Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

7. Как мы воспроизводим себя

Яйцеклетки и сперматозоиды — это настоящие короли и королевы клеточного сообщества. Лишь их потомство остается жить тогда, когда все остальные миллиарды клеток погибают. По сути, единственная роль всех этих миллиардов клеток заключается в том, чтобы обеспечить встречу яйцеклетки и сперматозоида.

То, как эволюция пришла к воспроизводству на сексуальной основе, а не на самооплодотворении самой яйцеклетки, — весьма сложная история. Но почему так случилось — понятно. Сексуальный механизм воспроизводства обеспечивает, во-первых, возможность большего генетического разнообразия, а во-вторых, возможность избавления от нежелательных генов. Самый простой способ избавиться от никчемных генов — поступать так, как это делают самки многих позвоночных, которые отказывают самцам с какими-либо изъянами. В известном смысле так же поступают женщины, выбирая одного мужчину и отвергая другого.

Яйцеклетки — это единственные клетки животных, из которых способна развиться целая взрослая особь. Развитие человеческой яйцеклетки инициируется за счет оплодотворения ее сперматозоидом, в результате чего она получает второй набор генов. Схема развития и форма сперматозоида и яйцеклетки весьма различны, однако для оплодотворения нужны они оба, ибо самостоятельно яйцеклетка развиваться не будет. Вместе они передадут по наследству следующему поколению особенности человеческой внешности и строения тела — от цвета глаз до длины носа. Я, признаться, испытываю благоговение перед тем фактом, что мы происходим от одной крохотной яйцеклетки. В этой связи важно знать и понимать, где и как она развивается. Так как же появляются яйцеклетки и сперматозоиды?

Область тела, в которой зарождаются яйцеклетки и сперматозоиды, можно выявить на стадии гаструляции. Образовавшись, эти клетки мигрируют в будущие области человеческих гениталий — в область яичника и яичек. По мере продвижения будущие яйцеклетки делятся и понемногу увеличивают свою численность; более того, они продолжают делать это еще некоторое время после того, как достигают яичника. Затем они перестают делиться, и с этого момента никакого увеличения числа яйцеклеток больше не происходит. Число их равняется примерно шести миллионам. В этих клетках содержится по 23 материнских и по 23 отцовских хромосом.

После этого начинается мейоз, в ходе которого происходит не только сокращение ровно наполовину числа хромосом в яйцеклетках, но и тесное взаимодействие и перемешивание хромосом. Мужские и женские хромосомы перемешивают отцовские и материнские гены, рекомбинируют их по-новому — так образуются новые и отличные от прежних хромосомы.

Во время мейоза будущая яйцеклетка делится дважды, однако при этом хромосомы удваиваются всего один раз и число их сокращается наполовину. Первоначальное число хромосом восстанавливается впоследствии при оплодотворении яйцеклетки за счет проникновения в нее сперматозоида.

Первым шагом на пути к сокращению числа хромосом в ходе мейоза является их удвоение — хромосомы дублируются так, как это происходит во время нормального процесса митоза при обычном делении клетки. При этом удвоенные хромосомы сохраняют связь друг с другом. А затем каждая пара отцовских хромосом находит точно такую же пару материнских хромосом, и эти пары хромосом также связываются. После этого происходит обмен сходными областями между отцовскими и материнскими хромосомами, в результате чего некоторые наборы генов матери оказываются на хромосомах отца, и наоборот. Затем следуют еще два деления клеток без дальнейшего увеличения числа хромосом, в результате чего образуется 4 яйцеклетки с генетическим набором из всего лишь 23 хромосом, которые при этом перемешаны так, что каждая из четырех яйцеклеток имеет различные наборы генов. Это обеспечивает практически безграничное генетическое разнообразие.

Яйцеклетки в яичнике проходят первую стадию мейоза, но больше уже никогда не размножаются, так что общее число возможных яйцеклеток — около шести миллионов — предопределено при рождении девочки. Однако к тому времени, когда девочка достигает половой зрелости, из них остаются в сохранности, избегнув разрушения и деградации, лишь около 40 тысяч. Каждая яйцеклетка способна после оплодотворения развиться в новорожденного ребенка. По достижении половой зрелости яйцеклетки вырастают в размерах в тысячу раз, и мейоз при этом продолжается.

Развитие сперматозоидов не включает мейоза на эмбриональной стадии. Он начинается позже в яичках половозрелого мужчины. Но перемешивание и замещение генов в хромосомах сперматозоидов происходит. В отличие от яйцеклеток, сперматозоиды образуются на протяжении всей жизни мужчины.

