Среди сетований о деградации рода человеческого лишь немногие могут претендовать на научное подтверждение. Например – «мужик мельчает». Конечно, не все так буквально: мельчает не мужик, а мужская половая хромосома, одна из самых «субтильных» в нашем кариотипе. Почему так происходит, и чем чреват этот процесс?
Начнем издалека. Во-первых, вспомним, что хромосомы – это структуры, в которые «упакована» ДНК. А ДНК – это длинные цепочки из одних и тех же четырех кусочков, нуклеотидов: подобно буквам, они складываются в «инструкцию», по которой живет любой живой организм.
Большую часть времени хромосомы представляют собой тонкие (шириной 10–30 нм) нити, видимые лишь под электронным микроскопом. Перед делением клетки вся ДНК удваивается, хромосомы с помощью ферментов создают собственные копии и состоят уже не из одной части (хроматиды), а из двух. Затем они укорачиваются более чем в 1000 раз и утолщаются, клетка делится пополам, и каждой из двух ее «дочек» отходят ровно половина ДНК и одна хроматида. Потом новая клетка удвоит число своих хроматид и сама сможет разделиться.
Животные и растения могут иметь самое разное число хромосом (обычно несколько десятков). У человека их 46, у собаки – 78, у мягкой пшеницы, из которой пекут белый хлеб, – 42. Папоротник ужовник густорядный (Ophioglossum reticulatum) – очень древнее, примитивное растение (потомок палеозойских папоротников, которые образовывали влажные тропические леса) – вообще имеет 1320 хромосом! При этом у некоторых других ужовников их всего 90. Как такое может быть? Об этом чуть позже.
Размер хромосом варьирует от 0,2 до 50 мкм. Человеческие составляют 3,8 мкм, у растений они бывают и того меньше, как, например, у арабидопсиса (Arabidópsis thaliána) – растеньица семейства Капустные, которое из-за своих размеров, малого числа хромосом (всего 10) и короткого жизненного цикла (35 дней) стало одним из модельных объектов для генетических исследований. Геном кукурузы – далеко не самый крупный из существующих – содержит в 18 раз больше ДНК, чем геном арабидопсиса. Но ведь ДНК – это информация, так зачем же кукурузе иметь многотомную энциклопедию собственного развития, а программа арабидопсиса записана в маленькой брошюрке?
Ответ на этот вопрос был дан в 60–70-е годы ХХ века, когда накопились знания о структуре ДНК, которая, оказывается, содержит много ненужных последовательностей. Японский ученый Сусуми Оно в 1972 году даже ввел термин «мусорная» ДНК. Геном человека лишь на 2 % состоит из нужных ему для развития генов, 98 % – это «все остальное». Представьте себе книгу, в которой на большинстве страниц вы видите бессмысленный набор букв, обрывки фраз, не связанные между собой, и лишь кое-где – отдельные абзацы осмысленного текста. Таков геном многих организмов.
Из чего состоит «генетический мусор»? И такой ли это мусор? Отчасти – да, это последовательности, которые не кодируют нужные белки, но расходуют энергию на то, чтобы копировать их при делении клетки, а это очень серьезные затраты для организма. Но давайте немного покопаемся в этом «хламе» – что же мы найдем?
Во-первых, мы найдем транспозоны – мобильные генетические элементы (МГЭ): последовательности, которые, не принося организму прямой пользы, но используя его ресурсы, могут сами перемещаться во время деления по геному и увеличивать число своих копий – по сути, размножаться, как компьютерный вирус. В этом они подобны настоящим вирусам живых организмов, и многие из них даже имеют с вирусами родство (есть гипотеза, что МГЭ произошли от вирусов, а не наоборот). Они составляют значительную часть генома: в маленькой «инструкции» арабидопсиса содержится минимум лишнего – всего 14 % мобильных элементов, а вот геном кукурузы прямо-таки забит «посторонними предметами» – их там 84 %.
К чему приводит перемещение мобильных элементов по геному? Основное следствие – постоянное перемешивание генетической информации, ведь МГЭ зачастую захватывает с собой и соседние последовательности, а среди них могут быть гены, отвечающие за развитие организма.
