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

Solé M., Blanco J., Gil D., et al. Time to Match: When Do Homologous Chromosomes Become Closer? Chromosoma. 2022. 131(4): 193–205.

Van Heemst D., Heyting C. General Discussion: Sister Chromatid Cohesion and Recombination in Meiosis. Chromosoma. 2000. 109(1–2): 10–26.

Zickler D., Kleckner N. Recombination, Pairing and Synapsis of Homologs during Meiosis. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2015. 7(6): a016626.

Глава тридцать первая, в которой читатель погружается в сердцевину тьмы

Центромера

Мы оставили наши гомологичные хромосомы в тот момент, когда они соединились по всей длине, образовав синаптонемные комплексы (СК), и наконец-то занялись генетической рекомбинацией. Когда они с этим закончат, СК тут же разрушится, а хромосомы слегка разойдутся, так что в микроскоп будут видны перекрестия, или хиазмы, или кроссинговеры – те места, где гомологи разорвались и соединились крест-накрест.

Давайте здесь поставим процесс мейоза на паузу. Кстати, именно в этом месте его отчего-то ставит на паузу и природа: в созревающих яйцеклетках человека, как и у некоторых других существ, в этот момент наступает так называемый «первый мейотический арест». Так и не разведя свои гомологичные хромосомы к полюсам, клетка прекращает всякие «телодвижения» и замирает в этом состоянии, пока у организма не возникнет реальная нужда в зрелой яйцеклетке.

Долго ли длится арест? О да, довольно долго, даже и по человеческим, а не по клеточным меркам, – многие годы. Мейоз начинается, когда эмбрион-девочка находится еще в утробе матери. Там же будущие яйцеклетки и попадают «под арест». Свободу они получат только во взрослой жизни – когда очередная яйцеклетка выйдет в вольное плавание в результате овуляции. Но и тогда мейоз не доходит до конца… впрочем, об этом позже. Сейчас мы поставим нашу историю на паузу не на годы, а лишь на короткое время – и только для того, чтобы чуть подробнее рассказать о некоторых важных героях этого процесса. Не исключено, что поначалу большинству уважаемых читателей эта информация может показаться совершенно избыточной и бесполезной. Но, возможно, любопытство все же пересилит, и глава окажется прочитанной до конца.

До сих пор мы, как могли, обходили одно узкое место. Когда немецкий биолог Вальтер Флемминг (1843–1905) открыл это место в 1882 году, он мало что мог о нем сказать, кроме того, что оно действительно узкое. На самом деле Вальтер Флемминг внес в биологию вклад, который небиологу, да и многим современным биологам сложно оценить. Он придумал окрашивать микроскопические препараты анилиновыми красителями. Сейчас вы лишь снисходительно улыбнетесь, но тогда это означало лавину новых знаний. В клетке сразу стало видно много такого, что не удавалось разглядеть без красителя, в том числе и странные тельца в ядре, которые окрашивались как-то очень охотно. Потом их за это назвали хромосомами, и можно даже сказать, что именно Флемминг их и открыл.

Теперь-то мы знаем, почему хромосомы так хорошо окрашиваются: ДНК в них отрицательно заряжена благодаря фосфатам в ее каркасе, а сверху она облеплена положительно заряженными белками – гистонами, которые и отвечают за все прихотливые хромосомные плетения и упорядоченную укладку. Благодаря гистонам хромосомы кое-где плотные и тесно скрученные (или, как говорят серьезные люди, компактизованные), а кое-где распускаются, чтобы сделать возможной работу генов. И все эти области хромосомы окрашиваются по-разному.

Ничего этого Флемминг не знал, и даже слово «хромосома» придумал не он. Однако именно он заметил, что во время клеточного деления на хромосомах образуются перетяжки – те самые «узкие места». Это и есть центромеры, первооткрывателем которых Флемминг, несомненно, и является.

Центромера заявляет о себе не только в мейозе, но и при любом клеточном делении, поэтому мы до сих пор и не спешили объявить ее главным героем нашей истории. Чтобы хромосомы правильно разошлись к полюсам клетки, нужно, чтобы к каждой из них (а они, как мы помним, к этому моменту состоят из двух сестринских хроматид) прикрепились две нити веретена, идущие от разных полюсов клетки. Веретено начинает тянуть хромосомы в разные стороны, а они до последнего цепляются друг за друга. Наконец центромеры разделяются и хромосомы расходятся.