В ходе развития как яйцеклеток, так и сперматозоидов конечный набор и состояние их генов должны стать такими, чтобы они могли породить все клетки нашего тела. Отдельные гены, как яйцеклеток, так и сперматозоидов, в дальнейшем, однако, могут и не понадобиться. Они специально деактивируются в ходе процесса, известного под названием «импринтинг». Осуществляется импринтинг за счет добавления особой метиловой группы к необходимым областям ДНК, в результате чего блокируется транскрипция соответствующего гена. У млекопитающих удалось идентифицировать около 70 генов, заблокированных в результате импринтинга, однако ученые установили функции лишь некоторых из них.

Самый ясный пример относится к росту эмбриона: ген, кодирующий фактор роста, блокируется в хромосоме яйцеклетки, но сохраняется в сперматозоиде. С эволюционной точки зрения это объясняется тем, что существует противоречие интересов отца и матери относительно стратегии воспроизводства. Отец стремится к максимальному росту своего потомства, в то время как мать заинтересована в более-менее равномерном распределении своих ресурсов между всеми рожденными ею особями и поэтому хочет, чтобы рост каждого ее эмбриона был разумным, но не чрезмерным; поэтому в яйцеклетке деактивируется ген, кодирующий фактор роста.

С эффектом геномного импринтинга связаны различные генетические болезни и нарушения у человека. В их число входят синдром Прадера-Уилли, который характеризуется чрезмерным вниманием к приему пищи и трудностями в обучении, и синдром Ангельмана, который приводит к задержкам умственного развития, ненормальной походке, дефектам речи, припадкам и неоправданно приподнятому состоянию с частыми приступами беспричинного смеха. Гены, вызывающие эти болезни, располагаются на 15-й хромосоме. Они подвергнуты импринтингу в материнской хромосоме и соответственно должны иметься на отцовской хромосоме, чтобы у ребенка было нормальное развитие. Однако если эти гены отсутствуют и в отцовской хромосоме, то у ребенка неизбежно разовьется синдром Прадера-Уилли. Если же повреждена материнская 15-я хромосома, то это вызовет синдром Ангельмана.

Развитие яйцеклетки начинается с ее оплодотворения, когда с ней соединяется сперматозоид. В ходе полового сношения в женское влагалище выбрасывается около 300 миллионов сперматозоидов, однако до яйцеклетки, которая ждет оплодотворения, добирается в конечном итоге меньше тысячи из них. Правда, эти сперматозоиды способны сохранять свою жизнеспособность на протяжении еще трех суток.

Сперматозоид направляется к яйцеклетке, совершая колебательные движения своим хвостом, однако лишь один из тысячи сперматозоидов, стремящихся к яйцеклетке, в действительности имеет шанс соединиться с ней, пробившись сквозь ее защитную оболочку. Как только один сперматозоид сливается с яйцеклеткой и происходит ее оплодотворение, доступ для всех других сперматозоидов к этой яйцеклетке блокируется. Оплодотворение вызывает выброс кальция, что активирует энзим, который добавляет к белкам фосфатные группы и инициирует развитие яйцеклетки. Она начинает делиться и завершает процесс мейоза, произведя крошечную дочернюю клетку, которая затем распадается.

Для родителей, у которых возникают проблемы с оплодотворением и зачатием, сейчас существует возможность оплодотворить яйцеклетку искусственно, вне организма матери, и затем поместить ее в материнский организм — то есть совершить то, что называется экстракорполярным оплодотворением. Для совершения этой процедуры в организме матери с помощью гормонов инициируется созревание яйцеклеток. Затем они извлекаются из яичника и помещаются в искусственную питательную среду в пробирке. Туда добавляются сперматозоиды, и происходит оплодотворение, после чего оплодотворенная яйцеклетка помещается в матку матери. Если существует проблема с наличием сперматозоидов и для искусственного оплодотворения их недостаточно, то возможно оплодотворить яйцеклетку, введя непосредственно в нее один-единственный здоровый сперматозоид.

При оплодотворении в яйцеклетку обычно проникает лишь один сперматозоид, и примерно 12 часов спустя 23 материнские хромосомы соединяются с 23 отцовскими хромосомами. В результате мы получаем оплодотворенную яйцеклетку с полным набором хромосом, которая, если все и далее пойдет хорошо, способна развиться в целого человека. С этого момента начинается процесс деления клеток.

Наш пол определяется тем, какие половые хромосомы предоставляет при оплодотворении сперматозоид. Существуют две хромосомы, связанные с половой принадлежностью человека, — хромосомы X и Y. У мужчин имеются они обе, их сочетание обозначается как XY; у женщин есть две хромосомы X, обозначаемые обычно как XX. В ходе развития сперматозоидов происходит процесс мейоза, в результате которого число хромосом уменьшается наполовину, и поэтому одна половина сперматозоидов несет хромосому X, а другая — хромосому Y. У каждой яйцеклетки есть хромосома X. Если в яйцеклетку во время оплодотворения проникает сперматозоид с хромосомой X, то эмбрион получает хромосомный набор эмбриона XX и обретает женский пол. Если же в яйцеклетку проникает сперматозоид с хромосомой Y, то рождается ребенок мужского пола. В случае, если хромосомный набор оплодотворенной яйцеклетки представляет собой XXY или одну лишь X, то происходит ненормальное половое развитие. Таким образом, кто родится — мальчик или девочка, — зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку.

