Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексей Алексенко

не любят теряться, их за это отбраковывает отбор. Однако игра стоит свеч, если в молекуле изначально был дефект – например, одна из букв-оснований оказалось подпорченной и ее пришлось вырезать как раз с образованием двойного разрыва. Единственный вариант спасения – залатать дырку по образцу похожей молекулы.

А с чего бы возник этот дефект? Ну, например, в результате прямого попадания заряженной частицы, то есть под воздействием радиации.

Итак, одноцепочечный хвост несчастной изуродованной молекулы ДНК мечется по клетке в поисках партнера. Ему помогает в этом некий белок, который облепляет этот самый хвост со всех сторон. Это и есть тот самый белок, у бактерии кишечной палочки называющийся RecA и который наш преподаватель иначе как «таинственным» не называл. Rec – это от слова «рекомбинация»: бактерии-мутанты по гену этого белка не умеют заниматься рекомбинацией, даже когда все остальные компоненты на месте. Очень похожий белок обнаружили и у высших организмов (сначала у дрожжей, а потом и прочих, включая нас с вами), и называется он RAD51. RAD – это уже от слова «радиация»: мутанты по гену этого белка оказываются к ней очень чувствительны, потому что не умеют залатывать повреждения своей ДНК. Есть он и у архей, и там он тоже называется RAD. А вот у нашего старого знакомого аспергилла имя этого белка – UvsC, и это означает «чувствительность к ультрафиолету». Это значит, что механизм рекомбинации, о котором мы сейчас толкуем, немыслимо древний и фундаментальный: им для разных надобностей пользуются абсолютно все ветви жизни на Земле.

Один и тот же белок называется по-разному оттого, что у разных организмов мутации в нем отбирали разными способами, но суть-то одна: если отключить RecA, он же RAD51, он же UvsC, клетка теряет способность к рекомбинации, а заодно становится очень чувствительной к самым разным воздействиям, способным повреждать ДНК. Значит, рекомбинация помогает как-то противостоять этой напасти. А помогает она так: когда одноцепочечный хвост найдет партнера, все те части молекулы, которые были удалены на первой стадии, начинают восстанавливаться по образцу гомологичной молекулы. В результате этих пертурбаций обе молекулы становятся как новенькие. Побочный результат – обмен фланговыми частями вместе со всеми генами, которые там находились. То есть, собственно говоря, кроссинговер.

Тот факт, что в некоторых случаях Rec = RAD, – то есть механизмы рекомбинации и устойчивость организмов к радиоактивному излучению имеют много общего, – сыграл важную роль в истории науки. Им объясняется огромный энтузиазм, с которым рекомбинацию изучали именно в период холодной войны, когда все оживленно готовились к появлению ядерного гриба и радиоактивного пепла. В изучение этих механизмов вкладывались немалые деньги, предназначенные на оборонные исследования. Возможно, именно благодаря этим деньгам сравнительно быстро удалось в общих чертах разобраться в интимных подробностях рекомбинации. Ученые-то с самого начала понимали, что рекомбинация сама по себе есть очень фундаментальное свойство жизни, но, когда просишь денег на исследования, не грех упомянуть о перспективах создания «лекарства от радиации» для солдат будущей Третьей мировой. И неспроста нам, студентам очень оборонно-ориентированного вуза МИФИ, лекции по всем биологическим специальностям читали ученые, которые в тот или иной период своей карьеры занимались тем, как живая материя взаимодействует с радиацией. Другое дело, что военным в итоге не было пользы от этих штудий, зато была польза для фундаментальной науки.

И вот еще кому была польза: врачам и их пациентам. Белку RAD51 (он же таинственный RecA) у людей помогают два интересных белка, BRCA1 и BRCA2. Они тоже в нужный момент оказываются там, на отчаянно ищущем помощи одноцепочечном хвосте ДНК. Их названия происходят от слов Breast Cancer – рак груди, потому что мутации в соответствующих генах сильно повышают вероятность этой напасти. Именно из-за таких мутаций прекрасная Анджелина Джоли решила сделать себе профилактическую мастэктомию. Отметим для себя, что, раз небольшие дефекты этих белков чреваты столь серьезными последствиями, значит, рекомбинация не игрушка и живому организму жизненно важно, чтобы там все прошло правильно. Причем важно не только в контексте секса и размножения, но и для повседневной жизни обычного соматического органа[16].

