Хартвелл и Нёрс надеялись, что мутанты подскажут им, как найти нормальные гены, контролирующие клеточное деление. Это старый прием в биологии: чтобы понять нормальный физиологический механизм, нужно повредить физиологическую функцию. Анатом может перерезать или перевязать животному артерию, чтобы увидеть, какая часть тела перестанет снабжаться кровью, и в результате понять функцию артерии. А генетик может вызвать мутацию гена, чтобы нарушить генетический процесс, например деление клетки, и в результате найти гены, отвечающие за управление процессом митоза.
Летом 1982 года клеточный биолог Тим Хант из Кембриджского университета отправился в Морскую биологическую лабораторию в Вудс-Хоуле в Массачусетсе, на живописном полуострове Кейп-Код, чтобы помогать вести там курс эмбриологии. Туристы в шортах с изображением китов и в льняных рубашках съезжаются на Кейп-Код, чтобы поесть жареных моллюсков и полежать в шезлонгах на широких песчаных пляжах. А ученые – чтобы искать мелкие каменистые заливы, где водятся моллюски и еще чаще – морские ежи.
Икра морских ежей – весьма ценный материал, поскольку представляет собой очень хорошую и крупную экспериментальную модель. Если ввести самке морского ежа простой солевой раствор, она очень быстро произведет дюжины оранжевых икринок. Оплодотворите их спермой морского ежа, и образуется зигота, которая начнет развиваться как по часам, формируя новое многоклеточное животное. Многие ученые, такие как Флемминг в 1870-е, эмбриолог Эрнест Эверетт Джаст в начале 1900-х и Хант в 1980-е годы, использовали этих округлых игольчатых существ с их чувственными лоскутами плоти (кому вообще пришло в голову их есть?) в качестве модели для изучения оплодотворения, деления клеток и эмбрионального развития. Морские ежи сыграли в изучении клеточного цикла такую же роль, как дрозофилы в ранних генетических исследованиях.
Хант хотел понять, как контролируется синтез белков после оплодотворения, но это была медленная и скучная работа. “К 1982 году работа по анализу синтеза белков в яйцеклетке морских ежей почти остановилась; все идеи, проверенные мной и моими студентами, оказались ложными, и само основание системы, по сути, было ошибочным”, – писал он8.
Но в сумерках 22 июля 1982 года Хант заметил нечто удивительное: ровно за десять минут до начала деления оплодотворенной яйцеклетки морского ежа увеличилась, а потом снизилась концентрация одного белка. Это было ритмичное и систематическое явление, как оборот лопастей ветряной мельницы. В тот же вечер на семинаре, закончившемся ужином с вином и сыром, Хант узнал, что другие ученые, в том числе Марк Киршнер из Гарварда, тоже ломали голову над тем, как клетки переходят из одной фазы в другую в процессе образования сперматозоидов и яйцеклеток, т. е. при мейозе. Хант подумал, что появление и исчезновение белка могло свидетельствовать о переходе из одной фазы цикла в следующую. Он едва успел допить свой бокал вина и тут же вновь оказался в лаборатории.
В последующие десять лет Хант каждый год приезжал на Кейп-Код со своей переносной лабораторией: “с пробирками, наконечниками для пипеток, пластинками с гелем и даже с перистальтическим насосом”9, пытаясь понять механизмы, обеспечивающие переходы между фазами клеточного цикла. К зиме 1986 года Хант и его студенты нашли еще несколько белков, концентрация которых увеличивалась и уменьшалась точно в соответствии с фазами митотического деления. Один нарастал и снижался точно в период фазы S (когда удваиваются хромосомы). Другой – в фазе G2 (вторая контрольная точка перед началом деления). Хант назвал эти белки циклинами, поскольку любил ездить на велосипеде[56]. Вскоре он обнаружил, что это название весьма точно: белки находились в постоянной координации с фазами цикла клеточного деления. И название прижилось.
Тем временем Нёрс и Хартвелл подбирались к генам, контролирующим клеточный цикл, с помощью мутантных дрожжевых клеток. Они тоже обнаружили несколько генов, связанных с разными фазами клеточного деления. В конце 1980-х годов они назвали их генами cdc, а позднее – cdk[57]. Белки, кодируемые этими генами, также получили в названии приставку CDK.
Но в этих двух направлениях исследований оставалась загадка. Несмотря на очевидную сходимость результатов, две исследовательские группы нашли разные белки – за одним важным исключением: в одном штамме Нёрса мутация действительно произошла в гене, напоминающем ген циклина.
Почему? Почему Хант в поисках регуляторов клеточного цикла обнаружил белки семейства Cyclin, а Хартвелл и Нёрс идентифицировали совсем другой (почти совсем другой) набор белков, координирующих деление клетки? Как будто две группы математиков, решавших одно и то же уравнение, пришли к двум разным ответам, которые как минимум методически оба выглядят правильными. Короче говоря, какая связь между белками семейства Cyclin и белками CDK?
