Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

Во втором делении мейоза все именно так и происходит. А вот в первом делении – так, да не совсем. Нити веретена деления прикрепляются к кинетохорам, но теперь к каждой хромосоме подходят не две нити от разных полюсов, а только одна – нам ведь нужно, чтобы сначала разошлись не хроматиды, а гомологичные хромосомы. Хроматиды остаются склеенными друг с другом. Склеивают их опять же когезины, но в мейозе они немного другие, чем при обычных делениях (страшно подумать, сколько разных полезных белков клетка приберегает только для мейотического деления, вот насколько все это для нее важно!). Эти когезины не растворяются, так что хроматиды остаются вместе. А гомологичные хромосомы до последнего удерживаются вместе потому, что между ними образовались хиазмы – результат кроссинговера. Это тоже важно: чтобы в нужный момент все сработало, веретено должно как следует натянуться, и поэтому микротрубочки тянут за центромеры, то есть за кинетохоры, а хиазмы изо всех сил противостоят этой тяге. Без хиазм весь мейоз пошел бы вкривь и вкось (хотя в некоторых случаях клетки научились без них обходиться).
В общем, центромера – залог того, чтобы хромосома при делении не потерялась, а попала в одну из дочерних клеток. Это билет в генетическое будущее для хромосомы и всех ее генов, включая и саму центромеру. А за билеты в будущее в живой природе идет серьезная борьба – в этом весь смысл эволюции. На протяжении этого рассказа мы не могли не заметить, что, если в природе есть хоть какая-то лазейка для злоупотреблений, непременно найдется кто-нибудь, кто этой лазейкой злоупотребит. Представляете, какую возможность тут дает центромера?! Если в какой-то молекуле ДНК завелась «центромерная» последовательность нуклеотидов, она может превратиться фактически в новую клеточную хромосому, даже если эта молекула клетке не нужна и насквозь проникнута эгоизмом.
Однако, как ни странно, никакие генетические паразиты, ловко использующие центромеру для своего безбедного существования, в природе не замечены. На то может быть две причины – вернее, одна, состоящая из двух взаимосвязанных половинок. Дело в том, что миссия центромеры далеко не всегда задается последовательностью нуклеотидов ДНК. Так обстоят дела, к примеру, у дрожжей: там центромеры маленькие, устроены очень просто, и за это их еще называют точечными. Но у большинства сложных организмов центромеры совсем не такие: они огромные, сложные, состоящие по большей части из бессмысленных повторяющихся последовательностей. Их функция, конечно, тоже связана с последовательностью нуклеотидов, но эта связь не всегда очевидна. Как говорят биологи, иногда эта функция передается эпигенетически: просто хромосома в этой области уложена определенным образом, а когда хромосома удваивается, то и две новые хромосомы в этом месте сворачиваются в такую же загогулину.
Об этих «эпигенетических механизмах» я впервые услышал в 1980-х годах от еще одного моего преподавателя – ныне покойного Давида Михайловича Спитковского (1928–2006). В его лаборатории пытались понять, как к молекуле ДНК привешиваются белки-гистоны, обеспечивающие ее правильную укладку. Целыми днями аспиранты носили туда-сюда огромные куски кровавого мяса – телячью вилочковую железу, или тимус, – а потом мололи их в розовую кашу, чтобы выделить хроматин (хроматином называется комплекс ДНК и всех облепляющих ее белков). В какой-то момент и я молол, хотя и недолго. Увы, больших прорывов тогда не произошло: со структурой хроматина начали по-настоящему разбираться только к 1990-м. Что касается центромеры, ее выдающиеся свойства тоже связаны с гистонами: на месте важного гистона H3 в области центромеры оказывается похожий белок, который называется CENPA (то есть центромерный белок А). Собственно, он в числе прочих белков и определяет, где именно на хромосоме будет центромера. А уж если она выбрала место, то это место сохранится и в последующей череде клеточных делений.
Однако этот эпигенетический механизм, похоже, не слишком жесткий. Иногда он позволяет эволюции выкидывать неожиданный фокус – создавать центромеру на новом месте. Такие кульбиты случаются по эволюционным меркам не так уж редко. Из близких нам существ этим особенно отличались непарнокопытные: на протяжении короткого периода эволюционной истории, отделяющего зебру и осла от их общего предка, такое случалось с полдюжины раз. Этим досадным обстоятельством объясняется тот факт, что мулы не могут рожать маленьких мулят: хромосомы осла и лошади в геноме мула очень похожи между собой, однако центромеры у них находятся в разных местах. При мейозе у мула возникает страшная путаница, и нормальные гаметы не образуются.
