Роман Смирнов
Становясь человеком
Как из одной простой клетки получается один из сложнейших организмов на Земле

Тысячелетиями человечество считало рождение ребенка Божьим даром. Процесс зачатия и развития маленького организма долгое время был неизвестен, и из-за этого возникали удивительные теории, как например наличие уменьшенной копии человека в сперматозоиде мужчины.

Лишь в XIX веке ученые смогли описать истинную природу этого процесса — как каждый из нас вырастает из одной клетки в сложнейший многофункциональный организм, следуя по одному и тому же пути.

***

На протяжении десятков лет немецкий биолог Эрнст Геккель зарисовывал человеческие эмбрионы на разных этапах развития. В 1868 г. он издает эти иллюстрации в виде книги под названием “История создания”, которая имеет бешеный успех и в 1870 г. переиздается.  Основной идеей новой, т.н. биогенетической теории был тот факт, что зародыш человека в своем развитии проходит весь путь от простейшего одноклеточного организма, повторяя большую эволюцию вида. На картинках на разных этапах действительно можно было увидеть нечто похожее то на птицу, то на ящерицу. Однако как именно из одной клетки формируются разные по функциям клетки и как они образуют единый организм в дальнейшем, занимая каждая необходимое ей место, оставалось неизвестным на протяжении более чем целого века. Ответить на вопрос, почему развитие не останавливается на произвольной стадии, ученые смогли только в XXI веке.

Эмбриология как наука существует около ста лет, однако основная масса открытий была сделана в последние 15 лет, что связано с развитием электронной микроскопии, а также открытием флюоресцирующих белков и началом их применения в качестве одного из молекулярных инструментов. Простое визуальное наблюдение за клеткой и процессами её дифференциации не могут дать представления о механизмах её специализации, поэтому различные манипуляции с генами, такие, как ограничение или остановка экспрессии (реализации программы) гена, или, наоборот, избыточная его экспрессия, позволили сделать прорыв в понимании механизмов определения судьбы клетки.

Стоит начать с того, что весь этот путь развития носит название эмбриогенеза. В течение 40 недель клетка проходит ряд преобразований, прежде чем наконец стать человеком. Все клетки тела, несмотря на различия в строении и выполняемых функциях, объединяет одно – единый генетический код, хранящийся в ядре каждой клетки. Исключение составляют так называемые постклеточные структуры, не являющиеся типичными для организма клетками: например, составные части скелетной мышцы имеют несколько ядер, а зрелые эритроциты ядер вовсе не имеют.

 

***

Существует два типа клеток: соматические (от греческого soma – тело) и половые. Соматические клетки имеют двойной набор хромосом – 44 аутосомы и две половые хромосомы, определяющие принадлежность человека к тому или иному полу. Для того, чтобы генетический код клетки не переполнялся и комбинировался с кодом других особей, происходит мейоз – два последовательных деления клетки, в результате которого образуется четыре половых клетки, содержащих 22 аутосомы и одну половую хромосому. Именно такое распределение генетического материала позволяет при слиянии сперматозоида и яйцеклетки дать начало новому организму, имеющему уникальный набор признаков. Итак, что же происходит в самом начале становления нового человеческого организма?

Сперва в результате полового акта две половые клетки — мужская и женская — соединяются в одну. Это оплодотворение становится пусковым фактором к делению. Но механизм начала деления зиготы до сих пор достоверно не установлен. По одной из гипотез, сигналом к делению служит снижение концентрации белка Whi5, обнаруженного группой учёных из Стэнфорда. По их версии, Whi5 связывается с белком-регулятором, блокируя репликацию (удвоение) молекул ДНК для новой клетки. По другой версии, сигналом к делению служит кортикальная реакция — взаимодействие головки сперматозоида с оболочкой яйцеклетки: при соприкосновении двух оболочек происходит активация клеточного деления. Если в условиях in vitro вызвать кортикальную реакцию, не позволяя сперматозоиду проникнуть в яйцеклетку, то яйцеклетка начнёт делиться сама по себе, однако если внедрить ядро сперматозоида непосредственно в цитоплазму, минуя мембрану клетки, то образовавшаяся двуядерная клетка — синкарион — не начнёт деление. Интересен тот факт, что формирование яйцеклетки тормозится на этапе второго деления мейоза, а её полноценное формирование происходит только после проникновения сперматозоида.

Первое деление зиготы происходит в течение 30 часов после оплодотворения, а дальнейшее увеличение количества клеток идёт в течение её длительного и сложного путешествия из фаллопиевой трубы, где и встречаются половые клетки, в полость матки. Деление зиготы называется дроблением, так как количество зародышевых клеток увеличивается, но их суммарные масса и объём не превышают исходный размер зиготы. Зародыш очень быстро наращивает количество клеток, составляющих его организм, но при этом не увеличивается в размере. Клетки эмбриона, которые называются бластомерами, делятся в разное время и с разной периодичностью. Бластомеры находятся в состоянии постоянного деления в течение трёх суток с момента оплодотворения и в результате этого этапа развития образуется морула из 12-16 клеток. На этом этапе все клетки являются тотипотентными, то есть из них может образоваться любая другая клетка. Мелкие клетки морулы вскоре начинают перегруппировку, и формируют бластулу — шар из одного слоя клеток с полостью; приблизительно на четвёртые сутки начинается миграция отдельных бластомеров с образованием двух слоёв — наружного, называемого трофобластом, и внутреннего — эмбриобласта.

Но каждая клетка должна знать, куда она переместится. Это во многом определяет ее дальнейшую судьбу и структуру будущего организма — закладываются основные оси дальнейшего эмбриогенеза. У некоторых живых существ, например, у дрозофил, этот момент определяется первым делением зиготы. В цитоплазме яйцеклетки находится особая матричная РНК, называемая морфогеном. При первом  дроблении зиготы эта матричная РНК попадает в одну клетку, в другой же ген отсутствует. Это приводит к формированию двух генераций клеток. Если искусственно убрать этот морфоген из клеток, образовавшиеся после первого дробления зиготы, то образуется организм с двумя задними половинами тела. За открытие такого гена у дрозофил американец Эрик Вишаус и немка Кристиана Нюсляйн-Фольханд получили в 1995 году Нобелевскую премию по медицине. Они же классифицировали 15 генов в ДНК, определяющих строение тела и образование сегментов у дрозофилы, и выделили три основных класса генов. Гены класса gap отвечают за формирование отделов тела, гены pair-rule — за количество сегментов, а гены segment-polarity — за свойства каждого сегмента тела. Такой тип распределения ролей клеток называется автономным, из-за того что они целиком зависят от их содержимого.

Эрик Вишаус

У более сложных организмов одними морфогенами дело не ограничивается. В процессе дробления, как уже говорилось выше, размер зиготы остается неизменным, но клеток становится больше. Их клеточные мембраны все более плотно контактируют друг с другом, и это приводит к перераспределению особых белков в цитоплазме клеток. Такой тип распределения называется обусловленным. При следующем цикле деления одни клетки получают одни белки, а другие клетки — другие. Таким образом, начинается следующий этап клеточного распределения, в результате чего клетки получают соответствующий сигнал для  распределения либо в трофобласт, либо в эмбриобласт. Последний — это будущий ребенок, а трофобласт будет играть ключевую роль в его питании.

Во время перемещения зародыша в полость матки он покрыт блестящей оболочкой. Едва зародыш касается стенки матки, оболочка разрушается и зародыш прикрепляется к её слизистой оболочке, которая до формирования плаценты будет обеспечивать зародыш питательными веществами. Трофобласт также формирует хорион, ворсинчатую оболочку плода, амнион, водную оболочку, в которой зародыш поддерживается во взвешенном состоянии, и плаценту, которая будет обеспечивать зародыш питательными веществами в процессе развития. При имплантации трофобласт начинает синтезировать хорионический гонадотропин, который во врачебной практике используется как маркёр наступления беременности, а также в качестве одного из “сигналов”, указывающих на развитие опухолевого процесса (подробнее можно прочитать в нашем тексте про онкомаркеры). После прикрепления зародыша эмбриобласт делится и образует три слоя, или зародышевых листка: внешний слой, прилежащий к трофобласту, называется эктодермой, внутренний, обращённый к полости — энтодермой, между которыми находится мезодерма.

Начинаются процессы дифференцировки тканей и органогенез. Клетки на этой стадии уже не совсем самостоятельны, но могут давать зачатки любым органам в пределах своего листка, благодаря чему их называют  мультипотентными. Причиной такой мультипонтентности является ДНК, вернее, специфические гены — Hox-гены. Они регулируют активность считывания той или иной информации с остальной ДНК, а значит — и синтез белков. Активация Hox-генов зависит от матричной РНК и белков, содержащихся в цитоплазме клетки, т.е. от информации, доставшейся зародышу от матери.

Эктодерма — внешний листок — даёт начало органам чувств и нервной системе. На третьей неделе развития формируется нервная пластинка из нейроэпителия, образовавшегося в результате процессов дифференцировки тканей. Затем в течение недели нервная пластинка сворачивается кнутри полости гаструлы, образуя нервную трубку и заставляя зародыш также принять форму трубки. На головном конце трубки формируется пять мозговых пузырей, вокруг которых впоследствии будут формироваться отделы головного мозга и органы чувств.

Мезодерма служит основой для формирования сердечно-сосудистой системы и опорно-двигательного аппарата. По ходу развития спинная часть мезодермы делится на сомиты, сегменты, а остальная мезодерма формирует спланхнотомы. В процессе развития каждый сомит дифференцируется на миотом, склеротом и дерматом, из которых образуются соответственно поперечнополосатая скелетная мускулатура, кости и хрящи скелета (у рыб также плавники) и соединительнотканная часть кожи с её производными. Часть сомитов в ходе дифференцировки образуют нефрогонадотомы — основу для органов мочеполовой системы. Спланхнотомы формируют зачатки внутренних органов и их внешние слои: серозные оболочки, гладкие мышцы, сосуды. Выселяющиеся из спланхнотомов клетки мезенхимы образуют соединительную ткань, кровеносные и лимфатические сосуды, клетки крови и лимфы, гладкую мышечную ткань внутренностей.

Энтодерма, внутренний зародышевый листок, даёт начало слизистой желудочно-кишечного тракта, пищеварительным железам и лёгким. Вначале пищеварительная трубка устроена довольно просто, однако в дальнейшем в этой трубке образуются выросты, превращающиеся в сеть разветвлённых трубочек. Так, кишечник приобретает петли, а в лёгких развивается бронхиальное дерево, основой которому служит образованная из кишечной трубки трахея.

Помимо внутреннего развития, меняется и внешний образ зародыша. На 5-й неделе возникают зачатки рук, а затем и ног, на 6-й они разделяются на основные отделы, на 7-й появляются зачатки пальцев. В возрасте 8 недель зародыш приобретает основные морфологические признаки человека во внешнем облике и во внутренней организации. Длина его (от темени до копчика) 4 см, вес 4—5 г. К концу 8-й недели заканчивается закладка органов зародыша. С 9 недели зародыш уже гордо называется плодом, и с этого момента начинается усиленный рост и набор массы тела: в течение 20 недель масса увеличивается с 3-4 грамм до 900-1100(!) грамм. До рождения человеку остается всего ничего.

 

***

Изучение нашего эмбриогенеза — не только лишь праздный интерес. Знание механизмов регуляции дифференцировки клеток позволит точно понимать особенности приобретенных внутриутробно нарушений развития плода. Кроме того, особенности клеток у эмбриона открывают массу возможностей для клеточной терапии стволовыми клетками. И за последние 15 лет врачи приблизились к решению этого вопроса как никогда ранее.


Если вы нашли опечатку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter


Понравилась статья? Подпишитесь!

Оголенный нерв

Подробный рассказ про причины, патогенез и перспективы лечения рассеянного склероза

На всякий случай

Как устроена система медицинского страхования в России и за рубежом