Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

HAP2 кодирует белок, принадлежащий к семейству фузексинов (fusexins). Эти белки умеют соединять две клеточные мембраны и перетасовывать их компоненты таким образом, что образуется соединяющая две мембраны трубка. Фузексины встречаются даже у вирусов, облегчая вирусной частице проникновение через клеточную мембрану. Впрочем, вирусы могли позаимствовать свои фузексины от других организмов.
В этой истории попытался разобраться Бенджамин Подбилевич из Израильского института технологий в Хайфе вместе с коллегами из Уругвая и еще пяти стран, о чем они и написали статью. Сравнив известные фузексины, они установили, как мог бы выглядеть предковый белок, то есть ген. Оказалось, что очень похожие гены есть в геномах архей (тех самых архей, которые, приютив внутри себя бактерию, дали начало эукариотам, то есть нашей ветке жизни). Что делал фузексин внутри архей – действительно ли помогал им сливать свои клетки? Ну, по крайней мере, мог бы. Чтобы доказать это, исследователи заставили реконструированный ген работать в культуре клеток млекопитающих, и эти клетки стали сливаться.
Вполне возможно, что фузексин помогал и продолжает помогать археям устроить что-то подобное половому процессу: к примеру, выстроить мостик от клетки к клетке, через который можно обменяться необходимыми генами. Но вот интересный поворот сюжета: у архей гены фузексинов находятся в геноме не где попало, а чаще всего в составе встроенных паразитических последовательностей, или «эгоистичных элементов», способных прыгать в хромосоме с места на место и размножаться быстрее, чем хозяйская клетка.
Если не обременять себя строгими доказательствами и оговорками, вырисовывается привлекательная гипотеза. Изначально фузексин был частью вооружения эгоистичного элемента, генетического паразита. И это очень полезное оружие: без него элемент мог прыгать с места на место только в пределах одной клетки, но если элемент мог заставить свою клетку слиться с другой, то перед ним открывалось блестящее поприще, целый новый геном, который предстояло освоить. Он фактически превращался в вирус. Или, возможно, все было наоборот: фузексин когда-то и был частью вируса, который затем избавился от лишних сложностей вроде белков оболочки вирусной частицы, но оставил себе последнее оружие, чтобы все-таки иногда заражать другие клетки.
О том, что некоторые археи могут выстраивать мостики между клетками и обмениваться через них кусочками ДНК, известно довольно давно (впрочем, этим ловко занимаются и бактерии). Затем оказалось, что при определенных условиях можно даже заставить две клетки архей по имени Haloferax volcanii слиться в одну. А когда эта глава уже была почти дописана, появилась научная статья, которая перевела всю эту историю из категории догадок в следующую категорию – «гипотезы в процессе подтверждения». Авторы статьи нашли клеточный скелет у археи из группы асгардархей. А это не просто одна из групп: считается, что из ныне живущих прокариот именно асгардархеи ближе всего к нашему общему предку. В частности, авторы увидели, как благодаря своему клеточному скелету, сделанному из белка актина (как и у нас), клетки этих существ ловко объединяются друг с другом и, очевидно, легко могут обменяться генетическим материалом. Тех, кто интересуется подробностями, отошлем к статьям Александра Маркова на «Элементах».
Как бы то ни было, археи, оказывается, имели все необходимое для слияния клеток задолго до того, как их потомки-эукариоты воспользовались этим инструментарием, чтобы заняться сексом. Это открытие – часть большого сюжета, который прямо сейчас разворачивается в биологии. Долгое время казалось, что множество признаков сложных организмов не встречаются ни у бактерий, ни у архей, – они как будто возникли на пустом месте после «великого симбиоза». Но постепенно один за другим появляются факты, свидетельствующие, что на самом деле все это уже было – и было чаще всего именно у архей, очень плохо изученной, в отличие от бактерий, группы организмов. Конечно, большинство наших генов мы получили в наследство как раз от бактерий – об этом подробно рассказано в книге Евгения Кунина «Логика случая». Но вот такие факты прямо-таки провоцируют меня по-дилетантски ляпнуть, что, по существу, все мы с вами, дорогие читатели, просто археи, сильно развившие свои природные дарования и нахватавшиеся кое-чего от бактерий, но придумавшие не так уж много нового.
 
