Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко
Итак, тем или иным способом, или с помощью их комбинации, или еще каким-то доныне неведомым образом, но наконец хромосомы-гомологи узнают друг друга. Задержимся на этом моменте, чтобы прочувствовать его важность. До сих пор гомологичные хромосомы влачили свое существование порознь. Сначала они жили в разных особях популяции, возможно не встречаясь десятки тысяч лет. Все наслышаны о том, как археогенетики искали «Y-хромосомного Адама» – то есть общего предка всех Y-хромосом – и у них получалось, что этот предок существовал от сотни до нескольких сотен тысяч лет назад. Остальные человеческие хромосомы тоже могут иметь весьма удаленных общих предков и никогда не встречаться, если, конечно, речь не идет о браке близких родственников. Потом юноша и девушка понравились друг другу и решили завести семью (или просто плохо предохранялись). Хромосомы наконец-то оказались в одном ядре, но у них все равно еще не было случая наладить контакт. И лишь через некоторое время после встречи юноши и девушки и после встречи их клеток – чуть позже мы выясним, через какое именно время, – наконец происходит встреча самих хромосом.
Такое событие клетка обставляет со всей возможной торжественностью. Напомню, что к этому моменту каждая из гомологичных хромосом удвоена, то есть состоит из двух хроматид. В начале мейоза между хроматидами начинает формироваться хромосомная ось. Она похожа на то, как сестринские хроматиды удерживаются вместе перед обычным клеточным делением, – их склеивают белки-когезины. Однако при мейозе эти белки немного другие, особенные. Вообразите толстый белковый шнур, к которому с двух сторон прикреплены ниточки ДНК, причем между точками крепления они образуют торчащие наружу петли, так что все вместе немного похоже на ершик для мытья посуды. Именно в таком нарядном виде хромосомы являются к моменту своей встречи. Когда процесс поиска гомолога завершен, две хромосомные оси располагаются параллельно друг другу на расстоянии около 400 нм.
Дальше происходит нечто загадочное. На хромосомной оси собираются разные белки, причем из некоторых торчат заряженные отростки. В результате вся конструкция из двух осей напоминает расстегнутую молнию. А потом молния просто застегивается! Отростки zip-белков (так они называются) смыкаются друг с другом за счет электрического взаимодействия, и гомологичные хромосомы соединяются по всей длине, так что их оси теперь уже оказываются на расстоянии всего около сотни нанометров друг от друга. Называется вся эта конструкция синаптонемный комплекс, сокращенно СК, а само событие встречи хромосом-гомологов – это синапсис. Некоторые организмы (например, мой любимый гриб аспергилл или самцы дрозофилы) обходятся без синаптонемного комплекса, но самый правильный мейоз, конечно, сопровождается образованием СК.
Зачем все это? Простой ответ: чтобы две молекулы ДНК могли беспрепятственно рекомбинировать. Действительно, расстояние в 100 нм как будто специально подобрано для того, чтобы после внесения двойных разрывов одноцепочечные хвосты ДНК, облепленные белками RAD51 (он же RecA), могли легко дотянуться до гомологичной хромосомы. Искать им уже ничего не надо: благодаря всей этой механике гомологичные места в хромосомах находятся точно напротив друг друга. На хромосомных осях были замечены «рекомбиносомы» – белковые машины, обустраивающие разные этапы рекомбинации. Там, где они замечены, впоследствии возникают хиазмы – видимые в микроскоп перекрестия хромосом, свидетельствующие о том, что хромосомы обменялись участками: произошел кроссинговер.
Однако простым ответом не так-то легко удовлетвориться. Мы уже знаем, что именно с помощью двойных разрывов и рекомбинации у многих организмов гомологичные хромосомы находят друг друга и укладываются рядышком по всей длине. А теперь нам пытаются сказать, что это укладывание само необходимо для рекомбинации. Получается замкнутый круг, по которому читателя явно водят за нос. Так что вот вам сложный ответ, который звучит даже проще, чем простой: на самом деле никто до сих пор не знает, зачем нужен синаптонемный комплекс, во всей его роскошной сложности, тем более что кое-кто прекрасно обходится и без него. В одном замечательном научном обзоре упомянуто целых семь гипотез, объясняющих роль СК, и это тот случай, когда семь гипотез хуже одной.
