Каждый вид развивается в своём собственном уникальном темпе, что заставляет учёных задаваться вопросом, что управляет его временем. Ряд новых исследований позволяет предположить, что клетки используют основные метаболические процессы в качестве часов.
Как люди, живущие в разных местах, работают в разных ритмах, так и разные виды животных. Они стареют с разной скоростью: одни, например, плодовые мушки, спешат достичь зрелости, чтобы успеть размножиться до того, как исчезнет их источник пищи, а такие существа, как человек, созревают медленно, в течение десятилетий, отчасти потому, что для этого необходимо построить большой и сложный мозг.
А в самом начале жизни эмбриона небольшие изменения в сроках развития различных тканей могут кардинально изменить форму организма - механизм, используемый эволюцией при создании новых видов. Однако что задаёт темп роста организма, до сих пор оставалось загадкой.
«Наши знания о том, что контролирует сроки развития, сильно отстают от других областей биологии развития», - говорит Маргарет Диас Куадрос, возглавляющая исследования темпа развития в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне.
Биологи, занимающиеся вопросами развития, добились огромного успеха в выявлении сетей регуляторных генов, которые взаимодействуют друг с другом, - каскадных систем с обратной связью, включающих или выключающих гены в нужное время и в нужном месте для формирования, например, глаза или ноги. Однако сходство этих сетей генов у разных видов контрастирует с огромными различиями в сроках развития. Например, у мышей и человека одни и те же наборы генов используются для создания нейронов и формирования позвоночника. Однако мозг и позвоночник мыши отличаются от мозга и позвоночника человека, поскольку время активности этих генов различно, и неясно, почему это так.
«Регуляция действия генов, по-видимому, не объясняет всего, что связано со сроками развития», - говорит Пьер Вандерхейген, изучающий эволюцию и развитие мозга в KU Leuven (Бельгия). «Это несколько провокационно, поскольку в биологии всё должно объясняться регуляцией генов, прямо или косвенно».
Новые объяснения того, как устроена жизнь, появляются благодаря инновациям - например, достижениям в области культуры стволовых клеток и доступности инструментов для манипулирования метаболизмом, первоначально разработанных для изучения рака, - которые теперь позволяют исследователям более детально отслеживать темпы развития ранних эмбрионов и тканей и работать с ними.
В ряде работ, опубликованных за последние несколько лет, в том числе в ключевой июньской публикации, несколько исследовательских групп независимо друг от друга пришли к выводу о наличии связи между темпом развития, скоростью биохимических реакций и скоростью экспрессии генов, лежащих в основе этих биохимических реакций.
Их выводы указывают на общий метроном - митохондрии, которые могут быть хронометром клетки, задающим ритм разнообразным процессам развития и биохимическим процессам, создающим и поддерживающим жизнь.
Нейрон следит за временем
Более десяти лет назад Вандерхеген провёл эксперимент, который заложил основу современных исследований о том, как поддерживается темп развития. В своей лаборатории нейробиолог выращивал стволовые клетки в чашках Петри и наблюдал за тем, как долго они созревают, превращаясь из клеточных зародышей в полноценные нейроны, соединяющиеся друг с другом и передающих сигналы. Он решил, что, сравнив стволовые клетки мыши и человека, готовые стать нейронами, он сможет найти ключи к происхождению и эволюции человеческого мозга.
Первое, что он заметил, это то, что стволовые клетки мыши дифференцировались в зрелые клетки мозга примерно за неделю - быстрее, чем стволовые клетки человека, которые не спешили расти в течение трёх-четырёх месяцев.
Но будут ли эти клетки развиваться так же в растущем мозге, а не в изолированной посуде? Чтобы выяснить это, он пересадил мышиный нейрон в живой мозг мыши. Клетка развивалась по той же схеме, что и нейроны мыши-хозяина, дифференцируясь примерно через неделю. Затем он попробовал проделать то же самое с человеческим нейроном, имплантировав его в мозг мыши. К его удивлению, человеческий нейрон не отставал от мышиного. Ему потребовался почти год для созревания, несмотря на другую среду.
