Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

«Эти нейроспорщики» – ныне покойный американский генетик Роберт (Боб) Метценберг (1930–2007) и его тогдашний постдок Родольфо Арамайо – действительно вскоре во всем разобрались, открыв ранее неизвестный биологический процесс. В нашу историю он попал потому, что процесс этот – сначала его назвали трансвекцией, а потом переименовали в мейотическое глушение неспаренной ДНК (MSUD) – неразрывно связан с мейозом. Суть в том, что, если в начале мейоза ген не находит свою пару на гомологичной хромосоме, он принудительно выключается. Более того: если в геноме есть другие копии этого гена, то выключаются и они. Именно это и происходило в описанных скрещиваниях: в мутанте AsmΔ на месте гена Asm ничего нет, а потому здоровая копия гена у другого родителя подлежит «глушению». И даже если вставить здоровую копию гена в другое место – да сколько хочешь таких копий вставляй – ничего не изменится, все они будут исправно заглушены.
Остается два вопроса: «Как?» и «Зачем?». Начнем с «Как?». Оказалось, что в процессе участвует двухцепочечная РНК – этот механизм регуляции работы генов уже встречался в нашей истории, когда мы обсуждали борьбу генов дрозофилы против зловредных «мейотических драйверов», пытающихся исказить соотношение полов в потомстве. Когда клетка обнаруживает, что при спаривании гомологичных хромосом напротив одного из генов ничего нет – то есть ген остался неспаренным, – она срочно изготавливает двухцепочечную РНК с точно такой же последовательностью нуклеотидов, как у бедолаги-гена. Эта РНК несет повсюду сигнал: «Если встретите что-то похожее, безжалостно уничтожайте это!» В результате все копии гена, рассеянные по геному, будут заглушены. Оказалось, что механизм MSUD способен глушить не только гены, которые работают в аскоспорах, – в той или иной степени он эффективен против почти всех неспаренных в мейозе последовательностей ДНК.
И вот интересная деталь. Чтобы все это происходило, грибку нужен ген по имени Sad («супрессор доминирования в асках»). Для самых серьезных читателей укажем, что он кодирует «РНК-зависимую РНК-полимеразу» – фермент, который достраивает одноцепочечную РНК до двухцепочечной. У мутантов по этому гену никакого глушения не происходит: скрещивание AsmΔ х asm+ дает вполне обычный менделевский результат 4: 4. А что будет, если один из родителей несет такую мутацию в гене Sad, при которой весь ген начисто вырезан, то есть при мейозе он сам оказывается неспаренным? Выяснилось, ген Sad прекрасно может глушить сам себя: в таких скрещиваниях механизм MSUD перестает работать. То есть никакого глушения не наблюдается. Но если глушения больше нет, кто же тогда заглушил ген Sad?
В переписке с Бобом Метценбергом французский генетик Клаудио Скадзоккио [22] вспомнил по этому поводу парадокс Бертрана Рассела: «Цирюльник бреет тех жителей деревни, кто не бреется сам. Кто бреет цирюльника?» Цирюльник не может брить себя сам, потому что тех, кто бреет себя сам, цирюльник не бреет согласно условиям задачи. Но если он не бреет себя сам, то по тем же условиям задачи его просто обязан брить цирюльник… то есть он сам.
Решение парадокса с цирюльником оказалось куда менее интересным, чем сам парадокс: просто MSUD – это количественный эффект, и для глушения самого себя гену Sad нужно меньше стараться, чем для большинства остальных генов, подлежащих заглушке. Как выразился индийский генетик Дургадас Касбекар, цирюльник бреет себя сам, но так небрежно, что можно назвать это не бритьем, а триммингом. Тем самым парадокс Рассела преодолен.
Это был долгий ответ на вопрос «Как?». Теперь вопрос «Зачем?». MSUD глушит гены, которые есть только на одной из гомологичных хромосом, а на второй их нет. В природе такая ситуация чаще всего возникает в том случае, если у одного из родителей какой-то мобильный элемент только что совершил очередной прыжок, переместившись на новое место в геноме. Тут клетке вполне естественно заглушить не только самого дерзкого выскочку, но и всех его родственников, рассеянных по геному, – потому под глушение и попадают все копии гена, где бы они ни находились. Вообразите, насколько идеально приспособлен мейоз для выполнения этой задачи: если вам нужно отыскать и обезвредить ужасных генетических паразитов, появляющихся в хромосоме то там, то тут, очень разумно взять две копии этой хромосомы у разных особей, уложить их вдоль друг друга и посмотреть, нет ли в одной из копий чего-то лишнего. Это лишнее, скорее всего, и есть зловредный эгоистичный элемент.
 