Хромосома Y приводит к развитию эмбриона мужского пола, поскольку она содержит ген, который кодирует белок, приводящий к развитию у эмбриона яичек и производству мужского гормона тестостерона, в силу чего возникают половые различия, характерные для мужчин и женщин. На ранней стадии развития разница между мужскими и женскими эмбрионами неразличима. Изначально все эмбрионы имеют женские признаки. Но когда в дело вступает производимый яичками гормон тестостерон, начинается развитие мужских признаков и ряду органов тела придается мужская форма. Воздействие тестостерона ведет к развитию пениса, а не клитора в области гениталий, хотя на самой ранней стадии нет никакого различия в структуре и строении ткани, из которой в будущем разовьются либо пенис, либо клитор. Тестостерон также предотвращает заметный рост груди у мужчин и оказывает воздействие на развитие головного мозга. Если мужчина невосприимчив к воздействию тестостерона, он, хотя и имея яички, будет выглядеть, как женщина.

Эмбрион, имеющий хромосомный набор XX и запрограммированный к тому, чтобы превратиться в женщину, изначально имеет двойное количество генов X по сравнению с мужским эмбрионом, обладающим хромосомным набором XY. Это необходимо скорректировать, поскольку на хромосоме X должно проявляться одинаковое число генов как у женщин, так и у мужчин. У человека, подобно другим млекопитающим, эта диспропорция корректируется путем случайной деактивации одной из хромосом X в каждой клетке женского эмбриона на ранней стадии развития. Этот процесс приводит к тому, что в клетках по всему телу содержится одинаковое число хромосом X, заимствованных у отца и у матери. В тех же случаях, когда число либо поведение половых хромосом не соответствуют норме, происходят отклонения от нормального развития.

Изучение развития яйцеклеток и сперматозоидов показывает, почему невозможно унаследовать приобретаемые людьми во время их жизни качества — такие, как знания, воспоминания или способности. В самом деле, как могут способности, которые в основном развиваются в нашем мозгу, быть переданными яйцеклетке или сперматозоиду? Это опрокидывает теорию, выдвинутую в начале девятнадцатого столетия Жаном-Батистом Ламарком, который утверждал обратное. Впрочем, передача по наследству характерных особенностей поведения возможна, но эти особенности должны быть обусловлены физиологией, связанной с генетической информацией.

Насколько обратимы и пластичны изменения в поведении клеток и генов в процессе развития? Прежде считалось, что гены, которые функционируют на ранних стадиях развития, позже «теряются». Эксперимент, который был призван подтвердить потерю генов и дать ответ на вопрос, можно ли изменить модель активности генов во взрослой клетке, поставили на клонированных объектах. Он включал в себя введение ядра клетки, подвергнувшейся дифференциации, в яйцеклетку, собственное ядро которой было удалено. Это делалось для того, чтобы увидеть, сможет ли яйцеклетка после этого нормально развиваться. Для эксперимента использовались лягушки, поскольку ядра их яйцеклеток находятся сразу под оболочкой и могут быть легко уничтожены при помощи радиоактивного облучения. После этого в яйцеклетку, лишившуюся ядра, вводили ядро клетки лягушачьего кишечника. Получившаяся в результате этого яйцеклетка проходила все ранние стадии развития, вплоть до фазы превращения в головастика. В клетке после дифференциации не терялись никакие гены. Введение ядер от других клеток, подвергшихся дифференциации, таких, как клетки кожи, приводило к аналогичному развитию, и это ясно показывало, что модель активности генов в клетках, подвергшихся дифференциации, может быть изменена и возвращена к той, которая существовала в ядре яйцеклетки. Более того, по своей генетической конституции образовавшийся головастик был идентичен тому экземпляру лягушки, от которой была взята клетка, подвергшаяся дифференциации. Эта клетка породила сообщество генетически идентичных клеток — это и есть то, что подразумевается под термином «клонирование».

Большая часть клонов, которые произошли от яйцеклетки лягушки, не смогли развиться далее стадии головастика — по причинам, которые исследователи понять не сумели. Однако если ядро бралось из клетки эмбриона лягушки на ранней стадии развития, то из такой клетки вырастали нормальные взрослые особи лягушек.

