Белки, отвечающие за взаимное узнавание яйцеклетки и сперматозоида у млекопитающих, называются Izumo и Juno. Первый назван в честь синтоистского святилища (в городе Идзюмо), посвященного браку. Второй – в честь римской богини Юноны, также покровительствующей семейным узам [5]. Так при каждом зачатии мы наблюдаем соединение двух полюсов человеческой культуры, причем Восток символизирует мужское начало. Эти белки инициируют процесс слияния мембран, и сперматозоид попадает внутрь яйцеклетки целиком, вместе со жгутиком (микротрубочки в его основании даже пригодятся для первого деления эмбриона). Человеческая яйцеклетка же после этого разворачивает цепочку событий, призванных предотвратить контакт с остальными сперматозоидами. Она обтрясает с поверхности остальные белки Juno (теперь они будут ловить сперматозоиды на подлете и блокировать их дальнейшее продвижение), выбрасывает наружу ферменты, которые перестраивают внешнюю оболочку яйцеклетки, делая ее непроницаемой, а также высвобождает на поверхность миллионы ионов цинка, которые будут связываться с ферментами акросомы сперматозоида и блокировать их активность; это называется “цинковый щит”, но все мрачные шутки про начало и конец жизни читатель волен додумать самостоятельно. Сперматозоид приносит с собой, помимо ДНК и микротрубочек, еще и третью полезную вещь: пару разновидностей фосфолипаз. Эти ферменты играют большую роль в запуске разнообразных молекулярных каскадов в клетках, а в этом случае способствуют выбросу ионов кальция из внутриклеточных депо. Так яйцеклетка понимает, что произошло оплодотворение, и начинает подготовку к новой жизни: завершает свое второе деление мейоза, очищает геном практически от всех метильных меток и наконец сближает свой генетический материал с отцовским.
Оплодотворенная яйцеклетка – зигота – вскоре приступает к дроблению, то есть к серии клеточных делений, пока не сопровождающихся увеличением в размерах. Образующиеся дочерние клетки называются бластомерами. Их ориентация относительно друг друга различается в разных группах животных и зависит в первую очередь от количества питательных веществ, запасенных в яйцеклетке. У существ, лишенных плаценты, желтка бывает так много, что новые бластомеры жмутся по краям: собираются в диск на поверхности желтка, как у птиц, или обрастают вокруг него, как у насекомых. Но у млекопитающих борозды деления проходят через всю яйцеклетку, она делится пополам, потом еще раз пополам и так далее. Мы занимаемся этим медленно и неторопливо, между делениями проходит от 12 до 24 часов. Мы относительно быстро (в случае человека – на стадии восьми клеток) подключаем использование новообразованного собственного генома, переставая опираться только на заложенные заранее материнские факторы. Наши бластомеры демонстрируют индивидуальность: плоскости деления проходят под разными углами друг к другу, формируя скопление клеток сложной формы (наш тип дробления называется ротационным). При этом у млекопитающих рано начинается синтез белков клеточной адгезии, бластомеры формируют компактную структуру и могут даже обмениваться друг с другом небольшими молекулами.
Уже на стадии 16 клеток, пока эмбрион еще плывет по фаллопиевой трубе, происходит первая развилка будущей судьбы. Часть клеточных делений ориентирована в плоскости, параллельной поверхности эмбриона, то есть в результате одна дочерняя клетка становится внешней, а другая – внутренней. Соответственно, на них начинает по-разному влиять ближайшее окружение (включая как непосредственных соседей, так и клетки яйцевода, вдоль которых движется эмбрион). К тому же, как мы помним, еще в цитоплазме яйцеклетки, давшей им всем начало, различные биологически активные молекулы были распределены неравномерно, так что их концентрация в дочерних клетках тоже оказывается различной. На этой стадии (она называется морулой) все клетки в эмбрионе еще тотипотентны, то есть способны дать начало абсолютно чему угодно. В частности, каждая из них вырабатывает два транскрипционных фактора, Oct4 и Cdx2. Но эти две молекулы взаимно подавляют друг друга, и очень скоро, уже на стадии 64 клеток, внутренняя клеточная масса будет производить только Oct4, а внешний слой эмбриона – только Cdx2. Задача любого транскрипционного фактора в том, чтобы регулировать синтез более или менее четко очерченного набора подчиненных генов и, следовательно, провоцировать синтез собственного набора белков, так что течение жизни неумолимо разносит клетки, совсем недавно полностью одинаковые, по разным сторонам развилки судьбы.
Клетки внешнего слоя превратятся в трофобласт: они будут отвечать за внедрение в стенку матки и последующее образование плаценты. Внутренняя клеточная масса, если повезет, станет человеком, а также его зародышевыми оболочками. Уже на стадии 64 клеток поменять свою судьбу совершенно невозможно. К этому моменту эмбрион – он теперь называется бластоцистой и уже доплыл до матки – обретает сложное пространственное строение. Предыдущие пару дней клетки будущего трофобласта активно выделяли жидкость, благодаря чему внутри эмбриона образовался водный пузырек. В него же они накачивают ионы натрия, поскольку уже успели обзавестись полноценным набором ионных каналов на своих мембранах. По градиенту концентрации к этому натрию просачивается из внешней среды дополнительная вода, и в эмбрионе образуется объемная полость с жидкостью. Внутренняя клеточная масса – наше будущее тело – при этом оказывается сосредоточена на одной стороне полости.
