Запасная голова
Швейцарские и французские биологи показали возможность появления второй головы у гидры
Объектом исследования молекулярных биологов из Женевского университета и Университета Париж VII имени Дени Дидро был пресноводный полип гидра, давно известный ученым своей феноменальной способностью к регенерации, он полностью восстанавливает себя, даже будучи разрезанным на куски.
Фото: UIG / ТАСС
Гидра относится к кишечнополостным, одним из самых примитивных и наиболее древних многоклеточных животных. Ближайшие родичи гидр медузы тоже способны полностью возродиться из кусочка своего тела. Общая закономерность давно известна ученым: по мере эволюционного усложнения организмов их способность к регенерации своих органов и тканей терялась. Если дождевые черви еще способны полностью восстановить себя из передней части тела, то ящерицы могут отрастить только утерянный хвост, а у человека способность к регенерации сохранила только кожа.
Расстояние в эволюции между гидрой и человеком огромное, но на молекулярном уровне феномен жизни подчиняется единым законам, поэтому надежда разбудить у человека способность к регенерации его органов остается. Но задача гораздо сложнее, чем может показаться.
От четырехкрылой мухи к двуглавой гидре
Тело гидры полярно. Это означает, что в ее теле сверху вниз и снизу вверх распределены градиенты веществ — так называемых морфогенов, определяющих положение всех органов и частей тела. При регенерации гидры куски ее тела тоже сохраняют полярность, например, из того отрезанного участка тела, что был ближе ко рту, вырастает голова, а из того, что был дальше,— нога.
Группа из Женевы провела полногеномный скрининг генов с целью поиска гена, ответственного за подавление возникновения «многоголового» фенотипа. В результате анализа был идентифицирован ген, кодирующий белок Sp5, являющийся репрессором транскрипции — неотъемлемого этапа экспрессии генов.
В нормальных условиях у гидры специализация головного конца тела определяется белком — ростовым фактором Wnt3, экспрессией которого, как оказалось, через идентифицированный белок-репрессор Sp5 управляет высококонсервативный в эволюции сигнальный путь Wnt/-катенин, играющий важную роль в эмбриогенезе и у позвоночных животных, дифференцировке (специализации) их клеток, а также развитии злокачественных новообразований. При нокдауне гена Sp5 развивается «многоголовый» фенотип, провоцируемый действием пути Wnt/-катенин.
Морфогенетические, то есть формообразовательные, эффекты действия этого пути были впервые обнаружены и изучены на плодовой мушке дрозофиле. У мух нарушение действия ключевого гена этого пути wingless (сокращение Wnt — производное от Wg, wingless, и Int, это аналог гена wingless у позвоночных) приводит к дефекту развития крыльев, а усиление работы этого гена, например, путем подавления работы его репрессора Ubx, наоборот, вызывает преобразование жужжальцев, органа балансировки в полете, во вторые крылья: появляются насекомые с двумя парами крыльев, что характерно для другого отряда насекомых, к которому относятся, например, стрекозы.
Таким образом, полученные женевской группой данные на гидре полностью находят отражение и у более высокоорганизованных животных — насекомых и позволяют в некоторых аспектах провести параллели с человеком, сигнальный путь Wnt у которого интересен ученым и исследуется во многих странах, в том числе в Институте биологи гена РАН.
Новая голова — новая личность
Полученные в описываемой работе результаты поднимают вопрос, а возможно ли появление отсутствующего органа у человека во взрослом состоянии, например при потере руки или ноги, и даже отсылают нас к истории с пересадкой головы. Да и сами авторы этого исследования вскользь намекают на такую перспективу.
Но гидра, как, впрочем, и мушка дрозофила,— это первичноротые существа, а млекопитающие, к которым относится человек,— вторичноротые. Наш рот, находящийся в передней части тела, вторичного происхождения, на том месте, где он изначально появляется в развитии, он зарастает, а прорывается потом на противоположном конце тела, полярность зародыша человека меняется. Или, простыми словами, все у него переворачивается с ног на голову. Тогда как у гидры при эмбриональном развитии рот остается на своем первичном месте, и исходно передняя часть тела (верхняя, с головой) остается верхней, а нижняя часть (нога) нижней. Так что, по крайней мере, морфогенетические события в развитии у человека другие.
Само открытие молекулярно-генетических особенностей морфогенетического развития у человека вовсе не гарантирует воспроизводство у него недостающих частей тела, например ноги или руки, не говоря уже о голове.
