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

одинаковые (гомологичные) места в двух хромосомах дрожжей и смотрел за тем, как они себя ведут. Вели они себя, во-первых, независимо: их движения по клеточному ядру ничем не отличались от движения двух случайных локусов, ни малейшей тяги друг к другу они не проявляли. Во-вторых, пространство, освоенное ими для прогулок, было весьма невелико: не больше 1/30 объема ядра. Правда, когда в один из этих локусов вносили разрыв, движение резко активизировалось: теперь порванная хромосома гуляла уже по одной трети ядра, и даже ее нетронутая партнерша тоже явно становилась активнее. Возможно, такое ускорение действительно помогает поврежденной хромосоме найти свою родственницу и с ее помощью (то есть по образцу ее последовательности) залатать разрыв.

Но все это относится к обычной жизни клетки, а мы говорим о мейозе. И уж при мейозе на недостаток движения хромосомам жаловаться не приходится. Особой подвижностью в сексе отличается дрожжевой грибок со сложным названием Schizosaccharomyces pombe, который в некоторых странах Африки используют для приготовления исключительно мерзкого на вкус напитка – пива помбе. Эти дрожжи гаплоидные, и их ядра сливаются в диплоид только для того, чтобы перейти к споруляции. Такое диплоидное ядро – оно имеет характерную вытянутую форму, за что его и прозвали «лошадиный хвост», – с самого момента своего рождения начинает двигаться по клетке туда-сюда. Это занимает час или полтора, и лишь затем, покончив с загадочными движениями, дрожжи переходят к мейозу как таковому, причем к этому моменту все их хромосомы уже отлично рассортированы по парам. Зачем это надо грибку, вообще говоря, непонятно.

Однако странные движения происходят в начале мейоза не только у помбе-дрожжей, но и у большинства живых существ. Обычно перед мейозом хромосомы собираются в некий букет – цепляются концами за определенное место на ядерной мембране. А затем хромосомы начинают в буквальном смысле трястись, то есть лихорадочно двигаться туда-сюда под действием белков-динеинов. Скорость этой тряски достигает одного микрона в секунду: темп вполне впечатляющий.

Зачем они это делают? В этой части рассказа сакраментальный мини-диалог: «Зачем? – Точно неизвестно!» – можно вставлять почти после каждой фразы, но договоримся пропускать подобные реплики, а просто все время иметь их в виду. Так вот, если у вас есть моток перепутанных проводов, не самый безнадежный способ навести среди них какой-то порядок – собрать в пучок их концы и как следует встряхнуть. Кроме того, тряска поможет гомологичным хромосомам искать друг друга. Если они совершили ошибку и обознались, приняв совершенно постороннюю хромосому за своего гомолога, незнакомца еще можно с себя стряхнуть и попробовать повторить поиск.

Однако как же происходит сам процесс узнавания? Неспроста мы начали с рассказа о рекомбинации: долгое время считалось, что именно двойные разрывы и первые робкие попытки совершить рекомбинацию – это тот самый механизм, с помощью которого каждая хромосома в конце концов находит свою пару. Мейоз начинается с того, что особый белок специально делает двойные разрывы в разных местах молекул ДНК. Он называется Spo11: сперва его нашли у дрожжей и назвали так, потому что мутанты по соответствующему гену не способны к споруляции. А потом оказалось, что очень похожие белки есть и у всех остальных, включая нас с вами. Если ген Spo11 (у дрожжей) испортить, мейоз не происходит, потому что спаривание гомологичных хромосом оказывается нарушено. Этого и следует ожидать, если «попытки рекомбинации» и двойные разрывы необходимы гомологичным хромосомам родителей для поиска друг друга.

