Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко
Геномы расшифровывают следующим образом: сперва читают короткие кусочки, потом с помощью компьютера ищут в них совпадающие части и таким образом объединяют кусочки постепенно, добавляя один за одним, пока не получится целая хромосома. Так, например, можно восстановить из фрагментов стихотворение Николая Заболоцкого «Искушение»:
…по избам спят, у них много есть котят. (1)
Ветер в поле улетел, месяц в небе… (2)
…в небе побелел, мужики по избам спят… (3)
Компьютер проанализирует эти отрывки и легко соберет полный текст: сперва кусочек № 2, потом № 3 и, наконец, № 1 («Ветер в поле улетел, месяц в небе побелел, мужики по избам спят, у них много есть котят»). Это просто, потому что у Заболоцкого каждое слово в стихотворении уникально. А вот, например, известная народная песня с припевом «И кое-что еще, и кое-что такое, о чем не говорят, чему не учат в школе» таким свойством не обладает. Припев повторяется много раз, после каждого куплета, и, если наш фрагмент обрывается именно на припеве, невозможно восстановить, какой именно неприличный куплет будет следующим. Поэтому повторяющиеся последовательности – бич расшифровщиков геномов.
А еще один бич – это палиндромы вроде известного от Германа Лукомникова:
«– Ад у нас, отче…
– Что-с? А, ну да…»
Чтобы было яснее: палиндром читается одинаково что справа налево, что слева направо. Такие последовательности бывают и в ДНК[12]. Здесь тоже компьютерная программа бессильна, потому что раз ДНК читается в обе стороны одинаково, то и непонятно, в какую сторону продолжать текст. Эту проблему научились решать всего десятилетие назад, когда появились методы, позволяющие прочитывать за один раз очень длинный кусок генетического текста, включающий и сам палиндром, и его уникальные окрестности. Это гораздо дороже, чем традиционное чтение геномов, но именно так удалось разобраться со структурой Y-хромосомы.
Ну так вот, оказалось, что в ней есть и повторы, причем немало, и особенно палиндромы. И они там, похоже, не только для того, чтобы мешать биологам секвенировать (этот глагол обычно употребляют серьезные люди вместо простонародного «расшифровывать») последовательности ДНК. В упрощенном виде вся Y-хромосома состоит из трех порций. Во-первых, это то, что осталось в ней от предковой хромосомы, от которой произошли и Y, и X. Эта часть в Y-хромосоме сильно испорчена мутациями, как и следовало ожидать. Во-вторых, это кусочек Х-хромосомы, который прицепился (правильно говорить – транслоцировался) к человеческой Y сравнительно поздно, менее 5 млн лет назад. И наконец, самая главная часть – те самые «мужские» гены, составляющие так называемую ампликонную часть хромосомы. Именно они-то и устроены как восемь больших палиндромов, которые вместе покрывают целую четверть всей «мужской» ее части.
Зачем они там? Видимо, они как-то скрашивают Y-хромосоме ее генетическое одиночество. А именно, если у обычной хромосомы всегда есть шанс сверить свою последовательность со своим гомологом во время мейоза и исправить мутации, то Y-хромосома сверяется сама с собой – рекомбинация происходит между половинками палиндрома. Не так давно группа итальянских исследователей убедилась, что это так и есть, расшифровав сразу много человеческих Y-хромосом. Выяснилось, что в палиндромной области мутации накапливаются куда медленнее, чем в уникальных последовательностях. Если Y-хромосома занята во время мейоза именно этим, клеточному механизму контроля вполне простительно решить, что дело сделано, и допустить бедную одинокую хромосомку к последующим стадиям процесса.
Я, наверное, немного запутал добрых читателей этими сложностями, но они здесь ровно затем, чтобы проиллюстрировать тезис «Все сложно». Если исходить из того, что все просто, можно наделать смешных ошибок. В начале 2000-х годов английский генетик Брайан Сайкс (1947–2020) выпустил книжку «Проклятие Адама», где содержится интересный расчет: если принять во внимание скорость потери генов, расположенных на Y-хромосоме, то всего через 125 000 лет (то есть 5000 поколений) эта хромосома станет полностью бесполезной. Это значит, что мужской род прекратит свое существование. Ну так вот, дальнейшее развитие молекулярной биологии сильно подорвало базу для подобных расчетов.
