Помоги проекту - поделись книгой:
На самой ранней стадии, когда мышь состоит всего из двух клеток, Тарковский разрушил одну клетку и обнаружил, что оставшаяся сумела вырасти в полноценную мышь. Оставшаяся клетка обладала тем же потенциалом превращения в живое существо, что и при участии своей «сестры», то есть была тотипотентной — так ученые называют эту способность. В 1959 году Тарковский опубликовал статью о своем эксперименте в
Тогда я не знала, что этот эксперимент настигнет меня в последующие годы, когда моя команда будет собирать опровергающие доказательства, но не самого эксперимента Тарковского, а того, как он интерпретировался со времен шестидесятых. Но все это только в будущем.
Встреча с Тарковским изменила мою судьбу точно так же, как он сам менял судьбу клеток. Он перенаправил мой интерес от физиологии мозга и психологии в сторону завораживающей эмбриологии. Я подала заявление на получение степени магистра, необходимой для завершения исследований в его лаборатории в Варшавском университете. Тарковский меня принял, и я очутилась в его лаборатории на верхнем этаже одного из исторических зданий университета. Отделение эмбриологии располагалось на биологическом факультете в Краковском предместье — одной из красивейших улиц Варшавы, почти не пострадавшей во время войны.
В лаборатории Тарковского трудились много выдающихся ученых, исследования были захватывающими, с акцентом на раннее эмбриологическое развитие мышей и клонирование, а мы с коллегами сделались лучшими друзьями. Это не удивительно, ведь мы провели вместе столько долгих дней, постигая основы, быть может, сложнейшего урока, суть которого в том, что большинство экспериментов не срабатывают с первого раза. Чем амбициознее эксперимент, тем вероятнее провал. Чтобы преуспеть в науке, нужны страстная увлеченность и готовность преодолевать бесчисленные трудности. Детали не менее важны, чем общая картина.
К тому же для занятий наукой требовалась изобретательность. Когда нам понадобилось вырастить мышиные эмбрионы в лаборатории, воздух которой содержал следовые количества углекислого газа (менее 5%), у нас не было инкубаторов с газовыми баллонами, как на Западе. И мы заменили их собственным дыханием. Выдыхаемый воздух содержит меньше кислорода и больше углекислого газа, чем вдыхаемый, поэтому мы выдыхали прямо в закрытые боксы с эмбрионами. Просто, но эффективно.
Книги в лаборатории мы не только читали, но и подпирали ими локоть при выполнении деликатных микрохирургических манипуляций с мышиными яйцеклетками.
Постоянная необходимость выкручиваться может испортить настроение. Но я думаю, она придавала нам уверенность в том, что с достаточной долей сноровки и находчивости мы сможем справиться с самыми сложными экспериментами. Даже сегодня порой приходится включать воображение, чтобы использовать творческий подход для решения проблем.
Я так сильно восхищалась эмбриологией и уважала Тарковского, что ни секунды не мешкала, когда он попросил меня взяться за сложный проект — создание межвидовых гибридных эмбрионов мыши и рыжей полевки. Один из способов состоял в том, чтобы изолировать яйцеклетки и сперматозоиды каждого вида, а затем как-то ухитриться провести противоестественное межвидовое оплодотворение. Другой способ — имплантировать ядро (где находится ДНК) клетки рыжей полевки внутрь яйцеклетки мыши путем слияния клеток из эмбрионов мыши и полевки. Есть много способов сделать гибриды, и я перепробовала их все.
Рыжих полевок приходилось ловить возле польско-советской границы в Беловежской пуще — одном из крупнейших остатков необъятного первобытного леса, простиравшегося когда-то по Европейской равнине. В нашу лабораторию в Варшаве их доставляли поездом каждые две недели. Они были рыжевато-коричневыми с грязно-белым брюшком. А еще они были дикими и сильно кусались. Я выяснила это, делая им гормональные инъекции для стимуляции производства эмбрионов. К счастью, Еве Борсук, моей коллеге и лучшей подруге, пришла в голову гениальная мысль использовать толстую перчатку, чтобы полевки впивались в нее, а не в меня, пока я вынимала их и делала уколы. Это напоминало рыбалку и срабатывало! В большинстве случаев.
Развитие моих мышино-полевочных эмбрионов не заходило дальше стадии четырех-восьми клеток. Похоже, существовал некий фундаментальный блок, препятствовавший созданию межвидового гибрида. В то время мы считали, что все дело в отсутствии нормального «диалога» между клеточным ядром с геномом одного вида и окружающим молекулярным механизмом включения и выключения генов, расположенным в цитоплазме клетки другого биологического вида.
Только после нескольких месяцев ловли полевок на перчатку я осмелилась попросить Тарковского заменить их крысами. Крысы были гораздо доступнее. Получив одобрение, я погрузилась в изучение аспектов крысиной эмбриологии, в то время относительно мало известных, чтобы однажды создать мышино-крысиные эмбрионы. А затем наступил момент, оказавшийся судьбоносным.
Однажды перед рождественскими каникулами Тарковский позвал меня в свой кабинет, что само по себе было редким событием, и сообщил неожиданную новость. Фонд Сороса (созданный американцем венгерского происхождения с одноименной фамилией) впервые решил наградить нескольких польских студентов и аспирантов из разных исследовательских областей годовой стипендией для обучения в Оксфорде. Тарковский знал, что для меня это была великолепная возможность провести свои исследования, ведь прямо перед тем, как я начала с ним работать, он сам некоторое время проводил исследования в Оксфорде, где познакомился с Крисом Грэхемом и Ричардом Гарднером — двумя выдающимися учеными и важными персонажами моей истории.
