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

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.

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 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.