Кое о чем, однако, ученые догадываются. Несомненно, СК помогает контролировать число точек рекомбинации на хромосому. Слишком много рекомбинаций – плохо, потому что это все же опасное дело и есть риск повредить хромосому, порубив в лапшу собственные бесценные гены. А если кроссинговеров будет слишком мало или не будет вообще, то не смогут натянуться нити веретена деления, потому что именно хиазмы удерживают гомологичные хромосомы вместе до самого последнего момента – до нового расставания. Тогда все опять-таки пойдет неправильно: расставание выйдет скомканным и кто-то потеряется. Кроме того, при мейозе важно не перепутать сестринские и гомологичные хроматиды. Рекомбинация должна произойти именно между гомологами, хотя, казалось бы, сестринские хроматиды гораздо «гомологичнее» – они попросту одинаковы – и при обычной клеточной жизни рекомбинируют чаще всего именно они. СК как минимум помогает в этом разобраться, потому что сестринские и гомологичные хроматиды расположены в нем в строгом порядке: первые соединены хромосомной осью, а вторые – «молнией». Это, наверное, позволяет клетке их различать.
Подведем хоть какие-то итоги, попытавшись все же ответить на сакраментальный вопрос: «И зачем все это нужно?!» Есть три кита: рекомбинация, узнавание гомологичных хромосом, правильное расхождение хромосом при мейозе по дочерним клеткам. Кто из этих китов на ком стоит? Рекомбинация – если не всегда, то по крайней мере часто – нужна для узнавания, хотя в обычной жизни клетки ее роль в том, чтобы чинить повреждения ДНК. Узнавание нужно для того, чтобы хромосомы образовали СК и потом правильно разошлись по клеткам. СК нужен, чтобы упорядочить рекомбинацию. А упорядоченная рекомбинация опять же нужна для того, чтобы образовались хиазмы: они помогают нитям веретена деления правильно натянуться, и без них хромосомам сложнее правильно разойтись по клеткам. В общем, все киты стоят друг на друге, и надо быть Морисом Эшером, чтобы все это изобразить, не говоря уж о том, чтобы описать словами.
И еще мы в суматохе совсем забыли о том, с чего началась вся история: рекомбинация и мейоз нужны для того, чтобы тасовать гены и избавлять организмы от мутационного груза. Из этой главы может создаться впечатление, что перетасовка генов – вообще не главная задача, а просто побочный продукт всей описанной кутерьмы, пусть и весьма удачный. Так ли это или нет, ученые рано или поздно непременно узнают.
А вот что мы узнали наверняка, так это насколько важно клетке провести весь процесс безошибочно, не растеряв свои хромосомы, и какие сложные и разнообразные приемы она для этого использует. Цена ошибки очень велика: если хромосомы при мейозе разойдутся неправильно, то ваши гаметы (или споры, если вы гриб) окажутся негодными и потенциально бесконечная родословная прервется. При этом, несмотря на все ухищрения, ошибки все же случаются. Из следующих глав мы узнаем о «чекпойнтах» – особых механизмах проверки, правильно ли идет мейоз и не проще ли сразу убить незадачливую клетку, которая запуталась в своих хромосомах.
Но раз уж наш уважаемый читатель читает эти строки, значит, в генеалогической линии его предков – от далекого LECA, общего предка эукариот, жившего больше миллиарда лет назад, и до сегодняшнего дня – все вышеописанное прошло как надо.
БИБЛИОГРАФИЯ
Богданов Ю. Ф. Белковые механизмы мейоза // Природа. 2008. № 3. С. 3–9.
Ding D. A Rush Hour Towards Sexual Reproduction: The Chromosome Dynamics During Meiosis. Chinese Science Bulletin. 2011. 56: 3500–3503.
Ding D. Q., Haraguchi T., Hiraoka Y. From Meiosis to Postmeiotic Events: Alignment and Recognition of Homologous Chromosomes in Meiosis. FEBS Journal. 2010. 277(3): 565–570.
Ding D. Q., Okamasa K., Yamane M., et al. Meiosis-Specific Noncoding RNA Mediates Robust Pairing of Homologous Chromosomes in Meiosis. Science. 2012. 336(6082): 732–736.
Li W.-C., Chuang Y.-C., Chen C.-L., et al. Two Different Pathways for Initiation of Trichoderma reesei Rad51-only Meiotic Recombination. bioRxiv. 2019. 644443.
Miné-Hattab J., Rothstein R. Increased Chromosome Mobility Facilitates Homology Search During Recombination. Nature Cell Biology. 2012. 14(5): 510–517.
Naranjo T. Finding the Correct Partner: The Meiotic Courtship. Scientifica (Cairo). 2012. 509073.
Phillips C. M., Dernburg A. F. A Family of Zinc-Finger Proteins Is Required for Chromosome-Specific Pairing and Synapsis during