Тарковский предложил мне подать заявку, но подчеркнул, что в случае успеха я должна после Оксфорда вернуться обратно в его лабораторию. Я вписала свою научную идею в план экспериментального исследования и подала заявку на стипендию. Через несколько месяцев я оказалась в числе отобранных для собеседования с группой оксфордских ученых. И, к моей радости, я получила стипендию Сороса.
Тогда я уже была замужем за Кшисом Гетцем, инженером, с которым познакомилась в семнадцать лет во время катания на лыжах. Кшис преуспел в этом виде спорта. Быстрый, яркий, с великолепным чувством юмора, он был из тех, кто может зажечь любую вечеринку, едва переступив порог, а также моей первой настоящей любовью. Несмотря на нежелание расставаться, мы оба знали, что возможность обучения в Оксфорде нельзя упускать.
Насколько я помню, нас было девять удостоившихся чести учиться в Оксфорде. Мы были весьма колоритной группой, и хотя нас разбросали по разным колледжам, мы регулярно встречались в конце дня, преимущественно на вечеринках. Нашим наставником был знаменитый польский философ и писатель Лешек Колаковский — один из главных вдохновителей «Солидарности», которому пришлось покинуть Польшу по политическим причинам. С тех пор большую часть карьеры он провел в Колледже всех душ. Мои же воспоминания об Оксфорде тесно связаны с колледжем Эксетера. Этот колледж был создан еще в Средневековье, и мне казалось, что я попала на страницы учебника истории.
После окончания стипендии Колаковский подарил мне талисман в виде стеклянной птицы (я до сих пор ее храню) и поддерживал со мной связь, присылая ободряющие письма. Хотя Колаковский был вдохновляющим человеком, с которым я вела философские беседы большую часть времени, моим главным интересом оставалась экспериментальная эмбриология.
Оксфордские клоны
На новом месте я начала работать с Крисом Грэхемом, еще одним основателем экспериментальной эмбриологии млекопитающих. Крис был первым учеником Джона Гёрдона, который сам по себе стал центральной фигурой в моей жизни. Тогда я не имела никакого представления о научном наследии Криса и, честно говоря, о достижениях Джона Гёрдона тоже. Но вскоре я узнала, что Джон проводил новаторские эксперименты по клонированию лягушек и затронул главный вопрос, зревший в умах клеточных биологов десятки лет: являются ли клетки взрослого организма генетически идентичными оплодотворенному яйцу, из которого произошли?
В 1960-х Крис Грэхем вдохновился успешным клонированием лягушек Гёрдона и попробовал провести свой эксперимент, основанный на оксфордском исследовании Генри Харриса, который с помощью вируса соединил клетки мыши и человека и получил гетерокарион, содержащий генетический материал обоих видов. Вирус позволял ввести клеточное ядро (часть клетки, где находятся генетические инструкции) в яйцеклетку, не повреждая ее иглой. В 1969 году Крис взбудоражил общественность своей, как он выразился, возмутительной статьей, пророчившей неизбежность успешного ядерного переноса у млекопитающих, то есть клонирования. Когда я в 1990 году приехала в Оксфорд, Крис Грэхем был занят не клонированием, а геномным импринтингом, при котором гены одного из родителей избирательно отключаются и остаются неиспользованными.
Оксфорд отличался от Варшавы во всех отношениях. Там я могла работать в хорошо оборудованной лаборатории, что было замечательно, но я была далеко от семьи, мужа и друзей, а это меня не радовало. Тем не менее все было настолько захватывающим, что у меня возникло внетелесное ощущение, словно я смотрела фильм со своим участием.
Мне повезло, что Крис был добрым и терпеливым. В то время я плохо говорила по-английски и со мной было трудно общаться, а склонность Криса превращать почти каждое предложение в шутку вовсе не облегчала процесс. Часто мне оставалось только догадываться, о чем он хотел сказать, и вежливо смеяться в ответ. Да уж...
Для моих экспериментов Крис выделил помещение рядом с местом, где содержались лабораторные животные, поэтому обычно я целый день проводила одна, так как молекулярные биологи были двумя этажами выше. Несмотря на то что я провела там лишь год, опыт работы в лаборатории Криса оказал на меня глубокое влияние не только с точки зрения науки и встречи с чудесными людьми, но и возможности почувствовать иную жизнь.
Я не вылезала из лаборатории, пытаясь понять механизм активации генома — одно из первых критически важных событий в жизни, когда инструкции, содержащиеся в ДНК самой оплодотворенной яйцеклетки, начинают использоваться вместо инструкций, унаследованных от яйцеклетки и сперматозоида в форме генетического материала рибонуклеиновой кислоты (РНК) и белков. Я хотела выяснить, каким образом активируется ДНК крысиного эмбриона, чтобы направлять его последующее развитие.
Этот вопрос я могла изучить только в Оксфорде, поскольку в Польше в те годы не было соответствующих технологий. По нашему мнению, причина невозможности создания крысино-мышиного эмбриона заключалась в том, что в процессе развития геномы двух этих видов активировались в разное время, и именно в Оксфорде я могла проверить эту идею непосредственно. Мы знали, что геном эмбриона мыши впервые активируется тогда, когда эмбрион состоит из единственной клетки, а при его расщеплении на две клетки наступает основная волна активации генов. Я хотела узнать, когда именно происходит это критическое событие в эмбрионе крысы.
И я выяснила, что геном крысы активируется чуть позже, ближе к завершению двухклеточной стадии [2]. Вероятно, в этом и была одна из причин недостаточной активации крысиных генов в яйцеклетке мыши. Но мне не выпало шанса проверить, являлся ли этот факт главной помехой созданию крысино-мышиных гибридов. Моя стипендия и время в Оксфорде подошли к концу, и я вернулась в лабораторию Тарковского.
