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

Нет, терпеливо отвечал им Дарвин: от светочувствительного пятна до сложного глаза с хрусталиком и диафрагмой можно добраться маленькими шажками, каждый из которых сделает организм более приспособленным к жизни, а потому будет поддержан естественным отбором. Эта идея – о том, что любой сложный признак можно получить из простого путем маленьких полезных усовершенствований, – называется градуализмом, и Дарвин твердо стоял на этом.

С мейозом такой фокус не проходит, потому что никаких промежуточных ступенек вы в природе не найдете. Если вы тем не менее продолжаете верить в градуализм, то промежуточные ступеньки придется воображать из головы, и эта задачка оказалась одной из сложнейших в биологии. Размышления над ней вынудили классика эволюционной теории Уильяма Гамильтона написать в конце 1990-х годов следующие слова: «Если есть во всей эволюционной цепочке одно событие, при мысли о котором мой разум позволяет благоговейному изумлению подавить во мне способность анализировать и где я готов признать, что повсеместное господство дарвиновского градуализма может быть не так просто увидеть, это событие – возникновение мейоза» (Narrow Roads to Gene Land: Evolution of Sex)[23].

Надо полагать, Гамильтон все же находил способы овладеть собой и как-то взбодрить свою способность к анализу, потому что написал об эволюции секса множество статей, изобилующих плодотворными идеями на этот счет. Увы, Уильям Дональд Гамильтон умер от малярии вскоре после выхода своей книги. За последующие два десятилетия было выдвинуто множество гипотез о том, из каких именно простых шагов мог состоять путь нашего предка к мейозу. Кое в чем биологи пришли к согласию (ясно, к примеру, что мейоз произошел от митоза), а чтобы всерьез анализировать тонкие различия гипотез, ни автор, ни читатели не обладают достаточным багажом знаний. Поэтому рассмотрим напоследок только одну из идей. Ее высказал Робин Холлидей в своей статье, написанной в соавторстве с Адамом Уилкинсом. Холлидей написал ее в 2009 году, за пять лет до своей кончины и спустя почти полвека после того, как он же предложил модель рекомбинации ДНК, включающую знаменитую крестообразную «структуру Холлидея», которая его и прославила. Вполне понятно желание ученого подвести некую черту под полувековой историей изучения рекомбинации и секса, в которую он внес столь важный вклад, – хотя сама история пока еще далека от завершения, но жизнь-то не бесконечна. К тому Уилкинс и Холлидей выбрали эпиграфом для своей статьи ту самую фразу Гамильтона, которую я привел выше, так что остается кратко пересказать и остальное.

Итак, мейоз произошел от митоза, в этом нет никаких сомнений. В нем есть все то, что есть в митозе, но есть и кое-что еще. Уилкинс и Холлидей насчитали четыре таких важных добавления.

Во-первых, спаривание гомологичных хромосом.

Во-вторых, рекомбинация между гомологами (а не между сестринскими хроматидами, как это чаще всего бывает в обычной жизни клетки).

В-третьих, отказ сестринских хроматид расставаться в первом делении (мы еще помним, что их склеивает белок когезин, а другой белок, монополин, придает асимметрию кинетохору, так что нити веретена деления прикрепляются к хромосоме только с одной стороны).

В-четвертых, отсутствие удвоения хромосом перед вторым делением мейоза.

Проблема для тех, кто ищет «градуалистическое» объяснение этого сложного механизма, в том, что для успеха предприятия нужны все четыре элемента: без любого из них задача не будет выполнена.

Мы уже упоминали красивую идею Томаса Кавалье-Смита: наши «в-третьих» и «в-четвертых» можно легко объединить общей логикой. При обычном клеточном делении когезиновый клей полностью растворяется перед тем, как хромосомы разойдутся по разным ядрам. Отсутствие этого клея – верный признак, что деление прошло нормально и клетке пора снова удваивать свои хромосомы. А после удвоения сестринские хроматиды вновь окажутся склеенными. Итак, пока хроматиды склеены, удваивать хромосомы не надо. А при мейозе после первого деления они как раз и остаются склеенными, так что «в-четвертых» наступает совершенно естественным образом: клетка решает, что репликация ДНК уже произошла и можно сразу переходить к следующему делению. Кавалье-Смит считал, что именно это и есть тот самый главный шаг, который сделала эволюция для превращения митоза в мейоз.