В 1980-е и 1990-е годы группы Ханта, Хартвелла и Нёрса нашли связь между всеми этими данными, в частности, соотнесли роль белков Cyclin и CDK в клеточном цикле. В регуляции фаз клеточного цикла эти белки действуют сообща. Они являются партнерами и коллегами и связаны в функциональном, генетическом и даже физическом плане. Это “инь и ян” клеточного цикла.
Теперь мы знаем, что конкретный белок Cyclin связывается с конкретным белком CDK и активирует его. Активация приводит к каскаду молекулярных событий в клетке – от одной активированной молекулы к другой, заставляя клетку в конечном итоге переходить из предыдущей фазы клеточного цикла в следующую. Хант разгадал первую половину загадки, а Нёрс и Хартвелл – вторую. Как представлено на схеме:
Как рассказывал мне Нёрс по дороге в Утрехт: “Мы смотрели на одно и то же с двух разных сторон. Если взглянуть чуть издали, это на самом деле одно и то же. Мы как будто видели две тени от одного предмета”10. Вокруг нас крутились мельницы, каждый раз завершая новый цикл.
Белки семейств Cyclin и CDK работают сообща, но разные пары подают сигнал к разным переходам. Одна пара Cyclin-CDK контролирует переход из фазы G2 в фазу М. Cyclin активирует CDK, который затем активирует другие белки, облегчая этот переход. Когда Cyclin расщепляется, активность CDK падает, и клетка ждет следующего сигнала для перехода в следующую фазу.
Другая пара Cyclin-CDK регулирует переход из фазы G1 в фазу S. В координации клеточного деления принимают участие десятки других белков, но тесная связь в парах Cyclin и CDK принципиально важна: они партнеры, участвующие в регуляции клеточного цикла, дирижеры оркестра, обнаруженного Флеммингом почти столетием раньше.
Трудно назвать направление биологии или медицины, которое не изменилось с углублением нашего понимания клеточного цикла и динамики клеточного деления. Что заставляет раковые клетки делиться и как найти лекарство, которое будет специфическим образом блокировать этот злокачественный процесс?[58] Почему стволовая клетка крови при одних обстоятельствах создает копию самой себя (самовоспроизведение), а при других производит зрелые клетки крови (дифференцировка)? Как из одной клетки вырастает эмбрион? В 2001 году чрезвычайная важность работы по выявлению механизмов контроля клеточного деления была признана – и Хартвелл, Хант и Нёрс были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Возможно, наиболее очевидную концептуальную связь с делением клетки (с митозом и мейозом) среди всех направлений медицинских исследований имеет репродуктивная медицина, или искусственное оплодотворение (его также называют оплодотворением in vitro или экстракорпоральным оплодотворением, ЭКО). Слово “искусственный” в этом контексте мне кажется странным. Разве не всякая медицина “искусственна”? Не следует ли называть применение антибиотиков для лечения больных с воспалением легких “искусственным иммунитетом”? А помощь в рождении ребенка “искусственным извлечением плода”? Поэтому я буду говорить о “репродуктивной медицине”, хотя термин “искусственное оплодотворение” широко вошел в практику[59].
Для начала давайте отметим факт, который очевиден для специалиста по клеточной терапии, но может показаться удивительным человеку, не связанному с этой сферой деятельности: экстракорпоральное оплодотворение – это клеточная терапия. На самом деле это один из наиболее активно применяемых методов клеточной терапии. Он стал доступен уже более четырех десятилетий назад, и с его помощью на свет появилось от восьми до десяти миллионов детей. Многие из них теперь уже взрослые люди и сами имеют детей, которых в большинстве случаев произвели на свет самостоятельно, без привлечения ЭКО. Данная технология стала настолько обыденной, что мы не воспринимаем ее в качестве клеточной медицины, хотя, конечно же, именно ею она и является: это терапевтические манипуляции с человеческими клетками для избавления от древней и болезненной формы человеческого страдания – бесплодия.
Данная технология рождалась трудно и едва не умерла в процессе преждевременных родов. Научное отторжение, личное соперничество, недовольство общественности (и даже медицинского сообщества), сопровождавшие появление ЭКО, ныне почти забыты на фоне успеха технологии, однако ее зарождение было чрезвычайно беспокойным и неоднозначным.
В середине 1950-х годов странный и нелюдимый профессор Лэндрум Шеттлс, преподававший акушерство и гинекологию в Колумбийском университете, начал работать над проектом по рождению детей с помощью оплодотворения in vitro11. Он хотел лечить людей от бесплодия. У Шеттлса было семеро детей, и он редко отдыхал дома. В его лаборатории был огромный заросший аквариум и несколько будильников. Спал он на самодельной койке под непрерывное тиканье часов, и часто его заставали идущим по коридору отделения поздним вечером в измятой зеленой медицинской робе.