Так что, может быть, лучше уж по-мужски, с налета да с кондачка? К счастью, наука не ставит перед собой вопрос таким образом.
Бородин П. М., Малиновская Л. П., Шнайдер Е. П., Торгашёва А. А. Рекомбинация и половой отбор // Природа. 2020. № 12. С. 3–10.
Маркина Н. О сильном вреде слабовредных мутаций и будущем человечества. См.: https://pcr.news/stati/o-silnom-vrede-slabovrednykh-mutatsiy-i-budushchem-chelovechestva/
Goodenough U., Heitman J. Origins of Eukaryotic Sexual Reproduction. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2014. 6(3): a016154
Haldane J. B. S. Sex Ratio and Unisexual Sterility in Hybrid Animals. Journal of Genetics. 1922. 12: 101–109.
Halldorsson B., Hardarson M., Kehr B., et al. The Rate of Meiotic Gene Conversion Varies by Sex and Age. Nature Genetics. 2016. 48(11): 1377–1384.
Halldorsson B. V., Palsson G., Stefansson O. A., et al. Characterizing Mutagenic Effects of Recombination through a Sequence-Level Genetic Map. Science. 2019. 363(6425): eaau1043.
Huxley J. S. Sexual Difference of Linkage in Gammarus chereuxi. Journal of Genetics. 1928. 20: 145–156.
Pan B., Li J. The Art of Oocyte Meiotic Arrest Regulation. Reproductive Biology and Endocrinology. 2019. 17(1): 8.
Schilthuizen M., Giesbers M., Beukeboom L. Haldane's Rule in the 21st Century. Heredity (Edinburgh). 2011. 107(2): 95–102.
Sen A., Caiazza F. Oocyte Maturation: A Story of Arrest and Release. Frontiers in Bioscience (Scholar Edition). 2013. 5(2): 451–477.
Глава тридцать четвертая, внутри которой есть «интрон» – глава тридцать пятаяПоиски главного в мейозе
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 пора переходить 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, важнейшая часть мейоза – появление двойных разрывов в ДНК, чтобы потом залатать брешь по образцу гомологичной хромосомы. Очень похоже на то, что «починка» молекул ДНК по образцу гомологичной последовательности – это и есть первичная задача рекомбинации, а все остальное – дополнительный бонус. Возможно, и сам мейоз изначально сконструирован природой для решения этой задачи, а другие его особенности – просто полезные добавления?
Во-вторых, при мейозе число хромосом сокращается вдвое: геном превращается из диплоидного в гаплоидный. Может показаться, что это просто неизбежная техническая надстройка, однако редукция числа хромосом может быть важной и сама 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.
В-третьих, при мейозе так или иначе 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.
Долгое время большинство биологов по умолчанию предполагали, что самое главное в мейозе – наше «в-третьих», 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, 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.
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.
При бактериальной «генетической трансформации», о которой шла речь в двадцать седьмой 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 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-первых» – 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 геномов бактерий и архей.
Вероятно, 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, возможно, 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?
Тут нам придется прервать эту главу и вставить внутрь нее еще одну, прямо как интрон прерывает кодирующую последовательность гена[21]