Продолжаем публикацию цикла «Зачем живые любят друг друга» о загадках размножения и других парадоксах биологии. В этой особенно длинной главе папины и мамины хромосомы встречаются и наконец-то приступают к рекомбинации.
Иллюстрация: Лика Сочкина
Предыдущую главу читайте здесь: Секс в эпоху ядерной угрозы
Глава двадцать девятая, в которой давно разлученные родственники находят друг друга
Итак, мы слегка освежили в памяти классические представления о рекомбинации. 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 части истории 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 движется: как ни посмотри на него 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 (тот самый, который 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. Особенно в этом отличился 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 тварей. 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. Это много или мало? Если сравнивать с размером клетки — порядка десятков микронов — темп получается вполне впечатляющий.
Зачем они это делают? В этой части рассказа сакраментальный мини-диалог «Зачем? — Точно не известно» можно вставлять почти после каждой фразы, но договоримся пропускать подобные реплики на письме, а просто все время иметь их в виду. Так вот, если у вас есть моток перепутанных проводов, не самый дурацкий 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, потому что мутанты по соответствующему гену не способны к споруляции. А потом оказалось, что очень похожие белки есть и у всех остальных, включая меня и вас. 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.
Капризный автохтон: 5 особенностей вин из «красностопа» Читайте также
Однако затем 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 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 упомянутый 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, у гермафродитов 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.
Оцените простоту инженерного замысла, доходящую до идиотизма: 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 друг друга узнать.
Итак, тем или иным способом, или с помощью их комбинации, или еще каким-то доныне неведомым образом, но наконец хромосомы-гомологи узнают друг друга. Задержимся на этом моменте, чтобы прочувствовать его важность. До сих пор гомологичные хромосомы влачили свою жизнь порознь. Сначала они жили в разных особях популяции, возможно, не встречаясь десятки тысяч лет. Все наслышаны о том, как археогенетики искали «Y-хромосомного Адама» — то есть общего предка всех Y-хромосом — и у них получалось, что этот предок существовал от сотни до нескольких сотен тысяч лет назад. Остальные человеческие хромосомы тоже могут иметь весьма удаленных общих предков и никогда не встречаться, если, конечно, речь не идет о браке близких родственников. Потом юноша и девушка понравились друг другу и решили завести семью (или просто плохо предохранялись). Хромосомы наконец-то оказались в одном ядре, но у них все равно еще не было случая наладить контакт. И лишь через некоторое время после встречи юноши и девушки и после встречи их клеток — чуть позже мы выясним, через какое именно время, — наконец происходит встреча самих хромосом.
Такое событие клетка обставляет со всей возможной торжественностью. Напомню, что к этому моменту каждая из гомологичных хромосом удвоена, то есть состоит из двух хроматид. В начале мейоза между хроматидами начинает формироваться хромосомная ось. Она похожа на то, как сестринские хроматиды удерживаются вместе перед обычным клеточным делением, — их склеивают белки-когезины. Однако при мейозе эти белки немного другие, особенные. Вообразите толстый белковый шнур, к которому с двух сторон прикреплены тоненькие ниточки ДНК, причем между точками крепления они образуют торчащие наружу петли, так что всё вместе немного похоже на ершик для мытья посуды. Именно в таком нарядном виде хромосомы являются к моменту своей встречи. Когда процесс поиска гомолога завершен, две хромосомных оси располагаются параллельно друг другу на расстоянии около 400 нанометров.
Дальше происходит нечто загадочное. На хромосомной оси собираются разные белки, причем из некоторых торчат заряженные отростки. В результате вся конструкция из двух осей напоминает расстегнутую молнию. А потом молния просто застегивается! Отростки zip-белков (так они называются) смыкаются друг с другом за счет электрического взаимодействия, и гомологичные хромосомы соединяются по всей длине, так что их оси теперь уже оказываются на расстоянии всего около сотни нанометров друг от друга. Называется вся эта конструкция «синаптонемный комплекс», сокращенно СК. Некоторые организмы (например, мой любимый гриб аспергилл или самцы дрозофилы) обходятся без него, но самый правильный мейоз, конечно, сопровождается образованием СК.
Зачем всё это? Простой ответ: чтобы две молекулы ДНК могли беспрепятственно рекомбинировать. Действительно, расстояние в 100 нм как будто специально подобрано для того, чтобы после внесения двойных разрывов одноцепочечные хвосты ДНК, облепленные белками Rad51 (он же RecA), могли легко дотянуться до гомологичной хромосомы. Искать им уже ничего не надо: благодаря всей этой механике гомологичные места в хромосомах находятся точно напротив друг друга. На хромосомных осях были замечены «рекомбиносомы» — белковые машины, обустраивающие разные этапы рекомбинации. Там, где они замечены, впоследствии возникают «хиазмы» — видимые в микроскоп перекрестия хромосом, свидетельствующие о том, что хромосомы обменялись участками: произошел кроссинговер.
