Льюис Уолперт - Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Все это развитие происходит за счет деятельности клеток, которая контролируется генами и теми белками, которые закодированы в них. Важно понимать, что гены не содержат в себе готовый чертеж того взрослого человека, в которого должен превратиться эмбрион. Скорее, содержащиеся в тканях эмбриона гены обеспечивают основу для выполнения программы развития новорожденного человеческого существа, в которой каждая предыдущая фаза обусловливает последующую.

Хорошей аналогией в этом смысле является оригами — искусство создания фигурок из бумаги. Довольно легко, например, последовательно сгибая листок бумаги, превратить его в сложную фигурку птицы, однако эта фигурка не появляется сама собой из складок бумаги, ведь каждое складывание листка оказывает сложное воздействие на то, каким будет эффект от последующих складок. То же самое происходит и с действием генов — каждая фаза развития эмбриона определяется тем, как была выполнена ей предшествующая.

Развитие эмбриона, подобно созданию оригами, зависит от реализации наследственной программы. Важно отметить, что развитие эмбриона определяется в первую очередь поведением отдельных клеток, а не сложностью взаимодействия, происходящего между клетками. Сигналы, которыми обмениваются клетки между собой, не приводят к передаче сложной информации, а прежде всего определяют выбор того состояния клетки, в которое клетка может войти в конкретный момент. Таким образом, в развитии эмбриона по-настоящему определяющим фактором является именно внутреннее состояние клетки.

Связь, которая осуществляется между различными клетками в развивающемся эмбрионе, позволяет активировать нужные гены в нужное время, чтобы белки могли выполнять свою работу. Подобно инструкциям по составлению оригами, которые предписывают, когда и как следует сгибать бумагу, гены активируются тогда и в тех местах, когда там необходимо синтезировать определенные виды белков. Сигнал, который получает при этом клетка, редко проникает внутрь нее. Почти всегда этот сигнал, являющийся в форме некоего вещества, воздействует на внешнюю оболочку клетки и вызывает ряд цепных реакций внутри клетки, которые приводят к активации либо деактивации определенных генов. Это немного напоминает то, как если бы вы нажимали определенные кнопки на музыкальном автомате, чтобы заставить его играть нужные вам мелодии. Таким образом, развитие эмбриона проистекает в результате последовательных реакций внутри клетки, которые вызываются сигналами, поступающими извне.

Сигнал, достигший клеточной оболочки, передается далее путем последовательного взаимодействия белков. Это приводит к добавлению фосфата к целому ряду белков, располагающихся как в клеточной оболочке, так и в клеточном ядре, что стимулирует либо останавливает работу гена. Это сложный процесс, известный под названием сигнальной трансдукции.

Клетки редко передают соседним клеткам новую информацию — никакого обмена записками или письмами между ними не происходит. Возможно, кому-то в голову приходит мысль, что такие сообщения могут содержать белки, которые передаются от одной клетки другой, однако это не так. Белковые сигналы лишь активируют рецепторы, которые далее посылают соответствующие сигналы внутрь самой клетки. И лишь очень небольшое число белков непосредственно проникает в клетку. Обычно это — гормоны.

Многие из ключевых генов, контролирующих развитие человеческого организма, а также развитие других позвоночных, были впервые обнаружены и исследованы в плодовых мушках дрозофилах. Исследователи использовали мушек, чтобы выяснить, как гены и белки контролируют поведение клеток. Благодаря дрозофилам удалось прояснить многие аспекты генетики. Возможно, после этого мушки стали с удивлением говорить друг другу, до какой же степени механизмы их собственного развития схожи с человеческими…

Использовался, в частности, следующий метод: ученые брали гены, игравшие важную роль в развитии дрозофил, и затем искали соответствующие гены в организмах позвоночных животных. Хороший пример — ген, получивший название «Акустический еж». Он был обнаружен в плодовой мушке и назван так потому, что, во-первых, при его мутации поверхность личинки мухи становится похожей на спину ежа. И во-вторых, потому, что, когда сходный ген был открыт у позвоночных животных, сын ученого, который его обнаружил, увлекался компьютерной игрой «Акустический еж». Биологи, занимающиеся подобными исследованиями, имеют право сами подбирать имена новым генам, и им явно нравится этот процесс.

«Акустический еж» — это сигнальный белок, который неоднократно используется в процессе развития нашего организма. Клетки по-разному реагируют на его появление, поскольку у всех у них разная история и они содержат различные белки.

Большой вклад в понимание закономерностей развития нашего организма внесло изучение лягушек и цыплят. Ведь в большинстве живых существ задействованы одинаковые или очень похожие механизмы. Эволюция раз за разом без стеснения идет одним и тем же путем, что, однако, не мешает создавать видовое разнообразие.

Для того чтобы проиллюстрировать действие механизма, отвечающего за создание структуры тела, и понять принципы его работы, мы прибегнем к аналогии с французским флагом, который состоит из трех одинаковой величины полос синего, белого и красного цветов, расположенных на одной оси. Сам флаг может быть любого размера, однако схема его раскраски всегда остается неизменной. Если мы имеем популяцию клеток, которые способны раскраситься в синий, красный и белый цвета, и при этом знаем, что число клеток в популяции может меняться, то какой же механизм с гарантией расположит их в виде французского флага? Представьте, что вы стоите вместе с другими людьми и у каждого из вас имеется по куску бумаги синего, белого или красного цвета. Вы ждете известного французского деятеля и хотите приветствовать его французским флагом — для этого люди с листами разных цветов должны выстроиться в строгой последовательности. Это реально только в том случае, если вы будете твердо знать свое место в общем ряду, которое, разумеется, будет соответствовать цвету листа бумаги у вас в руках. Без постоянного обмена сигналами между участниками мероприятия добиться успеха вам не удастся.

Точно так же выстраиваются в необходимом порядке и клетки эмбриона. Клетки получают соответствующую информацию и, согласно ей, занимают позицию в ряду других клеток, ориентируясь на границы этого ряда. После обретения клетками своих мест в них включаются генетические программы: клетки из левой трети становятся синими, из центральной трети — белыми, а из правой трети — красными. Смысл этого механизма в том, что на основе использования одного и того же позиционного значения могут развиться различные формы клеток — это происходит благодаря тому, что, в соответствии с заложенной в них генетической программой, клетки способны интерпретировать свое позиционное значение различным образом. Этот же механизм с успехом действует и в двухмерной системе координат, в которой интерпретирование позиционного значения происходит по двум осям. Далее мы рассмотрим подобные примеры.