Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко
Все это выглядело так просто и гениально, что легко было заподозрить тут мудрый замысел Творца. А вот понять, как такую совершенную машину мог выковать естественный отбор, было как раз совсем непросто. Однако уже несколько лет спустя в картине обнаружились дефекты. Вот, например, мужские гены: оказалось, что ни у мучного хрущака, ни у дрозофилы никаких мужских генов – да и вообще практически никаких генов – на Y-хромосоме нет. Она действительно определяет пол, однако другим способом: тем, что замещает Х-хромосому, которых без нее было бы две, а с ней – всего одна. У человека на Y-хромосоме гены есть, и один из них – знаменитый SRY (Sex-determining Region on Y), который действительно играет важную роль, но и тут все куда сложнее, чем казалось вначале.
Дальше – больше: у некоторых организмов, как оказалось, Y-хромосомы нет вообще, а вместо нее есть пустое место. Этот механизм определения пола так и называется – Х0. А у птиц, части насекомых, рептилий и даже некоторых растений есть другая система определения пола – ZW, в которой одинаковые половые хромосомы ZZ оказываются как раз у самцов (это называется «гомогаметный пол»), а разные Z и W – у самок («гетерогаметный пол»). А потом вдобавок ко всему выяснилось, что все эти хромосомы вовсе не родственны друг другу, а возникали в эволюции много раз, совершенно независимо. Мудрость Творца пришлось поставить под сомнение, зато всем стало интересно, как же все это возникло. И как, в конце концов, оно работает.
БИБЛИОГРАФИЯ
Bachtrog D., Mank J. E., Peichel C. L., et al. Tree of Sex Consortium. Sex Determination: Why so Many Ways of Doing It? PLoS Biology. 2014. 12(7): e1001899.
Borgia G. Sexual Selection in Bowerbirds. Scientific American. 1986. 254(6): 92–101.
Bull J. J. Sex Determining Mechanisms: An Evolutionary Perspective. Experientia. 1985. 41(10): 1285–1296.
Carey S. B., Laramie A., Harkess A. The Contributions of Nettie Stevens to the Field of Sex Chromosome Biology. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 2022. 377(11850): 20210215.
Dirk H., Spennemann R. Biology, Ecology and Distribution of the Date Stone Beetle, Coccotrypes dactyliperda (Coleoptera: Curculionidae). Zoology in the Middle East. 2019. 65(2): 163–182.
Fisher R. A. The Genetical Theory of Natural Selection. Ed. J. H. Bennett. Oxford: Oxford University Press, 1999.
Morgan T. H. The Scientific Work of Miss N. M. Stevens. Science. 1912. 36(928): 468–470.
Глава семнадцатая, в которой выясняется, как все работает
Определение пола у человека
Есть два способа рассказывать о молекулярной биологии – увлекательный и скучный. Первого способа придерживался мой преподаватель Юрий Павлович Винецкий. Он считал, что студент должен быстренько повторить тот самый путь познания, который до него прошла большая наука, и дойти собственным умом до того, как постепенно из простых опытов возникает знание. Студенты получали оттиски настоящих научных работ и, высунув от напряжения языки, разбирались, как в середине ХХ века Сеймур Бензер (1921–2007) проникал в структуру генов, просто подсчитывая прозрачные пятнышки на чашках Петри. Сам Юрий Павлович в своих малиновых брюках, поражавших воображение студенток, выходил в коридор курить одну за одной папиросы «Север» (тогда еще можно было). А мы имели шанс постичь, как придумываются эксперименты и что означают их результаты.