Поскольку мобильные элементы склонны увеличивать копийность – логично предположить, что в скором времени их размножение привело бы к увеличению генома до тех предельных размеров, когда клетка уже не смогла бы функционировать. Раз этого не происходит – значит, существуют механизмы, позволяющие уничтожать или деактивировать эгоистичные последовательности. Это механизмы прямого вырезания и механизмы, запрещающие транспозонам копироваться вместе с другими генами. Например, большинство последовательностей в организме метилировано: к некоторым нуклеотидам в них привязана метильная группа, которая не позволяет работать с ними транскриптазам – ферментам, отвечающим за считывание информации. У человека метилировано 60–70 % ДНК.
Что еще можно найти в «мусорной» ДНК? Обрывки генов, а то и целые гены – по тем или иным причинам не работающие. Повторы, когда последовательность из нескольких нуклеотидных «букв» или целых «абзацев» дублируется десятки и сотни раз. Многие из них играют важную роль в поддержании структуры хромосом, а некоторые – критически важную.
Итак, мы поняли, что геном – не статичная «книга жизни», а весьма подвижная система, зависящая от хрупкого баланса факторов, среди которых и естественный отбор, и мутации, и размножение МГЭ, и многие другие.
Теперь нам проще понять, почему столь различно и число хромосом – ведь движение идет не только на уровне последовательности нуклеотидов. Нити ДНК рвутся, сливаются, порой хромосомы «забывают» разойтись в процессе размножения, и их становится в два раза больше (явление полиплоидии). Бывает, что из-за нарушений в делении хромосомы расходятся неравномерно, и одному организму их достается больше, чем другому. Часто такие перестройки приводят к наследственным заболеваниям (вроде синдрома Дауна у человека), что обычно делает получившийся организм не- или маложизнеспособным. Но бывает и иначе. Тут мы еще раз вспомним про папоротник ужовник: базовое число хромосом у него – 15, но вполне нормально может существовать вид с 30, с 90 и даже тысячей хромосом.
Таким образом, основные причины «разрастания» генома – это накопление «мусорной» ДНК и полиплоидизация, то есть кратное увеличение количества хромосом. Иногда это делает геном стабильнее, в том числе и в эволюционном плане, ведь в нем в неактивном состоянии могут сохраняться (и постепенно мутировать) гены, которые потом, в новых условиях среды окажутся полезными.
Помимо обычного типа деления – митоза, в живых клетках происходит мейоз, который нужен лишь для полового размножения, и поэтому в нем каждой из дочерних клеток (гамет) отходит лишь половина родительских хромосом. Мейоз проходит в два этапа: сначала уменьшается число хромосом, затем – хроматид. Так образуются сперматозоиды (у растений – спермии) и яйцеклетки. Когда две половые клетки потом сольются, дав начало новому организму, число хромосом вновь станет таким, каким должно быть, – половина придет от отца и половина от матери.
Зачем вообще все это нужно? Плодились бы дочерние клетки митозом, рожали бы собственные копии, и никаких проблем – ни любви, ни сбежавших невест, ни падения Трои… Все дело в рекомбинации, то есть перемешивании разного генетического материала: оно дает новые генотипы, которые могут оказаться более приспособленными к условиям среды, чем их предки. Рекомбинация – это материал для отбора, эволюции. Именно поэтому злак, растущий на лугу в относительно стабильных условиях, высевающий сотни семян каждый год, может иногда позволить себе размножаться без скрещивания. А животные, дающие мало потомства, ведущие активный образ жизни, прямо-таки обязаны скрещиваться, искать себе лучшую, а порой просто чем-то неведомым им приглянувшуюся пару.
Однако простого объединения хромосом отца и матери природе оказалось мало – нужно же еще все перемешать. Это тоже происходит в мейозе, на стадии пахитены. В цепочках ДНК двух хромосом происходят разрывы, и нити ДНК из одной хромосомы сливаются с другой. Здесь хромосомы уже достаточно толстые, чтобы быть видимыми в световой микроскоп, но все еще имеют вид длинных нитей, которые у многих видов напоминают бусы. Рисунок этих бус уникален – мы можем идентифицировать каждую хромосому по рисунку ее пахитены и даже создать пахитенную карту хромосом.
