Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко
Теперь сделаем еще один шаг. Подвергнем нашего диплоида небольшой неопасной процедуре: посадим иголочкой несколько спор на питательную среду, куда добавлен вредный яд, мешающий хромосомам нормально расходиться при делении клеток. Сначала мы ничего не увидим: гриб просто не сможет расти, потому что при каждой попытке поделиться его ядра будут терять хромосомы. Но рано или поздно в какой-то части гриба все лишние хромосомы диплоида будут потеряны – он снова станет гаплоидом. И тогда мы увидим растущий сектор колонии плесени с зелеными, или белыми, или желтыми спорами. Возможно, там будут, к примеру, желтые сектора, нуждающиеся для роста в аргинине, но не в триптофане.
И тут вы – если вы генетик – захлопаете в ладоши от радости. Дело в том, что гены trpC, argC и yB находятся на одной (а именно восьмой) хромосоме нашего гриба. И если у этих потомков, в отличие от родителя, совместились признаки «желтый» – «не нуждающийся в триптофане» – «нуждающийся в аргинине», это значит, что в восьмой хромосоме случились события рекомбинации. Гены родителей перетасовались между собой. При этом ни малейшего секса там не было и в помине, не было и мейоза.
Возможно, именно так в 1954 году захлопал в ладоши итальянский генетик Гвидо Понтекорво (1907–1999), работавший в шотландском городе Глазго. То, что он открыл, назвали «парасексуальным процессом» – это такой секс без секса, то есть рекомбинация в неполовых, соматических клетках. Понтекорво понял, что это открывает путь к генетическому исследованию таких объектов, которые заниматься сексом никак не заставишь, вроде культур клеток растений или животных. Заметим в скобках, что вот такую произошедшую не вовремя рекомбинацию называют митотической, в отличие от обычной – мейотической. Это название вносит небольшую путаницу, потому что мейотическая рекомбинация действительно привязана к мейозу, а вот митотическая происходит когда угодно, только не во время митоза. Впрочем, не будем придираться к общепринятой терминологии.
Гвидо Понтекорво сделал это открытие, работая в Университете Глазго, на углу Черч-стрит и Думбартон-роуд, – позже здание отделения генетики получило имя «Понтекорво-билдинг». Работал в нем некоторое время и автор этих строк. Из архитектурных особенностей запомнились узкие окна под потолком лаборатории, в которые никак невозможно было увидеть ничего, кроме серого шотландского неба. Впрочем, в технологических перерывах можно было выйти наружу и прогуляться по берегу быстрой речки Кельвин. Поначалу мне показалось ужасной безвкусицей назвать речку в честь знаменитого физика. Потом выяснилось, что это как раз физик Уильям Томсон получил имя речки, омывающей стены родного университета, когда удостоился баронского титула за научные заслуги.
Не могу не упомянуть еще одну достопримечательность «Понтекорво-билдинг»: лифт системы «патерностер», представляющий собой вереницу кабинок, которые движутся без остановок на этажах. В них полагалось впрыгивать на ходу, что особенно весело, если у вас в охапке какой-нибудь нескладный и хрупкий научный прибор, а навстречу из лифта прыгает девушка с полной корзиной баночек с дрозофилами. На инструктажах по технике безопасности аспирантам объясняли, что, если вы не успели соскочить на верхнем или нижнем этаже, ничего страшного, складывающиеся стены кабинки вас не раздавят, однако этот сюжет у многих присутствовал в ночных кошмарах. Пару лет назад здание «Понтекорво-билдинг» было снесено ввиду ветхости и крайнего неудобства, но в 1995-м этот бастион большой науки был еще неколебим.
Сам Понтекорво к тому моменту уже давно проживал в Италии, однако в один прекрасный день восьмидесятивосьмилетний классик все же посетил свою бывшую лабораторию. Мне было поручено рассказать мэтру, что мы вообще там делаем и куда зашла основанная им (и впоследствии заброшенная) область науки. Этот день я вспоминаю со стыдом.
Самонадеянный постдок из далекой России построил свою экскурсию в стиле Дня открытых дверей для старшеклассников: «Это слишком долго объяснять, но посмотрите, какие красивые штучки». Профессор Понтекорво ходил за мной по лаборатории и благосклонно кивал. А потом задал пару вопросов. Если вы доживете до восьмидесяти восьми лет, дай вам бог уметь задавать такие вопросы, мгновенно ставящие на место зарвавшихся дилетантов. Позавидовать Гвидо Понтекорво можно и еще кое-в-чем: четыре года спустя, на девяносто втором году жизни, он погиб, сорвавшись с тропы во время горной прогулки в Альпах.
