Недооцененные прелести секса
Продолжаем публикацию цикла «Зачем живые любят друг друга» о загадках размножения и других парадоксах биологии. Сегодня мы ищем ответ на вопрос «Зачем нужен мейоз?», и для этого понадобятся не одна, а сразу две главы
Глава тридцать третья, внутри которой есть «интрон» — глава тридцать четвертая
О мейозе можно рассказывать бесконечно. Собственно, о чем угодно можно рассказывать бесконечно, и в любой большой застольной компании найдется зануда, который охотно демонстрирует этот фокус. Но нам в какой-то момент придется все же устремиться к финалу. Поэтому перейдем к главному вопросу: как мог появиться в природе такой прихотливый механизм?
Заметьте: поскольку без мейоза не бывает никакого полового размножения, это тот же самый вопрос, который мы мусолим с самого начала нашей истории: как мог появиться секс? Только теперь вместо сливающихся и разделяющихся по-новому обобщенных мешков с генами, столь милых сердцам теоретиков начала ХХ века, у нас есть изощренная машина с десятками важных деталей, и для убедительного ответа придется объяснить не только все вместе, но и каждую деталь. Конечно же, окончательного ответа у биологов пока нет: речь пойдет только о гипотезах.
Начать, наверное, удобнее вот с чего: что самое главное в мейозе? Там происходит сразу три важных дела, и так сразу не скажешь, какое из них главнее.
Во-первых, при мейозе происходит кроссинговер. Хромосомы обмениваются участками, обеспечивая ту самую перетасовку генов, с которой отцы-основатели генетики связывали необходимость секса: создаются новые комбинации, дающие материал для отбора, полезные и вредные мутации отделяются друг от друга, чтобы отбор имел возможность испытать каждую в отдельности, почистить геном от всего вредного и зафиксировать полезные приобретения.
Во-вторых, рекомбинация начинается с двойных разрывов в ДНК, и очень похоже на то, что «починка» молекул ДНК по образцу гомологичной последовательности — это и есть первичная задача рекомбинации, а уж перетасовка генов — просто дополнительный бонус. Возможно, и сам мейоз изначально сконструирован природой для решения этой задачи, а все остальные его особенности — просто полезные надстройки?
В-третьих, при мейозе число хромосом сокращается вдвое: геном превращается из диплоидного в гаплоидный. Может показаться, что это просто неизбежная техническая надстройка, однако это может быть важным и само по себе. В природе есть множество способов сделать из гаплоидного генома диплоидный: например, клетка удвоит свои хромосомы, а потом забудет поделиться. И как бы редко такое ни случалось, это билет в один конец: никакого способа вернуть число хромосом к норме не существовало бы… если бы не мейоз.
Долгое время большинство биологов по умолчанию предполагали, что самое главное в мейозе — наше «во-первых», то есть провозглашенное Августом Вейсманом создание новых комбинаций признаков, не дающее естественному отбору скучать. Однако взглянем без предвзятости на другие варианты.
Возможно, мейоз нужен для того, чтобы чинить ДНК?
Наверное, логично предположить, что в самом главном механизме мейоза должны быть задействованы самые древние, проверенные временем детали. Тут можно сразу вспомнить про белок RecA, он же RAD51, он же DMC1, — у разных организмов он называется по-разному, а у моего любимого грибка это вообще UvsC, то есть ген чувствительности к ультрафиолетовому излучению, однако структура этого белка на удивление схожа у всех трех главных ветвей земной жизни, бактерий, архей и эукариот. Ему помогает еще один отлично сохранившийся белок, который у бактерий называется Ssb — single strand binding. Наконец, Spo11, который начинает рекомбинацию, внося в молекулу ДНК двойной разрыв, — ближайший родственник бактериальных белков, которые называются «топоизомеразы».
Но что эти белки делают у бактерий? Их главная работа — починка повреждений ДНК. Каких именно? Например, разрывы в цепи ДНК: весь процесс рекомбинации устроен так, как будто починить двойные разрывы — это и есть его главная цель. Но вот более сложный случай: под действием радиации соседние буквы Т в ДНК (остатки тимина) соединились бессмысленной химической связью. Такую мерзость клетка из своей хромосомы безжалостно вырезает, нередко прихватывая и соседние буквы. А чтобы залатать брешь, опять же удобно воспользоваться последовательностью партнера. Наконец, есть и обычные мутации — замены одной буквы на другую, которые для клетки выглядят ничем не примечательно: она не знает заранее, правилен ли ее вариант текста, или, наоборот, хороший ген на хромосоме-партнере, а у нее закралась ошибка. Поправив одну из хроматид по образцу гомолога (а вторую оставив как есть), хромосома получает уверенность, что хотя бы у половины ее потомков все сложится хорошо.