«Это дало нам первый важный ответ, который заключается в том, что каков бы ни был механизм отсчёта времени, большая его часть, по-видимому, находится в самих нейронах», - говорит Вандерхеген. «Даже если вы вынете клетки из чашки Петри и поместите их в другой организм, они всё равно будут придерживаться своей собственной временной шкалы».
Однако до недавнего времени практически ничего не было известно о клеточном механизме, лежащем в его основе.
Вандерхеген начал задумываться о том, откуда берутся строительные блоки нейрона. «Создание нейронов похоже на строительство сверхсложного здания», - говорит он. «Вам нужна хорошая логистика». Клеткам нужна не только энергия, но и источник сырья для роста и деления.
Он предположил, что митохондрии могут обеспечивать эти строительные блоки. Эти органеллы играют ключевую роль в росте и метаболизме клетки. Они производят энергию, за что их прозвали «электростанцией клетки», а также вырабатывают метаболиты, необходимые для построения аминокислот и нуклеотидов и для регуляции экспрессии генов.
Фото: quantamagazine.org
Классический взгляд на митохондрии заключается в том, что они не меняются в течение жизни клетки. «Они представляют собой маленькую колбочку в клетке и обеспечивают её энергией», - говорит Вандерхейген. Но когда он и Рёхей Ивата (Ryohei Iwata), постдокторант его лаборатории, более внимательно изучили развивающиеся нейроны, они увидели, что митохондриям тоже нужно время для развития.
В молодых нейронах, как сообщается в журнале Science, было мало митохондрий, а те, что были, были фрагментированы и вырабатывали мало энергии. Затем, по мере созревания нейронов, количество, размер и метаболическая активность митохондрий увеличивались. Более того, у мышей эти изменения происходили быстрее, чем у людей. По сути, система масштабировалась: созревание митохондрий происходило синхронно с созреванием нейронов у обоих видов.
Это открытие показалось Вандерхегену и Ивате очень важным. Оно заставило их задуматься о том, могут ли митохондрии быть тем, что управляет огромными различиями в темпах развития разных видов.
Как вырастить позвоночник
Одной из классических моделей для изучения темпов эмбрионального развития является формирование позвоночника.
Позвоночник есть у всех позвоночных, состоящий из череды сегментов, но виды различаются по их количеству и размерам.
В связи с этим возникает естественный вопрос о механизмах развития, которые приводят к появлению этого важнейшего признака позвоночных и его многочисленных вариаций в животном мире.
В 1997 году биолог Оливье Пуркье, ныне работающий в Гарвардской медицинской школе, впервые обнаружил молекулярный осциллятор, называемый часами сегментации, который управляет механизмом, формирующим позвоночник. Работая с эмбрионами курей, его исследовательская группа определила ключевые гены, которые ритмично экспрессируются во время формирования каждого позвоночного сегмента в эмбриональной ткани.
Часы сегментации запускают осцилляции экспрессии генов, заставляя клетки колебаться в ответ на сигнал волнового фронта, который движется от головы к хвосту. Когда волновой фронт наталкивается на реагирующие клетки, формируется сегмент. Таким образом, механизм часов сегментации и волнового фронта управляет организацией позвоночника.
Фото: quantamagazine.org
Гены, управляющие часами сегментации, сохранились у разных видов. Однако период часов - время между двумя пиками колебаний - не является таковым. В течение многих лет генетики были в растерянности, пытаясь объяснить это: у них не было генетических инструментов для точного управления часами в растущем эмбрионе. Поэтому примерно в 2008 году Пуркье начал разрабатывать методы, позволяющие лучше изучить этот механизм в лабораторных условиях.
В то время «это казалось полной научной фантастикой», - говорит он. Но в последующее десятилетие эта идея стала более правдоподобной, поскольку в лаборатории Пуркье и другие учёные по всему миру научились культивировать эмбриональные стволовые клетки и даже создавать органоиды - сетчатку, кишечник или мини-мозг - в посуде.
Пуркье и Диас Куадрос, в то время его аспирант, нашли способ воспроизвести часы сегментации в стволовых клетках мыши и человека. В первых экспериментах они заметили, что у мышей период часов сегментации длится около двух часов, тогда как в клетках человека для завершения колебаний требуется около пяти часов. Это был первый случай определения периода часов сегментации у человека.
