Всё разнообразие типов клеток в процессе развития - нейроны, клетки кожи, крови, печени и другие - формируется в результате деления и дифференцировки одной клетки - зиготы. Само эмбриональное развитие можно представить как дерево, в основе которого лежит одна клетка - зигота, а ветви, отходящие от ствола, символизируют последовательную дифференцировку клеток. Каждая ветвь дерева - это клеточный выбор судьбы в процессе дифференцировки, специализация клеток и сужение спектра дифференцировки. Приблизилось ли научное сообщество к пониманию клеточного выбора? Пытаемся разобраться вместе с доктором биологических наук Игорем Адамейко.
Игорь Адамейко – доктор биологических наук, руководитель лаборатории биологии развития и регенеративной медицины Каролинского Института (Стокгольм, Швеция), руководитель лаборатории исследований эмбриогенеза Медицинского Университета Вены (Австрия), лауреат Премии Ханса Вигзеля и Флорманского Приза Шведской Академии Наук, автор более пятидесяти статей в ведущих международных журналах, включая Nature, Science, Cell.
- Как вы совмещаете работу в Стокгольме и в Вене?
- Каждые две недели я летаю из одного города в другой. Живу так уже 5 лет.
- Насыщенный график.
- Есть такой старый анекдот – я привык, мне даже нравится.
- Биофотоника – широкая наука, которая охватывает разные научные сферы. В какой сфере работаете вы?
- Наша деятельность связана с достаточно сложными биологическими вопросами, касающимися выбора траекторий развития предшественниками специализированных клеточных типов. Для этого, наряду с методами транскриптомики индивидуальных клеток и разнообразной молекулярной работой, мы пользуемся визуализацией определённых аспектов эмбрионального развития – отсюда биофотоника и оптические методы исследования. Есть такой тип ученого – медвежатник, который подбирает разные ключи (методы) к сейфу – научной загадке. Сегодня мы эффективно пользуемся методами, в которых изначально не совсем разбирались, но мы учимся разбираться в них, находим специалистов и пытаемся открыть наш маленький сейф, в том числе, например, за счёт новых подходов пространственной визуализации экспрессии генов.
Иногда у нас получается, иногда – нет. Поэтому, с точки зрения методов – мы разнообразны и волатильны, а в плане научных вопросов, скорее, консервативны. Если говорить очень обобщённо, то нам хочется узнать, как клетки в процессе развития организма выбирают своё будущее и будущее своих потомков.
- А над чем работаете сейчас?
- Сегодня мы увлечены вопросом о правилах, по которым формируется состав многоклеточного организма, начиная с самых ранних этапов эмбрионального развития. Здесь мы работаем с плюрипотентными и мультипотентными клетками, которые дают начало большому спектру конечных клеточных типов – нейрональных, мышечных, эпителиальных и т.д. Основная модельная система, которой мы любим пользоваться, это клетки нервного гребня – удивительный клеточный тип в составе эмбрионов позвоночных животных. Эти предшественники нейроэпителиальной природы способны давать начало сразу большому числу совершенно разных конечно-дифференцированных клеток. Однако, как клетки нервного гребня делают конкретный выбор будущей дифференцировки – загадка.
"Я СЧИТАЮ, ЧТО НАУКА – НЕКИЙ ВИД ИСКУССТВА РАДИ ИСКУССТВА. В КОНЦЕ КОНЦОВ, ТАКОЕ ОТНОШЕНИЕ МОЖЕТ БЫТЬ ВПОЛНЕ ОПРАВДАНО, ТАК КАК ПРИНОСИТ СВОИ ПЛОДЫ В ВИДЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ИЗОБРЕТЕНИЙ – ПОБОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ ТВОРЧЕСКОГО НАУЧНОГО ПОИСКА"
Есть клетка – скажем, мультипотентный предшественник. Она порождает некое многочисленное потомство, которое формирует траектории развития к окончательным, взрослым, клеточным типам. Наша задача – понять, каким образом пути потомства эмбриональных предшественников разделяются и двигаются потом в разных направлениях. Как клетки-предшественники на разных уровнях иерархии формирования клеточных типов принимают конкретные решения о своём будущем.
Несмотря на то, что клеточную дифференцировку изучают последние 50 лет, это всё еще малоизученный процесс. В основном, учёные, фигурально выражаясь, работают постфактум, когда в результате процессов выбора будущей судьбы, клетки меняют фенотипические характеристики, и, тогда, можно проанализировать результаты любого конкретного выбора, оглядываясь назад. Но мы пока не знаем как происходит процесс в момент самого выбора на молекулярном уровне, особенно на тех этапах развития, когда клетки формально не меняют свои состояния или фенотипы, но, в то же самое время, аккумулируют и интерпретируют получаемые извне сигналы.
Сейчас мы пытаемся сфокусироваться на этих невидимых молекулярных «шестеренках выбора» будущего пути, которые «вращаются» в клетках еще до того, как с клетками произойдет первое фенотипическое изменение, указывающее на движение по выбранной специфической траектории.
- А на что влияет этот клеточный выбор?
