Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко
То, что вы сейчас прочли, конечно, является художественным преувеличением: на самом деле разница, хотя и достоверно существует, не так уж ошеломляюще велика. Однако, если учесть, что она накапливается в череде поколений по мужской и по женской линиям, тут есть о чем задуматься – или, скорее, пофантазировать. Неожиданно получает научное обоснование общепринятая в разных культурах практика прослеживать родословную именно от отца к сыну. Если вы потомок великого царя по мужской линии, есть шанс, что в вашем геноме есть достаточно большой кусок генома этого царя, не тронутый рекомбинацией. А если вы потомок (по женской линии) великой царицы, в вашем геноме может найтись множество интереснейших креативных инноваций, но вероятность сохранить длинный и связный текст – своего рода генетическое завещание этой самой царицы – будет заметно меньше.
Чтобы автора здесь не обвинили в сексизме, нужно сейчас же восстановить баланс. Как было сказано, у женщины число клеточных делений, ведущих к образованию ооцита, строго лимитировано, а у мужчины сперматогонии А продолжают делиться почти всю жизнь, и чем дольше он живет, тем больше клеточных делений за спиной каждого из его сперматозоидов. А значит, в них должно быть с годами все больше мутаций. Так ли это? Именно так, и вот точная цифра: каждый папин год жизни добавляет в геном его ребенка в среднем 1,39 новых мутаций. Это значит, что наше выдуманное из головы «генетическое завещание великого царя», даже если оно и дойдет до вас целиком, не прерываясь всякой женской чепухой, может оказаться подпорченным.
Но вот что интересно: у женщин возраст тоже берет свое. Каждый год жизни мамы добавляет 0,38 новых мутаций. Это, конечно, в три с половиной раза меньше, но во много раз страннее: откуда берутся мутации, если все эти годы с яйцеклетками вроде бы ничего не происходит – они сидят под арестом? Видимо, что-то все же происходит – мы ведь упоминали о том, что во время ареста может происходить какой-то мелкий ремонт ДНК, особенно вокруг тех точек, где произошла рекомбинация и образовались хиазмы. Здесь информацию к размышлению опять же дает статья исландских генетиков. Они показали, что мутации, появившиеся у новорожденного ребенка в первом поколении, рассеяны по геному совсем не случайно. А именно, возникновение мутации в 50 (!) раз более вероятно неподалеку от того места, где между бабушкиными и дедушкиными хромосомами прошла рекомбинация. Причем «неподалеку» в буквальном смысле: речь идет о расстоянии в 1000 букв-нуклеотидов, что по меркам генома рукой подать. Именно такова длина участков ДНК, вовлеченных в рекомбинационные процессы, которые рисуют на всех схемах и которые мы сами рисовали несколько глав тому назад. Не зря же предупреждали: рекомбинация – дело опасное. И даже мамам, с их повышенным вниманием к качеству мейоза, этой опасности избежать не удается.
Так что, может быть, лучше уж по-мужски, с налета да с кондачка? К счастью, наука не ставит перед собой вопрос таким образом.
БИБЛИОГРАФИЯ
Бородин П. М., Малиновская Л. П., Шнайдер Е. П., Торгашёва А. А. Рекомбинация и половой отбор // Природа. 2020. № 12. С. 3–10.
Маркина Н. О сильном вреде слабовредных мутаций и будущем человечества. См.: https://pcr.news/stati/o-silnom-vrede-slabovrednykh-mutatsiy-i-budushchem-chelovechestva/
Goodenough U., Heitman J. Origins of Eukaryotic Sexual Reproduction. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2014. 6(3): a016154
Haldane J. B. S. Sex Ratio and Unisexual Sterility in Hybrid Animals. Journal of Genetics. 1922. 12: 101–109.
Halldorsson B., Hardarson M., Kehr B., et al. The Rate of Meiotic Gene Conversion Varies by Sex and Age. Nature Genetics. 2016. 48(11): 1377–1384.
Halldorsson B. V., Palsson G., Stefansson O. A., et al. Characterizing Mutagenic Effects of Recombination through a Sequence-Level Genetic Map. Science. 2019. 363(6425): eaau1043.
Huxley J. S. Sexual Difference of Linkage in Gammarus chereuxi. Journal of Genetics. 1928. 20: 145–156.
Pan B., Li J. The Art of Oocyte Meiotic Arrest Regulation. Reproductive Biology and Endocrinology. 2019. 17(1): 8.