На самый поверхностный взгляд центромера – это просто некое «место» на ДНК с определенным порядком нуклеотидных букв. Чтобы все сработало, на ней образуется особый белковый сгусток – кинетохор. Именно за кинетохоры и зацепляются тубулиновые нити, чтобы тащить их, каждый в свою сторону. А за то, чтобы центромеры до последнего оставались склеенными, отвечают белки-когезины, о которых шла речь в прошлой главе. В нужный момент этот когезиновый клей как по команде растворяется, веретено сокращается, и клетка переходит к следующим шагам своего деления.

Во втором делении мейоза все именно так и происходит. А вот в первом делении – так, да не совсем. Нити веретена деления прикрепляются к кинетохорам, но теперь к каждой хромосоме подходят не две нити от разных полюсов, а только одна – нам ведь нужно, чтобы сначала разошлись не хроматиды, а гомологичные хромосомы. Хроматиды остаются склеенными друг с другом. Склеивают их опять же когезины, но в мейозе они немного другие, чем при обычных делениях (страшно подумать, сколько разных полезных белков клетка приберегает только для мейотического деления, вот насколько все это для нее важно!). Эти когезины не растворяются, так что хроматиды остаются вместе. А гомологичные хромосомы до последнего удерживаются вместе потому, что между ними образовались хиазмы – результат кроссинговера. Это тоже важно: чтобы в нужный момент все сработало, веретено должно как следует натянуться, и поэтому микротрубочки тянут за центромеры, то есть за кинетохоры, а хиазмы изо всех сил противостоят этой тяге. Без хиазм весь мейоз пошел бы вкривь и вкось (хотя в некоторых случаях клетки научились без них обходиться).

В общем, центромера – залог того, чтобы хромосома при делении не потерялась, а попала в одну из дочерних клеток. Это билет в генетическое будущее для хромосомы и всех ее генов, включая и саму центромеру. А за билеты в будущее в живой природе идет серьезная борьба – в этом весь смысл эволюции. На протяжении этого рассказа мы не могли не заметить, что, если в природе есть хоть какая-то лазейка для злоупотреблений, непременно найдется кто-нибудь, кто этой лазейкой злоупотребит. Представляете, какую возможность тут дает центромера?! Если в какой-то молекуле ДНК завелась «центромерная» последовательность нуклеотидов, она может превратиться фактически в новую клеточную хромосому, даже если эта молекула клетке не нужна и насквозь проникнута эгоизмом.

Однако, как ни странно, никакие генетические паразиты, ловко использующие центромеру для своего безбедного существования, в природе не замечены. На то может быть две причины – вернее, одна, состоящая из двух взаимосвязанных половинок. Дело в том, что миссия центромеры далеко не всегда задается последовательностью нуклеотидов ДНК. Так обстоят дела, к примеру, у дрожжей: там центромеры маленькие, устроены очень просто, и за это их еще называют точечными. Но у большинства сложных организмов центромеры совсем не такие: они огромные, сложные, состоящие по большей части из бессмысленных повторяющихся последовательностей. Их функция, конечно, тоже связана с последовательностью нуклеотидов, но эта связь не всегда очевидна. Как говорят биологи, иногда эта функция передается эпигенетически: просто хромосома в этой области уложена определенным образом, а когда хромосома удваивается, то и две новые хромосомы в этом месте сворачиваются в такую же загогулину.

Об этих «эпигенетических механизмах» я впервые услышал в 1980-х годах от еще одного моего преподавателя – ныне покойного Давида Михайловича Спитковского (1928–2006). В его лаборатории пытались понять, как к молекуле ДНК привешиваются белки-гистоны, обеспечивающие ее правильную укладку. Целыми днями аспиранты носили туда-сюда огромные куски кровавого мяса – телячью вилочковую железу, или тимус, – а потом мололи их в розовую кашу, чтобы выделить хроматин (хроматином называется комплекс ДНК и всех облепляющих ее белков). В какой-то момент и я молол, хотя и недолго. Увы, больших прорывов тогда не произошло: со структурой хроматина начали по-настоящему разбираться только к 1990-м. Что касается центромеры, ее выдающиеся свойства тоже связаны с гистонами: на месте важного гистона H3 в области центромеры оказывается похожий белок, который называется CENPA (то есть центромерный белок А). Собственно, он в числе прочих белков и определяет, где именно на хромосоме будет центромера. А уж если она выбрала место, то это место сохранится и в последующей череде клеточных делений.

Однако этот эпигенетический механизм, похоже, не слишком жесткий. Иногда он позволяет эволюции выкидывать неожиданный фокус – создавать центромеру на новом месте. Такие кульбиты