Интересно, что у нейроспоры и многих других грибов есть еще одно оружие против прыгающих элементов, открытое значительно раньше. Это механизм RIP (точечные мутации, индуцированные повторами), который специально портит мутациями все, что присутствует в геноме больше чем в одной копии. Вообще, для грибов очень нетипично иметь много копий генов, и потому такой способ, наверное, будет эффективным, если какой-то прыгающий паразит (мобильный элемент, эти элементы часто называют транспозонами) внедрится в геном и размножится. И вот что важно: механизм RIP тоже привязан к мейозу.
Мы тут немножко зациклились на грибах, и это понятно: грибы считаются «примитивными» эукариотами, и если где-то искать реликты древних эпох, когда общий предок сложных организмов вступил в схватку с мобильными элементами, то, наверное, у них. Однако «антитранспозонные» приспособления встроены в мейоз очень многих организмов. Если говорить о MSUD, это приспособление было открыто у нейроспоры, однако подобный механизм, вероятно, существует не только у грибов. Не так давно схожее явление нашли у червяка C. elegans. А сам Боб Метценберг полагал – и даже приводил в пользу этого серьезные аргументы, – что нечто похожее существует и у позвоночных, включая человека. При этом совершенно точно установлено, что у позвоночных (например, мышей) действует сразу несколько независимых механизмов «заглушки» транспозонов. Они тоже привязаны к мейозу, причем зашиты в него настолько глубоко, что при их отключении клетка просто не может продолжать мейоз – все останавливается, и клетку ожидает программируемая смерть.
Мораль этой вставной главы в том, что мейоз не просто нужен для починки ДНК – в нем предусмотрены особые механизмы, которые эффективны против весьма специфического типа повреждений. Мейоз – оружие против транспозонов. Это, конечно, ничего не доказывает, но заставляет задуматься. С каждым новым открытием все более привлекательной кажется идея о том, что переход к сексу – способ хоть как-то сохранять в порядке свою ДНК в трудные времена, и именно атака мобильных элементов заставила нашего предка сделать этот решительный шаг.
БИБЛИОГРАФИЯ
Aramayo R., Metzenberg R. L. Meiotic Transvection in Fungi. Cell. 1996. 86(1): 103–113.
Gladyshev E. Repeat-Induced Point Mutation and Other Genome Defense Mechanisms in Fungi. Microbiol Spectrum. 2017. 5(4): 10.1128.
Leopold L. E., Heestand B. N., Seong S., et al. Lack of Pairing during Meiosis Triggers Multigenerational Transgene Silencing in Caenorhabditis elegans. Proceedings of the National Academy of Science of the USA. 2015. 112(20): E2667–E2676.
Li L., Chang S. S., Liu Y. RNA Interference Pathways in Filamentous Fungi. Cellular and Molecular Life Sciences. 2010. 67(22): 3849–3863.
Oellinger R., Reichmann J., Adams I. R. Meiosis and Retrotransposon Silencing during Germ Cell Development in Mice. Differentiation. 2010. 79(3): 147–158.
  
Окончание главы тридцать четвертой, в котором мейоз может оказаться защитой от изнасилования
 
Редукционная гипотеза
 
Итак, согласно одной из гипотез, мейоз нужен главным образом затем, чтобы чинить повреждения в ДНК и держать в узде мобильные элементы. Гипотеза выглядит совершенно неотразимой, но это потому, что мы еще не обдумали остальные варианты.