Другие лаборатории также увидели потенциал этих достижений в области биологии стволовых клеток для решения давних вопросов о сроках развития. В 2020 году две исследовательские группы - Мики Эбисуя (Miki Ebisuya) из Европейской лаборатории молекулярной биологии в Барселоне и Джеймс Бриско (James Briscoe) из Института Фрэнсиса Крика в Лондоне - независимо друг от друга обнаружили, что основные молекулярные процессы в клетке не отстают от темпов развития. Свои исследования они опубликовали в журнале Science.
Команда Эбисуи хотела понять различия в скорости молекулярных реакций - экспрессии генов и деградации белков, - которые приводят в движение каждый цикл. Они обнаружили, что в клетках мыши оба процесса протекают в два раза быстрее, чем в клетках человека.
Вместо этого Бриско обратил внимание на раннее развитие спинного мозга. Как и цикл часов сегментации, процесс дифференцировки нейронов - включая экспрессию последовательностей генов и расщепление белков - у человека был пропорционально растянут по сравнению с мышами. «Чтобы достичь той же стадии развития с помощью эмбриональных стволовых клеток человека, требуется в два-три раза больше времени», - говорит Бриско.
Фото: quantamagazine.org
Создавалось впечатление, что внутри каждой клетки тикает метроном. С каждым взмахом маятника различные клеточные процессы - экспрессия генов, деградация белков, дифференцировка клеток и развитие эмбриона - шли в ногу и не отставали.
Но является ли это общим правилом для всех позвоночных, помимо мышей и человека? Чтобы выяснить это, аспирант Эбисуи Хорхе Ласаро создал «зоопарк стволовых клеток», в котором находились клетки самых разных млекопитающих: мышей, кроликов, крупного рогатого скота, носорогов, человека и мартышек. Воспроизведя часы сегментации каждого вида, он увидел, что скорость биохимических реакций у всех видов находится в ритме с периодом часов сегментации.
Клетки мыши колебались быстрее, чем клетки носорога, клетки человека колебались медленнее, чем клетки носорога, а клетки мартышки имели самые медленные колебания из всех. Полученные результаты, опубликованные в июне в журнале Cell Stem Cell, позволили предположить, что скорость биохимических реакций может быть универсальным механизмом регуляции времени развития.
Они также раздвинули границы важного, но не учитываемого аспекта главной догмы молекулярной биологии. «Мы говорим о транскрипции, трансляции и стабильности белков, - говорит Диас Куадрос. Раньше все считали, что они одинаковы у всех видов млекопитающих и позвоночных, «но теперь мы говорим, что скорость выполнения зависит от вида, и я думаю, что это весьма увлекательно».
Создать или разрушить белок
Итак, часы сегментации должны быть обусловлены механизмом, который задаёт темп биохимических реакций у разных видов. Тереза Рэйон захотела раскрыть его истоки, наблюдая за дифференциацией двигательных нейронов в своей лондонской лаборатории, где она училась у Бриско.
Она генетически модифицировала развивающиеся нейроны мыши и человека для экспрессии флуоресцентного белка, который ярко светится при возбуждении лазером с нужной длиной волны. Затем она наблюдала за деградацией введённых белков. К её удивлению, в клетках мыши те же самые флуоресцентные белки распадались быстрее, чем в клетках человека, что соответствовало времени развития нейронов. Это позволило ей предположить, что что-то во внутриклеточной среде задаёт темп деградации.
Фото: quantamagazine.org
«Если бы вы спросили биолога: «Как вы определяете стабильность белка?», он бы ответил вам, что всё зависит от последовательности», - говорит Рэйон, которая сейчас возглавляет собственную лабораторию в Бабрахамском институте в Кембридже (Англия). «Однако мы обнаружили, что на самом деле это не так. Мы думаем, что здесь может играть роль механизм, разрушающий белки».
Но она и её группа исследовали только один тип клеток. Если типы клеток в различных тканях развиваются с разной скоростью, то и деградация их белков будет происходить с разной скоростью?
Майкл Доррити (Michael Dorrity) из Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге попытался ответить на этот вопрос, вспомнив о том, как температура влияет на развитие.
Многие животные, от насекомых до рыб, развиваются быстрее, если их выращивают при более высоких температурах.
