Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексенко Алексей
Внимание, вопрос: откуда мембрана знает, где у нее «нутрь» и где «наружа»? Как у молекул получается выстроиться именно в одну сферу, а не во много маленьких или вообще во что-нибудь причудливое, с топологией рваных штанов? Надо сказать, что получается это не всегда: если какие-то хромосомы слишком далеко отобьются от общего стада, вместо одного пузыря образуется два. Меньший пузырь называется «микронуклеус», и его появление в клетке чревато проблемами: она погибнет, а то и вообще начнет разрастаться в злокачественную опухоль.
О том, как там все устроено, существовало несколько гипотез. Самая изящная и экономичная постулировала, что все на самом деле просто: вещества, образующие ядерную мембрану, у клетки в дефиците, потому эти вещества и выстраиваются в пузырь – ведь именно сфера имеет минимальную поверхность при заданном объеме. Жаль, конечно, что такая красивая гипотеза оказалась неправильной, но зато реальность превзошла ожидания биологов: инженерное решение, найденное природой, выглядит на удивление изящно.
Как на самом деле обстоят дела, выяснил Дэниел Герлих и его австрийские коллеги из Института молекулярной биотехнологии. Ключевая деталь механизма (у дрожжей) – белок BAF. Этот белок обучен всего двум простейшим фокусам: одной своей стороной он приклеивается к хромосоме, а другой стороной – к такому же, как он, BAF-белку. В результате BAF-белки в самом конце деления образуют много-много мостиков между хромосомами. Растущая ядерная мембрана просто физически не может пролезть в промежутки. А раз так, ей просто ничего не остается, как оказаться снаружи от всех хромосом – то есть заключить их в один мешок.
Простота этого решения граничит с гениальностью, и тут впору закончить рассказ тем, с чего мы его начали: можно понять креационистов, отказывающихся верить, что это не придумано нарочно, а получилось само в процессе эволюции, и не только с белком BAF, но и с шугошином, и с обнимашками-хормадами, и на других этапах мейоза, да и всех прочих клеточных механизмов. Блаженный Аврелий Августин – человек, несомненно, глубоко верующий и о естественном отборе, кажется, не подозревавший – однажды выразился так: «Из своего рода красноречия не слов, но вещей образуется красота мира» («О граде Божием, 11:18). В те поры пишущая братия еще не боялась впасть в неумеренный пафос, а я очень боюсь, но все-таки надо согласиться: похоже, местами мир и впрямь устроен красиво, и «красноречие вещей» – совсем не плохая метафора для маленьких деталей механизма мейоза, описанных в этой главе нашей истории.
Bohr T., Nelson C. R., Giacopazzi S., et al. Shugoshin Is Essential for Meiotic Prophase Checkpoints in C. elegans. Current Biology. 2018. 28(20): 3199–3211.
Brar G. A., Amon A. Emerging Roles for Centromeres in Meiosis I Chromosome Segregation. Nature Reviews. Genetics. 2008. 9(12): 899–910.
Cavalier-Smith T. The Origin and Early Evolution of the Eukaryotic Cell. Molecular and Cellular Aspects of Microbial Evolution. Ed. J. Carlile, J. F. Collins, B. E. B. Moseley. Society of General Microbiology. Symposium 32. Cambridge: Cambridge University Press, 1981. P. 33–84.
Clift D., Marston A. L. The Role of Shugoshin in Meiotic Chromosome Segregation. Cytogenetic and Genome Research. 2011. 133(2–4): 234–242.
Kitajima T. S., Kawashima S. A., Watanabe Y. The Conserved Kinetochore Protein Shugoshin Protects Centromeric Cohesion during Meiosis. Nature. 2004. 427(6974): 510–517.
McCollum D. Monopolin. Current Biology. 2012. 22(22): R938.
Previato de Almeida L., Evatt J. M., Chuong H. H., et al. Shugoshin Protects Centromere Pairing and Promotes Segregation of Nonexchange Partner Chromosomes in Meiosis. Proceedings of the National Academy of Science of the USA. 2019. 116(19): 9417–9422.
Prince J. P., Martinez-Perez E. Functions and Regulation of Meiotic HORMA-Domain Proteins. Genes (Basel). 2022. 13(5): 777.