 
Зачем центромере проделывать такие трюки? И вот вторая половина объяснения: возможно, паразитам очень сложно конкурировать с настоящими центромерами именно потому, что центромеры и так все время отчаянно конкурируют друг с другом. Если жулик, притворяющийся боксером-профессионалом, выйдет на ринг против настоящих боксеров – он примет самое глупое решение в своей жизни. Паразиты и не пытаются; а вот настоящие центромеры, похоже, миллионы лет шлифуют бойцовские качества в постоянных схватках.
Тот факт, что центромеры конкурируют, был установлен сравнительно недавно. Дело обстоит так: у нас, людей, как и у очень многих организмов, лишь один из четырех продуктов мейоза становится зрелой яйцеклеткой и имеет шанс передать свои гены череде будущих поколений. Остальные три образуют «полярные тела» и по какой-то причине идут на выброс. Сходная практика, кстати, существует и у цветковых растений. Правда, там полярные тела идут в дело: два из них сливаются в диплоидное ядро, а потом при двойном оплодотворении оно становится триплоидным, и из них развивается эндосперм, то есть семечко.
Как бы там ни было, любому гену – и центромере в том числе – очень важно к концу мейоза оказаться в правильной клетке – той, из которой вырастет новый организм. Если вы попали в полярное тело, то в лучшем случае станете плотью лесного ореха, обреченной на съедение равнодушной белкой. Оказалось, что среди центромер происходит самая настоящая конкуренция за выигрыш в этой лотерее. Они научились отличать нити веретена деления, идущие к «правильному» полюсу (отличие там и правда есть – у «неправильных» нитей в белке тубулине на конце часто привешена лишняя аминокислота тирозин). Центромера цепляется за такую нить, вытесняя соперниц. Сильная центромера получает все. Что такое «сила центромеры», никто до конца не понимает, но, вероятно, здесь играют роль размер и число повторяющихся блоков ДНК – вот вам и отбор в пользу огромных, богатых повторами центромер. Видимо, центромера сложна именно потому, что простенькие центромеры не имели в этой борьбе шансов.
Но если паразитические последовательности ДНК, видимо, отказались от попыток имитировать центромеры, то генные инженеры по-прежнему носятся с этой идеей. Довольно давно молекулярные генетики сделали «искусственную хромосому» для дрожжей – у дрожжей, как было сказано, центромера небольшая, и, если просто вставить ее в искусственно собранную молекулу ДНК, такая молекула становится фактически еще одной хромосомой и позволяет делать всякие генно-инженерные штуки. Искусственные хромосомы для человеческих клеток тоже пытаются сделать, но там все намного сложнее.
Раз уж мы погрузились в отступления, отступим еще дальше. Четверть века назад я тоже попытался сделать искусственную хромосому, но не для дрожжей и тем более не для людей, а для нашего грибка аспергилла. Но возникла проблема: у аспергилла, хоть он и грибок, как и дрожжи, центромеры совсем не точечные, а по сложности где-то на полпути к человеческим. Они огромные, все разные и состоят в основном из бессмысленно повторяющихся последовательностей ДНК. Задача сначала выглядела сложной, а потом оказалась невыполнимой.
Наверное, каждый биолог любит свой объект исследования, и порой эта любовь граничит со стокгольмским синдромом. В моем случае центромера определенно не ответила взаимностью на мою любовь: в ее структуре мне тогда разобраться не удалось. Я лишь примерно определил, из каких кусков она состоит, и оценил ее размер – не менее 50 000 букв-нуклеотидов. Однако бесконечные вереницы бессмысленных повторов не позволили вникнуть в детали конструкции и уж тем более создать на ее основе что-то полезное для практики. И еще оказалось, что в этой области генома кроссинговер, то есть рекомбинация, происходит гораздо реже, чем в среднем. Возле центромер рекомбинация подавлена. Я написал про это статью, потому что надо же было как-то отчитываться за деньги гранта, но мои попытки проникнуть в тайну центромер аспергилла на этом завершились.