Эмбриональное развитие разобрали по генам

Поклеточное сравнение зародышей рыб и лягушек прояснило некоторые молекулярно-генетические загадки эмбрионов.

Каждый человек, каждый зверь, птица, рыба, насекомое и т. д. происходят из одной-единственной клетки – оплодотворенной яйцеклетки, которая дает начало группе эмбриональных стволовых клеток.

И хотя мы уже довольно много знаем об эмбриональном развитии, о том, как из микроскопической горстки стволовых клеток получаются сердце, легкие, мозг и т. д., все равно весь процесс многим кажется почти мистическим.

Конечно, биологи всегда говорили, что в клетках эмбриона постоянно происходит переключение генов, управляющих развитием, что в один момент времени работают одни гены, а в другой момент – другие, и что активность генов отличается у разных клеток. Но проблема была в том, что довольно долго никто не представлял эмбриональную молекулярно-генетическую чехарду во всех подробностях, то есть какие именно гены когда именно и где именно работают. Оставалось только надеяться, что развитие научных методов позволит это когда-нибудь выяснить.

И вот надежды сбылись. В журнале Science вышло сразу три статьи, в которых на примере эмбрионов рыбы Danio rerio (полосатый данио) и шпорцевой лягушки подробно расписано, какие гены, где именно и когда именно работают (и лягушка, и полосатый данио – обычные модельные объекты в молекулярно-биологических экспериментах).

Как известно, генетическая информация из ДНК сначала копируется в молекулу РНК (точнее, в матричную РНК, потому что у РНК много разновидностей), а с РНК потом работают белок-синтезирующие машины. На активных генах синтезируется много РНК-копий, на неактивных – мало; значит, чтобы оценить генетическую активность в клетке, нужно сравнить в ней количество РНК от разных генов.

В последние годы биологи научились считать молекулы РНК в одной-единственной клетке – то, что нужно, если мы хотим узнать, как в эмбрионе клетки превращаются друг в друга. Исследователи из Гарварда семь раз брали зародыши рыб на ранних стадиях развития (начиная с 4 часов и до 24 часов после оплодотворения, когда в зародыше появляются зачатки органов) и разбирали их на отдельные клетки, и в каждой клетке читали последовательности РНК.

Кроме того, эмбрионы с самого начала снабжали особыми метками в виде кусочков ДНК с уникальными последовательностями – когда клетки делились, им доставались те или иные ДНК-метки, так что про каждую клетку можно было узнать, от кого она произошла. Всего пришлось проанализировать около 92 000 клеток; но в результате удалось понять, как меняется активность генов в клетках с разной родословной в течение первых суток эмбрионального развития.

В другом эксперименте те же зародыши рыб анализировали на еще более ранних этапах развития: каждые 45 минут в течение первых девяти часов жизни. Здесь цель была в том, чтобы выявить сходства и различия в активности генов между клетками из разных линий – задача весьма непростая, если учесть, что в первые часы жизни в зародыше рыбы появляются 25 типов клеток, и потребовавшая довольно изощренного компьютерного алгоритма.

Наконец, зародыши лягушки брали десять раз между пятью и двадцатью двумя часами после оплодотворения и также разбирали на клетки – тут РНК пришлось анализировать примерно у 137 000 клеток.

Результаты принесли некоторые сюрпризы. Раньше считалось, что когда клетка выбирает тот или иной путь развития, она уже не может с него свернуть – то есть если запустилась «мышечная программа», то потомки такой клетки будут однозначно стремиться стать мышцей. Но в эмбрионах рыб были клетки, которые ухитрялись идти по какому-то срединному пути, будучи в состоянии переключаться с одной программы дифференцировки на другую.

С другой стороны, удалось выяснить, что еще на стадии совсем неоформленного зародыша, когда он представляет собой всего лишь клеточный пузырь, его клетки уже начинают определяться с собственным предназначением: например, в шарообразном раннем эмбрионе лягушки есть клетки, которые уже готовятся сформировать хвост головастика.

И, конечно же, оба зародыша сравнили друг с другом. Считается, что до определенного момента развитие у позвоночных животных идет схожим образом – и некоторые ключевые гены в обоих зародышах действительно работали одинаково. Однако различий обнаружилось все же больше, чем ожидали исследователи.

Наконец, мутации, которые специально вносили в геном эмбрионов, приводили к тому, что зародыш лишался целой группы клеток – но притом другие клетки в нем работали нормально, хотя мутации должны были сказаться на них всех.

Однако в любом случае, какие бы сюрпризы ни поджидали бы биологов дальше, мы видим, что новые методы позволяют до конца разобраться в «мистике» эмбрионального развития – а чем больше мы будем здесь знать, тем раньше научимся предотвращать разнообразные врожденные пороки, многие из которых до сих пор остаются неизлечимыми заболеваниями.