Но ничего этого не могло бы произойти, если бы перед этим гомологичные хромосомы не нашли друг друга. Остается предположить, что это и есть самое главное новшество: надо заставить гомологичные хромосомы совместиться и вставить это событие прямо в середину митотического цикла, между удвоением ДНК и расхождением хромосом по дочерним клеткам. Между тем это новшество не так уж и ново. У разных организмов отмечено некое взаимное влечение между хромосомами-гомологами. У дрозофилы, к примеру, они явно тяготеют друг к другу во всех соматических клетках, и даже у диплоидных дрожжей гомологичные хромосомы местами порой как-то подозрительно прилегают друг к другу.

Это и неудивительно: в двадцать седьмой главе мы уже упоминали про парасексуальный процесс, когда никакого мейоза нет, но хромосомы все равно находят возможность для рекомбинации. Ясно, что для этого им надо как-то сблизиться, хотя бы местами. Есть, впрочем, два коренных отличия: во-первых, митотическая рекомбинация происходит на несколько порядков реже, чем рекомбинация в мейозе. Во-вторых и в-главных, хоть эту рекомбинацию и называют митотической, но вот как раз во время митоза ее и не бывает: хромосомы заканчивают все свои шуры-муры до того, как дело дойдет до клеточного деления, так что гомологи вступают в митоз совершенно независимо друг от друга.

Однако ясно, что именно здесь можно внести небольшое – «градуалистическое»! – изменение: как-то поощрить хромосомы, чтобы они не расставались перед делением, а наоборот – соединились как можно точнее, и не кое-где, а сразу по всей длине. К клеточному делению они должны приступить именно в таком соединенном виде. Это и есть синапсис – ключевое новшество мейоза.

В чем же польза от этого новшества, побудившая наших предков внедрить его повсеместно? Понятно, что рекомбинация позволяет перетасовывать гены, избавляясь от вредных аллелей, а также чинить ДНК по образцу гомологичной последовательности, однако ничто не мешало проделывать все это и без мейоза. Митотическая рекомбинация хоть и редко, но бывает, и, наверное, увеличить ее частоту даже в десятки тысяч раз все же проще, чем конструировать совершенно новый процесс. Но тут-то и вступает в действие провокационная идея Уилкинса и Холлидея. Согласно их гипотезе, синапсис гомологичных хромосом нужен не для того, чтобы стимулировать рекомбинацию, а напротив – чтобы удержать ее в узде.

Действительно, синапсис – это точное соединение хромосом по всей длине, и ключевое слово здесь «точное». Рекомбинация, как мы говорили, дело нужное, но опасное: в ней случаются ошибки. Например, ею могут заняться два похожих гена (или две идентичные копии гена), расположенных в разных местах двух гомологичных хромосом. В результате мы получим две неодинаковые хромосомы: в одной фрагмент ДНК, лежащий между такими генами, будет удвоен, а в другой утерян[24]. Возможно, именно эта сложность и не позволяет просто так увеличить частоту рекомбинации на порядки величины: лавина хромосомных повреждений оказалась бы убийственной. Потому-то и надо сначала приложить друг к другу хромосомы как можно точнее, чтобы напротив друг друга оказались не просто похожие последовательности ДНК, а гены-братья, расположенные в том же самом месте.

У мейоза есть одна любопытная особенность, как бы намекающая, что его задачей и правда вполне может быть жесткий менеджмент рекомбинации. Как я уже упоминал, в начале мейоза в хромосомах возникают сотни двойных разрывов – они нужны хотя бы затем, чтобы обеспечить точное спаривание гомологов, не говоря уже о пресловутой починке повреждений. Однако лишь очень небольшая их доля превращается в настоящие точки рекомбинации: на каждую пару хромосом обычно приходится всего две-три, а иногда и одна-единственная хиазма. Похоже, мейотические белки специально занимаются тем, чтобы подавляющее большинство затеянных рекомбинаций завершилось ничем. Более того, генетики хорошо знают о такой штуке, как интерференция: если где-то произошел кроссинговер, то есть хромосомы поменялись участками, то в окрестностях этой точки вероятность второго такого события будет очень низкой. А это именно и значит, что механизмы мейоза не дают рекомбинации особенно разгуляться, при этом бесстыдно используя ее для всяких полезных нужд.

Почему вдруг нашему предку понадобилось закручивать гайки и посягать на свободу рекомбинации? И тут опять на сцене появляются эгоистичные элементы, атаке которых, как кажется, подвергся наш общий предок в первые миллионы лет своей истории. Расселившись по геному, они, сами того не желая, создали в нем множество точных