Rosenberg S. C., Corbett K. D. The Multifaceted Roles of the HORMA Domain in Cellular Signaling. The Journal of Cell Biology. 2015. 211(4): 745–755.
Samwer M., Schneide M. W. G., Hoefler R., et al. DNA Cross-Bridging Shapes a Single Nucleus from a Set of Mitotic Chromosomes. Cell. 2017. 170(5): 956–972. E23.
Subramanian V. V., Hochwagen A. The Meiotic Checkpoint Network: Step-by-Step through Meiotic Prophase. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2014. 6(10): a016675.
Yao Y., Dai W. Shugoshins Function as a Guardian for Chromosomal Stability in Nuclear Division. Cell Cycle (Georgetown, Tex.). 2012. 11(14): 2631–2642.
Глава тридцать третья, в которой обосновывается престолонаследие по мужской линии
Мейотические аресты
Теперь, когда мы воспели отдельные детали механизма мейоза, хорошо бы сказать, что и результаты его работы безупречны. Но не тут-то было. Может, у кого-то они и безупречны, а вот у людей все работает из рук вон плохо. При всех этих многочисленных «чекпойнтах», призванных проконтролировать безошибочность рекомбинации и точность расхождения хромосом, при том что яйцеклетки, кажется, отбираются на профпригодность вплоть до момента выхода из фолликула в яичнике, ошибок совершается огромное количество.
Сколько именно? Среди детей, появившихся на свет, каждый трехсотый рождается с трисомией (то есть вместо одной из пар хромосом имеет три такие хромосомы). Вроде немного, но надо понимать, что до рождения доживают только трисомики по половым хромосомам, по крохотной 21-й, ну и иногда, совсем уж редко, по 13-й и 18-й. При этом, как было сказано в одной из предыдущих глав, у человека 70﹪ беременностей прерываются еще до того, как они диагностированы, и существенная доля таких выкидышей, похоже, происходит именно из-за лишних или недостающих хромосом, то есть из-за мейоза, пошедшего вкривь и вкось. По оценкам некоторых специалистов, занимающихся ЭКО, доля анеуплоидий (так называются все нарушения в числе хромосом) на момент зачатия доходит до 50﹪. Вот что об этом говорит уже знакомый читателю генетик Алексей Кондрашов: «Когда происходит спонтанный аборт, часто это хромосомная аномалия. Я совершенно не понимаю почему. Что, так сложно сделать нормальный мейоз? [19] Что за чепуха! Какая-нибудь рыба данио – у нее 99﹪ оплодотворенных икринок разовьются в малька. Хотя эти икринки лежат в чашке Петри и никто их не защищает. А тут человеческий эмбрион – и вероятность всего 30﹪, что ты не сдохнешь».
Кондрашов позавидовал рыбке Danio rerio, но лучшее лекарство от зависти – вспомнить о ком-то, чья жизнь еще более нелепа, чем ваша. Вот дрожжи рода Candida, к которым относится C. albicans – хорошо знакомый человеку возбудитель молочницы и других кандидозов. У представителей рода есть более или менее полный набор генов для мейоза, однако большинство кандид сексом не занимаются. А вот Candida lusitaniae занимается, хотя лучше бы ей этого не делать, потому что именно у нее-то многих генов (а значит, и белков), нужных для мейоза, нет. Чем кандида-лузитания заменяет недостающие белки, непонятно, но результат у нее выходит ровно таким, как если занимаешься делом, к которому у тебя нет природных задатков: почти половина гамет оказываются бракованными, то есть анеуплоидными. Вот как описывают ситуацию известный специалист по генетике патогенных грибов Джозеф Хайтман и знаменитая писательница и биолог Урсула Гудинаф [20], исследовательница секса у хламидомонад: «Это как автомобиль без одной свечи зажигания или собака на трех ногах: двигаться может, но получается некрасиво. Секс в природе может выглядеть далеко не так аккуратно, как в лаборатории».
Но вернемся к людям, из-за несовершенства которых так расстроился Алексей Симонович Кондрашов. Займемся вот каким вопросом: где и как у нас этот самый мейоз происходит? Любопытно, что ответы будут совершенно разными в зависимости от того, идет ли речь о мужчинах или о женщинах.