Теперь все готово, чтобы приступить к двум самым важным процессам в эмбриональном развитии. Трофобласт сосредоточится на установлении контакта с матерью, а внутренняя клеточная масса тем временем займется гаструляцией: пространственными преобразованиями, в ходе которых гомогенная масса во внутренней части эмбриона разделится на несколько клеточных линий с четко определенной судьбой [6, 7].
Прежде всего во внутренней клеточной массе выделится слой клеток, которому предстоит стать желточным мешком. Если бы дело происходило в яйце рептилии или птицы, он был бы нужен для освоения запасов питательных веществ – кровеносные сосудики обрастали бы желток яйца и брали из него строительные материалы и энергию для роста. Нам такая функция без надобности, но желточный мешок помогает остальным клеткам эмбриона сориентироваться в пространстве, задействован в производстве клеток крови, а впоследствии принимает участие в формировании пуповины и плаценты. Вслед за желточным мешком обособляется амниотическая полость, в которой ребенок впоследствии будет плавать. Относительные размеры этих трех структур на ранних стадиях беременности стремительно меняются. Через две недели после задержки вся конструкция напоминает обручальное кольцо с бриллиантом (где крупное кольцо – это желточный мешок, бриллиант – эмбрион, а амниотической полости еще вообще не видно), а еще через неделю амниотическая полость становится заметно крупнее их вместе взятых [8].
Но гораздо раньше, чем счастливая мать сможет рассмотреть эмбриона на УЗИ, – всего через неделю после задержки, когда тело его еще выглядит как двухслойный клеточный диск (причем большая часть клеток нижнего слоя станет желточным мешком), на самом деле уже известно, где тут будет спина, а где голова. На поверхности диска появилась первичная полоска – со срединным углублением, первичной бороздкой и узелком на одном конце. Узелок – это организатор (как дорсальная губа бластопора, которую пересаживали из одного тритоньего эмбриона в другой). Вокруг первичной полоски будут теперь танцевать все остальные клетки, определяясь со своей будущей судьбой. “Танцевать” почти буквально: они выходят из коллектива, где другие клетки держали их за руки (за белки адгезии), и отважно внедряются внутрь тела эмбриона, сквозь первичную полоску. В зависимости от того, где в точности и когда конкретно они погрузились вглубь, на них по-разному повлияют сигнальные молекулы, распределенные в этом диске по многочисленным взаимодополняющим градиентам, и кто-то станет мезодермой (а впоследствии мышцами, включая сердечную, почками или костями), кто-то энтодермой (и затем кишечником, печенью и легкими), а кто-то так и останется внешней эктодермой (а потом кожей, но также и нервной системой).
Как формируются внутренние органы? Ну, все по-разному. После того, как произошла великая миграция клеток, уже окончательно понятно (и подкреплено градиентами различных молекул), где тут передне-задняя ось, где будет брюшко, а где спина. Там, где спина, и вдоль передне-задней оси клетки мезодермы образуют хорду – временный стержень, играющий ключевую роль в стимулировании развития нервной пластинки. Там, где будет брюшко, клетки эктодермы выстраиваются в кишечную пластинку. Дальше обе пластинки, нервная и кишечная, растут и изгибаются таким образом, чтобы замкнуться в трубки и погрузиться внутрь тела[54]. В области, где они близки друг к другу, на переднем конце тела, от кишечной трубки отпочкуются также и будущие легкие. Оставшиеся свободными клетки мезодермы начнут превращаться среди прочего в предшественники мышц. Средняя часть нервной трубки призовет их к себе на помощь, чтобы обеспечить будущую перистальтику кишечника. Некоторые другие мезодермальные клетки мигрируют от краев тела к его средней линии, чтобы дать начало сердечной мышце. Та часть кишечника, которая почувствует, что сердце рядом, даст начало также и печени. Остались и еще мезодермальные клетки, которые соберутся в трубки, образующие впоследствии почки и половые органы (например, в мюллеров проток – отсылаю тут внимательного читателя к началу второй главы). Кстати, еще до всех этих событий в задней части эмбриона обособились первичные половые клетки, в которых заблокирована транскрипция и трансляция, чтобы весь биохимический шторм, бушующий вокруг, никак на них не отразился – теперь они мигрируют в новообразованные гонады, и если эмбрион мальчик, то будут там спокойно ждать полового созревания. А если девочка, то немножко поделятся, войдут в первое деление мейоза (вследствие чего их количество, в отличие от мужских, уже не сможет увеличиться) и тоже замрут в ожидании светлого будущего.