Пока я училась в Оксфорде, мой муж построил для нас дом недалеко от Варшавы, в деревне Михаловице, где жила его семья, а многие местные дома были созданы его дедушкой-архитектором. Это был мой первый собственный дом, в котором было даже место для студии, так что я могла бы больше заниматься рисованием и, вероятно, забросить науку. В каком-то смысле это было блаженство. Я любила наш дом, меня так и подмывало укрыться от всего мира в этом семейном раю.
Примерно в этот период несчастный случай парадоксальным образом изменил мою жизнь к лучшему. В 1993 году я поскользнулась на первом зимнем снегу и сломала правую руку. Старомодная гипсовая повязка мешала мне водить машину, поэтому я не могла ездить в лабораторию. Внезапно я получила массу времени для исследования других своих интересов. Без правой руки рисовать не получалось, зато я могла писать. Я начала сочинять стихи (они были ужасные, и с радостью сообщаю, что я их уничтожила). Потом я поняла, что могу использовать это время для описания моих экспериментов в рамках докторской диссертации, и Тарковский одобрил мою идею. На следующий год я получила докторскую степень.
Моя новая квалификация, по сути, ничего не изменила. В лаборатории Тарковского я занимала штатную должность, поэтому продолжила проводить исследования и преподавать. Мой муж решил превратить серые и разваливающиеся мостовые в разноцветные тротуары и основал для этого фирму Байта. Забавно, но эта идея пришла ему в голову во время нашего медового месяца в Вене. Со временем он увлекся этой работой так же, как я — исследованиями.
Кшис мирился с моей научной жизнью. Хотя его не особо радовал тот факт, что я проводила в лаборатории столько времени. А мне не нравились мои заграничные командировки. Он никогда не пытался меня остановить, но нам обоим было ясно, что во время семейных встреч лучше не говорить о науке. Меж тем Тарковский выразил надежду, что опыт работы за границей удовлетворил мое любопытство. И мне, разумеется, льстило его желание оставить меня в своей лаборатории. Друзья тоже хотели, чтобы я никуда не уезжала. Но у жизни были на меня другие планы. Шаг за шагом она уводила меня из Польши.
Хотя Тарковский любил держать своих воспитанников при себе, один из них, Яцек Кубяк, все-таки ускользнул. Он подал заявление на должность аспиранта в лаборатории Бернарда Маро, находившейся в институте Жака Моно в Париже. Обосновавшись там, Яцек обнаружил, что Маро не терпелось выяснить, можно ли перенести на крыс те исследования, которые его команда проводила на мышиных эмбрионах. К тому времени я сделалась экспертом по крысиным эмбрионам, что было редкостью, и Яцек убедил Маро принять меня. Следующие три года Французский национальный центр научных исследований финансировал мои визиты в Париж, совершаемые каждое лето, когда я была свободна от преподавания в Варшавском университете.
Удивительно, но мы умудрялись публиковать исследования каждое лето. Великих открытий не было, но понемногу выстраивался относительно неизведанный мир крысиной эмбриологии. Там я впервые попробовала конфокальный микроскоп; его потрясающие красочные трехмерные изображения наполнили мои исследования силой визуализации и подарили просветление, которое приходит с научным искусством.
Мне нравилась жизнь в Париже; запомнились прогулки, городская архитектура, художественные галереи, chaussons aux pommes[3] и кино — кажется, я пересмотрела всего Джона Кассаветиса, но не только. Мне повезло, что за меня взялась кузина мужа Агнешка Вегларска (ныне де Рулак), по случайному совпадению проживавшая в Париже. Очень красивая и щедрая, с отличным чувством юмора, она приступила к организации нашей светской жизни (теннисные матчи в Люксембургском саду, кафе и винтажные магазины в Ле Маре), а я развлекала ее вечерним посещением вивария, когда подготавливала крыс к экспериментам следующего дня. Всякий раз, думая о Париже, я вспоминаю не только свою работу, но и наши с Агнешкой приключения.
В Париже у меня была возможность продолжить свои постдокторские исследования, однако я уже не была такой пластичной, как раньше, когда пребывала в восторге от академического духа и традиций Оксфорда. В итоге моим следующим пунктом назначения стал Кембридж. Разумеется, чисто случайно. Во время двухдневного визита в Кембридж я повстречалась с одним из своих самых сильных вдохновителей — ученым Мартином Эвансом, который в 1981 году выделил эмбриональные стволовые клетки, способные превращаться в любые клетки организма. В 2007 году за эту работу (к которой мы вернемся в главе 10, когда будем обсуждать регенеративную медицину) он удостоился Нобелевской премии.
Хотя к тому моменту я уже интересовалась стволовыми клетками, всерьез меня увлек ими Билл Колледж из исследовательской группы Мартина, изучавший ген
Нелегко было покидать дом на два года, я испытывала смешанные эмоции. Но в конце 1995 года я прибыла в Кембридж и погрузилась в науку и академический образ жизни, который никогда раньше не считала своим. Наука возобладала над всем, оставив в моей жизни не так много места для чего-то другого.
Благодаря удаче я работала в Кембридже сразу с двумя людьми, исключительными как с профессиональной, так и с человеческой точки зрения. Один из них, разумеется, Мартин. Другой — сам Джон Гёрдон, еще сильнее повлиявший на мою жизнь и научную деятельность. Кажется, наше общение вдохновляло не только меня, ведь через несколько лет Джон получил Нобелевскую премию за важнейшее открытие того, что зрелую клетку, например кожи, можно снова сделать эмбриональной.
Первые годы работы в Кембридже с Мартином были не только насыщенными, но и (не могу выразиться иначе) сбивающими с толку. Данные моих исследований впервые подсказывали, что именно подталкивает клетки эмбриона на конкретный путь развития. Эти результаты (противоречащие привычным представлениям, на которые повлиял мой наставник Тарковский) показывали, что судьба клеток определяется гораздо раньше, чем считалось. В это неожиданное открытие никто не верил. И поначалу я тоже.