С млекопитающими — такими, как мыши и овцы, — ситуация сложнее. Овечка Долли прославилась, став первым млекопитающим, которое было клонировано из взрослой клетки, взятой из овечьего вымени, однако Долли умерла молодой, и ее короткая жизнь была полна проблем со здоровьем. Сотням эмбрионов, на которых проводились другие эксперименты по клонированию, так и не удалось превратиться в полноценных особей. У многих клонированных таким образом животных наблюдаются различные аномалии развития, например деформация конечностей; их часто подстерегает преждевременная смерть. В клонированных мышах не менее 5 процентов генов проявляются неправильно.

С другой стороны, нельзя сказать, что клонирование связано исключительно с неудачами. Уже то, что исследователи смогли не только клонировать мышей, коров и овец и вырастить из клонированных экземпляров взрослых животных, следует признать несомненным успехом. Удалось даже клонировать мышей, используя ядра, взятые из нервных клеток мозга. Впрочем, в большинстве случаев использование ядер, взятых из нервных клеток, приводило к прекращению развития эмбриона на ранней стадии.

Не существует достоверных данных об успешном клонировании приматов, однако их клонированные эмбрионы в лабораториях создавались. Все это указывает на то, что мы близки к клонированию человека, а это крайне опасное предприятие, поскольку получившийся в результате ребенок наверняка будет страдать различными отклонениями от нормы. Поэтому вполне правильной кажется идея запретить клонирование человека, причем сделать это не только по этическим соображениям, но прежде всего исходя из задачи сохранения здоровья людей.

Но почему все-таки возникает стремление получить человеческие клоны? Дело в том, что у кого-то появляется желание создать точную копию самих себя, или своего ребенка, или какой-то известной личности. При этом почему-то не учитывается, что клонированный человек, даже если он и является точной генетической копией донора ДНК, все равно будет отличаться характером, который определяется воспитанием, полученным в процессе взросления, тут, однако, следует оговориться, что клонирование, которое ограничивается созданием эмбрионов, скорее всего, окажется полезным для целей восстановительной медицины, поскольку получившиеся клетки пригодятся для лечения пациента с поврежденными тканями — они не вызовут у него реакции отторжения.

С самого начала идея клонирования человека сталкивалась с сильнейшими возражениями этического порядка. Раздаются требования ввести универсальный международный запрет на клонирование и более того — наказывать тех, кто его нарушит, как за тяжкое уголовное преступление. С осуждением идеи клонирования выступили многие деятели науки и культуры, а также руководители ряда государств.

Опасения ими высказываются самые разные, в том числе и весьма экзотические. Одно из них предостерегает от клонирования на том основании, что оно неминуемо приведет к созданию клонов профессиональных преступников. Другое сводится к тому, что клонированный ребенок будет морально страдать от своей генетической идентичности донору ядра клетки, на основе которой произведено его клонирование; дескать, его постоянно будут сравнивать с донором, а это создаст нагрузку на психику.

Против клонирования выступают и религиозные деятели, поскольку ставят знак равенства между эмбрионом и человеческой личностью. Однако в свете знаний о том, какой гигантской активности множества клеток требует наше развитие, разумно ли заявлять, что оплодотворенная яйцеклетка уже является человеком и что к ней надо относиться, как к человеку? Признаться, довольно трудно заставить себя относиться к одной-единственной клетке, как к человеческому существу, особенно если знать, какой путь ей предстоит пройти, чтобы примерно через девять месяцев из нее получился человек.

Я готов спорить с каждым, кто попытается доказать мне, что клонирование человека приведет к проблемам этического порядка. То, что какой-то индивид будет похож на человека-донора, не может являться основанием для серьезного беспокойства, поскольку многие дети и так похожи на своих родителей. А кроме того, мы знаем немало родителей, предъявляющих неоправданно высокие ожидания к своим детям. Стоит также отметить, что многие дети сейчас рождаются благодаря оплодотворению спермой доноров, которые не являются членами семьи. В общем, я считаю, что запрет на клонирование людей может быть продиктован только вероятностью появления детей с отклонениями в развитии, но никак не этическими соображениями.

В будущем, может быть, научатся изменять генетическую составляющую яйцеклетки таким образом, что у появившегося в результате этого на свет ребенка разовьются особые способности — скажем, высокий интеллект или склонность к спортивным достижениям. С подобным развитием событий действительно могут быть связаны этические проблемы, а также опасность, что вмешательство окажет непредвиденное негативное воздействие на ребенка. Яйцеклетки и эмбрионы — это чрезвычайно сложные образования, и мы еще не понимаем их сущность в достаточной степени, чтобы брать на себя ответственность за будущие жизни.

Пользующийся большим авторитетом врач Льюис Томас в своей книге «Медуза и улитка» назвал чудом момент, когда одна клетка сперматозоида соединяется с одной яйцеклеткой для того, чтобы появилась одна новая клетка под названием зигота, которая девять месяцев спустя превратится в новорожденного человека. Описание этого процесса Льюис Томас заключил такими словами: «Само существование этой клетки — одно из величайших чудес на Земле».