Schilthuizen M., Giesbers M., Beukeboom L. Haldane's Rule in the 21st Century. Heredity (Edinburgh). 2011. 107(2): 95–102.
Sen A., Caiazza F. Oocyte Maturation: A Story of Arrest and Release. Frontiers in Bioscience (Scholar Edition). 2013. 5(2): 451–477.
Глава тридцать четвертая, внутри которой есть «интрон» – глава тридцать пятая
Поиски главного в мейозе
О мейозе можно рассказывать бесконечно. Собственно, о чем угодно можно рассказывать бесконечно, и в любой большой застольной компании найдется зануда, который охотно демонстрирует этот фокус. Но нам пора переходить к главному вопросу: как мог появиться в природе такой прихотливый механизм?
Заметьте: поскольку без мейоза не бывает никакого полового размножения, это тот же самый вопрос, который мы мусолим с самого начала нашей истории: как мог появиться секс? Только теперь вместо сливающихся и разделяющихся по-новому обобщенных мешков с генами, столь милых сердцам теоретиков начала ХХ века, у нас есть изощренная машина с десятками важных деталей, и для убедительного ответа придется объяснить не только все вместе, но и каждую деталь. Конечно же, окончательного ответа у биологов пока нет: речь пойдет только о гипотезах.
Начать, наверное, удобнее вот с чего: что самое главное в мейозе? Там происходит сразу три важных дела, и так сразу не скажешь, какое из них главнее.
Во-первых, важнейшая часть мейоза – появление двойных разрывов в ДНК, чтобы потом залатать брешь по образцу гомологичной хромосомы. Очень похоже на то, что «починка» молекул ДНК по образцу гомологичной последовательности – это и есть первичная задача рекомбинации, а все остальное – дополнительный бонус. Возможно, и сам мейоз изначально сконструирован природой для решения этой задачи, а другие его особенности – просто полезные добавления?
Во-вторых, при мейозе число хромосом сокращается вдвое: геном превращается из диплоидного в гаплоидный. Может показаться, что это просто неизбежная техническая надстройка, однако редукция числа хромосом может быть важной и сама по себе. В природе есть множество способов сделать из гаплоидного генома диплоидный – например, клетка удвоит свои хромосомы, а потом забудет поделиться. И как бы редко такое ни случалось, это билет в один конец: никакого способа вернуть число хромосом к норме не существовало бы… если бы не мейоз.
В-третьих, при мейозе так или иначе происходит кроссинговер. Хромосомы обмениваются участками, обеспечивая ту самую перетасовку генов, с которой отцы-основатели генетики связывали необходимость секса: создаются новые комбинации, дающие материал для отбора, полезные и вредные мутации отделяются друг от друга, чтобы отбор имел возможность испытать каждую в отдельности, почистить геном от всего вредного и зафиксировать полезные приобретения.
Долгое время большинство биологов по умолчанию предполагали, что самое главное в мейозе – наше «в-третьих», то есть провозглашенное Августом Вейсманом создание новых комбинаций признаков, не дающее естественному отбору скучать. Однако взглянем без предвзятости на другие варианты.
Возможно, мейоз нужен для того, чтобы чинить ДНК?
Наверное, логично предположить, что в самом главном механизме мейоза должны быть задействованы самые древние, проверенные временем детали. Тут можно сразу вспомнить про белок RecA, он же RAD51, он же DMC1, – у разных организмов он называется по-разному, однако структура этого белка на удивление схожа у всех трех главных ветвей земной жизни: бактерий, архей и эукариот. Ему помогает еще один отлично сохранившийся белок, который у бактерий называется Ssb – single strand binding. Наконец, Spo11, который начинает рекомбинацию, внося в молекулу ДНК двойной разрыв, – ближайший родственник бактериальных белков.
Но что эти белки делают у бактерий? Их главная работа – починка повреждений ДНК. Каких именно? Например, разрывы в цепи ДНК: весь процесс рекомбинации устроен так, как будто починить двойные разрывы – это и есть его главная цель. Но вот более сложный случай: под действием радиации соседние буквы Т в ДНК (остатки тимина) соединились бессмысленной химической связью. Такую мерзость клетка из своей хромосомы безжалостно вырезает, нередко прихватывая и соседние буквы. А чтобы залатать брешь, опять же удобно воспользоваться последовательностью партнера.
При бактериальной «генетической трансформации», о которой шла речь в двадцать седьмой главе нашей истории, – когда бактерия вылавливает в окружающей среде кусочки ДНК и примеряет их
