«Практически все, что нам удалось узнать о млекопитающих, говорит о том, что птицы просто не должны существовать, – признался Адам, – но они живут в той же самой среде и справляются с теми же самыми патогенами своими способами». Зачастую путь науки заключается именно в том, чтобы отмечать подобные различия и пытаться понять их причину. Лимфатические узлы играют важнейшую роль в организме млекопитающих, в том числе человека. У птиц есть скопления лимфоидной ткани, но по степени дифференциации они далеки от лимфатических узлов, и тем не менее пернатые прекрасно живут без них. Любопытная загадка. Лимфатические узлы имеют довольно сложное строение. Почему же они развились у млекопитающих и отсутствуют у птиц? Если нам удастся понять, как птицы противостоят инфекциям с помощью своей необычной иммунной системы, то мы будем больше знать и о работе защитных механизмов организма человека.
Помимо прочего, генетическая модификация позволила ученым проследить процесс развития эмбриона с беспрецедентной точностью, и, без всякого сомнения, это важный инструмент в рамках подобных фундаментальных исследований. Но что насчет применения данной технологии за пределами лаборатории, по отношению к курам, выращиваемым на мясо? Исследователи из Рослинского института изучили проблему и под этим углом, предложив использовать сочетание «причуд» эмбрионального развития с удивительно точной новой технологией редактирования генов.
Для распространения определенного варианта гена в поголовье кур необходимо поместить этот ген в клетки, из которых потом образуются гаметы (гаметы – это яйцеклетки и сперматозоиды). Такие клетки, расположенные в половых железах кур (и людей), называются первичными половыми клетками. По сути, речь идет о бессмертных клетках, которые постоянно делятся, и часть их «потомков» превращается в яйцеклетки или сперматозоиды, в зависимости от пола животного, а часть остаются первичными половыми клетками, готовыми продолжать деление, производя все новые яйцеклетки и сперматозоиды и заменяя родительские клетки. Обычный способ, благодаря которому необходимый ген оказывается в первичных половых клетках, – это селективное разведение, косвенный путь, успех которого зависит от чистой случайности. Определяют кур, обладающих необходимым признаком, скрещивают их, и ученым остается лишь надеяться, что ген, отвечающий за интересующий их признак, находится в гаметах и передастся некоторым особям нового поколения. Распространение признака во всем поголовье требует нескольких поколений. Но представьте, что этот процесс можно было бы ускорить, снабдив все яйцеклетки курицы или все сперматозоиды петуха нужным геном, – тогда можно быть уверенным, что после скрещивания у всех потомков будет иметься этот ген и проявится желаемый признак. Именно это и позволяет сделать новая технология редактирования генов. И, по счастливой случайности, изъять первичные половые клетки из куриного эмбриона для их последующего изменения достаточно просто.
Куры вызывают у эмбриологов глубокий интерес еще со времен Аристотеля, который три недели наблюдал за развитием цыплят в яйце. Можно удалить часть скорлупы, чтобы следить за процессом роста эмбриона – и даже взаимодействовать с ним, – не причиняя ему вреда. Цыпленок развивается с одной стороны яйца – с его строением, полагаю, все мы знакомы. До того как яйцо покрывается белком, а затем скорлупой, оно представляет собой желтый сгусток, в котором большую часть пространства занимает крупный желток.
Куриное яйцо после овуляции достигает 2,5 см в диаметре, а человеческая яйцеклетка – всего 0,14 мм. На самом деле, по сравнению с другими клетками нашего организма, это очень крупная клетка. В ней содержится достаточное количество цитоплазмы – внутренней среды клетки, – чтобы обеспечить развитие эмбриона после оплодотворения. Оплодотворенная человеческая яйцеклетка делится, превращаясь в шар из клеток, при этом ее размер не меняется. А вот неоплодотворенное куриное яйцо огромного размера. Его диаметр примерно соответствует диаметру желтка в яйце, которое мы едим, и большая часть неоплодотворенного яйца из него и состоит. Это одна крупная клетка, напичканная питательными веществами желтка для обеспечения развития эмбриона, и совсем-совсем крошечное количество цитоплазмы на одном конце – все это можно разглядеть за завтраком, если захотите. В цитоплазме находится ядро с хромосомами – генетическим материалом, который новый организм получит от матери. Отцовский генетический материал в яйцеклетку доставляет сперматозоид. И вот тогда-то и начинается самое интересное. Если оплодотворенные яйцеклетки млекопитающих делятся медленно – первое клеточное деление (на две клетки) происходит примерно через двадцать четыре часа после оплодотворения, то оплодотворенное куриное яйцо так долго не ждет. К моменту, когда курица откладывает яйца, то есть примерно через двадцать четыре часа после оплодотворения, в яйце уже сформировался зародышевый диск (бластодиск), из почти 20 000 клеток. Если сразу же вскрыть скорлупу яйца, легко заметить этот белый диск на поверхности желтка. Если отложенное оплодотворенное яйцо содержится в тепле, зародышевый диск – те самые 20 000 клеток – продолжает расти, делиться и формировать куриный эмбрион.
Всего через четыре дня после откладывания яйца зародышевый диск уже «свернулся» в трубку, формируя тело будущего цыпленка. В нем отчетливо виден развивающийся глаз, и сердце эмбриона уже бьется. (Для сравнения, человеческий эмбрион достигает сходной стадии развития лишь через полные четыре недели с момента зачатия.) К этому времени вокруг эмбриона цыпленка также сформировалась сеть кровеносных сосудов, оплетающая наружную поверхность желтка. Если посмотреть на четырехдневное оплодотворенное яйцо, которое высиживает курица, на свет, эти сосуды прекрасно видны, они расходятся как тонкая красная паутинка из центрального красного сгустка – это и есть зародыш. Если проделать в скорлупе крошечное отверстие и вставить тонкую иглу в один из кровеносных сосудов эмбриона, то можно взять минимальный образец крови. В нем содержатся первые кровяные клетки, а также некоторые стволовые клетки, имеющие ключевое значение. Это и есть те самые первичные половые клетки, которые в конце концов окажутся в половой железе развивающегося цыпленка и будут готовы производить яйцеклетки или сперматозоиды, в зависимости от пола особи.
Майк Макгру берет анализы крови у эмбрионов на еще более ранней стадии развития, когда тем всего два с половиной дня от роду. На этом этапе развития в крошечном образце крови содержится сто первичных половых клеток. Далее он проделывает следующую операцию: в течение нескольких месяцев выращивает культуру этих клеток вне эмбриона. Это дает исследователю возможность редактировать гены, используя новый метод для точной модификации, вырезая участки ДНК и вставляя на их место новые.
После внесения всех необходимых изменений первичные половые клетки снова вводятся в куриный эмбрион, который также подвергся генетическим манипуляциям и не производит собственные половые клетки. Как ни странно, далее процесс развития протекает нормально: генетически модифицированные первичные половые клетки перемещаются в яичники или семенники развивающегося цыпленка. Когда он вылупляется и вырастает в курочку или петушка, то его организм производит яйцеклетки или сперматозоиды с измененной ДНК.
