Карл Циммер - Она смеется, как мать [Могущество и причуды наследственности] [litres]

Около 1,8 млрд лет назад на Земле появилась новая форма жизни. Новые клетки были намного крупнее бактерий и архей. Свою ДНК они с особой осторожностью спрятали внутри мешочка, который стал называться ядром. Клетки синтезировали огромное количество клеточного топлива с помощью специальных капсул – митохондрий. Мы с вами вместе со многими другими видами тоже относимся к данной форме жизни.

Эти монстры среди микроорганизмов получили название «эукариоты» [350] Dacks et al. 2016. . Их потомки дали начало группе простейших – хищников микромира, которые охотились на свою одноклеточную добычу в почвах и водах. Эукариоты эволюционировали и теперь представляют всю многоклеточную жизнь на Земле, включая грибы, растения и нас, животных. Помимо ядра и большого размера у эукариот есть еще много черт, отличающих их от бактерий и архей. И одна из них наиболее важна для наследственности: эукариоты передают свои гены потомкам уникальным способом, тем самым, который отражен в законе Менделя.

У бактерий и архей хромосома всего одна, а у эукариот хромосомы парные. У разных видов разное количество этих пар. У нас, людей, 23 пары, а у гороха – всего семь. У дрожжей – 16. У некоторых бабочек – 134.

Когда наши соматические клетки делятся, они копируют все хромосомы, создавая дополнительную пару к каждой. Затем ядро распадается, хромосомы растягиваются поровну по разным сторонам клетки, и она разделяется посередине. В каждой новой клетке, таким образом, получаются свои 23 пары. Данный способ деления называется «митоз», и по сути он похож на то, что происходит у бактерий: это деление одной клетки на две одинаковые.

Митоз у нас происходит для роста и обновления тела. Однако для создания половых клеток нам нужно, чтобы в сперматозоиде или яйцеклетке был не двойной, а одинарный набор хромосом. Проще всего было бы разделить пары хромосом в соматической клетке и выделить по одному набору на каждую половую. Но в нашем организме так не бывает. Вместо этого запускается чрезвычайно причудливый процесс, который получил название «мейоз» [351] См.: Baudat, Imai, and de Massy 2013; Coop et al. 2008; Hunter 2015; Lenormand et al. 2016; Mézard et al. 2015; Sung and Klein 2006; Zickler and Kleckner 2015, 2016. .

У мужчин мейоз осуществляется в извитых семенных канальцах, расположенных в семенниках. В стенках канальцев находятся предшественники сперматозоидов – клетки, несущие две копии каждой хромосомы: одну от матери мужчины, другую от отца. Когда эти клетки начинают делиться, вся ДНК удваивается, так что теперь у них есть по четыре копии каждой хромосомы. Однако вместо того, чтобы разделиться, хромосомы остаются вместе. Материнская и отцовская копия каждой хромосомы выстраиваются рядом друг с другом. Специальные белки «садятся» на них и делают разрезы в строго одних и тех же местах этих расположенных рядом хромосом.

Когда клетка исправляет такие нанесенные самой себе разрезы, происходит очень важный обмен. Фрагмент ДНК с одной хромосомы может встать на то же место, но в соседнюю хромосому, и наоборот [352] Этот процесс называется кроссинговером. – Прим. пер. . Эта молекулярная операция выполняется не очень быстро. В общей сложности клетке нужно три недели, чтобы закончить мейоз. Как только обмен участками произошел, хромосомы расходятся. Затем клетка делится два раза, образуя в итоге четыре сперматозоида. Любая из этих четырех клеток несет одну копию каждой из 23 хромосом. Но в каждом сперматозоиде набор ДНК различен.

Одна из причин этих различий кроется в том, как разойдутся пары хромосом. Сперматозоид может содержать хромосому 1, полученную от отца, хромосому 2, полученную от матери, и т. д. В другом сперматозоиде будет иная комбинация. Кроме того, некоторые сперматозоиды окажутся гибридными. Хромосома 1, например, из-за мейоза может иметь одни участки, полученные от отца, а другие – от матери.

Основные биологические принципы мейоза у женщин точно такие же, но сроки очень отличаются [353] Evans and Robinson 2011. . Первый этап начинается, когда девочка еще находится в утробе матери. Группа клеток внутри эмбриона получает новое назначение – эти клетки становятся предшественницами яйцеклеток. Они мигрируют туда, где позже сформируются яичники. На седьмом месяце развития плода в этих клетках-предшественницах начинается мейоз: хромосомы удваиваются, сцепляются парами и обмениваются участками ДНК. Но затем хромосомы как бы застывают, останавливая мейоз на полпути. Они остаются в таком состоянии годами, пока девочка не достигнет периода полового созревания и у нее не начнутся овуляции.