Наверное, надо немного поговорить о белке Spo11. Его используют в мейозе представители всех ветвей сложной жизни, а предки этого белка обнаружены и у бактерий, и у архей. При этом его работа – резать хромосому, чего вообще-то все живое должно бояться как огня. Зачем же земная жизнь завела себе такой странный самоубийственный инструмент? На самом деле родственники Spo11 у бактерий делают не совсем это: они относятся к классу белков по имени «топоизомеразы», и вот эти топоизомеразы как раз очень нужны клетке. Дело в том, что ДНК – двойная спираль – чем-то похожа на гибкий шланг для душа, который неплохо гнется, но сопротивляется скручиванию. Попробуйте взять этот шланг в руки и несколько раз повернуть головку с насадкой вокруг своей оси. Весь шланг тут же свернется в спиральные витки, тем самым компенсировав напряжение. Покрутите еще – и витки съежатся в спутанный комок. Чтобы шланг вернулся в прежнее состояние и расслабленно повис, вам придется повернуть головку душа обратно. Теперь представьте, что это длинная-предлинная молекула ДНК – в случае бактерий вообще обычно кольцевая. Разные превратности жизни могут вносить в нее вращательные напряжения, так что в конце концов она соберется как раз в такой путаный узел. А концов у кольцевой молекулы нет, так что распутать узел может быть не так уж просто. Тут и приходит на помощь топоизомераза: она разрезает ДНК и проворачивает концы разрыва относительно друг друга, снимая напряжение. При этом она все-таки продолжает удерживать эти концы, чтобы они не потерялись. Вот это самое свойство топоизомераз и оказалось полезным нашему древнему предку, который пристроил бактериальный фермент к новой работе: вносить в ДНК двойные разрывы, чтобы запустить рекомбинацию во время мейоза. Недавно оказалось, что и современные топоизомеразы можно использовать для того, чтобы инициировать рекомбинацию: так делает, к примеру, плесневой грибок Trichoderma reesei.

Итак, с двойного разрыва в принципе может начаться поиск гомологичными хромосомами друг друга. Однако в какой-то момент биологи с изумлением поняли, что без этого этапа в принципе можно обойтись, и у многих живых существ хромосомы прекрасно находят друг друга без всяких двойных разрывов. Еще более странное открытие состояло в том, что разные существа, похоже, прибегают для этого к совершенно разным хитростям. Существует около дюжины организмов, у которых сейчас активно изучают механизмы мейоза, включая пекарские дрожжи, нашу добрую знакомую дрозофилу, червяка C. elegans («Си-элеганс»), клетки млекопитающих, к которым относимся и мы с вами, и уже упомянутые S. pombe. И такое впечатление, что каждый из этих организмов подходит к проблеме поиска хромосомы-партнера креативно, в своем фирменном стиле. Что уж говорить об остальных, неизученных.

Вот, например, червяк. У него есть два пола, но не самцы и самки, как у всех, а самцы и гермафродиты. У гермафродитов две Х-хромосомы (ХХ), у самцов всего одна (Х0). В браке червяка-самца с гермафродитом (гермафродиткой?!) половина детишек должны быть самцами, а у гермафродита все дети будут гермафродитами. Однако генетики вывели мутантные линии червей, в которых самцов получается больше, чем ожидалось. Эти мутации и соответствующие гены назвали Him (High Incidence of Males – «высокая частота самцов»). Один из таких генов, Him-8, кодирует очень интересный белок: он связывается с Х-хромосомой в особом месте, которое называется «центр спаривания», и без него Х-хромосома не узнает в мейозе другую Х-хромосому и часто теряется – вот поэтому-то самцов и получается больше обычного. Позже нашлись другие похожие белки, и их назвали ZIM. Оказалось, что это и есть уникальный инструментарий червяка, позволяющий гомологичным хромосомам находить друг друга: каждая хромосома имеет свой собственный ZIM-белок – а Х-хромосома, соответственно, HIM-8, – и именно на эти белки клетка полагается, чтобы при мейозе не перепутать хромосомы[17].

Оцените чистосердечную простоту инженерного замысла: фактически червяк просто метит свои хромосомы табличками с номером. С подобной прямолинейностью может соперничать только дрозофила: у мушек, как выясняется, гомологичные хромосомы вообще стараются не расставаться друг с другом, даже и без всякого мейоза. Но можно придумать способы и похитрее. Мы сказали, что гомологию хромосом искать нелегко, в частности, потому, что эта гомология запрятана внутрь двойной спирали, которую для этого приходится местами немножко расплетать. Но у нас есть молекула, в которой последовательность букв никуда не спрятана, а, напротив, видна за версту. Это РНК. И вот вам еще один механизм: с гомологичных хромосом считываются особые, ничего не кодирующие РНК, которые остаются неподалеку от того места, где родились (то есть возле соответствующих мест в хромосоме). На этом, возможно, основано узнавание гомологичных хромосом и у нас с вами.

А еще можно не использовать специальные РНК, а просто сравнивать все, что считывается с генов. На каждой хромосоме чередуются места, где много активно работающих генов – и, соответственно, сосредоточена необходимая для этого аппаратура, – и молчащие участки, которые упакованы совсем по-другому. Для каждой хромосомы чередование тех и этих участков образует характерный рисунок – вроде штрих-кода. По такому штрих-коду гомологичные хромосомы тоже могут