Интригует тот факт, что у эмбрионов рыбы-зебры, выращенных в тёплой среде, темп развития одних типов клеток ускоряется быстрее, чем других.
В работе, опубликованной в прошлом году, Доррити нашёл объяснение, связанное с механизмами производства и деградации белков. Некоторые типы клеток требуют большего количества или более сложных белков, чем другие. В результате некоторые типы клеток хронически «нагружают эти механизмы контроля качества белков», - говорит он.
Когда температура повышается, они не успевают удовлетворять повышенные потребности в белках, и поэтому их внутренние часы не успевают ускоряться и идти в ногу со временем.
В этом смысле у организмов нет единых часов, а есть множество часов для многих тканей и типов клеток. С эволюционной точки зрения это не ошибка, а особенность: когда ткани развиваются не синхронно друг с другом, части тела могут расти с разной скоростью, что может привести к эволюции разнообразных организмов или даже новых видов.
Фото: quantamagazine.org
До сих пор эти механизмы в разных системах и масштабах - в часах сегментации развивающегося эмбриона, в отдельном развивающемся нейроне и в более фундаментальных белковых механизмах - продолжали биться в такт.
Время метаболизма
Что же это может быть за система управления? Пуркье и Диас Куадрос размышляли над тем, какая система может потенциально влиять на различные клеточные процессы, и остановились на метаболизме, управляемом митохондриями.
Митохондрии производят АТФ - энергетическую составляющую клетки, а также множество метаболитов, необходимых для построения белков и ДНК, регуляции генома и других важнейших процессов.
Для проверки этой идеи были разработаны генетические и фармакологические методы, позволяющие ускорить, а затем замедлить метаболизм стволовых клеток. Если митохондрии действительно задают клеточный темп, то они ожидали, что их эксперименты приведут к изменению ритма часов сегментации.
Когда они замедлили метаболизм в клетках человека, часы сегментации тоже замедлились: их период растягивался с пяти до семи часов, замедлялась и скорость синтеза белка. А когда метаболизм ускорялся, ускорялись и колебания часов.
Создавалось впечатление, что учёные открыли ручку настройки внутреннего метронома клетки, которая позволяет ускорять или замедлять темп эмбрионального развития. «Различия в архитектуре регуляции генов не объясняют этих различий во времени», - говорит Пуркье. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature в начале этого года.
Эта ручка настройки метаболизма не ограничивается развивающимся эмбрионом. Ивата и Вандерхеген выяснили, как с помощью лекарств и генетики можно изменить темп метаболизма созревающих нейронов - процесс, который, в отличие от часов сегментации, работающих всего пару дней, длится много недель или месяцев.
Когда нейроны мыши заставляли медленнее вырабатывать энергию, то и созревание нейронов происходило медленнее. И наоборот, фармакологически переведя человеческие нейроны на более быстрый путь, исследователи смогли ускорить их созревание. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science в январе.
По мнению Вандерхегена, вывод их экспериментов очевиден: «Скорость метаболизма определяет сроки развития».
Однако даже если метаболизм является главным регулятором всех других клеточных процессов, эти различия должны быть связаны с генетической регуляцией. Возможно, митохондрии влияют на время экспрессии генов развития или генов, участвующих в механизме создания, поддержания и утилизации белков.
Вандерхеген предположил, что метаболиты, выделяемые митохондриями, необходимы для процесса конденсирования или расширения свёрнутой ДНК в геномах, чтобы её можно было транскрибировать для создания белков. Возможно, эти метаболиты ограничивают скорость транскрипции и глобально задают темп включения и выключения регуляторных сетей генов. Однако это лишь одна из идей, требующая экспериментальной проработки.
Существует также вопрос о том, что вообще заставляет митохондрии «тикать». Диас Куадрос считает, что ответ на него должен лежать в ДНК: «Где-то в их геноме должна быть разница в последовательности между мышью и человеком, которая кодирует эту разницу в скорости развития».
«Мы до сих пор не знаем, где это различие», - сказала она. «К сожалению, мы ещё очень далеки от этого». На поиски ответа может уйти время, а научный прогресс, как и митохондриальные часы, идёт своим чередом.