Поклітинне порівняння зародків риб і жаб прояснило деякі молекулярно-генетичні загадки ембріонів.
Кожна людина, кожен звір, птах, риба, комаха і т. д. походять з однієї-єдиної клітини - заплідненої яйцеклітини, яка дає початок групі ембріональних стовбурових клітин.
І хоча ми вже досить багато знаємо про ембріональний розвиток, про те, як з мікроскопічної жменьки стовбурових клітин виходять серце, легені, мозок і т. д., все одно весь процес багатьом здається майже містичним.
Звичайно, біологи завжди говорили, що в клітинах ембріона постійно відбувається перемикання генів, керуючих розвитком, що в один момент часу працюють одні гени, а в інший момент - інші, і що активність генів відрізняється у різних клітин. Але проблема була в тому, що досить довго ніхто не представляв ембріональну молекулярно-генетичну чехарду у всіх подробицях, тобто які саме гени коли саме і де саме працюють. Залишалося тільки сподіватися, що розвиток наукових методів дозволить це коли-небудь з'ясувати.
І ось надії збулися. У журналі Science вийшло відразу три статті, в яких на прикладі ембріонів риби Danio rerio (смугастий даніо) і шпорцевої жаби докладно розписано, які гени, де саме і коли саме працюють (і жаба, і смугастий даніо - звичайні модельні об'єкти в молекулярно-біологічних експериментах).
Як відомо, генетична інформація з ДНК спочатку копіюється в молекулу РНК (точніше, в матричну РНК, тому що у РНК багато різновидів), а з РНК потім працюють білок-синтезуючі машини. На активних генах синтезується багато РНК-копій, на неактивних - мало; значить, щоб оцінити генетичну активність у клітці, потрібно порівняти в ній кількість РНК від різних генів.
В останні роки біологи навчилися рахувати молекули РНК в одній-єдиній клітці - те, що потрібно, якщо ми хочемо дізнатися, як в ембріоні клітини перетворюються один на одного. Дослідники з Гарварда сім разів брали зародки риб на ранніх стадіях розвитку (починаючи з 4 годин і до 24 годин після запліднення, коли в зародку з'являються зачатки органів) і розбирали їх на окремі клітини, і в кожній клітині читали послідовності РНК.
Крім того, ембріони з самого початку забезпечували особливими мітками у вигляді шматочків ДНК з унікальними послідовностями - коли клітини ділилися, їм діставалися ті чи інші ДНК-мітки, так що про кожну клітку можна було дізнатися, від кого вона сталася. Всього довелося проаналізувати близько 92 000 клітин; але в результаті вдалося зрозуміти, як змінюється активність генів у клітинах з різного родоводу протягом першої доби ембріонального розвитку.
В іншому експерименті ті ж зародки риб аналізували на ще більш ранніх етапах розвитку: кожні 45 хвилин протягом перших дев'яти годин життя. Тут мета була в тому, щоб виявити схожості і відмінності в активності генів між клітинами з різних ліній - завдання досить непросте, якщо врахувати, що в перші години життя в зародку риби з'являються 25 типів клітин, і потребувала досить витонченого комп'ютерного алгоритму.
Нарешті, зародки жаби брали десять разів між п'ятьма і двадцятьма двома годинами після запліднення і також розбирали на клітини - тут РНК довелося аналізувати приблизно у 137 000 клітин.
Результати принесли деякі сюрпризи. Раніше вважалося, що коли клітина вибирає той чи інший шлях розвитку, вона вже не може з нього згорнути - тобто якщо запустилася «м'язова програма», то нащадки такої клітини будуть однозначно прагнути стати м'язом. Але в ембріонах риб були клітини, які примудрялися йти по якомусь серединному шляху, будучи в змозі перемикатися з однієї програми диференціювання на іншу.
З іншого боку, вдалося з'ясувати, що ще на стадії зовсім неоформленого зародка, коли він являє собою всього лише клітинний міхур, його клітини вже починають визначатися з власним призначенням: наприклад, у шароподібному ранньому ембріоні жаби є клітини, які вже готуються сформувати хвіст пуголовка.
І, звичайно ж, обидва зародки порівняли один з одним. Вважається, що до певного моменту розвиток у хребетних тварин йде схожим чином - і деякі ключові гени в обох зародках дійсно працювали однаково. Однак відмінностей виявилося все ж більше, ніж очікували дослідники.
Нарешті, мутації, які спеціально вносили в геном ембріонів, призводили до того, що зародок позбавлявся цілої групи клітин - але притому інші клітини в ньому працювали нормально, хоча мутації повинні були позначитися на них всіх.
Однак у будь-якому випадку, які б сюрпризи не чекали б біологів далі, ми бачимо, що нові методи дозволяють до кінця розібратися в «містиці» ембріонального розвитку - а чим більше ми будемо тут знати, тим раніше навчимося запобігати різноманітним вродженим вадам, багато з яких досі залишаються невиліковними захворюваннями.