Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии
Подведем хоть какие-то итоги, попытавшись все же ответить на сакраментальный вопрос: «И зачем все это нужно?!» Есть три кита: рекомбинация, узнавание гомологичных хромосом, правильное расхождение хромосом при мейозе по дочерним клеткам. Кто из этих китов на ком стоит? Рекомбинация – если не всегда, то по крайней мере часто – 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 упорядоченная 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 перетасовка генов – вообще не главная задача, а просто побочный продукт всей описанной кутерьмы, пусть и весьма удачный. Так ли 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. При этом, несмотря на все ухищрения, ошибки все же случаются. Из следующих глав мы узнаем о «чекпойнтах» – особых механизмах 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 больше миллиарда лет назад, и до сегодняшнего дня – все вышеописанное прошло как надо.
БИБЛИОГРАФИЯБогданов Ю. Ф. Белковые механизмы мейоза // Природа. 2008. № 3. С. 3–9.
Ding D. A Rush Hour Towards Sexual Reproduction: The Chromosome Dynamics During Meiosis. Chinese Science Bulletin. 2011. 56: 3500–3503.
Ding D. Q., Haraguchi T., Hiraoka Y. From Meiosis to Postmeiotic Events: Alignment and Recognition of Homologous Chromosomes in Meiosis. FEBS Journal. 2010. 277(3): 565–570.
Ding D. Q., Okamasa K., Yamane M., et al. Meiosis-Specific Noncoding RNA Mediates Robust Pairing of Homologous Chromosomes in Meiosis. Science. 2012. 336(6082): 732–736.
Li W.-C., Chuang Y.-C., Chen C.-L., et al. Two Different Pathways for Initiation of Trichoderma reesei Rad51-only Meiotic Recombination. bioRxiv. 2019. 644443.
Miné-Hattab J., Rothstein R. Increased Chromosome Mobility Facilitates Homology Search During Recombination. Nature Cell Biology. 2012. 14(5): 510–517.
Naranjo T. Finding the Correct Partner: The Meiotic Courtship. Scientifica (Cairo). 2012. 509073.
Phillips C. M., Dernburg A. F. A Family of Zinc-Finger Proteins Is Required for Chromosome-Specific Pairing and Synapsis during Meiosis in C. elegans. Developmental Cell. 2006. 11(6): 817–829.
Solé M., Blanco J., Gil D., et al. Time to Match: When Do Homologous Chromosomes Become Closer? Chromosoma. 2022. 131(4): 193–205.
Van Heemst D., Heyting C. General Discussion: Sister Chromatid Cohesion and Recombination in Meiosis. Chromosoma. 2000. 109(1–2): 10–26.
Zickler D., Kleckner N. Recombination, Pairing and Synapsis of Homologs during Meiosis. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2015. 7(6): a016626.
Глава тридцать первая, в которой читатель погружается в сердцевину тьмы
Центромера
Мы оставили наши гомологичные хромосомы в тот момент, когда они соединились по всей длине, образовав синаптонемные комплексы (СК), и наконец-то занялись генетической рекомбинацией. Когда они с этим закончат, СК тут же разрушится, а хромосомы слегка разойдутся, так что в микроскоп будут видны перекрестия, или хиазмы, или кроссинговеры – те места, где гомологи разорвались и соединились крест-накрест.
Давайте здесь поставим процесс мейоза на паузу. Кстати, именно в этом месте его отчего-то ставит на паузу и природа: в созревающих яйцеклетках человека, как и у некоторых других существ, в этот момент наступает так называемый «первый мейотический арест». Так и не разведя свои гомологичные хромосомы к полюсам, клетка прекращает всякие «телодвижения» и замирает в этом состоянии, пока у организма не возникнет реальная нужда в зрелой яйцеклетке.
Долго ли длится арест? О да, довольно долго, даже и по человеческим, а не по клеточным меркам, – многие годы. Мейоз начинается, когда эмбрион-девочка находится еще в утробе матери. Там же будущие яйцеклетки и попадают «под арест». Свободу они получат только во взрослой жизни – когда очередная яйцеклетка выйдет в вольное плавание в результате овуляции. Но и тогда мейоз не доходит до конца… впрочем, об этом позже. Сейчас мы поставим нашу историю на паузу не на годы, а лишь на короткое время – и только для того, чтобы чуть подробнее рассказать о некоторых важных героях этого процесса. Не исключено, что поначалу большинству уважаемых читателей эта информация может показаться совершенно избыточной и бесполезной. Но, возможно, любопытство все же пересилит, и глава окажется прочитанной до конца.
До сих пор мы, как могли, обходили одно узкое место. Когда немецкий биолог Вальтер Флемминг (1843–1905) открыл это место в 1882 году, он мало что мог о нем сказать, кроме того, что оно действительно узкое. На самом деле Вальтер Флемминг внес в биологию вклад, который небиологу, да и многим современным биологам сложно оценить. Он придумал окрашивать микроскопические препараты анилиновыми красителями. Сейчас вы лишь снисходительно улыбнетесь, но тогда это означало лавину новых знаний. В клетке сразу стало видно много такого, что не удавалось разглядеть без красителя, в том числе и странные тельца в ядре, которые окрашивались как-то очень охотно. Потом их за это назвали хромосомами, и можно даже сказать, что именно Флемминг их и открыл.
Теперь-то мы знаем, почему хромосомы так хорошо окрашиваются: ДНК в них отрицательно заряжена благодаря фосфатам в ее каркасе, а сверху она облеплена положительно заряженными белками – гистонами, которые и отвечают за все прихотливые хромосомные плетения и упорядоченную укладку. Благодаря гистонам хромосомы кое-где плотные и тесно скрученные (или, как говорят серьезные люди, компактизованные), а кое-где распускаются, чтобы сделать возможной работу генов. И все эти области хромосомы окрашиваются по-разному.
Ничего этого Флемминг не знал, и даже слово «хромосома» придумал не он. Однако именно он заметил, что во время клеточного деления на хромосомах образуются перетяжки – те самые «узкие места». Это и есть центромеры, первооткрывателем которых Флемминг, несомненно, и является.
Центромера заявляет о себе не только в мейозе, но и при любом клеточном делении, поэтому мы до сих пор и не спешили объявить ее главным героем нашей истории. Чтобы хромосомы правильно разошлись к полюсам клетки, нужно, чтобы к каждой из них (а они, как мы помним, к этому моменту состоят из двух сестринских хроматид) прикрепились две нити веретена, идущие от разных полюсов клетки. Веретено начинает тянуть хромосомы в разные стороны, а они до последнего цепляются друг за друга. Наконец центромеры разделяются и хромосомы расходятся.
На самый поверхностный взгляд центромера – это просто некое «место» на ДНК с определенным порядком нуклеотидных букв. Чтобы все сработало, на ней образуется особый белковый сгусток – кинетохор. Именно за кинетохоры и зацепляются тубулиновые нити, чтобы тащить их, каждый в свою сторону. А за то, чтобы центромеры до последнего оставались склеенными, отвечают белки-когезины, о которых шла речь в прошлой главе. В нужный момент этот когезиновый клей как по команде растворяется, веретено сокращается, и клетка переходит к следующим шагам своего деления.