Кошки, гены и эволюция - Павел Михайлович Бородин

Немедленно после этого в дело вступают другие белки, которые связываются со свободными концами разорванных ДНК и внедряют их в ДНК гомологичных хромосом, одновременно расплетая ДНК-мишень. Задача внедренных участков состоит в том, чтобы найти комплементарные фрагменты определенной протяженности. К этому моменту гомологи уже прошли грубое выравнивание, собравшись в букет, поэтому поиск происходит на относительно небольших расстояниях. Найдя комплементарный участок, внедрившаяся нить ДНК спаривается с ним.

Опознание гомологов заканчивается, когда количество связок между ДНК пары гомологичных хромосом достигает критического уровня. В мейотической клетке начинается разрезание связок. Большая часть разрезается и сшивается таким образом, что восстанавливается исходное состояние цепей ДНК (безобменный путь). Только небольшая их часть (у большинства млекопитающих – меньше 10%, а у котов – 25%) сшивается крест-накрест (обменный путь), при этом ДНК одного из гомологов в пункте обмена соединяется с ДНК другого. Этот процесс крест-накрест-сшивки ДНК гомологов называется рекомбинацией, или кроссинговером (рис. 7–2–3).

Оказалось, что по плотности рекомбинационных событий, то есть обменов отдельными фрагментами ДНК на единицу длины хромосомы, кошка129 и, что характерно, тигр130 занимают первые места среди всех изученных млекопитающих. То есть процесс рекомбинации у кошки организован более экономно, чем у других млекопитающих: при меньшем числе двунитевых разрывов ДНК он обеспечивает достаточно высокий уровень рекомбинации.

Итак, хромосомы вступили в мейоз в таком виде, как они были получены от родителей, а выйдут из мейоза уже рекомбинантными. Если в мейоз вступила одна хромосома с последовательностью аллелей А-b-c-D, а другая – с последовательностью а-B-C-d, то рекомбинация в интервале от В до С приведет к образованию новых сочетаний аллелей: A-b-C-d и а-B-c-D. Чем длиннее хромосома, тем больше обменов может на ней произойти. Чем дальше друг от друга на хромосоме находятся гены, тем выше вероятность возникновения новых сочетаний аллелей этих генов.

Размежевание между гомологами

Объединение закончено. Начинается подготовка к размежеванию. На двух противоположных краях клетки образуются два якоря – центриоли. Между ними и центромерами хромосом образуются тонкие нити так называемого веретена деления. У них есть одна интересная особенность: стоит им заякориться на центриолях и центромерах, как они начинают сокращаться и тянуть центромеры к полюсам клетки. При этом центромеры сестринских хроматид склеены очень прочно, а гомологи удерживаются вместе хромосомным перекрестом и не очень прочными склейками между сестринскими хроматидами (рис. 7–2–4). Именно перекресты позволяют парным хромосомам сориентироваться так, что при разрушении склеек между сестринскими хроматидами к одному полюсу уйдет всегда и только одна хромосома из пары: одна первая, одна вторая, одна половая, а к другому – другая первая, другая вторая, другая половая.

При этом материнские и отцовские хромосомы расходятся независимо. То есть каждая хромосома из пары с равной вероятностью уходит либо к одному полюсу, либо к другому. Иными словами, для каждой из них вероятность уйти к одному из полюсов равна ½. У нашего кота в той клетке, которую мы рассматриваем, направо ушла материнская хромосома A3 и отцовская B1, а налево – материнская В1 и отцовская A3 (рис. 7–2–5). Вероятность такого варианта расхождения – 1/4.

Но фокус в том, что после кроссинговера мы не можем ни одну хромосому назвать ни чисто материнской, ни чисто отцовской. И та, и другая содержат одну “безобменную” хроматиду, а другую – обменную, кроссоверную, в которой часть получена от отца, а часть – от матери.

Размежевание между сестринскими хроматидами

Немедленно после расхождения гомологов начинается второй тур мейоза, при котором опять нити веретена крепятся к центромерам и начинают тянуть их к разным полюсам. Склеенные центромеры сестринских хроматид некоторое время удерживают их вместе и позволяют сестринским хроматидам сориентироваться так, что после разрушения склеек между центромерами к одному полюсу уйдет всегда и только одна из сестринских хроматид. То есть каждая хроматида с равной вероятностью уходит либо к одному полюсу, либо к другому.

Цель мейоза достигнута. Геном располовинен. Причем располовинен идеально: в каждой гамете каждая хромосома представлена в одном экземпляре. Они готовы к новому слиянию с гаметами супруги и созданию новых диплоидных организмов. Но дело не только и не столько в том, что мейоз позволил точно развести гомологи по гаметам. Он превосходно выполнил и другое, гораздо более важное свое предназначение – он перетасовал родительские аллели.

У нашего кота в мейоз вступили 19 отцовских и 19 материнских хромосом, и каждая со своими аллелями. Если в каждой из пар произошел хотя бы один кроссинговер (а без него хромосомы не смогут нормально разойтись в гаметы), то в итоге мы получаем гаметы, содержащие 219 сочетаний некроссоверных отцовских и материнских хроматид и как минимум столько же кроссоверных сочетаний. На самом деле кроссоверных сочетаний гамет должно быть гораздо больше. Это только на самых маленьких парах хромосом происходит по одному кроссинговеру. На самых больших их может быть до шести! По нашим оценкам, в каждой клетке – предшественнице гамет у котов происходит около 42 кроссинговеров129, что дает нам 242 сочетаний кроссоверных хроматид в гаметах. Эти кроссоверные хроматиды несут совершенно новые сочетания аллелей, которых не было в родительских хромосомах. Конечно, каждый сперматозоид несет только одно-единственное сочетание, но сперматозоидов миллиарды, и в каждом из них свое.

Женский и мужской мейоз: одинаковая хореография и разные расписания

А как идет мейоз у самок? В принципе, точно так же. Все события объединения и размежевания гомологов и хроматид происходят по одному и тому же сценарию у обоих полов. Вся разница в расписании. Первый тур мейоза начинается у котов месяцев в шесть-восемь от роду, когда им приходит пора любви и грусти нежной. У кошек он начинается еще раньше, когда они даже и не кошки вовсе, а эмбрионы на шестой-седьмой неделе развития. У самцов стволовые клетки семенников с наступлением половой зрелости начинают делиться асимметрично, оставляя одну дочернюю клетку стволовой, а другую направляя на мейоз. Однажды запущенный, этот процесс идет у котов без перерывов всю оставшуюся (половую) жизнь131.

У кошек расписание иное132. У них в мейоз вступают все предшественники половых клеток практически одновременно (на 6–7-й неделе эмбрионального развития), доходят до стадии полного объединения гомологов и на этой стадии замирают на долгие годы. В первое деление мейоза половые клетки кошки вступают небольшой группой и именно в тот момент, когда кот сжимает ее в своих объятиях[57]. Немедленно за первым делением мейоза (расхождением гомологов) следует второе (расхождение хроматид). Сперматозоид попадает в уже гаплоидную яйцеклетку.

Есть еще одно важное отличие женского мейоза от мужского: у котов каждая вступившая в мейоз клетка дает четыре сперматозоида. У кошек каждая вступившая в мейоз клетка дает одну-единственную яйцеклетку. Почему так? Потому что для сперматозоида важно доплыть до яйцеклетки так быстро, как это возможно. А именно, быстрее любого другого