У людей все иначе?
Хорошо известно, что более «примитивные» лабораторные животные (лягушки, дрозофилы, круглые черви) начинают свою жизнь по плану: говоря простыми словами, яйцеклетки этих существ определяют судьбу отдельных клеток организма. Все потому, что яйцеклетка полярна (имеет разные «концы») и при расщеплении надвое каждая клетка наследует разный конец материнской клетки, а значит, и разную информацию — «адрес», определяющий судьбу. У таких организмов потеря одной клетки приводит к потере структуры, вырастающей из этой клетки. Подобное развитие называют мозаичным. Но если потомки оставшейся клетки по-прежнему могут дать начало тем структурам, за которые отвечала потерянная клетка, эмбрион называют регуляционным.
Есть множество примеров полярных яйцеклеток. Яйца дрозофил имеют градиент белков, обусловленный генами
Сперматозоиды тоже играют важную роль в формировании плана тела. Развитие яйцеклеток лягушек и круглых червей зависит от точки проникновения в них сперматозоида [3]. При оплодотворении яйцеклетки червя происходит неравномерное распределение так называемых РAR-белков. Они помечают те клетки, которым суждено стать передом червя, или передним отделом, и те, которым суждено стать задним [4]. PAR-белки регулируют полярность клеток во многих контекстах и у самых разных животных, включая (как мы увидим дальше) эмбрионы млекопитающих. Их универсальность позволяет предположить, что они являются потомками древнего «расцветочного» механизма.
Мартин Джонсон вместе со своей командой из Кембриджского университета выяснил, что на восьмиклеточной стадии все клетки мышиного эмбриона приобретают наружно-внутреннюю полярность. Тем самым закладывается фундамент для двух клеточных линий, когда от дочерней клетки, унаследовавшей наружную часть материнской клетки, получаются клетки трофоэктодермы, формирующие плаценту, а дочерние клетки, наследующие внутреннюю часть материнской клетки, создают эпибласт — слой прогениторных клеток, строящих будущий организм [5]. В самые первые дни моего пребывания в Кембридже мы обнаружили, что эта полярность вызвана неравномерным распределением РAR-белков [6].
Когда-то в конце 1950-х было выдвинуто предположение, что развитие млекопитающего тоже начинается с полярной яйцеклетки [7]. Затем эта идея была похоронена. Одна из причин состояла в том, что, в отличие от лягушек, яйцеклетки мыши и человека выглядят более однородными. Но главной причиной является онтогенетическая пластичность. Она наделяет эмбрион млекопитающего способностью к уже упомянутому регуляционному, гибкому развитию, в противоположность мозаичному, негибкому. Считалось, что эта пластичность вызвана идентичностью всех клеток, не имеющих предрасположенности к конкретному пути развития.
Именно поэтому в конце 1990-х меня шокировало обнаруженное мною доказательство того, что клетки эмбриона млекопитающего не идентичны друг другу. Сначала я не могла согласиться с собственным открытием, но чувствовала, что не должна о нем забывать, даже если оно противоречит существующим представлениям. Без этого случайного открытия моя жизнь сложилась бы иначе.
Цветные клетки
На ранних этапах обучения в 1980-х я с удивлением узнала, что судьба эмбриональных клеток не предопределена. Меня это заинтриговало, ведь природа, антропоморфно выражаясь, рисковала, отдавая начало жизни на волю случая и не направляя ключевые онтогенетические события в конкретную сторону. Учитывая, что специфические стадии эмбрионального развития приурочены к определенному периоду беременности, я не могла понять, как путь индивидуальной клетки может быть таким непредсказуемым.
На заре своей исследовательской деятельности я хотела выяснить, откуда берется онтогенетическая пластичность. Мне хотелось раскрыть детали этой экстраординарной самоорганизации. У меня не было никаких практических целей. Это было просто страстное желание разобраться, на чем клетки основывают свой выбор. Я чувствовала, что лучше начать с отслеживания судьбы отдельных клеток, с момента их появления и на протяжении всего периода делений, пока они не станут собственно клетками эмбриона (ребенка) или клетками плаценты или не исчезнут в процессе. Я хотела придумать специальную краску, подчеркивающую все захватывающие подробности танца жизни, которые так долго оставались невидимыми.
Глава 3
Раскрашивая клетки
Чтобы проследить судьбу каждой клетки развивающегося эмбриона, я обратилась было к распространенной медузе, дрейфующей в холодных водах западного побережья Северной Америки. Хотя диаметр этой медузы не превышает десяти сантиметров, ее способность к биолюминесценции — самая выдающаяся в Мировом океане.
Потревоженная, она генерирует световые вспышки по краям колокола. Изначально они выглядят как голубые искры, созданные люминесцентным белком экворином. Но мы не видим их, потому что внутри медузы они проникают в белок с маленькой структурой в центре под названием «хромофор», который поглощает синий свет и переходит в возбужденное состояние, а по мере выхода из него светится зеленым. Осаму Симомура из Принстона выделил этот белок в 1960-х, назвав его зеленым флуоресцентным белком (
Сегодня этот белок можно использовать для самых разных целей, например, чтобы отследить распространение вирусных инфекций в организме, понаблюдать за регенерацией поврежденных тканей в организме аксолотля (амфибии) или в подробностях увидеть, как переплетаются нервные пути в мозге мыши. С помощью генетических трюков и флуоресцентных белков можно покрасить сотни нервных клеток в десятки различных оттенков и создать мозговую радугу (
С помощью множества флуоресцентных меток можно представить разные стадии жизни в форме яркой мозаики синего, розового, зеленого и других цветов. Значимость подобных исследований сопоставима с их красотой.