- Он определяет фундаментальные алгоритмы построения многоклеточного организма, содержащего множество клеточных типов, которые правильно позиционированы и произведены в определённых количествах. И, более того, когда процесс выбора идет неправильно, в организме может, гипотетически, развиваться целый ряд патологий, включая рак. Это заболевание также может быть связано с тем, как клетки интегрируют внешние сигналы в зависимости от внутреннего (зачастую, сломанного) контекста и принимают решение сменить свое состояние на радикально другое, патологическое. Мы изучаем самые разные уровни принятия решений – эпигенетические, генетические, транскрипционные, решения на уровне работы белков. И для каждого уровня применяются свои методологические подходы.
- Есть прогресс в понимании?
- Нельзя сказать, что у нас есть холистическое понимание такого рода процессов. Клетка – это сложная динамическая система, которая оперирует тысячами молекулярных машин в разных пропорциях. Клеточная информация закодирована с помощью сложных комбинаций молекулярных событий и сигналов, которые работают в определенном контексте. Это всё равно, что спросить: «Игорь, вы понимаете, как работает персональный компьютер?». Да, я понимаю общие принципы, но я, конечно, не воспроизведу ни точную физическую структуру компьютера, ни его программное обеспечение. Подлинным критерием понимания является воспроизведение системы, управление ею и предсказательная сила. В биологии мы пока далеки от такого уровня описания и моделирования живых систем.
"ИСТОРИЧЕСКИ ВСЕ МЫ ЯВЛЯЕМСЯ ЧАСТЬЮ ЕДИНОГО ДРЕВА КЛЕТОЧНОЙ ЖИЗНИ"
Пока мы все ещё открываем новые фундаментальные аспекты, о которых мы раньше не знали, и которые помогут создать в будущем некую рабочую холистическую модель.
Когда мы говорим о сложных иерархических системах, важно понимать, что количество элементов, взаимодействующих друг с другом, огромно. Все эти взаимодействия интегрируются, усложняются уровнями иерархии, и, наш мозг, как мне кажется, не предназначен для осмысления сложности такого уровня. Нам нужна какая-то новая интеллектуальная методология и возможность строить более сложные модели. И чем больше мы уходим в биологию как инженерную дисциплину, тем сильнее сталкиваемся с тем, что, несмотря на огромное количество научных публикаций, весь этот объем информации остаётся разрозненным и недостаточно осмысленным. Он не складывается в общую систему понимания не только ввиду своей недостаточности, но также и ввиду непонимания того, что важно, а что нет для эффективного и компактного описания работы живой системы. Мы имеем дело с технологией жизни, и эта технология чудовищно сложна.
- Какова конечная цель?
- Я мог бы долго рассказывать о важности понимания процесса выбора клеточной судьбы и направлений дифференцировки Определённо, таковое понимание позволит более универсально управлять клетками для построения видоизменённых организмов, искать новые способы лечения болезней и так далее. Но, на самом деле, нами движет чистое любопытство. Хочется разобраться, как это работает. Я считаю, что наука – некий вид искусства ради искусства. В конце концов, такое отношение может быть вполне оправдано, так как приносит свои плоды в виде технологий и изобретений – побочных эффектов творческого научного поиска.
Думаю, это хорошо, когда человек настолько глубоко заинтересован в каком-то вопросе, что наука и поиск становится частью его существа. Учёному важно найти ответ или хотя бы пройти некий интеллектуальный путь, ведь это вопрос самоуважения, вопрос личного творческого роста. Это и есть цель.
- Расскажите о клеточной судьбе.
- Так же как у человека, у клетки есть определенная судьба. Ее можно отследить ретроспективно – построить некую генеалогию клеток и их состояний.
Клеточная судьба – это возникновение какой-то специализации клетки в течение определенного времени в процессе развития многоклеточного организма. Например, вначале был мультипотентный эмбриональный предшественник, а из его потомства постепенно появились какие-то специализированные клетки. Эта траектория от эмбрионального состояния предшественника к высокому уровню функциональной и морфологической специализации его потомков во взрослом организме, по сути, и есть развитие клеточной судьбы.
Для нас очень важно понять, какие внешние и внутренние факторы комбинаторно влияют на клеточную судьбу, как она закрепляется – плавно или дискретно. Нам бы хотелось охарактеризовать молекулярные основы процессов «интеграции информации» и закрепления определённого клеточного состояния, соответствующего одному из вариантов выбора судьбы. Так мы сможем менять и переписывать клеточные траектории дифференцировки. Это позволит работать над развитием биоинженерии, эффективнее лечить разные заболевания и выйти на новый уровень понимания того, как этот клеточный молекулярный репертуар, ответственный за выбор «клеточного будущего», участвует в создании сложных многоклеточных живых организмов – функциональных и пластичных в своей эволюционабельности.
Если отбросить какие-то рамки физического разделения между современными организмами, исторически все мы являемся частью единого древа клеточной жизни. И специализированные клетки нашего тела, наравне с таковыми клетками соседнего дерева, или, скажем, гриба, соединяются где-то глубоко в генеалогии эволюционных трансформаций природы, укореняясь в некое исторически-обусловленное единство жизни на нашей планете. Таким образом, глобальная эволюция клеточных типов и механизмов выбора клеточных судеб лежит в основе многих эволюционных модификаций, ведущих к наборам конкретных адаптаций и результирующей диверсификации жизненных форм.
