Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко
Назвать саму центромеру винтиком язык не поворачивается: она скорее ключевой элемент всего процесса. Чтобы доказать этот тезис, я перечислю три ключевых отличия мейоза от митоза, то есть обычного клеточного деления.
Во-первых, при мейозе гомологичные хромосомы узнают друг друга и укладываются рядышком в особую структуру – при митозе ничего подобного не бывает.
Во-вторых, при первом делении мейоза кинетохоры хроматид обращены в одну сторону, так что веретено деления не растаскивает их в разные стороны, а тянет к одному полюсу вместе, как единое целое.
В-третьих, когезиновый клей, который склеивает хроматиды, при мейозе не растворяется вокруг центромер вплоть до второго деления.
И вот что любопытно: во всех этих трех пунктах центромеры играют важную роль.
О том, что центромеры как-то участвуют в узнавании гомологичных хромосом, молекулярные генетики догадались сравнительно недавно и успели узнать не так уж много, так что на первом пункте мы останавливаться не будем – особо любознательных отошлем к соответствующему научному обзору.
А вот что касается второго пункта – образования однонаправленных кинетохоров, здесь роль центромер совершенно очевидна: именно на них строятся эти самые кинетохоры. За то, чтобы кинетохоры получились однонаправленными, а не двусторонне-симметричными, как обычно, у дрожжей отвечает комплекс белков с красивым названием монополин. Эти белки собираются на центромере таким образом, чтобы придать ей асимметрию: теперь нити веретена деления могут прикрепиться к ней только с одной стороны.
Чтобы понять, как все работает, биологи часто поступают следующим образом: они что-то ломают в геноме, а потом смотрят, что из этого выйдет. В русле этой концепции они и сломали ген ключевого компонента монополина. В результате кинетохоры стали симметричными и к сестринским хроматидам прикрепились не по одной, а по две нити веретена, которые, естественно, стали тянуть каждая в свою сторону. Хроматиды, надежно склеенные когезином, не поддались, а просто остались в середине клетки. Наступило второе деление мейоза, и теперь к кинетохорам прикрепились нити второго веретена. А надо сказать, что первое и второе деления происходят в перпендикулярных плоскостях: если, для наглядности, при первом делении гомологичные хромосомы расходятся к Северному и Южному полюсам, то при втором сестринские хроматиды разойдутся на архипелаг Самоа в Тихом океане и в столицу Габона Либревиль (запад Центральной Африки). Но у нашего бедного мутанта этого не произошло: его хромосомы так и остались в центре клетки, прикрепленные сразу к двум перпендикулярным наборам нитей веретена. Настала такая путаница, что поделиться (то есть в данном случае образовать споры) этим клеткам так и не удалось. Вот насколько важен этот самый монополин.
Наконец, пункт третий: в области центромер сестринские хроматиды остаются склеенными до конца первого деления мейоза. Это очень важно, без этого рассыпалась бы вся конструкция. Британский биолог Том Кавалье-Смит, который уже появлялся в нашем рассказе, заметил, что именно склеенные хроматиды могут быть важнейшим отличием мейоза от митоза – тем самым эволюционным шагом, который придал старому процессу новый смысл.
Действительно, в обычном делении наличие когезинового клея между хроматидами сигнализирует клетке, что все приготовления к делению прошли успешно, ДНК удвоена и пора растаскивать хромосомы. А если клея нет – он растворился, – значит, деление позади и пора снова удваивать хромосомы (то есть реплицировать ДНК). Но после первого деления мейоза клей остается на месте. Наивная клетка делает из этого вывод – в контексте мейоза совершенно верный, – что удваивать хромосомы не нужно, а можно сразу переходить к делению. По мнению Кавалье-Смита, это и есть простой и экономичный способ, которым воспользовалась эволюция, чтобы превратить митоз в мейоз, то есть вместо одного деления заставить клетку пройти два последовательных, не удваивая в промежутке свою ДНК. Уменьшение числа хромосом вдвое – неизбежный результат этой якобы ошибки.
Кавалье-Смит высказывал эту гипотезу еще в начале 1980-х. Чтобы найти героя, ответственного за ошибку – прямо-таки провоцирующего ее, – ученым понадобилось еще некоторое время.
Пожалуй, стоит рассказать поподробнее, как именно его уличили: это отличный пример ухищрений, на которые идут исследователи в современных молекулярно-биологических экспериментах. Японские биологи работали с дрожжами. Вопрос ставился так: что не дает когезину при мейозе нормально раствориться, как это происходит при простом делении клеток? Как я упоминал, клетка использует при мейозе не совсем обычный когезин, хотя и очень похожий на обычный. Для начала исследователи заменили в дрожжах обычный когезин на мейотический. Клетки почти не заметили этой подмены и продолжали делиться как ни в чем не бывало. А затем хитрые японцы сделали «библиотеку» генов (о том, что это такое, шла речь в двадцать седьмой главе). Они зашили случайные куски дрожжевого генома в особую молекулу ДНК, в которой был промотор – сигнальная последовательность, позволяющая по заказу включать расположенный рядом ген на полную мощность. Эту «библиотеку» ввели в дрожжи: в каждую клетку попала молекула ДНК с определенным геном, который по сигналу выдавал свой продукт, то есть в конечном итоге какой-то белок. Из клеток получили колонии, то есть клоны. И вот в одной колонии при включении промотора деление клеток останавливалось: хроматиды никак не могли отделиться друг от друга, поскольку оставались склеенными, как будто у нас на дворе не митоз, а самый настоящий мейоз. Похоже, что именно попавший в эти клетки «библиотечный» ген своей деятельностью препятствовал растворению когезина.
Ген, который был виновником этого безобразия, выловили. Он кодировал белок, который исследователи назвали шугошин. Это имя отсылает к названию самурайских духов-защитников, нечто вроде нашего ангела-хранителя, только злее и бескомпромисснее. Так японские биологи решили продемонстрировать верность своей самобытной культуре и, возможно, даже как-то популяризировать ее среди чужеземцев.
Про шугошины выяснилось вот что. В определенный момент клеточного деления когезиновый клей должен разрушиться, и для этого у клетки есть особый механизм. Чтобы его включить, к белкам-когезинам сперва привешиваются остатки фосфорной кислоты (фосфаты), и уж потом меченные фосфатами когезины безжалостно уничтожаются. Но при мейозе вокруг центромер в большом количестве собираются молекулы шугошинов. Они пристально следят за состоянием когезина и, едва заметив на нем фосфатную группу, немедленно ее удаляют с помощью других белков, фосфатаз. Эту работу они продолжают делать до второго деления мейоза, когда хроматидам наконец настанет черед расстаться. Тут шугошины, как по команде, исчезают, а следом за ними исчезает и охраняемый ими клей.
Таким образом, если следовать логике Кавалье-Смита, то явление шугошинов – это и есть тот самый решительный эволюционный шаг, который превратил обычное митотическое деление клеток в загадочный и сложный мейоз. Правда, странно, что Кавалье-Смит не считал главным отличием мейоза от митоза взаимное узнавание гомологичных хромосом. Возможно, он полагал, что для объяснения этого этапа достаточно обычной рекомбинации, которая бывает у всех организмов и во всех клетках. Вполне простительный для 1980-х годов недосмотр: о том, насколько сложно устроено узнавание гомологов, которое может вообще не зависеть от рекомбинации и двойных разрывов, биологи узнали гораздо позже, а деталей процесса не понимают до сих пор.
Как потом оказалось, роль шугошинов при мейозе далеко не ограничивается описанной работой по охране белкового клея, однако тут мы их оставим, чтобы уделить внимание еще одной интересной детали мейозного механизма. Это не один герой, а целое семейство с общим родовым именем.
Тот факт, что наш читатель читает сейчас вот это, может свидетельствовать о его необычных литературных вкусах, и тогда, чем черт не шутит, он может быть знаком с фантастической вселенной Барсум, созданной в начале ХХ века Эдгаром Берроузом[18] и позже ставшей местом действия бесчисленных комиксов. В ней, в частности, действуют искусственные люди хормады (hormads). Именно так и называются наши герои, только писать их принято прописными буквами. HORMADs – семейство белков, получивших свое имя по трем самым известным представителям, HOP1, REV7 и MAD2. У этих белков не так уж много общего, но они схожи между собой одной деталью, которую, собственно, и назвали HORMA-доменом, а уж от него пошло название всего семейства.
Этот домен часто сравнивают с ремнем безопасности в автомобиле. У него есть два состояния: когда ремень пристегнут, водитель или пассажир не могут встать
