда, нам захотелось пойти дальше и сделать так, чтобы идентичные клетки в ЭС-производной части эмбриона нарушили свою симметрию должным образом. Я имею в виду попытку гаструляции — критический шаг, закладывающий основы будущего плана тела.

Мы обнаружили, что, если позволить структурам из ЭС- и ГС-клеток развиваться чуть дольше, они действительно нарушают свою симметрию. Как и в естественных эмбрионах, на границе между эмбриональными и внеэмбриональными компартментами начинается экспрессия генов, таких как Brachyury. Ген Brachyury очень важен, поскольку играет роль в формировании мезодермы и передне-задней оси симметрии [13]. Увиденное заставило замереть мое сердце и повергло в трепет всю лабораторию.

Архитектура этих эмбрионоподобных структур была достаточно близка к естественному эмбриону, чтобы приоткрыть тайны его развития на стадии имплантации в теле матери. Было очевидно, что эти ЭС-плюс-ГС-структуры имитировали морфологию и паттерны эмбриона намного точнее, чем одни только ЭС-клетки, и служили гораздо более правдивой моделью развития.

В каком-то смысле эти два вида стволовых клеток напоминали танцоров, сообщающих друг другу, где им расположиться в пределах эмбриона. Без этого па-де-де правильное развитие очертаний и форм и своевременное задействование ключевых биологических механизмов было бы невозможным. Мы также обнаружили, что, как