К сожалению, увлекательный способ не универсален: во времена Бензера во всем мире существовало, наверное, около сотни исследовательских групп по молекулярной генетике, сейчас их сотни тысяч, и в каждой своя интрига и драматургия, своя романтика гениальных идей, глупых ошибок, тупиковых направлений и блестящих открытий. Общая картина складывается из совсем мелких кусочков, и на все кусочки времени ни у кого не хватит. Поэтому, чтобы хоть как-то приоткрыть читателям современное положение вещей, приходится прибегать к скучному способу, который выглядит примерно так: «Белок SF1 с помощью своего цинкового пальца связывается с регуляторной областью гена SRY, активируя его транскрипцию…» Сейчас нам придется воспользоваться этим способом, потому что наша задача именно такова: прежде чем рассказывать дальше о всяких занимательных казусах, связанных с половыми хромосомами, надо разобраться, как на самом деле они работают и как из их наличия или отсутствия следует превращение бессмысленного комка клеток в мальчика или девочку. Лемминги, воробьи и утконосы подождут до следующих глав, а сейчас речь о нас с вами.
Итак, в 1983 году, через три года после того, как профессор Винецкий шармировал моих сокурсниц своими штанами, был открыт цинковый палец. Это такая интересная часть некоторых белковых молекул: выступающая петля из нескольких аминокислот, с которыми связан ион цинка. Этот молекулярный орган умеет нащупывать определенные места в молекуле ДНК или РНК, и, если у белка есть такой палец, он почти наверняка делает что-то важное с нашим драгоценным носителем наследственности. Молекулярные биологи умеют распознавать эту структуру еще на уровне гена, кодирующего белок: определенные мотивы кодирующей последовательности четко указывают, что палец должен быть тут. Видимо, цинковый палец – реликт каких-то дремучих эпох в становлении жизни на Земле, одно из первых изобретений природы, благодаря которым белки и нуклеиновые кислоты учились делать общее дело. С тех пор идея триумфально распространилась по древу жизни: в человеческом геноме около 3﹪ всех генов кодируют нечто, обладающее такими пальцами, то есть белки, взаимодействующие с ДНК вот этим конкретным способом.
Один такой ген есть у нас на 9-й хромосоме. Хромосома обычная, не половая (такие еще называют аутосомами), однако местами она подозрительно напоминает половые Z-хромосомы птиц, чем приоткрывает какую-то тайну своей эволюционной истории. Этот ген кодирует белок под названием SF1. Расшифровывается как «стероидогенный фактор 1» – то есть от этого белка как-то зависит производство гормонов-стероидов, в том числе – и главным образом – половых. В самом начале развития зародыша – человеческого или даже мышиного – этот белок появляется в той части зародыша, который называется генитальным (или гонадным) гребнем. Из гребня потом развиваются семенники или яичники и прочие половые органы. А если белка SF1 нет, то и не развиваются, да и все остальное тоже идет кувырком, и мышонок умирает сразу после рождения.
У белка SF1 есть цинковый палец. Этим пальцем он прощупывает большую бороздку на спирали ДНК – ищет характерные последовательности тех генов, которые должен активировать, нечто вроде «АГГТЦА». И если в клетке есть Y-хромосома, белок находит на ней то, что искал. Эта штука расположена прямо перед геном SRY. Про SRY мы уже упоминали – это Sex-determining Region on Y, «район Y-хромосомы, определяющий пол». На человеческой Y-хромосоме настоящих генов не так много, в основном она состоит из всяких мусорных последовательностей, однако и в этой хромосоме есть своя иерархия. Часть «длинного плеча» – те самые торчащие палочки буквы V или Λ – присоединились к ней, видимо, позже, а вот у самой вершины, или перекрестия, или «центромеры», находится древняя и важная часть, оставшаяся от предковой половой хромосомы. Именно там, на коротком плече, сидит ген SRY.
Найдя его, белок SF1 запускает его работу – чуть-чуть подраспускает спираль, так что на нее может сесть белок РНК-полимераза. Тогда с гена начинает считываться РНК, а потом, уже в цитоплазме, по рецепту этой РНК производится белок. Иногда бывает так, что ген называется одним именем, а белок другим, будто специально, чтобы устроить путаницу. Так и здесь: белок, кодируемый геном SRY, называется TDF, Testis-Determining Factor,