Однако оригинальный белок медузы, выделенный Симомурой, не работал в теплокровном организме. Мне нужен был мощный флуоресцентный маркер, чтобы проследить, как активируются гены в клетках живых эмбрионов млекопитающих по мере развития или установить время рождения отдельных клеток и окончательного решения их судьбы.
GFP начали использовать в качестве маркера еще в 1994 году, когда Мартин Чалфи из Колумбийского университета в Нью-Йорке сообщил, что с помощью флуоресцентного белка можно продемонстрировать активацию гена, за что и разделил Нобелевскую премию с Симомурой [3].
Мне тоже хотелось побаловаться этой светящейся зеленой краской. Это был год, когда Мартин Эванс и я получили стипендию Европейской организации молекулярной биологии, что привело меня в Кембридж, где я могла доработать GFP, чтобы проследить действия генов в живом эмбрионе млекопитающего и в стволовых клетках. Ген GFP можно было встроить в ДНК млекопитающего и тем самым пометить белок флуоресцентным маркером. Если бы клетка использовала ген для производства этого белкового компонента, то под ультрафиолетом, благодаря GFP, она светилась бы зеленым.
В то время меня глубоко интересовало нарушение симметрии, полярность и структурные детали развития эмбриона. Именно поэтому я загорелась концепцией самоорганизации и идеями великого английского математика Алана Тьюринга, который в 1936 году создал теорию алгоритмов, а во Вторую мировую войну взломал код нацистской шифровальной машины Enigma [4]. Тьюринга интересовали узоры, созданные самой природой: он хотел опровергнуть представление о том, что только Бог способен творить чудеса. Мне нравилась его идея, что в природных узорах нет ничего сверхъестественного.
Я знала, что клеткам мышиных и человеческих эмбрионов присуща пластичность в вопросах окончательного превращения в конкретный тип клеток. Я хотела понять базовые механизмы этой пластичности, чтобы посмотреть, соответствуют ли они математическим моделям формирования узоров, предложенных Тьюрингом.
Для этого мне надо было пометить клетки, чтобы несколько дней следить за ними и их потомками в развивающемся мышином эмбрионе. Раньше такого никто не делал, и GFP казался мне идеальным помощником. Но прежде всего мне нужно было заставить его светиться в эмбрионе млекопитающего. Тогда этот подвиг еще никому не удавался, поэтому у меня не было готового решения. И как обычно бывает, когда пытаешься сделать что-то в первый раз, у меня ничего не вышло.
Примерно в то время на мою работу обратил внимание Джон Гёрдон. Он был руководителем института, в котором я работала, — Британского института клеточной биологии и онкологии под патронажем благотворительных фондов Wellcome Trust и Cancer Research (переименованного в 2004 году в Институт имени Джона Гёрдона). Считалось, что Джон бился над биологическими загадками еще в школьные годы в Итоне, а к исследованиям приступил в Оксфордском университете в 1950-х, задавшись одним из важнейших фундаментальных вопросов: действительно ли все клетки тела имеют одинаковый набор генов [5]? В 1966 году Джон сообщил, что, пересадив ДНК из ядра клетки молодой лягушки в энуклеированные (лишенные ядер) яйцеклетки, он создал еще одну лягушку. Позже он написал: «Среди всех проведенных нами экспериментов этот, вероятно, является самым важным, ведь он доказывает, что клетка может пройти специализацию и все-таки... [сохранить] весь генетический материал, необходимый для создания полноценного, половозрелого индивидуума... Клонирование дифференцированных и, по всей видимости, даже зрелых клеток как минимум теоретически возможно» [6].
На мой взгляд, это был один из важнейших онтогенетических экспериментов двадцатого века, поскольку он показывал, что дифференциацию клетки можно обратить вспять. Помимо разных научных последствий, этот факт, несомненно, означает, что Джон был пионером клонирования. Учитывая его высокое звание и мой низкий статус, наша встреча, не говоря уже о беседе, казалась маловероятной.
Но однажды, когда я выходила из аудитории, Джон вежливо спросил, над чем я работаю. Я описала ему свои попытки заставить GFP светиться в организме мыши, чтобы с его помощью можно было увидеть активацию отдельных генов и проследить, каюте клетки становятся частью мышиного эмбриона.
Джон был заинтересован. Ему понравилась задача, и он тоже считал ее важной. Кроме того, он уже знал, как заставить продукты гена работать в организме лягушки: суть в том, чтобы вводить в клетку не сам ген, а синтетическую РНК — транскрипт гена, используемый клеткой для синтеза белка. Имплантированная РНК через несколько часов давала нужный эффект. Эта короткая случайная встреча стала поворотным моментом в моем исследовании.
На следующее утро, придя в лабораторию Мартина, я обнаружила на столе записку. В ней Джон просил меня встретиться и за чашкой чая обсудить GFP. Можем ли мы «настроить» GFP и для его лягушачьих эмбрионов? Так началась наша совместная работа, утомительная рутина которой переходила изо дня в ночь.
Моя жизнь распределилась между исследованием клеток мышиных эмбрионов в лаборатории Мартина Эванса и ночными исследованиями лягушачьих эмбрионов в лаборатории Джона Гёрдона. У обоих проектов была одна цель: найти такой способ окрашивания клеток, который не мешал бы нормальному развитию эмбриона и в то же время действовал как маркер, позволяющий отследить превращение клеток эмбриона в разные типы.