Однако простым ответом не так-то легко удовлетвориться. Мы уже знаем, что именно с помощью двойных разрывов и рекомбинации у многих организмов гомологичные хромосомы находят друг друга и укладываются рядышком по всей длине. А теперь нам пытаются сказать, что это укладывание само необходимо для рекомбинации. Получается замкнутый круг, по которому читателя явно водят за нос. Так что вот вам сложный ответ, который звучит даже проще, чем простой: на самом деле никто до сих пор не знает, зачем нужен синаптонемный комплекс, во всей его роскошной сложности, тем более что кое-кто прекрасно обходится и без него. В одном замечательном научном обзоре упомянуто целых семь гипотез, объясняющих роль СК, и это тот случай, когда семь хуже единицы.
Кое о чем, однако, ученые догадываются. Вот, например, один факт: число хиазм на хромосому обычно не так уж велико и исчисляется единицами. В то же время число первоначальных двойных разрывов, то есть «попыток рекомбинации», может достигать сотен*. Наверняка именно сложная механика СК помогает выбрать те немногие точки, где рекомбинация действительно пройдет, то есть структура Холлидея будет разрезана так, чтобы произошел обмен, как показано на картинке в прошлой главе. А остальные ликвидируются с минимальными потерями, как на другой половине той же картинки.
Итак, СК, возможно, приспособлен для того, чтобы точки рекомбинации располагались не слишком редко, но и не слишком часто. Слишком много рекомбинации — плохо, потому что это все же опасное дело и есть риск повредить хромосому, порубив в лапшу собственные бесценные гены. А если кроссинговеров будет слишком мало или не будет вообще, то не смогут натянуться нити веретена деления, потому что именно хиазмы удерживают гомологичные хромосомы вместе до самого последнего момента — до нового расставания. Тогда всё опять-таки пойдет неправильно: расставание выйдет скомканным и кто-то потеряется.
Кроме того, при мейозе важно не перепутать сестринские и гомологичные хроматиды. Рекомбинация должна произойти именно между гомологами, хотя, казалось бы, сестринские хроматиды гораздо «гомологичнее» — они попросту одинаковы — и при обычной клеточной жизни рекомбинируют чаще всего именно они. СК как минимум помогает в этом разобраться, потому что сестринские и гомологичные хроматиды расположены в нем в строгом порядке: первые соединены хромосомной осью, а вторые — «молнией». Это, наверное, позволяет клетке их различать.
Подведем хоть какие-то итоги, попытавшись все же ответить на сакраментальный вопрос: «И зачем всё это нужно?!» Есть три кита: рекомбинация, узнавание гомологичных хромосом, правильное расхождение хромосом при мейозе по дочерним клеткам. Кто из них на ком стоит? Рекомбинация нужна для узнавания, хотя в обычной жизни клетки ее роль в том, чтобы чинить повреждения ДНК. Узнавание нужно для того, чтобы хромосомы образовали СК и потом правильно разошлись по клеткам. СК нужен, чтобы упорядочить рекомбинацию. А рекомбинация опять же нужна для того, чтобы образовались хиазмы — они помогают нитям веретена деления правильно натянуться, и без них хромосомам сложнее правильно разойтись по клеткам. В общем, все киты стоят друг на друге, и надо быть Морисом Эшером, чтобы все это изобразить, не говоря уж о том, чтобы описать словами.
И еще мы в суматохе совсем забыли о том, с чего началась вся история: рекомбинация и мейоз нужны для того, чтобы тасовать гены и избавлять организмы от мутационного груза. Из этой главы может создаться впечатление, что это вообще не главная задача, а просто побочный продукт всей описанной кутерьмы, пусть и весьма удачный. Так это или нет, ученые рано или поздно непременно узнают.
А вот что мы узнали наверняка, так это насколько важно клетке провести весь процесс безошибочно, не растеряв свои хромосомы, и какие сложные и разнообразные приемы она для этого использует. Цена ошибки очень велика: если хромосомы при мейозе разойдутся неправильно, то ваши гаметы (или споры, если вы гриб) окажутся негодными, и потенциально бесконечная родословная прервется.
А ведь ошибиться очень легко. В наших хромосомах полным-полно повторяющихся последовательностей, которые всё запутали бы, если бы клетка полагалась в этом деле только на простую рекомбинацию, как у бактерий. Например, есть такой небольшой повтор, он называется Alu, всего из 300 букв, которого в нашем геноме около миллиона штук. Для рекомбинации такой длины вполне достаточно, но представьте себе, если хромосомы будут бросаться друг к другу, как родные, заметив у незнакомца Alu-повтор. В какой хаос все превратится! Потому и были придуманы, видимо, природой все эти усложнения, что наши геномы и так уже в состоянии порядочного хаоса. Вместо того чтобы проводить генеральную уборку, эволюции оказалось удобнее нагородить весь этот огород, позволяющий сделать хаос отчасти управляемым. И это не всегда получается, как мы узнаем из следующих глав, где будут упомянуты «чекпойнты» — особые механизмы проверки, правильно ли идет мейоз и не проще ли сразу убить незадачливую клетку, которая запуталась в своих хромосомах.
Но раз уж наш уважаемый читатель читает эти строки, значит, в генеалогической линии его предков — от далекого LECA, общего предка эукариот, жившего минимум миллиард лет назад, и до сегодняшнего дня — все вышеописанное прошло как надо.
* Примечание: интересно, что у тех, кто обходится для поиска гомологов без всяких двойных разрывов, вроде червяка с его дурацкими табличками на хромосомах, число этих разрывов на порядок меньше.