У млекопитающих механизмы регенерации ткани при ранениях отличаются от таковых, например, у рептилий. Отличается механизм эпителизации раны — у млекопитающих появляется рубец, тогда как у ящериц рана покрывается тонкой прозрачной пленочкой эпителия, который закрывает рану от прямого контакта с воздухом, и уже под этой пленкой начинается рост утраченного хвоста.
Таким образом, выращивание утраченной части руки или ноги из остатка органа пока неосуществимая мечта. Безусловно, работа группы из Женевы интересна с точки зрения развития представлений о механизмах морфогенетического развития кишечнополостных, знания о котором пополнились. Без развития представлений в области морфогенеза в эмбриональном развитии животных в целом и позвоночных в частности невозможно будет приблизиться к заманчивой перспективе выращивания утраченных конечностей в будущем.
Ставка делается на то, что, если «пробудить» во взрослом состоянии эти механизмы, активные у зародыша, будет возможно воспроизвести утраченные органы у живущих индивидуумов.
Однако пока мы даже до конца не знаем, насколько сложны эти механизмы у млекопитающих и возможно ли их «пробуждение» во взрослом состоянии. Возможно, какие-то успехи в этом направлении будут достигнуты к концу века, однако о выращивании головы de novo взамен утраченной в обозримом будущем следует забыть. Даже если запуск такого процесса с развитием знаний будет возможен, формирование связей между нейронами, дающее идентичность сознания, будет происходить уже иначе. Проще говоря, это будет совсем другой человек, а самим собой он останется только в том случае, если к его голове вырастить новое тело.
А если просто пришить новую голову?
Эксперименты по пересадке головы, или, по-другому, латеральная или боковая трансплантация, были начаты еще в 1920-х годах в Германии на развивающихся тритонах. При пересадке части будущей головы, так называемого головного организатора, на спину другому тритону на спине формировалась вторая голова со всеми соответствующими структурами. Эти эксперименты получили свое развитие в 1960–1970-х на лягушках, у которых разделение анимально-вегетативного (передне-заднего) градиента яйца с помощью центрифугирования приводило к формированию двух систем осевых органов, в том числе и двух голов.
У млекопитающих попытки пересадки головы предпринимались в 1950-х годах в Москве, в Институте скорой помощи имени Склифосовского. Была получена собака с двумя головами, которая жила некоторое время, ела, лаяла и даже пыталась укусить другую голову за ухо.
Однако иммунологическая несовместимость не позволяла такой двухголовой собаке прожить более месяца. Тем не менее это, безусловно, было выдающимся достижением трансплантологии.
Не так давно, в 2017 году, итальянский врач Серджо Канаверо делал громкие заявления о возможности пересадки головы больного мышечной спинальной атрофией пациента на здоровое тело, которое не только избавит пациента от страданий, но и омолодит мозг. Этот информационный вброс был широко растиражирован СМИ, но дальше заявлений дело не пошло, доктор Канаверо отказался от своей идеи. А возможен ли такой эксперимент в принципе?
Для его успешного осуществления необходимо решить ряд проблем, главная из которых — отсутствие эффективной технологии соединения фрагментов разрезанного спинного мозга. Поэтому пациенты-животные после трансплантации теряют возможность управления мышцами тела. Однако если эта проблема будет когда-либо решена, например, за счет использования очень тонких лезвий для перерезки нервов или полиэтиленгликоля, позволяющего слияние мембран разрезанных участков клеток, который будет использоваться вместе с электродами для стимуляции сращения нервов, встает проблема иммунологического отторжения. Наш головной мозг находится за гемато-энцефалическим барьером, и хотя иммунные клетки не допускаются к нему, окружающие мозг ткани дадут ту же реакцию отторжения, как и у двухголовой собаки. Помочь в этом случае может тщательный подбор донора и иммуносупрессивные препараты.
Но и после решения этой проблемы остается крайне слабая устойчивость мозга к отсутствию активного кровоснабжения и гипоксии во время пересадки. Здесь могут выручить продлевающее жизнь нейронам охлаждение мозга и кровозамещающие препараты — искусственная кровь.
Таким образом, пересадка головы от человека к человеку в принципе возможна, как и пересадка сердца, печени, почек при нахождении иммунологически совместимого тела, однако обширный комплекс проблем, скорее всего, не позволит провести данную рискованную операцию в ближайшее время.