В Кембридже мне посчастливилось трудиться бок о бок со многими выдающимися учеными. Я познакомилась с Джоном Пайнзом и Джимом Хэйзелоффом, которые пытались сделать GFP более устойчивым, изменив участок гена, отвечающий за скорость разрушения этого белка. Я помню долгие часы, которые провела в лаборатории Джона, обсуждая способы преодоления последней неудачи и стараясь научиться у него мастерству разрезания и сшивания ДНК. В итоге мы создали такой вариант GFP, который флуоресцировал при более высоких температурах, характерных для организма млекопитающих. Когда я ввела его в клетки мышиного эмбриона, они засветились зеленым. Джон назвал этот белок
Бывало, закончив работу с мышиными эмбрионами в лаборатории Мартина, когда большинство моих коллег расходились по домам, я спускалась вниз, в лабораторию Джона Гёрдона, чтобы проанализировать лягушачьи эмбрионы, в которые он уже ввел разные варианты GFP для проверки. Поскольку в то время он был Магистром колледжа Магдалины, он исчезал в полседьмого вечера, чтобы возглавить ужин за Высоким столом[4].
И пока Джон сидел на официальном ужине с коллегами, я рассматривала его лягушачьи эмбрионы под конфокальным микроскопом, который увеличивал разрешение, собирая на специальной фокальной плоскости свет от изучаемых образцов. Здесь это был первый и единственный такой микроскоп, поэтому он находился в постоянном использовании, и я резервировала его на вечернее время. После ужина Джон заходил посмотреть на наши результаты. Иногда он был в красном костюме с черным галстуком или огромной красной бабочкой. Учитывая его рыжеватую шевелюру, в таком наряде он был похож на инопланетянина.
Так мы сотрудничали многие месяцы. Мы хорошо ладили, хотя наши жизненные истории сильно отличались. Джон Гёрдон получил образование в Итоне и был родом из привилегированной семьи. Ну а я, хотя и происходила из благородной польской семьи (так называемой шляхты), мои родные все потеряли во время войны, я училась в государственной школе коммунистической страны, где все должны были быть одинаковыми, без всяких богатств или привилегий. Джон был не только добрым и мыслящим, но и авантюрным. Однажды утром он повез меня на красном спортивном автомобиле любоваться природными красотами весенней Англии, и я внезапно обнаружила себя в дендрарии, гуляющей по чудесному ковру из колокольчиков. В другой раз я уговорила Джона сходить на понравившийся мне фильм, который посмотрела предыдущим вечером. Думаю, он согласился просто из вежливости. Позже он признался, что это был его первый поход в кинотеатр. Мы посмеялись над этим случаем, который был еще одним примером того, насколько мы были разными. Но мы интересовались жизнью друг друга и поэтому подружились. Вспоминая те годы, я осознаю, что Джон был моим наставником. Он несколько раз по-отечески вмешивался, спасая меня от ошибок и помогая принять многие трудные решения, не только научные, но и личные. Я очень эмоциональный человек (как говорится, нельзя покорить поляка силой, только сердцем), в то время как Джон был довольно рациональным [7]. Порой мы бесконечно дискутировали, пытаясь понять друг друга.
Хотя моей основной работой было использование GFP для изучения развития эмбрионов мышей, своим первым реальным прогрессом в Кембридже я обязана подработкам с лягушачьими эмбрионами. В рамках нашего соглашения Джон показал мне, как имплантировать GFP путем введения в лягушачьи клетки синтетических посланников для соответствующих генов. Его персональное попечительство было чрезвычайно полезным. В работе эмбриолога много искусства и ловкости. Наблюдать выполнение технического приема (и на гораздо более крупных лягушачьих клетках) намного полезнее, чем попытки представить весь процесс по сухим книжным указаниям, зачастую лишенным важных подробностей.
В конце концов нам удалось получить зеленый флуоресцентный маркер и применить его для визуализации развития мышц лягушки. Джон увлекся этой работой (к тому же проложившей путь к успешному использованию GFP у млекопитающих) и прямо во время службы в университетской часовне набросал карандашом подробный план научной статьи, описывающей наши результаты.
Думаю, это был подходящий фон для наших откровений о сотворении лягушки, наполненных ранее неизвестными деталями онтогенетического развития. Привычная к неспешному ритму описания научных результатов в Польше, я удивилась тому нетерпению, с которым Джон хотел опубликовать статью раньше всех. Как он сказал, «когда речь идет об открытии, нет никакой второй статьи, только первая». Статья, словно подарок, появилась на страницах журнала
Затем я успешно применила GFP в исследовании мышиных эмбрионов, хотя к тому времени другие ученые без моего ведома успели опробовать этот маркер на клетках млекопитающих [9]. Наверное, из-за того, что они не использовали GFP для изучения яйцеклеток или эмбрионов, я и Мартин ничего не знали об их работах.
Джон Пайнз первым показал мне, как улучшить текст моих научных работ. Наша первая совместная статья описывала применение
Но статья не рассказывала обо всем, что мы обнаружили. Эта первая работа по отслеживанию клеток в живом эмбрионе вызвала не только изумление, но и тревогу. Когда я маркировала в случайном порядке клетки эмбрионов на двух- или четырехклеточной стадиях, я видела, что клетки не вели себя как идентичные друг другу. Они противоречили общепринятому представлению о том, что «разум» первых клеток эмбриона совершенно одинаков и чист. Я предусмотрительно не включила свое открытие в статью для Development и сосредоточилась на описании новой технологии отслеживания.
Но я не могла забыть об этих неожиданных результатах и обсудила их с Джоном. Если обе клетки в эмбрионе двухклеточной стадии и все четыре клетки в эмбрионе четырехклеточной стадии являются идентичными, они должны случайным образом вносить вклад в создание разных частей эмбриона на последующих стадиях. Именно так мой наставник Тарковский интерпретировал результаты новаторского эксперимента 1959 года. Однако это никак не вязалось с моими результатами.
