Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

Кто же знал, что это будет так сложно! Никто меня вовремя не предупредил.
Между тем гораздо позже, два десятилетия спустя, я прочитал следующую нелицеприятную характеристику: «Центромера – это сердцевина тьмы в геноме. Мы предупреждаем студентов, чтобы они туда не совались». Это сказал генетик из Калифорнии Чарльз Лэнгли, причем сам-то он туда сунулся – и открыл в человеческих центромерах много интересного. Отчасти это «интересное» связано с тем фактом, о котором я только что упоминал: в области центромер кроссинговер, то есть генетическая рекомбинация, сильно подавлен.
Мы, люди, очень любим выстраивать свои родословные – чего стоит хотя бы общеизвестное «Авраам родил Исаака, Исаак родил Иакова, Иаков родил Иуду и братьев его». Однако так просто и линейно все происходит только у бактерий, а людям все карты путает секс: у каждого из нас не один, а два родителя, и их гены в каждом поколении перемешиваются. Насколько этот самый секс мешает, к примеру, чинному и упорядоченному престолонаследию, всем известно если не из европейской истории, то хотя бы из телесериалов «Игра престолов» и «Дом дракона». Из-за рекомбинации в наших геномах сложно найти более или менее протяженный кусок, полученный от предка даже в десятом поколении, не говоря уже о более давних и почтенных прародителях.
Однако генетики все же приспособились использовать ДНК для восстановления родословных – для этого надо просто найти в геноме такое место, где достаточно давно не происходила генетическая рекомбинация. Такие куски передаются как целое от родителей к детям. Один из примеров – Y-хромосома. Ей рекомбинировать не с кем, и вот она передается по мужской линии как единое целое, что позволяет археогенетикам выстраивать родословные народов. Такие куски ДНК называют гаплогруппами. Другая известная гаплогруппа – митохондриальная ДНК. А кроме того, кроссинговер сильно подавлен в окрестностях центромер. Чарльз Лэнгли и его сотрудники решили поискать там нечто вроде гаплогрупп и действительно нашли. Эти гаплогруппы в сердцевинах всех человеческих хромосом – их назвали ценгапами – сохранили много свидетельств эволюции человека. В том числе там нашлись большие фрагменты ДНК его древних родственников, включая неандертальцев. А в составе этих фрагментов оказались, к примеру, гены обонятельных рецепторов. Представьте себе: у кого-то из нас обонятельные рецепторы сохранились в нетронутом виде с тех пор, как некий юноша-неандерталец был соблазнен кроманьонской красавицей и подарил ей очаровательное дитя. Эти счастливчики могут узнать, чем пах для неандертальцев вечерний воздух каменного века, приправленный горчинкой от потухающего костра.
Наше лирическое отступление чрезмерно затянулось, но ведь я же предупреждал, что иррационально люблю центромеры и легко могу потерять берега. Сейчас самое время вернуться к основной линии рассказа и обсудить, как именно центромеры участвуют в трех самых главных моментах, которые отличают мейоз от обычного деления клеток. Но глава не резиновая, про это чуть позже.
БИБЛИОГРАФИЯ
Akera T., Chmatal L., Trimm E., et al. Spindle Asymmetry Drives Non-Mendelian Chromosome Segregation. Science. 2017. 358(6363): 668–672.
Aleksenko A., Nielsen M. L., Clutterbuck A. J. Genetic and Physical Mapping of Two Centromere-Proximal Regions of Chromosome IV in Aspergillus nidulans. Fungal Genetics and Biology. 2001. 32(1): 45–54.
Balzano E., Giunta S. Centromeres under Pressure: Evolutionary Innovation in Conflict with Conserved Function. Genes (Basel). 2020. 11(8): 912.
Barea L., Redondo-Río Á., Lucena-Marín R., et al. Homologous Chromosome Associations in Domains before Meiosis Could Facilitate Chromosome Recognition and Pairing in Wheat. Scientific Reports. 2022. 12(1): 10597.
 
