Клеточные трагедии, часть 4
Кем быть?
Полина Лосева, «Чердак»
Внутренняя жизнь клетки насыщена событиями не меньше, чем человеческая. Она полна страстей и опасностей и так же неизбежно заканчивается смертью. Полина Лосева разбирается в том, какие сюжеты встречаются в судьбах клеток и как их развитие сказывается на нас с вами. Мы подошли к ключевому событию в жизни каждого, будь то клетка или человек, – к самоопределению и выбору жизненного пути.
«Клеточные трагедии» – это большой цикл статей о клетках, который продолжает пополняться. Почитайте и другие тексты о нелегкой жизни клеток: в них рассказывается о смертях и самоубийствах, стрессе и шоке.
Большинство клеток во взрослом организме дифференцированы, то есть являются специалистами в конкретной узкой области. И если профессионализм человека определяется набором конкретных умений, знаний и опыта, то специализация клетки зависит от ее белкового состава (умений), в роли знаний выступает набор работающих в ней генов, а опыт (как и у людей) – это история ее взаимодействий с окружением. Как организм воспитывает в клетке профессионала? Можем ли мы позаимствовать у него какую-нибудь педагогическую методику для современных клеточных технологий? Давайте смотреть.
Сужаем кругозор
Клетки, лишенные специализации, называют недифференцированными, или стволовыми. Представим себе самую неспециализированную клетку на свете – зиготу, из которой потом разовьется весь организм. Ей и ее ближайшим потомкам доступны любые знания, то есть в них можно запустить работу любых генов. Они – воспользуемся тут метафорой из соседнего текста – как школьники средних классов. У каждого есть возможность изучить любую дисциплину и выбрать любую профессию. У него в книжном шкафу (ядре) стоят книги (гены) по всем возможным направлениям. Однако время идет, и под действием «капающих на мозг» родителей и педагогов школьник начинает специализироваться. Он выбирает профиль, в котором некоторые предметы предстоит изучать интенсивнее, чем другие. Если профиль, скажем, естественнонаучный, то гуманитарные науки ему перестают быть необходимы и соответствующие книги он задвигает вглубь шкафа. Эти знания ему больше недоступны. На уровне клетки это означает, что области ДНК, несущие информацию о «ненужных» генах, скручиваются, и считывать эту информацию клетка больше не может. Например, перед клеткой стоит выбор: стать частью кости или мышцы. Если клетка выбирает путь кости, то белки мышцы ей не понадобятся, а следовательно, не понадобятся и гены, их кодирующие. Тогда участок ДНК с этими генами плотно свернется и станет недоступен.
Клетки зародыша последовательно принимают серию «решений», каждое из которых сужает спектр доступных им генов. За профильными классами в школе следуют более узконаправленные экзамены в высшие учебные заведения, а там уже приходится выбирать окончательную профессию. И в результате перед нами узкие специалисты, которые владеют только небольшим набором знаний, а учебники по всем остальным дисциплинам задвинуты глубоко в недра шкафа. Поэтому дифференцированные клетки легко отличить на фотографиях от стволовых по темным ядрам, в которых скручена значительная часть ДНК.
Мелкоклеточная карцинома легкого. Клетки опухоли (обозначены стрелками) легко отличить от клеток легкого по размеру и цвету ядра: у дифференцированных клеток ядра небольшие и темные. Изображение: Yale Rosen, Flickr, CC BY-SA 2.0
Пособие по воспитанию
Современная медицина весьма заинтересована в том, чтобы научиться целенаправленно воспитывать профессионалов, т.е. получать клетки конкретных типов из стволовых клеток. Но что нужно делать, какие ключевые слова говорить, чтобы школьник точно выбрал нужную специальность? Уже не первое столетие продолжаются поиски факторов, под действием которых дифференцируются клетки в ходе развития зародыша. Пока что мы научились влиять на судьбу клеток следующими способами.
1) Привести на рабочее место. Берем школьника за руку и приводим в оборудованную для работы комнату. Теперь ты в цеху, вот твой станок, а что делать – сам разберешься.
Большинство клеток в зародыше к чему-то прикреплены, и обычно это матрикс, внеклеточная молекулярная сеть. Он задает форму клетки (круглая или распластанная), а изменяя его твердость, можно получать из стволовых клеток разные ткани. В последнее время популярность приобретает культивирование клеток в трехмерном матриксе (то есть школьников приводят не в отдельный цех, а на настоящий завод). Считается, что это лучше моделирует реальную ситуацию в организме.
2) Подсадить к коллегам. Ты еще не знаешь, кто ты и зачем ты здесь, но человек слева от тебя режет помидоры, человек справа раскатывает кругами тесто. Начинаешь что-то подозревать.