Конечно, любой серьезный биолог приведет тысячу аргументов, что это совсем не так, а то и просто зло высмеет меня без всякой аргументации. Ну что ж, такова наша популяризаторская доля. А потому что надо меньше умничать!
Как бы то ни было, сливать клетки мы научились. Но оказывается, мы умеем и многое другое, так что, когда дело доходит до секса, остается лишь применить в новой области уже давно освоенные приемы. Об этом – в следующей главе.
БИБЛИОГРАФИЯ
Марков А. Полиплоидность предков эукариот – ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза. См.:  https://elementy.ru/novosti_nauki/432771/Poliploidnost_predkov_eukariot_klyuch_k_ponimaniyu_proiskhozhdeniya_mitoza_i_meyoza
Марков А. У асгардархей обнаружен сложный актиновый цитоскелет. См.:  https://elementy.ru/novosti_nauki/434054/U_asgardarkhey_obnaruzhen_slozhnyy_aktinovyy_tsitoskelet
Gross J., Bhattacharya D. Uniting Sex and Eukaryote Origins in an Emerging Oxygenic World. Biology Direct. 2010. 5: 53.
Markov A., Kaznacheev I. S. Evolutionary Consequences of Polyploidy in Prokaryotes and the Origin of Mitosis and Meiosis. Biology Direct. 2016. 11: 28.
Moi D., Nishio S., Li X., et al. Discovery of Archaeal Fusexins Homologous to Eukaryotic HAP2/GCS1 Gamete Fusion Proteins. Nature Communications. 2022. 13(1): 3880.
Rodrigues-Oliveira T., Wollweber F., Ponce-Toledo R.I., et al. Actin Cytoskeleton and Complex Cell Architecture in an Asgard Archaeon. Nature. 2023. 613(7943): 332–339.
Rosenshine I., Tchelet R., Mevarech M. The Mechanism of DNA Transfer in the Mating System of an Archaebacterium. Science. 1989. 245(4924): 1387–1389.
  
Глава двадцать седьмая, в которой появляется слово «парасексуальный»
 
Секс до секса
 
Чем точно не может похвастаться наш рассказ, так это систематизмом изложения: например, уже много страниц назад впервые мелькнуло слово «мейоз», но пока еще не рассказано, что же это такое. Рекомбинация упомянута в третьей главе, сейчас у нас уже двадцать седьмая, а схемы рекомбинации все еще не нарисованы. Ну и вот совсем вопиющий случай: так и не перейдя к рекомбинации и мейозу, я вздумал упомянуть о парасексуальном процессе. Ни один здравомыслящий биолог не стал бы располагать факты в таком порядке. А мы будем, потому что терять уже нечего. К тому же мы пытаемся понять, как наши предки пришли к сексу, и нельзя исключать, что они тоже двигались по этому пути вопреки всякой логике и, возможно, тоже начали с парасексуального процесса.
В прошлой главе мы выяснили, что научиться сливать свои клетки эукариотам было, видимо, совсем несложно: все необходимое досталось им в наследство от архейного родителя. Следуем дальше: оказывается, сливать ядра (это называется кариогамия) – тоже не бином Ньютона. А когда ядра сольются, в них произойдет рекомбинация.
В студию возвращаются два сорта плесени Aspergillus nidulans, которые в прошлой главе слили свои клетки, чтобы избежать голодной смерти. Напомню: одна плесень была с желтыми спорами и не умела сама синтезировать аминокислоту триптофан, а вторая – с белыми спорами и не могла синтезировать аргинин. Тем не менее, когда мы посадили их вместе на среду без аргинина и триптофана, у нас выросли колонии со смешанными бело-желтыми спорами – дикарионы, в которых после слияния клеток перемешались ядра двух наших грибков. Колонии росли на бедной среде потому, что два типа ядер могли совместно обеспечивать потребности гриба в аминокислотах. Однако ни белые, ни желтые споры-конидии не прорастали: в споре-то ядро только одно, а поодиночке они справляться так и не научились.