Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко
Но внимательный читатель может увидеть на этой картинке и другую ситуацию: например, шесть светлых, две темные. И вот это с точки зрения генетики никуда не годится, потому что нарушает законы Менделя: генов теперь вовсе не поровну, и, похоже, в одной паре спор темный ген превратился – или «конвертировался» – в светлый. Это надо как-то объяснять. Попытки объяснить конверсию, со всеми ее частными случаями и хитростями, о которых мы тут умолчим, начались в 1960-х годах и в конце концов привели к созданию нескольких моделей рекомбинации. Из них, как водится, одна оказалась верной, а остальные нет.
Должен со смущением признаться, что эта тема завораживает меня до сих пор: это же надо было – на основе наблюдений за разноцветными спорами (или, скажем, колониями бактерий) строить какие-то догадки о том, что там произошло на уровне молекул! Когда у автора есть подобные idées fixes, читатели обычно скучают, и я надеюсь, что смогу себя контролировать. Но все же позволю себе уделить этой странице истории науки чуть больше времени и места, чем допускает здравый смысл. Итак: на странице 304 изображена, кажется, самая первая из моделей рекомбинации. Пожалуйста, не бойтесь, тут только картинка, чтобы поверхностно любоваться, а ее объяснение самые въедливые читатели могут найти самостоятельно.
Эту модель предложил британский биолог Робин Холлидей (1932–2014) в 1964 году. Он тоже возился со спорами гриба, но не с нейроспорой, а с пузырчатой головней, паразитом кукурузы Ustilago maydis, который мексиканцы так любят добавлять в кесадилью. Позже Холлидей внес весьма заметный вклад в науку: к примеру, первым заговорил о метилировании ДНК как способе регуляции активности генов. Однако эти достижения не идут ни в какое сравнение с крестообразной штукой в середине этой картинки, получившей его имя. Штука получается, если на картинке (В) взяться руками за концы светлой молекулы и крутануть ее против часовой стрелки перпендикулярно плоскости страницы.
Ирония судьбы в том, что модель Холлидея, такая симметричная и красивая, в целом неверна. В золотой фонд науки из нее вошла именно крестообразная штука – структура Холлидея, – которая появляется и в других моделях рекомбинации, в том числе и в верной.
Через десять лет после того, как Холлидей нарисовал свою модель, постдок из лаборатории Дэвида Дресслера по имени Хантингтон Поттер умудрился заснять структуру Холлидея в электронный микроскоп, тем самым доказав, что так и правда бывает. Чтобы было попроще, он рассматривал не хромосому гриба, а бактериальные плазмиды – такие маленькие кольцевые молекулы ДНК, которые весьма часто встречаются у бактерий. И ему удалось получить картинку крестообразной структуры Холлидея, которая обошла сотни обзоров и учебников.
Чтобы доказать, что это оно самое и есть, а не просто два обрывка ДНК случайно наложились друг на друга, Поттеру надо было убедиться, что перекрестие всегда происходит именно в гомологичной области плазмид, то есть там, где последовательности ДНК одинаковы. Сами последовательности, конечно же, не видны ни в какой электронный микроскоп. Поттер и Дресслер прибегли к хитрости: перед фотографированием разрезали препараты ДНК в определенной точке. Таких точек было ровно одна на плазмиду, и ее узнавал и резал фермент-рестриктаза EcoRI. Тем самым восьмерка из двух колец превращалась в крест из двух отрезков, и надо было только убедиться, что перекрестие всегда делит отрезки одинаковым образом (например, 3: 5 и 3: 5).
Рассказ Поттера о том, как ему это удалось, вызвал у меня этакий ностальгический спазм. Дело в том, что резать надо было быстро, иначе перекрестие просто успевало проскользнуть до конца отрезка (как оно скользит, видно из схемы на странице 304, Б) и исчезнуть. В те годы ферменты для молекулярной биологии были в большом дефиците, а «разрезать быстро» – значит взять много-много концентрированного фермента. И вот основная трудность, которую преодолел Поттер: он самостоятельно выделил рестриктазу EcoRI в достаточной концентрации!
Нынешние студенты, аспиранты, да и большинство действующих молекулярных биологов просто не поймут этот анекдот: теперь всё можно купить по каталогу, а такие штуки, как EcoRI, стоят копейки и найдутся в любом лабораторном холодильнике. Я же, узнав об этой проблеме Хантингтона Поттера, мысленно перенесся в 1985 год – в СССР все происходило с изрядной задержкой по сравнению с Великобританией, – когда самостоятельно выделял для лабораторных нужд другой фермент-рестриктазу, BamHI, а потом и ДНК-лигазу фага Т4. Каждый выделял кто что умел, а потом обменивались между собой. Обычная лигаза умела соединять «липкие концы» двух молекул ДНК (не спрашивайте!), а хорошая – моя – соединяла и «тупые концы». «А у вас случайно нет лигазы для тупых?» – спрашивал зашедший в лабораторию Николай Казимирович Янковский, ныне академик РАН. «Не дадим, мы сами тупые», – игриво отвечал ему Юрий Павлович Винецкий.
Ух, как далеко мы отошли от основной линии рассказа… Модель Холлидея не объясняла многих важных фактов, и ей на смену пришла модель Мезельсона – Реддинга, которая была уже не такой красивой и симметричной и при этом все равно не объясняла многих важных фактов. Именно ее я учил к экзаменам. Наконец, в 1983 году вышла статья, в которой была представлена модель, более или менее соответствующая действительности. Ее авторы – сплошные корифеи, а на первой позиции в списке стоит Джек Шостак (род. 1952), будущий нобелевский лауреат. Нобелевку он получил не за модель рекомбинации, а за открытие теломеразы, причем после теломеразы он еще внес изрядный вклад в проблему происхождения жизни и гипотезу РНК-мира. Но и модель рекомбинации, описанная в статье, тоже далеко не пустяк в истории науки.
Ее отличие от всех прочих моделей вот в чем. Если мы посмотрим на модель Холлидея, там все начинается с одноцепочечных разрывов, появляющихся в одинаковых местах двух молекул ДНК. В следующих моделях разрыв был по-прежнему одноцепочечный, хотя и всего один, потому что непонятно, с чего бы двум молекулам рваться симметричным образом, когда они еще не знают, что они одинаковые. А в этой новой модели разрыв был двойной! Одна из молекул просто рвалась на два куска, да еще и эти куски сразу начинал подъедать с концов специальный фермент. В результате в той молекуле ДНК, которая выступала зачинщиком рекомбинации, появлялась огромная дыра, а длинный одноцепочечный хвост, который фермент оставлял несъеденным, начинал метаться по клетке, встревать в середину других ДНК и проверять, нет ли там гомологии. А когда она была – происходили последующие события, в том числе и образование структуры Холлидея. На странице 306 представлена схема этого процесса – опять же просто чтобы полюбоваться, насколько она менее красива и более сложна, чем думали вначале. Она называется «Модель починки двойного разрыва».
Когда все налюбуются картинкой, все-таки обратим внимание на несколько обстоятельств. Во-первых, исход авантюры зависит от того, как будут разрезаны структуры Холлидея. При одной конфигурации разреза молекулы ДНК меняются флангами, то есть рекомбинируют все гены, лежащие справа и слева от точки разрыва. В альтернативном варианте изменения касаются только небольшой области неподалеку от точки разрыва, а фланги остаются на месте. Более того, починка двойного разрыва может происходить и без всяких структур Холлидея: дырка в ДНК просто заштопывается по образцу гомологичной молекулы, и они расходятся восвояси.
Во-вторых, те цепочки ДНК, которые получаются на выходе, на некоторых отрезках полностью окрашены светлым, а кое-где светлыми оказываются три цепи из четырех. Это и есть объяснение всех разнообразных вариантов генной конверсии, которые наблюдались в тетрадах грибных спор: неподалеку от точки кроссинговера часть генетической информации одного из партнеров теряется.
В-третьих, на картинке видно, что теряются всегда гены той молекулы, которая и затеяла весь процесс, причем она вступает в него уже изрядно потрепанной – с большой дырой посередине. Зачем ей это нужно? Последовательности ДНК
