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

представления о происхождении лево-правой асимметрии. «F-молекула», которую искали Браун и Уолперт, оказалась вообще не молекулой, но объектом куда более крупным: клеточной органеллой, видимой даже в световой микроскоп. Более того, поскольку она вращалась в одном направлении, а нижним концом крепилась к основанию узелка, который в свою очередь был зафиксирован относительно срединной линии организма и дорсально-вентральной оси (то есть верха и низа), то это могло бы задавать точку отсчета и репер, сообщающий организму, какая сторона правая, а какая – левая. Но каким образом?[166]

Рис. 5.19. Узелок в трех последовательных увеличениях. a. Эмбрион, узелок внизу. b. Увеличенный вид узелка. с. Моноцилии в основании узелка, при еще большем увеличении

В отличие от ученых, увидевших вращение моноцилий под микроскопом, другие клетки растущего эмбриона лишены такой возможности. Так каким же образом моноцилии сообщают остальным клеткам эмбриона, где правая, а где левая сторона? Последним сюрпризом для группы Хирокавы стал эффект, который возник после того, как они поместили в узелок крошечные флуоресцирующие латексные крупинки и увидели, как их с большой скоростью выстреливает с правой стороны узелка на левую – и только справа налево. Это был мощный поток, означавший, что моноцилии перекачивают любые сигнальные молекулы, вырабатываемые узелком, почти исключительно на левую сторону, где они могут породить каскад сигнальных молекул, подобных белку Sonic hedgehog. Если это происходит у нормальных мышей, то у мышей с выключенными белками KIF3A и KIF3B должны быть какие-то нарушения. Поскольку у таких мышей нет реснитчатого эпителия, то сигнальные молекулы, вырабатываемые узелком, должны примерно в равных количествах появляться и справа, и слева. «Примерно в равных» – потому что, как и всюду, флуктуирующая асимметрия означает, что у половины мышей несколько более высокая их концентрация окажется слева, и сердце у них поэтому будет слева, а у половины более высокая концентрация окажется справа, и органы окажутся в положении situs inversus. Несмотря на то что у iv-мышей частота situs inversus также составляла 50 %, поначалу казалось, что подобное объяснение в их случае не работает, потому что под микроскопом было ясно видно, что у них в узелке присутствуют реснитчатые клетки. Однако хотя реснички и выглядели совершенно нормальными, они не двигались – по описаниям «они явно застыли», – а потому этот механизм, как в случае с мышами, у которых не было KIF3A и KIF3B, должен приводить к тому, что у половины сердце окажется справа, а у половины – слева[167].

Моноцилии в узелке, казалось, объясняют большую часть происходящего самым прекрасным образом. Прекрасным, если не считать того, что с 1992 года в этой бочке меда появилась изрядная ложка дегтя. Группа ученых из Бейлорского медицинского колледжа в Хьюстоне поместила в мышь новый ген – процедура, которая могла привести к очень неожиданным результатам. Ген, который ввел Пол Овербик и его группа, должен был быть вставлен точно в середину другого важного гена, потому что мыши со слишком серьезными отклонениями умирали бы слишком рано. Самым удивительным в этих мышах оказалось то, что у всех до одной сердце было справа. Не у пятидесяти процентов, как у iv-мышей, а у всех ста. Новую мутацию не слишком удачно назвали inv-мутацией, по первым буквам слов «inversion of embryonic turning» – «инверсия эмбрионального вращения». Как именно работала эта мутация, было полной загадкой, потому что со времен Шпемана ученые полагали, что как бы серьезно ни нарушалось развитие сердца – мутациями, травмой или чем-то еще, доля случаев situs inversus могла составлять максимум половину. Превзойти этот барьер случайности казалось невозможным, но каким-то образом inv-мутация его преодолевала[168].

Когда были открыты вращающиеся моноцилии, возникла вероятность, что моноцилии inv-мышей вращаются иначе, хотя это казалось чрезвычайно маловероятным. Действительно, когда Хирокава и его сотрудники взглянули на моноцилии в inv-мышах, обнаружилось, что они вращаются с той же скоростью (около 600 оборотов в минуту) и в том же направлении, что и у нормальных мышей. Однако, хотя движение inv-моноцилий выглядело нормально, с потоком жидкости, проходящим через узелок, что-то было не так. Латексные крупинки, быстро пересекавшие нормальный узелок, не набирали обычной скорости, а поток выглядел турбулентным. Похоже, что нормальный поток через узелок связан не только с вращением моноцилий, но также и с тем, что узелок имеет точно треугольную форму. Однако у inv-мышей узелок был меньше, длиннее и тоньше нормального, и это нарушало нормальное левостороннее течение. Тем не менее, хотя поток был медленнее, он все же был направлен влево, а не вправо, так что требовалось объяснить, почему у inv-мышей сердце всегда оказывается справа. Хирокава и его сотрудники дали такое объяснение с помощью элегантной модели[169].

Большая часть модели Хирокавы симметрична (рис. 5.20). По обеим сторонам узелка находятся клетки, выделяющие сигнальные молекулы, а по всему основанию узелка расположены рецепторы, реагирующие на сигнал. Сигнальная молекула выделяется не в активной форме, но в виде прекурсора, который активируется нодальной жидкостью, а затем, спустя несколько секунд, деактивируется и разрушается. Таким образом, молекула активна лишь в течение нескольких секунд. За эти критичные секунды нодальный поток обычно уносит неактивный прекурсор с правой стороны, и активируется он, лишь достигнув левой стороны узелка. За то время, пока молекула активна, на нее реагируют рецепторы с левой стороны узелка, вызывая каскад сигналов, приводящих к формированию сердца слева. У inv-мышей сигнальная молекула выделяется в виде обычного неактивного прекурсора. Попадая в бурный и турбулентный поток нодальной жидкости, она движется столь медленно, что активируется, не достигнув еще срединной линии, то есть с правой стороны узелка. После этого она вызывает каскад сигналов, ведущих к развитию у inv-мышей сердца с правой стороны, противоположно обычному положению. На рис. 5.20 приведена сравнительная диаграмма, показывающая, что происходит у обычных мышей, мышей без KIF3A/B, а также iv- и inv-мышей[170].

Рис. 5.20. Схема нодального потока у нормальных мышей и мышей с мутациями iv, inv и kif3a/b. Слева и справа от углубления звездочками отмечены клетки, выделяющие сигнальные молекулы, которые высвобождаются как неактивные (маленькие серые пятна), активируются (большие черные пятна) и затем снова становятся неактивными (маленькие белые пятна). Моноцилии, показанные у нормальных и inv-мышей, вращаются, тогда как у iv-мышей они неподвижны, а у kif3a/b-мышей отсутствуют. Большой стрелкой влево у нормальных мышей показано быстрое и спокойное перетекание жидкости влево, а у inv-мышей поток медленнее и менее интенсивен. У iv– и kif3a/b-мышей перетекание осуществляется только за счет диффузии и отмечено маленькими пунктирными стрелками. Сигнальные молекулы улавливаются рецепторами, чашечками в основании узелка, а