А потом я нашла зацепку, факт, которым пренебрегали при объяснении более ранней работы. Если разделить двухклеточный эмбрион на две отдельные клетки, только одна будет развиваться в целую мышь. Многие пытались превратить две половинки двухклеточного эмбриона в двух мышей, включая ведущих онтогенетиков Энн Макларен и Джинни Папайоану, к которым я вернусь позже. Их эксперименты либо провалились, либо имели крайне низкие показатели успеха. Мы все думали, что проблема была в технике выполнения, а не в различиях между этими ранними клетками. Но что, если мы упустили нечто большее? Что, если в двухклеточном эмбрионе только одна клетка является действительно тотипотентной и поэтому, в отличие от второй клетки, может создать как плаценту, так и сам эмбрион? Если все правда, то изучение этих клеток позволит понять саму тотипотентность и то, когда и как она утрачивается в первый раз.
Подчеркну, что этот эффект не детерминирован — ни в коем случае, ведь эмбрион пластичен: мои эксперименты по отслеживанию «родословной» клеток эмбриона выявили уклон, толчок в определенном направлении развития, а недетерминированный процесс. Что еще проблематичнее — не в каждом эмбрионе этот уклон был таким очевидным. Но тот факт, что это происходило у подавляющего большинства эмбрионов, говорил о наличии закономерности. Как и мой герой-ученый Алан Тьюринг, я была очарована так называемым нарушением симметрии в раннем эмбрионе. Встретив меня в то время, вы бы поняли, что мысли о нарушении симметрии захватили меня целиком и полностью.
Полярные тельца
Существовавшее в те годы сопротивление идее о том, что эмбрион утрачивает идеальную симметрию на ранней стадии развития, вызывало недоумение еще и потому, что оплодотворенная яйцеклетка уже содержит намек на асимметрию. Все дело в истории ее созревания. К каждой оплодотворенной яйцеклетке прикреплены две маленькие клетки, одна из которых создана до, а вторая после слияния яйцеклетки и сперматозоида. Эти клетки появляются в результате особого вида клеточных делений — мейоза. По этим маленьким клеткам традиционно различают два конца яйцеклетки: так называемые анимальный и вегетативный полюса, где первый содержит ядро с ДНК, а второй наполнен желтком. Крошечную клетку анимального полюса когда-то называли направительным тельцем за то, что она обозначает место, где в дальнейшем произойдет первое дробление. Сегодня эти скромные клеточки именуют полярными тельцами [11].
Они нужны для того, чтобы положить начало созданию нового индивидуума, позаимствовав в равной степени ДНК матери и отца. В каждом из нас есть генетическая смесь из ДНК обоих родителей, упакованная в клетках в виде двадцати трех пар хромосом. Как отражение этой избыточности, наши клетки называются диплоидными и ежедневно размножаются путем клеточного деления митоза, при котором их хромосомы копируются и с помощью белковых «двигателей» распределяются между двумя дочерними клетками. Но чтобы сперматозоид и яйцеклетка скомбинировали свою ДНК для создания новой жизни, им нужен противоположный процесс, где каждому достается только
Чтобы подготовить почву для новой жизни, сперматозоид и яйцеклетка создаются из клеток, утративших набор хромосом и в результате превратившихся в гаплоидные клетки, которые содержат двадцать три хромосомы (а не двадцать три пары). Этот процесс хромосомной хореографии называется мейозом и включает сначала удвоение хромосомной ДНК, а затем два мейотических клеточных деления. В итоге получаются четыре гаплоидные клетки с половиной нормального количества хромосом. В мужском организме все эти гаплоидные клетки являются сперматозоидами.
Но в женском организме мейоз происходит иначе — еще одна асимметрия между полами, отражающая важность яйцеклетки, которая развивается из клеток-предшественниц, ооцитов, накапливающихся в яичниках девочки до ее рождения. Ооцит по мере созревания претерпевает два мейотических деления, но каждое из них в высшей степени асимметрично: одна клетка (яйцо) сохраняет изначальный размер, а остальные «отбракованные» клетки получаются крошечными, представляя собой те самые полярные тельца.
При первом мейотическом делении ооцит имеет двадцать три пары хромосом, ДНК которых продублирована в виде сестринских копий и перетасована между хромосомами матери. При первом мейотическом делении хромосомные пары распределяются между ооцитом и первым полярным тельцем. Удвоенные нити ДНК называются хроматидами, каждая из них представляет одну из двух копий реплицированной (удвоенной) хромосомы. Во время второго деления сестринские хроматиды снова распределяются между ооцитом и еще одним полярным тельцем. Результатом двух делений являются два маленьких полярных тельца[5], первое из которых дегенерирует, и одна большая яйцеклетка с двадцатью тремя хроматидами.
В целом женский мейоз создает одну яйцеклетку (и два полярных тельца), а мужской — четыре сперматозоида. Один сперматозоид добавляет свои двадцать три хроматиды к тем, что есть в яйцеклетке, и они вместе будут претерпевать циклы репликации ДНК и митоза в процессе развития эмбриона.
Судьба полярных телец решается по-разному. Первое полярное тельце отделяется от яйцеклетки и дегенерирует. Второе остается привязанным к ней и выживает, спрятанное в ее «скорлупе» (
Второе полярное тельце может быть очень полезным. Его можно отобрать в качестве «представителя» яйцеклетки для диагностики, чтобы оценить аномальное распределение хромосом между яйцеклеткой и полярным тельцем, распространенное среди матерей старшего возраста[12].
Кроме того, второе полярное тельце служит навигационным маячком. Мы пользовались им как маркером, когда пытались понять, действительно ли все клетки эмбриона идентичны друг другу.