Langley S. A., Miga K. H., Karpen G. H., Langley C. H. Haplotypes Spanning Centromeric Regions Reveal Persistence of Large Blocks of Archaic DNA. ELife. 2019. 8: e42989.
Villasante A., Abad J. P., Méndez-Lago M. Centromeres Were Derived from Telomeres during the Evolution of the Eukaryotic Chromosome. Proceedings of the National Academy of Science of the USA. 2007. 104(25): 10542–10547.
  
Глава тридцать вторая, в которой автор вытаскивает из механизма мейоза отдельные детальки и любуется ими
 
Мейотические белки
 
Центромера – один из важных узлов чудовищно сложной машины мейоза, но мы расскажем о некоторых других винтиках этой машины, просто чтобы читатель восхитился тем, насколько там все продумано. Притом что если правы безбожники, то продумывать все это было решительно некому – оно само так получилось, что как раз и заслуживает нашего восхищения.
Назвать саму центромеру винтиком язык не поворачивается: она скорее ключевой элемент всего процесса. Чтобы доказать этот тезис, я перечислю три ключевых отличия мейоза от митоза, то есть обычного клеточного деления.
Во-первых, при мейозе гомологичные хромосомы узнают друг друга и укладываются рядышком в особую структуру – при митозе ничего подобного не бывает.
Во-вторых, при первом делении мейоза кинетохоры хроматид обращены в одну сторону, так что веретено деления не растаскивает их в разные стороны, а тянет к одному полюсу вместе, как единое целое.
В-третьих, когезиновый клей, который склеивает хроматиды, при мейозе не растворяется вокруг центромер вплоть до второго деления.
И вот что любопытно: во всех этих трех пунктах центромеры играют важную роль.
О том, что центромеры как-то участвуют в узнавании гомологичных хромосом, молекулярные генетики догадались сравнительно недавно и успели узнать не так уж много, так что на первом пункте мы останавливаться не будем – особо любознательных отошлем к соответствующему научному обзору.
А вот что касается второго пункта – образования однонаправленных кинетохоров, здесь роль центромер совершенно очевидна: именно на них строятся эти самые кинетохоры. За то, чтобы кинетохоры получились однонаправленными, а не двусторонне-симметричными, как обычно, у дрожжей отвечает комплекс белков с красивым названием монополин. Эти белки собираются на центромере таким образом, чтобы придать ей асимметрию: теперь нити веретена деления могут прикрепиться к ней только с одной стороны.
Чтобы понять, как все работает, биологи часто поступают следующим образом: они что-то ломают в геноме, а потом смотрят, что из этого выйдет. В русле этой концепции они и сломали ген ключевого компонента монополина. В результате кинетохоры стали симметричными и к сестринским хроматидам прикрепились не по одной, а по две нити веретена, которые, естественно, стали тянуть каждая в свою сторону. Хроматиды, надежно склеенные когезином, не поддались, а просто остались в середине клетки. Наступило второе деление мейоза, и теперь к кинетохорам прикрепились нити второго веретена. А надо сказать, что первое и второе деления происходят в перпендикулярных плоскостях: если, для наглядности, при первом делении гомологичные хромосомы расходятся к Северному и Южному полюсам, то при втором сестринские хроматиды разойдутся на архипелаг Самоа в Тихом океане и в столицу Габона Либревиль (запад Центральной Африки). Но у нашего бедного мутанта этого не произошло: его хромосомы так и остались в центре клетки, прикрепленные сразу к двум перпендикулярным наборам нитей веретена. Настала такая путаница, что поделиться (то есть в данном случае образовать споры) этим клеткам так и не удалось. Вот насколько важен этот самый монополин.
Наконец, пункт третий: в области центромер сестринские хроматиды остаются склеенными до конца первого деления мейоза. Это очень важно, без этого рассыпалась бы вся конструкция. Британский биолог Том Кавалье-Смит, который уже появлялся в нашем рассказе, заметил, что именно склеенные хроматиды могут быть важнейшим отличием мейоза от митоза – тем самым эволюционным шагом, который придал старому процессу новый смысл.