Как одна клетка знает, где строить глаз

Оплодотворённая яйцеклетка не имеет ни глаз, ни сердца, ни левой или правой стороны. И всё же в течение нескольких недель она создаёт тело, в котором каждый орган находится на своём месте. Как клетка, никогда не видевшая тела, знает, где должен быть глаз? Этот вопрос, популяризированный на китайской платформе вопросов и ответов Zhihu, занимает биологов-эволюционистов уже более века.

Первая подсказка пришла из обманчиво простого наблюдения о цвете. Большинство животных с двухцветным мехом или кожей тёмные на спине и светлые на животе. Этот узор настолько распространён — мыши, олени, рыбы, птицы — что он, должно быть, заложен в правилах развития, а не выучен. Причина в химии. Клетки на спине и клетки на животе находятся в разной среде, и каждая выделяет разные сигнальные молекулы. Эти молекулы распространяются и образуют градиенты, и клетка считывает локальную концентрацию, чтобы решить, чем стать. Цвет — это просто самый заметный градиент.

У этой идеи есть знаменитая история происхождения. В 1920-х годах немецкий эмбриолог Ханс Шпеман и его ученица Хильде Мангольд пересадили небольшой участок ткани из одного эмбриона амфибии в другой. Пересаженная ткань не просто выжила. Она дала указание окружающим клеткам построить целую вторую ось тела, создав двухголового головастика. Этот участок стал известен как организатор, а эксперимент получил Нобелевскую премию. Он доказал, что эмбрионы строятся не по фиксированному чертежу, а из разговоров между клетками.

Современная генетика пополнила словарь. Небольшой набор генов — получивших названия Hox, Pax6 и Sonic hedgehog — действуют как координаты вдоль тела. Pax6, например, помогает запустить формирование глаза. Примечательно, что один и тот же ген выполняет эту работу у плодовых мушек, мышей и людей. Включите его не в том месте у мухи, и глаз вырастет на ноге. Эволюция снова и снова использует один и тот же инструментарий, меняя только то, когда и где срабатывает каждый ген.

Градиенты объясняют больше, чем цвет. Развивающейся конечности нужно знать, какой конец — плечо, а какой — кончик пальца. Нервной трубке нужно знать, какая сторона станет мозгом, а какая — спинным мозгом. В каждом случае небольшая группа клеток выделяет сигнал, сигнал диффундирует, и соседи реагируют в зависимости от того, сколько его до них доходит. Это меньше похоже на чертёж и больше на погоду — узоры, возникающие из локальных правил.

Учёные в Китае и других странах сейчас картографируют эти сигналы клетка за клеткой, используя флуоресцентные маркеры и секвенирование отдельных клеток, чтобы наблюдать за развитием эмбрионов в реальном времени. Эта работа имеет практическое значение. Понимание того, как располагаются органы, помогает исследователям выращивать замещающие ткани из стволовых клеток и объясняет, почему некоторые врождённые дефекты возникают, когда градиент слишком слаб, слишком силён или смещён.

Старый вопрос — как клетка знает, куда идёт глаз — теперь имеет частичный ответ. Она не знает точно. Она ощущает своих соседей, считывает химию вокруг себя и следует правилам, которые эволюция оттачивала сотни миллионов лет. Тело — это не план. Это соглашение.