Трудный выбор
Моя двухлетняя стипендия подходила к концу, и я планировала вернуться в Варшаву. К тому моменту я обзавелась в Кембридже настоящими друзьями. Одним из них был Питер Лоренс, проводивший исследование формирования узоров и полярности у плодовых мушек дрозофил, — Питер был мне как отец. Мой коллега Джон Пайнз, изучавший клеточное деление и помогавший мне «укротить» GFP, тоже стал моим лучшим другом. Вместе с Джоном Гёрдоном и Мартином Эвансом они помогли мне решиться на то, чтобы остаться в Кембридже и продолжить изучение нарушения симметрии на мышиных эмбрионах. Они подозревали, что если я вернусь в Варшаву, в лабораторию Тарковского, то не смогу заниматься отслеживанием клеток в живом эмбрионе, поскольку там эту затею в лучшем случае посчитают бессмысленной, в худшем — еретической, ведь догма гласила, что клетки эмбриона идентичны, а их судьба — случайна.
Именно Джон указал мне на три стипендии, которые могли бы поддержать меня в Кембридже. Поскольку за них была высокая конкуренция, разбрасывать ставки казалось рискованным, Джон посоветовал мне подать заявку на все три стипендии, которые счел подходящими.
Я не поверила своей удаче, когда в 1997 году меня удостоили всех трех. Первая предназначалась для старших научных сотрудников и выдавалась Институтом профилактической медицины имени Листера. На нее можно было собрать в Кембриджском университете собственную команду. Я изумилась, ведь изначально меня даже не пригласили на собеседование, просто внесли в короткий список тех, кто был недостаточно хорош для этой стипендии. Тогда я решила забыть о заявке и пойти дальше.
Одним ранним утром я спала как убитая после ночных экспериментов в лаборатории. Сквозь сон прорвался телефонный звонок. На другом конце провода была знаменитая эмбриолог Энн Макларен, которая сообщила, что один из кандидатов на листерскую стипендию выбыл и мне надо сейчас же быть в Лондоне, чтобы успеть на собеседование для оставшихся претендентов.
Неподготовленная и измученная тем, что всю ночь всматривалась в микроскоп, я приехала на собеседование сразу после того, как получила положительные результаты, означавшие, что я успешно могу использовать GFP для отслеживания судьбы клеток не только перед имплантацией, но даже после нее. Быть может, эйфория от успеха с GFP и полное отсутствие претензий помогли мне завоевать расположение.
Мое второе собеседование было с комитетом Сидни-Сассекс-колледжа, и я помню, как с энтузиазмом делилась своей мечтой о возможности впервые отследить клетки в живом эмбрионе мыши и, разумеется, поведала о своих усилиях по превращению GFP в маркер для живых клеток. Мне казалось, они считают мой взгляд нереалистичным, поскольку я только начала использовать GFP таким образом. Однако нейробиологу Габриэлю Хорну, магистру Сидни-Сассекс-колледжа, понравился мой проект, и стипендию отдали мне. Она обеспечила меня замечательным обществом, а также местом для проживания.
Источником третьей стипендии был фонд Wellcome Trust, и я смогла превратить ее в грант, чтобы нанять себе первого в жизни ассистента и купить первый собственный микроскоп. Удостоиться всех трех стипендий — это слишком хорошо, чтобы быть правдой, и так оно и было. Однако действительность оказалась более неловкой.
После всех трех собеседований я приехала в Польшу, чтобы вместе с Кшисом отдохнуть в Татрах. Передо мной встал выбор: остаться в Польше или вернуться в Кембридж. Было нелегко принять решение. Я обожала Кшиса, нашу совместную жизнь и спасенного нами кота Хоки. Но я была также поглощена значением своих неожиданных результатов. Не знаю, на что я тогда решилась бы, если бы не случайное совпадение: примерно в то время я оказалась во власти мощной силы, влюбившись на одной конференции в Колд-Спринг-Харбор. Этот ненаучный фактор ввел меня в замешательство, но помог не отступиться от моих исследований.
Был и еще один сложный профессиональный аспект, о котором я в ту пору даже не подозревала. Выиграв все три стипендии, я все равно не могла создать свою исследовательскую группу. В то время в институте не было официальных назначений. И даже если бы меня сочли достойной звания руководителя группы, ни для моей группы, ни для хотя бы моего микроскопа не было свободного места. Джон был сильно обеспокоен, ведь ему казалось, что мое первое столкновение с офисной политикой отобьет у меня охоту заниматься наукой.
Мартину и Джону удалось выделить мне место в Институте Гёрдона в одном из помещений для микроскопа, чтобы я могла продолжить эксперименты, но из-за оппозиции (я не была «настоящим руководителем группы») мы в конечном итоге убрали мой микроскоп. Сказать, что мне было тяжело, значит ничего не сказать. Я хотела уехать, и когда мне предложили возможность собрать группу в Оксфорде, я почти собрала вещи.
Но моя судьба вновь изменилась. Энн Макларен взялась меня «опекать». Она поделилась со мной кабинетом и небольшой лабораторией в Институте Гёрдона, а также одолжила мне ключи от своего дома, чтобы мне было куда приглашать гостей. Будучи секретарем по иностранным делам в Королевском обществе и членом Наффилдского совета по биоэтике, она много путешествовала, продвигая ученых, которые исследовали человеческие эмбрионы, поэтому я помогала ей управлять лабораторией.
Оглядываясь назад, я жалею, что мы редко с ней виделись. Я была слишком молода и не понимала, что она не всегда будет рядом, и, разумеется, не занимаясь человеческими эмбрионами и даже не интересуясь ими, я имела лишь смутные представления о том, какой влиятельной фигурой она была в дебатах о человеческой эмбриологии. Позже мы поговорим о ее наследии.
Поделиться книгой: