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

случаются по эволюционным меркам не так уж редко. Из близких нам существ этим особенно отличались непарнокопытные: на протяжении короткого периода эволюционной истории, отделяющего зебру и осла от их общего предка, такое случалось с полдюжины раз. Этим досадным обстоятельством объясняется тот факт, что мулы не могут рожать маленьких мулят: хромосомы осла и лошади в геноме мула очень похожи между собой, однако центромеры у них находятся в разных местах. При мейозе у мула возникает страшная путаница, и нормальные гаметы не образуются.

Зачем центромере проделывать такие трюки? И вот вторая половина объяснения: возможно, паразитам очень сложно конкурировать с настоящими центромерами именно потому, что центромеры и так все время отчаянно конкурируют друг с другом. Если жулик, притворяющийся боксером-профессионалом, выйдет на ринг против настоящих боксеров – он примет самое глупое решение в своей жизни. Паразиты и не пытаются; а вот настоящие центромеры, похоже, миллионы лет шлифуют бойцовские качества в постоянных схватках.

Тот факт, что центромеры конкурируют, был установлен сравнительно недавно. Дело обстоит так: у нас, людей, как и у очень многих организмов, лишь один из четырех продуктов мейоза становится зрелой яйцеклеткой и имеет шанс передать свои гены череде будущих поколений. Остальные три образуют «полярные тела» и по какой-то причине идут на выброс. Сходная практика, кстати, существует и у цветковых растений. Правда, там полярные тела идут в дело: два из них сливаются в диплоидное ядро, а потом при двойном оплодотворении оно становится триплоидным, и из них развивается эндосперм, то есть семечко.

Как бы там ни было, любому гену – и центромере в том числе – очень важно к концу мейоза оказаться в правильной клетке – той, из которой вырастет новый организм. Если вы попали в полярное тело, то в лучшем случае станете плотью лесного ореха, обреченной на съедение равнодушной белкой. Оказалось, что среди центромер происходит самая настоящая конкуренция за выигрыш в этой лотерее. Они научились отличать нити веретена деления, идущие к «правильному» полюсу (отличие там и правда есть – у «неправильных» нитей в белке тубулине на конце часто привешена лишняя аминокислота тирозин). Центромера цепляется за такую нить, вытесняя соперниц. Сильная центромера получает все. Что такое «сила центромеры», никто до конца не понимает, но, вероятно, здесь играют роль размер и число повторяющихся блоков ДНК – вот вам и отбор в пользу огромных, богатых повторами центромер. Видимо, центромера сложна именно потому, что простенькие центромеры не имели в этой борьбе шансов.

Но если паразитические последовательности ДНК, видимо, отказались от попыток имитировать центромеры, то генные инженеры по-прежнему носятся с этой идеей. Довольно давно молекулярные генетики сделали «искусственную хромосому» для дрожжей – у дрожжей, как было сказано, центромера небольшая, и, если просто вставить ее в искусственно собранную молекулу ДНК, такая молекула становится фактически еще одной хромосомой и позволяет делать всякие генно-инженерные штуки. Искусственные хромосомы для человеческих клеток тоже пытаются сделать, но там все намного сложнее.

Раз уж мы погрузились в отступления, отступим еще дальше. Четверть века назад я тоже попытался сделать искусственную хромосому, но не для дрожжей и тем более не для людей, а для нашего грибка аспергилла. Но возникла проблема: у аспергилла, хоть он и грибок, как и дрожжи, центромеры совсем не точечные, а по сложности где-то на полпути к человеческим. Они огромные, все разные и состоят в основном из бессмысленно повторяющихся последовательностей ДНК. Задача сначала выглядела сложной, а потом оказалась невыполнимой.

Наверное, каждый биолог любит свой объект исследования, и порой эта любовь граничит со стокгольмским синдромом. В моем случае центромера определенно не ответила взаимностью на мою любовь: в ее структуре мне тогда разобраться не удалось. Я лишь примерно определил, из каких кусков она состоит, и оценил ее размер – не менее 50 000 букв-нуклеотидов. Однако бесконечные вереницы бессмысленных повторов не позволили вникнуть в детали конструкции и уж тем более создать на ее основе что-то полезное для практики. И еще оказалось, что в этой области генома кроссинговер, то есть рекомбинация, происходит гораздо реже, чем в среднем. Возле центромер рекомбинация подавлена. Я написал про это статью, потому что надо же было как-то отчитываться за деньги гранта, но мои попытки проникнуть в тайну центромер аспергилла на этом завершились.