Как оказалось, в жизни типичной Y-хромосомы бывают разные периоды. Когда она только-только образуется из аутосомы, процесс потери генов и правда стремителен и неостановим. Одну такую новую Y-хромосому генетики недавно нашли у родственницы славных лабораторных дрозофил, плодовой мушки Drosophila miranda. Видимо, этот процесс идет ровно до тех пор, пока все гены, которым не обязательно быть на половой хромосоме, ее не покинут или не испортятся из-за мутаций. Но есть в этой хромосоме и гены – те, что связаны с определением пола, – которые вынуждены оставаться на Y и потому изо всех сил сопротивляются мутациям. Вот интересный факт: со времен общего предка человека и шимпанзе, то есть за 6 млн лет, в нашей человеческой линии Y-хромосома не утратила ни одного гена. Очевидно, что это полностью опровергает простенькие расчеты Брайана Сайкса. Наконец, есть гены, которые вовсе не бегут с Y-хромосомы, а, наоборот, перебираются на нее с других хромосом, – видимо, это дает организму мужского пола какие-то преимущества. В общем, хоронить нас пока не следует, посмотрим, как дело пойдет дальше.
И даже если Y-хромосома будет утрачена, это вовсе не значит, что исчезнет и мужской пол. У той же D. melanogaster Y-хромосома потеряла практически все гены, связанные с полом, и за главный рубильник теперь отвечает Х-хромосома: пол мухи зависит от того, одна она или их две. А на совсем уж крайний случай остается система определения пола Х0, где Y-хромосома отсутствует физически, однако самцы получаются ничуть не хуже, чем с ней. Кстати, два эти типа определения пола – XY и X0 – когда-то получили свои названия по двум родам клопиков из отряда полужесткокрылых, Lygaeus и Protenor. Если сравнить этих клопиков, ни за что не скажешь, что один из них лучше другого. И те и эти – просто клопики, да простят нас энтомологи. Может быть, эволюция готовит нас к переходу от «типа лигеус» к «типу протенор», то есть Х0, как у таракана.
А возможно, что Y-, а заодно и Х-хромосома просто передадут в один прекрасный день свои функции другой хромосомной паре, как это не раз уже случалось в эволюции и как сейчас это, возможно, происходит у воробьиной овсянки (см. главу 18) или недавно произошло у дрозофилы-миранды. И вся эта история – транслокация или инверсия, потеря генов, специализация – повторится еще раз.
Теперь, когда за судьбу мужского пола мы спокойны, перейдем к Х-хромосоме. Парадоксально, но и она тоже может чувствовать себя лишней, хотя и совсем по-другому. Дело в том, что, в отличие от остальных хромосом, которых в каждой клетке ровно по две копии, Х-хромосомы у мужчин присутствуют в единственном экземпляре, а у женщин их две. И ладно бы это была маленькая захудалая хромосомка, как Y, – но Х велика и полна жизни, на ней больше тысячи генов, многие из которых с полом вообще никак не связаны. Все мы знаем, как сложно бывает, когда рождается ребенок с тремя копиями 21-й хромосомы вместо двух, – с синдромом Дауна. А ведь 21-я куда меньше, чем Х, и у больных детей ее «доза» всего в полтора раза выше, чем у здоровых, а у женщин хромосомы Х ровно вдвое больше, чем у мужчин.
Вот это настоящая проблема лишней хромосомы, и природа нашла для нее специальное решение. Биологи – их звали Мюррей Барр и Эварт Бертрам – случайно наткнулись на это решение в 1949 году, когда обнаружили в ядрах нервных клеток женщин характерные сгустки хроматина (то есть ДНК и белков). В нейронах мужчин ничего такого обычно не было. Сгустки назвали тельцами Барра, и вскоре оказалось, что это и есть лишние Х-хромосомы. А именно, в каждой клетке женского организма одна из Х-хромосом полностью инактивируется, сворачиваясь в плотный комок (так называемый гетерохроматин), а другая остается живой и действенной. Тем самым «доза» активных генов Х-хромосомы оказывается такой же, как и у мужчин.
Вся эта хитрая механика называется механизмом дозовой компенсации, и им, похоже, приходится пользоваться всем, у кого самцы и самки различаются хромосомными наборами. И вот что интересно: этот механизм, видимо, не так уж просто отключить, когда какая-то хромосома перестает быть половой и переходит в категорию «обычных» (то есть аутосом). Та самая точечная хромосома дрозофилы, о которой шла речь в восемнадцатой главе, сохранила некоторые странности в регуляции работы своих генов, очень сильно напоминающие эту самую дозовую компенсацию. По этим странностям, в частности, генетики и вывели ее на чистую воду.
Итак,