При бактериальной «генетической трансформации», о которой шла речь в 26-й главе нашей истории, — когда бактерия вылавливает в окружающей среде кусочки ДНК и примеряет их в собственную хромосому — и речи нет о том, чтобы перетасовывать какие-то гены и образовывать новые комбинации признаков. Бактерия просто спасается от смертельной угрозы. И если вы хотите побудить бактерию заняться генетической трансформацией, нужно просто поставить ее в невыносимые условия, например, добавив в среду вещество, вызывающее повреждения ДНК.
Заметим, что похожим способом — подвергнув клетки стрессу, вызывающему повреждения ДНК, — можно заставить несложных эукариот, вроде дрожжей, перейти к мейозу и споруляции.
Итак, по этому критерию придется предположить, что наше «во-вторых» — то есть именно текущий ремонт ДНК, а не перетасовка генов и тем более не нормализация числа хромосом — самая древняя, а потому и самая главная функция мейоза. Именно она напрямую произошла от повседневных практик бактерий — трансформации и конъюгации, — когда о сексе в земной природе еще никто не помышлял.
На этой идее очень настаивают Кэрол и Харрис Бернстейн — удивительная семейная пара, чьи первые совместные статьи о починке повреждений ДНК появились более полувека назад. Кэрол и Харрис до сих пор работают в университете Аризоны и продолжают писать статьи вместе. Они утверждают, что если поискать что-то похожее на мейоз в мире безъядерных организмов, то первое, что бросается в глаза, — это некие интимные шуры-муры, происходящие между клетками архей в процессе обмена генами. В одной из глав я едва ли не в шутку упомянул, что мы с уважаемым читателем по существу археи — ну так вот, в том, что касается мейоза, в этой шутке может быть чуть больше правды, чем готовы сегодня признать большинство биологов (а может быть, и не больше: повторю, что речь идет всего лишь о гипотезах).
А ведь мы уже знаем, что наш предок — архея, вступившая в эндосимбиоз с бактерией и поселившая ее внутри своей клетки, превратив в митохондрию, — прошел в своей истории через трудный период, когда его геном едва выстоял перед натиском многочисленных мутаций. Логично предположить, что если секс нужен для починки ДНК, то вот тут-то отбор и заставил этого предка развить и усовершенствовать свои сексуальные практики, в результате чего появился примитивный мейоз.
Заметим, однако, что, если верить гипотезе Билла Мартина и Евгения Кунина (см. главу 24), эти мутации, атаковавшие нашего общего предка на заре истории жизни, были весьма специфического свойства. Это была атака эгоистичных мобильных элементов. Они внезапно выскочили из генома прирученной нашим предком бактерии, где до этого обитали в относительном мире и благополучии, и бросились портить геном археи, влезая в ее гены и нарушая их функции. Напомню, что от этих мобильных элементов, похоже, произошли интроны — вставочные последовательности ДНК, которые прерывают записанную в наших генах информацию и которые поэтому приходится вырезать перед тем, как синтезировать закодированный в гене белок. Огромное число интронов — главное отличие геномов высших организмов от бактерий и архей.
Конечно, во время атаки будущих интронов геном бедного предка понес самые разные повреждения, в том числе и точечные мутации, и разрывы в ДНК. Однако, наверное, самой частой проблемой было просто появление эгоистичного элемента там, где его раньше не было, например прямо в середине важного гена. Если гипотеза верна и мейоз нам понадобился именно в этот сложный момент, тогда, наверное, в нем могли сохраниться древние приспособления как раз для такого случая. Конечно, интроны нам больше ничем не грозят — все высшие организмы выработали себе изощренную механику, чтобы вырезать интроны из РНК и просто не обращать внимания на этот странный реликт древних времен, а то и использовать их себе на благо. Однако другие мобильные элементы по-прежнему существуют в наших геномах и иногда скачут с места на место, причиняя некоторые неудобства. Есть ли в нашем мейозе какие-то гаджеты, помогающие с ними сладить?