Кто же знал, что это будет так сложно! Никто меня вовремя не предупредил.

Между тем гораздо позже, два десятилетия спустя, я прочитал следующую нелицеприятную характеристику: «Центромера – это сердцевина тьмы в геноме. Мы предупреждаем студентов, чтобы они туда не совались». Это сказал генетик из Калифорнии Чарльз Лэнгли, причем сам-то он туда сунулся – и открыл в человеческих центромерах много интересного. Отчасти это «интересное» связано с тем фактом, о котором я только что упоминал: в области центромер кроссинговер, то есть генетическая рекомбинация, сильно подавлен.

Мы, люди, очень любим выстраивать свои родословные – чего стоит хотя бы общеизвестное «Авраам родил Исаака, Исаак родил Иакова, Иаков родил Иуду и братьев его». Однако так просто и линейно все происходит только у бактерий, а людям все карты путает секс: у каждого из нас не один, а два родителя, и их гены в каждом поколении перемешиваются. Насколько этот самый секс мешает, к примеру, чинному и упорядоченному престолонаследию, всем известно если не из европейской истории, то хотя бы из телесериалов «Игра престолов» и «Дом дракона». Из-за рекомбинации в наших геномах сложно найти более или менее протяженный кусок, полученный от предка даже в десятом поколении, не говоря уже о более давних и почтенных прародителях.

Однако генетики все же приспособились использовать ДНК для восстановления родословных – для этого надо просто найти в геноме такое место, где достаточно давно не происходила генетическая рекомбинация. Такие куски передаются как целое от родителей к детям. Один из примеров – Y-хромосома. Ей рекомбинировать не с кем, и вот она передается по мужской линии как единое целое, что позволяет археогенетикам выстраивать родословные народов. Такие куски ДНК называют гаплогруппами. Другая известная гаплогруппа – митохондриальная ДНК. А кроме того, кроссинговер сильно подавлен в окрестностях центромер. Чарльз Лэнгли и его сотрудники решили поискать там нечто вроде гаплогрупп и действительно нашли. Эти гаплогруппы в сердцевинах всех человеческих хромосом – их назвали ценгапами – сохранили много свидетельств эволюции человека. В том числе там нашлись большие фрагменты ДНК его древних родственников, включая неандертальцев. А в составе этих фрагментов оказались, к примеру, гены обонятельных рецепторов. Представьте себе: у кого-то из нас обонятельные рецепторы сохранились в нетронутом виде с тех пор, как некий юноша-неандерталец был соблазнен кроманьонской красавицей и подарил ей очаровательное дитя. Эти счастливчики могут узнать, чем пах для неандертальцев вечерний воздух каменного века, приправленный горчинкой от потухающего костра.

Наше лирическое отступление чрезмерно затянулось, но ведь я же предупреждал, что иррационально люблю центромеры и легко могу потерять берега. Сейчас самое время вернуться к основной линии рассказа и обсудить, как именно центромеры участвуют в трех самых главных моментах, которые отличают мейоз от обычного деления клеток. Но глава не резиновая, про это чуть позже.

БИБЛИОГРАФИЯ

Akera T., Chmatal L., Trimm E., et al. Spindle Asymmetry Drives Non-Mendelian Chromosome Segregation. Science. 2017. 358(6363): 668–672.

Aleksenko A., Nielsen M. L., Clutterbuck A. J. Genetic and Physical Mapping of Two Centromere-Proximal Regions of Chromosome IV in Aspergillus nidulans. Fungal Genetics and Biology. 2001. 32(1): 45–54.

Balzano E., Giunta S. Centromeres under Pressure: Evolutionary Innovation in Conflict with Conserved Function. Genes (Basel). 2020. 11(8): 912.

Barea L., Redondo-Río Á., Lucena-Marín R., et al. Homologous Chromosome Associations in Domains before Meiosis Could Facilitate Chromosome Recognition and Pairing in Wheat. Scientific Reports. 2022. 12(1): 10597.

Langley S. A., Miga K. H., Karpen G. H., Langley C. H. Haplotypes Spanning Centromeric Regions Reveal Persistence of Large Blocks of Archaic DNA. ELife. 2019. 8: e42989.

Villasante A., Abad J. P., Méndez-Lago M. Centromeres Were Derived from Telomeres during the Evolution of the Eukaryotic Chromosome. Proceedings of the National Academy of Science of the USA. 2007. 104(25): 10542–10547.

Глава тридцать вторая, в которой автор вытаскивает из механизма мейоза отдельные детальки и любуется ими

Мейотические белки

Центромера – один из важных