Напрашивается фундаментальный вопрос, который останется без ответа. А может, рекомбинация, перетасовывающая гены, в том числе во время мейоза у высших организмов, возникла совсем не за этим? Может быть, это древний механизм ремонта повреждений, который гораздо позже был привлечен к новой работе: создавать разные комбинации генов и избавляться от мутационного груза (впрочем, мутационный груз и сам имеет прямое отношение к повреждениям ДНК)?

Вопрос это риторический, поскольку природа не знает слова «зачем». Когда бактерия захватывает из внешней среды чужую ДНК в надежде подправить свой геном (как было сказано, это называется «трансформация»), она делает это не «зачем», а «почему», – потому что ей плохо и чужая ДНК может ей помочь. Бактерия не знает, в чем ее проблема и как ей себя лечить. Может быть, с помощью чужой ДНК получится просто подштопать свой геном, а возможно, удастся встроить новый полезный ген, который как раз и даст шанс выпутаться из передряги. Чистый оппортунизм. Но именно из него, кажется, вырос весь этот масштабный проект под названием «мейоз» и «секс». А возможно, ради этого он и был затеян.

Итак, вполне возможно, что главная цель рекомбинации – вовсе не перетасовка генов во время полового процесса. С другой стороны, некоторые ученые подозревают, что и в сексе рекомбинация – далеко не самое главное. Все это отчасти прояснится в следующих главах, а отчасти так и не прояснится, потому что ученые раздумывают об этом прямо сейчас и заранее непонятно, к чему они придут.

БИБЛИОГРАФИЯ

Del Val E., Nasser W., Abaibou H., Reverchon S. RecA and DNA Recombination: A Review of Molecular Mechanisms. Biochemical Society Transactions. 2019. 47(5): 1511–1531.

Fun and Entertainment. Meselson and Radding Model of Recombination. Meselson and Radding Model of Recombination. https://youtu.be/YUX90474wWk

Holliday R. A Mechanism for Gene Conversion in Fungi. Genetical Research. 2007. 89(5–6): 285–307.

Potter H. Pictures Considered #28: The χ-Form Holliday Recombination Intermediate. American Society for Microbiology Blogs, Small Things Considered, 2015–08.

Szostak J. W., Orr-Weaver T.L., Rothstein R. J., Stahl F. W. The Double-Strand-Break Repair Model for Recombination. Cell. 1983. 33(1): 25–35.

Глава тридцатая, в которой хромосомы узнают, что они гомологичные

Синапсис

Итак, мы наконец-то нарисовали схемы моделей рекомбинации – это когда-то надо было сделать, и с самой третьей главы, с плоских шуточек о семействе Толстых, я готовился к этому моменту и боялся его. Рекомбинация – штука непростая, зато она универсальна. Напомню, что она бывает у всех организмов, а не только у сложных, балующихся сексом, и даже у сложных она происходит не только во время мейоза, но и по совершенно другим поводам.

Теперь возвращаемся к мейозу. Он, как было сказано, начинается с того, что гомологичные хромосомы (то есть похожие хромосомы, полученные от двух родителей, каждая в составе своего гаплоидного набора) находят друг друга, чтобы потом прорекомбинировать и чинно разойтись по разным дочерним клеткам (гаметам или спорам). Как же они узнают друг друга?

В предыдущей главе был описан процесс, в результате которого, вообще говоря, молекула ДНК может найти другую, похожую. Именно с него начинается рекомбинация. Напомню, и даже с дословной цитатой: в цепи ДНК появляется двойной разрыв, а потом «одноцепочечный хвост несчастной изуродованной молекулы ДНК мечется по клетке в поисках партнера». Легко сказать «мечется». В бактериальной клетке хвост еще может «метаться», потому что внутри она жидкая. А вот у высших, то есть эукариотических, организмов метаться особенно не приходится. Внутренность клеточного ядра больше похожа на студень, а если вглядеться пристальнее, то на сложный лабиринт из всяких непонятных молекулярных штук. Представьте себе мучения бедной маленькой хромосомки, пытающейся найти в этих дебрях родственную душу. Неудивительно, что в наших с вами ядрах обычно ничего не мечется и не движется: как ни посмотри на ядро в микроскоп, оно выглядит инертным и всегда одинаковым (если, конечно, вы не подгадали взглянуть на ядро в момент клеточного деления). Каждая хромосома занимает в клетке определенный объем, обычно не перепутываясь с другими.

Родни Ротстейн (род. 1947; он один из тех, кто когда-то разобрался в деталях механизма рекомбинации путем починки двойного разрыва) взялся выяснить, как именно движутся в диплоидной клетке гомологичные хромосомы. Он пометил особым красителем