Клетки во взрослом организме находятся в окружении соседних клеток как своего, так и других типов. Поэтому можно добиться дифференцировки в нужном направлении, культивируя стволовые клетки вместе с уже специализированными клетками.
3) Вручить рабочий инструмент. Держи скрипку, держи смычок, полчаса конвульсий – и авось что-нибудь получится.
Помимо каркасных белков матрикса, в межклеточном пространстве постоянно находится множество молекул, выделяемых клетками. Это могут быть продукты их обмена веществ или сигнальные молекулы. Точный список этих веществ, как правило, неизвестен. Однако часто обнаруживается, что они влияют на дифференцировку стволовых клеток. Поэтому можно сначала вырастить культуру специализированных клеток, например нейроглии (сопровождающих клеток нервной ткани), через некоторое время собрать культуральную жидкость и подействовать ей на стволовые клетки, имитируя взаимодействия в ткани.
4) Произносить мотивирующие речи (оно же «капать на мозги»). Иногда для достижения нужного эффекта достаточно правильно подобрать слова. С должной страстью вопрошать: «А ты записался в пожарные?» – или что-нибудь в таком роде.
В некоторых случаях нам точно известны сигнальные молекулы, которые запускают дифференцировку клеток. Если их концентрация довольно высока, то их можно выделить из тканей развивающегося зародыша и определить состав. Например, ретиноевую кислоту (родственницу витамина А) используют при дифференцировке нервных клеток.
Однако стоит помнить, что любое воспитание работает только в соответствующем контексте. Уже знакомая нам ретиноевая кислота может приводить к образованию не только нейронов, но также клеток эндотелия (стенки сосудов) и поджелудочной железы, в зависимости от других используемых сигналов. Если вы вооружили будущего профессионала ножом, то он начнет резать, но получится из него повар, хирург или закройщик – зависит от окружающей среды.
При дифференцировке клетки сильно изменяются даже внешне. Слева направо: (1) эмбриональные стволовые клетки, (2) предшественники нервных клеток, (3) нервная ткань. Изображения: Nissim Benvenisty (ретушь Vojtech. dostal); National Institutes of Health (NIH); GerryShaw / Wikimedia commons / CC BY-SA 3.0
Советы родителям
Итак, мы уже вооружились набором педагогических приемов. Осталось понять, как их сочетать. Представьте себя на месте родителя, озабоченного будущей профессией чада. Вам очень сильно хочется вырастить, скажем, врача. Но что и в какой последовательности нужно сказать ребенку и куда его сводить, чтобы он точно решил стать врачом? Можно найти среди своих знакомых врача, выяснить, что именно повлияло на его жизненный выбор, и попробовать повторить этот путь с ребенком. Примерно так устроены классические лабораторные протоколы дифференцировки: наблюдаем за процессами, которые происходят в зародыше, последовательно выделяем факторы, действующие на клетки, и потом воспроизводим процесс в культуре клеток. Этот путь сейчас называют непрямой дифференцировкой, поскольку при этом клетка проходит множество промежуточных стадий. Допустим, ваш знакомый врач Василий рассказал свою жизненную историю: закончил школу, пошел в техникум на электрика, потом не нашел работу, отслужил в армии, вернулся, работу снова не нашел, подрабатывал таксистом, потом устроился водителем скорой помощи, там Василию понравилось, и он выучился на фельдшера. Стоит ли ребенку проходить все эти стадии для достижения результата? Вот и клетке не обязательно в полной мере повторять пути, которым следуют ее аналоги в развитии зародыша.
В последнее время ученые начали активно разрабатывать методы прямой дифференцировки, то есть ускоренного обучения клеток. Если долго изучать механизмы определения клеточной судьбы, то можно выделить ключевые для каждого типа клеток транскрипционные факторы – белки, запускающие работу целой группы генов. Под действием этих белков начинает активно использоваться область ДНК с информацией, необходимой для конкретного типа клеток, а остальная скручивается за ненужностью. Суть прямой дифференцировки в том, чтобы насильственно запустить в клетках работу этих факторов. Удобным способом является внедрить гены, кодирующие эти факторы, извне – тогда они будут работать активнее. То есть родителю необходимо вселить в голову ребенка конкретную мысль – «Ты будешь программистом!» – и повторять ее каждый день, как мантру, пока ребенок не смирится с этим фактом и на самом деле не станет программистом. И несмотря на то, что педагогика склонна относиться с недоверием к подобным методам работы с молодежью, на клеточном уровне, как оказалось, они отлично работают и позволяют быстрее и эффективнее достигать поставленных задач. Так что хорошо, пожалуй, что мы с вами не клетки.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru