Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира - Крис Макманус

По-настоящему исследования в этой области начались с эксперимента, результаты которого в 1995 году опубликовали Майк Левин и его коллеги из лаборатории Клиффа Тэбина в Гарвардском университете. Они изучали развитие сердца в эмбрионе курицы, сосредоточившись на этапе, когда сердце и другие органы еще невидимы, а эмбрион выглядит совершенно симметричным. На этой стадии, примерно спустя 16 часов после того, как яйцо снесено, эмбрион курицы соответствует пятнадцатидневному эмбриону человека и представляет собой узкий гребень – первичную полоску. На переднем крае полоски формируется «гензеновский узелок», который медленно смещается назад, оставляя за собой клетки, из которых разовьется голова. Перед гензеновским узелком формируется проходящая по центру прямая трубка, из которой позже сформируется сердце. Хотя изначально она симметрична, первый видимый признак того, что сердце становится асимметричным, проявляется в слабом смещении влево, так называемом джоггинге, после которого трубка начинает выпячиваться вправо (рис. 5.17). Далее следует долгая и сложная последовательность смещений и поворотов, пока не проявится окончательная схема, обычно с сердцем в левой стороне грудной клетки, где и можно почувствовать его биение. Левин и его коллеги выяснили, что на столь ранней стадии развития белки, подобные Sonic hedgehog, присутствуют по обеим сторонам эмбриона в очень разном количестве. На рис. 5.18, где изображен эмбрион задолго до формирования сердца, темное пятно, соответствующее Sonic hedgehog, ясно видно с левой стороны, а с правой почти не заметно[162].

Рис. 5.17. Девятидневный эмбрион мыши, вид со стороны будущей морды. Два больших пятна в верхней части – головные складки, которые соединятся, формируя голову и мозг. Под ними единственная трубочка сердца. На левом рисунке сердечная трубка изогнута вправо, и у этого эмбриона сердце в результате окажется с обычной левой стороны. На правом рисунке – эмбрион с situs inversus, сердечная трубка изгибается влево

Итак, было изящно продемонстрировано, что белок Sonic hedgehog активнее накапливается на левой половине эмбриона, но тут возникла вечная проблема биологии: корреляция – это не объяснение. Но работа Левина тем и отличалась, что могла дать ответ на подобную критику. Ученые поместили крошечную группу клеток, вырабатывающих Sonic hedgehog, справа от гензеновского узелка и посмотрели, что получится на следующий день. Сердце развивалось нормально, только не слева, как обычно, а справа. Впервые выяснилось, что точно размещенное химическое вещество может предопределить, справа или слева окажется сердце животного. Разместите группу клеток справа – и сердце окажется справа, поместите слева – и сердце будет слева. С той поры последовал шлейф открытий различных сигнальных молекул, одной из которых оказался и Sonic hedgehog. И все же ключевого элемента все еще не хватало: что же все-таки отличает левую сторону гензеновского узелка от правой?[163]

Рис. 5.18. Асимметричность выделения белка Sonic hedgehog в эмбрионе курицы. На верхнем рисунке показано схематическое изображение эмбриона: HP – формирующаяся голова, HN – гензеновский узелок, PS – первичная полоска. На нижнем рисунке – сечение эмбриона на уровне гензеновского узелка, показанное на верхнем рисунке пунктиром, PP – первичная ямка в гензеновском узелке, E – внешний эктодермальный слой, M – внутренний мезодермальный. Эмбрион был окрашен, чтобы выделить белок Sonic hedgehog, который выглядит как большое черное пятно слева от срединной линии в верхней части эмбриона

Пока Левин и другие искали сигнальные молекулы, Мартина Брюкнер и ее сотрудники, работавшие в лаборатории Артура Хорвича в Йельском университете, пытались выяснить, что не так с iv-мышами, стараясь найти дефектный ген. Этот долгий и трудный поиск Хорвич назвал лаконично: «Скучная работа». Понадобилось шесть лет, чтобы отыскать этот ген, и его расшифровка была опубликована в 1997 году. Выяснилось, что iv-ген отвечает за выработку белка, который группа Брюкнер назвала «лево-правый динеин». Ненормальность динеинов при синдроме Картагенера уже говорила о том, что эти молекулярные моторы клеток как-то связаны с латерализацией сердца. Однако единственное, что было совершенно ясно в отношении лево-правого динеина, – это то, что он не имеет никакого отношения к формированию реснитчатого эпителия в дыхательных путях и синусов iv-мышей, поскольку они были в норме. Так как же он был связан с различением левого и правого? Теории множились, некоторые предполагали, что, возможно, молекулы работают примерно так же, как F-молекула Брауна и Уолперта, перекачивая химические вещества из левой части клетки в правую, таким образом показывая эмбриону, где какая сторона. Но, похоже, дело было совсем не в этом. В некотором отношении все оказалось куда проще, намного проще, чем четверть века назад предполагал Афзелиус. У iv-мышей оказался ненормальный реснитчатый эпителий, но совсем не там, где его раньше искали, и не того же типа, как тот, что был дефектным при синдроме Картагенера[164].

Ключевое открытие сделала группа ученых под руководством Нобутаки Хирокавы из Университета Токио. Они изучали кинезины, которые, как и динеины, представляют собой молекулярные моторы, которые, скользя по микротрубочкам, перемещают молекулы в клетке. Каждый кинезин состоит из более мелких белков, два из которых называются KIF3A и KIF3B. Хирокава и его коллеги изучали, какую роль в развитии играют KIF3A и KIF3B, выведя мышь, в которой один из этих белков был выключен. Оба белка явно очень важны, так как подвергнутые эксперименту эмбрионы оказывались очень по-разному деформированы и погибали на ранней стадии беременности. Неожиданно выяснилось, что примерно у половины эмбрионов сердце оказалось справа, что добавило еще одно генетическое отклонение в список тех, что вызывают situs inversus. Зная, что узел считался ключевым в установлении лево-правой асимметрии, поскольку кинезины участвовали в формировании таких тканей, как реснитчатый эпителий, Хирокава внимательно изучил узелковую область под микроскопом. Узел показан на рис. 5.19, где он выглядит как небольшая ямка примерно треугольной формы, под которой около двадцати клеток – так называемых моноцилий[165].

Хотя моноцилии и состоят в отдаленном родстве с обычным реснитчатым эпителием, дефект которого вызывает синдром Картагенера, они во многом от него отличаются. У них нет двух микротрубочек в центральной части, и их структура организована по формуле 9+0, а не 9+2, как у клеток обычного реснитчатого эпителия. Большинство биологов считают, что и функционируют моноцилии иначе, и в отличие от обычных ресничек, не могут двигаться. К удивлению Хирокавы, у мышей с выключенным белком в гензеновском узелке полностью отсутствуют моноцилии. Еще большим сюрпризом оказалось, что в узелке нормальных, живых эмбрионов моноцилии движутся, что стало ясно при исследовании под микроскопом. И они не просто двигались, но вместо волнообразного движения, свойственного обычным ресничкам, они вращались по часовой стрелке, словно пропеллеры. Это сразу же изменило все