Почти все хромосомы в организмах имеют пару, это так называемые гомологичные хромосомы, они практически одинаковы, и именно они расходятся в мейозе в две стороны. Половые же хромосомы порой отличаются очень сильно. Так человек имеет две половые хромосомы – довольно крупный X и маленький Y (он меньше «икса» почти вдвое). Они тоже расходятся в мейозе – каждой половой клетке достается или Y, или X. Мужчина, имеющий в геноме один «икс» и один «игрек», образует два типа сперматозоидов – несущих X- или Y-хромосому. Женщины не имеют Y-хромосомы, поэтому пол потомства зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку. Именно на маленькой Y-хромосоме находятся гены, запускающие развитие организма «по мужскому сценарию».
Половые хромосомы (и вообще пол) возникали и исчезали множество раз на протяжении эволюции как животных, так и растений. Человеческие хромосомы произошли, скорее всего, от гоносом древних млекопитающих. Пол у птиц, млекопитающих и змей, вероятно, образовался независимо, причем из разных пар неполовых хромосом (аутосом). А у рептилий, как и у современных крокодилов, пол определялся температурой, при которой развивалась особь.
Y-хромосома человека – одна из самых маленьких в его кариотипе. Она не рекомбинирует с X -хромосомой, что не позволяет «мужским» генам оказаться на «женской территории». Всем этим мы похожи со многими другими раздельнополыми организмами, например, с плодовой мушкой дрозофилой или хмелем обыкновенным. Дело в том, что мужская Y-хромосома изначально была только гомологом «икса» и лишь с развитием системы наследования пола постепенно стала отличаться. Таким образом, маленькая, нерекомбинирующая Y -хромосома, несущая небольшое число генов, является признаком стабильной, прошедшей длительную эволюцию системы наследования пола.
При развитии пола по «классическому» сценарию, согласно модели эволюции половых хромосом, выдвинутой R . Ming , на определенном этапе на Y-хромосоме начинают накапливаться транспозоны и повторяющиеся последовательности. Вначале это может даже увеличить ее размеры, но впоследствии ведет к деградации, то есть постепенной потере ДНК. Причина в том, что, собственно, ничто не мешает хромосоме деградировать. Потеря какого-то куска ДНК не приводит к негативным последствиям, так как мужской пол уже несет X-хромосому – а на ней присутствуют все гены, которые есть на Y. Естественный отбор особей с отсутствием каких-то генов на «игреке», таким образом, ослабляется. А физическая деградация, то есть уменьшение размера, происходит в результате исчезновения повторяющихся последовательностей.
К чему все это может привести? Вариантов два. Первый – все останется как есть. Y-хромосома уже уменьшилась до неких крайних пределов и сейчас достаточно стабильна, а те гены, что остались на ней, необходимы для функционирования организма, так что на них действует постоянный положительный отбор. По-видимому, они необходимы именно на Y, потому и не происходит их случайное перемещение. Кроме того, около 25 % длины хромосомы составляют крупные палиндромные последовательности, препятствующие ее дальнейшей деградации.
Второй, также возможный вариант – исчезновение Y-хромосомы. При этом женщины будут иметь по-прежнему два «икса», а мужчины – лишь один «икс», без «игрека». Это, однако, чрезвычайно сложно с точки зрения системы наследования пола, так как потребуется ее принципиальная перестройка: ген Sry, запускающий программу развития генома по мужскому типу, находится именно на «игреке».
В принципе, можно вообразить и третий вариант развития событий: постепенное необратимое исчезновение Y без образования новой системы половых хромосом, что должно привести к исчезновению человека как биологического вида – в связи с отсутствием мужчин. Но этот сценарий маловероятен в силу гигантского (для млекопитающих) размера человеческой популяции. Либо всегда будут люди с сохранившейся Y-хромосомой, либо со временем появятся мужчины, у которых пол развивается без участия Y.