Впрочем, вернемся к повествованию о рекомбинации. Из этой истории – я имею в виду историю про рекомбинацию у соматических диплоидов аспергилла – можно сделать вывод, что сливать два ядра в одно и заниматься рекомбинацией живые организмы могут и без всяких специальных устроений, даже не задумываясь о сексе. Всякие научные сложности, рассказанные выше, – специальный подбор родителей с разными мутациями, создание гетерокариона, выделение диплоида и его последующая гаплоидизация – понадобились здесь только для того, чтобы генетик мог заметить на своих чашках Петри, что это произошло. Но, видимо, рекомбинация может происходить и в самых обычных клеточных ядрах. Просто там ее будет сложно наблюдать, потому что тогда рекомбинировать будут две одинаковые молекулы ДНК.
Собственно, с помощью таких опытов в середине ХХ века и было выяснено, как происходит рекомбинация. На мой взгляд, это одна из самых завораживающих страниц истории биологии: от разноцветных спор, бактериальных колоний и фаговых бляшек (это когда вирус нападает на бактерию, бактерии умирают, и на сплошном бактериальном ковре возникает прозрачное пятнышко) биологи протянули логическую нить к молекулярным перестройкам ДНК. И, как оказалось, всё угадали правильно, хоть и не с первого раза.
Рекомбинация, как выяснилось, бывает не только у высших организмов, но и у бактерий, и даже у вирусов. Бактерии размножаются делением, то есть клонально и без всякого секса, но они обзавелись особыми приемами, чтобы обмениваться генами. Таких приемов, вообще говоря, три.
Первый называется трансформация. Бактерия умеет захватывать ДНК, плавающую во внешней среде, и потом встраивать ее в свой геном. Она делает это не по небрежности, а намеренно: у нее есть для этого специальные приспособления, которые запускаются в периоды стресса, например голодания. Если бактерии голодно, значит, возможностей ее генома не хватает на то, чтобы прокормить себя. Возможно, мешают какие-то мутации или просто нужного гена у нее никогда и не было. И тут микроб делает последнюю ставку: а вдруг нужный ген плавает где-то рядом? Это не так уж маловероятно, как кажется, потому что если бактерии плохо, то плохо и окружающим ее сестрам-бактериям, и многие из них наверняка уже погибли, их ДНК вытекла наружу и где-то тут плавает.
Именно генетическая трансформация бактерий стала решающим доказательством того, мягко говоря, немаловажного факта, что в основе жизни на Земле лежит ДНК. Это открытие было сделано в 1944 году, и американец Освальд Эвери (1877–1955) остался в истории как пример ученого, совершившего эпохальный прорыв в своей области, но не удостоившегося Нобелевской премии. Номинирован на нее он был несколько раз, в том числе в 1949 году, когда премию присудили Эгашу Монишу за лечение психических заболеваний с помощью лоботомии. Вот такой неприятный случай в истории Нобелевского комитета.
Впрочем, перейдем к другим приемам, с помощью которых бактерии обмениваются генами. Второй называется трансдукция. За него отвечают вирусы-бактериофаги, которые иногда встраивают свой геном в хромосому бактерии, живут там некоторое время, а потом вырезают сами себя и начинают размножаться. Так вот, при вырезании они иногда могут по неосторожности прихватить кусочек бактериальной хромосомы с каким-нибудь геном. А потом такой вирус заразит другую клетку, встроится в ее геном и подарит ей новый ген. Одно время было принято думать, что трансдукция – чистая случайность и бактерии в ней уготована лишь пассивная роль. Но сейчас выясняется, что особые приспособления – «агенты переноса генов», или АПГ, – являются частью бактериального аппарата выживания и эволюции, и не всегда легко бывает определить, где там злой вирус, а где добрый механизм клетки-хозяина. Об этом хорошо прочитать в «Логике случая» у Евгения Кунина, благо по самой первой биологической специальности он именно вирусолог и лишь потом стал биоинформатиком-теоретиком.
Наконец, есть третий прием, очень изощренный, и он называется конъюгация. О ней мы немного говорили: бактериальные клетки соединяются мостиком из цитоплазмы, и по этому мостику от одной клетки к другой передается особый генетический элемент, F-фактор.
