Неидеальный человек: Почему эволюция оставила нам болезни, ошибки ДНК и уязвимости - Лоуренс Херст

для материнского мейоза I. Только в мейозе I встречаются центромеры от двух разных людей (или разных участников в нашей аналогии с канатом). В мейозе II деление по центромере разделяет идентичные центромерные области (либо обе материнские, либо обе отцовские по происхождению). Причина в том, что кроссинговер всегда подавляется в местах прикрепления «канатов».

В теории все звучит убедительно, но возможно ли это все на практике? Разве хромосомы способны на такие интриги, на столь продуманное, даже хитрое поведение? Оказывается, способны. Конечно, они не мыслят, но это не мешает им действовать избирательно. Блестящие исследования Майкла Лэмпсона из Пенсильванского университета доказали, что так и происходит. При изучении мышей он обнаружил следующее: когда центромеру тянет к полярному тельцу, она может «перевернуться» — отцепиться от каната смерти и попытаться захватить канат жизни. При этом переворачиваются преимущественно крупные центромеры — именно они отсоединяются от каната смерти и переориентируются на канат жизни.

Но как, спросите вы, хромосомы могут «знать», какой канат им достался (даже в нашем примере вам для этого пришлось бы заглянуть под повязку)? Лэмпсон с коллегами обнаружили, что в яйцеклетке существует градиент химического вещества, которое присоединяется к канатам (если говорить научным языком, происходит тирозинирование тубулина, из которого состоят нити-канаты) и модифицирует их в разной степени. Прочность прикрепления центромеры зависит от количества этого химического покрытия на канатах — не нужно снимать повязку, достаточно на ощупь определить, сколько вещества на вашем канате. Или просто почувствовать, что канат стал более скользким. Когда я впервые узнал об этом явлении, у меня челюсть отвисла. Вроде бы мы говорим о простых химических реакциях веществ, но они ведут себя как настоящие интриганы.

Обратите внимание: когда игрок пытается обмануть систему, он в среднем оказывается в выигрыше, а я как распорядитель игры часто проигрываю. Например, всякий раз, когда переворот не срабатывает как надо и мы получаем лишнюю хромосому, потомство страдает, но игроку все равно выгоднее переворачиваться, ведь ему нечего терять, а репродуктивная компенсация принесет выигрыш. Поэтому я как главный распорядитель должен пресекать попытки переворота, не дать вам обмануть мою тщательно продуманную систему и уж точно не допустить гибели эмбрионов — тех самых, которые не собирались передавать вас потом в новые эмбрионы. И мы действительно видим такие защитные механизмы. Лэмпсон, например, обнаружил варианты белка, который связывается в месте соединения центромеры с канатом и не дает центромере бросить канат смерти. У мышей снижение количества этого белка (он называется Bub1) приводит к учащению случаев потери и приобретения хромосом. Уровень Bub1 также падает с возрастом матери, и частота хромосомных аномалий растет. Анеуплоидия у человека тоже связана с проблемами захвата канатов центромерами. Все сходится. Правда, гипотеза новая и требует дальнейшей проверки. Пока неясно, например, наблюдается ли у других видов то поведение хромосом, которое Майкл Лэмпсон обнаружил у мышей. У плодовых мушек тоже странно высокая частота анеуплоидий, которую эта модель не объясняет. И все же пока это лучшее объяснение того, почему так много наших эмбрионов обречены с самого начала.

Из этой идеи вытекает еще одно следствие: наши геномы вечно играют в кошки-мышки с собственными центромерами. Остальным генам выгодно подавлять губительную для эмбрионов активность центромер: на них действует отбор, заставляющий их как-то пресекать «мошенничество» в игре. Центромеры, в свою очередь, находятся под давлением отбора, побуждающего их мошенничать снова и снова. Подтверждение тому — стремительная эволюция белков, взаимодействующих с центромерами: показатель Ka/Ks у них больше единицы. Сами центромеры тоже эволюционируют с невероятной скоростью. Если задуматься, это странно — ведь речь идет о ключевой структуре, обеспечивающей безупречное деление клеток и производство половых клеток. Почему не существует просто оптимального решения, которое затем строго консервируется? Такого рода конфликт — лучшее объяснение стремительной эволюции. Когда ученые впервые просканировали человеческий геном в поисках вариантов, которые быстро перешли из редких в распространенные, они обнаружили множество сигналов в районе центромер. А поскольку центромеры не кодируют белки, их коварное поведение остается наиболее правдоподобным объяснением. Сам процесс материнского мейоза I таит в себе неприятности, ведь у нас работает репродуктивная компенсация.

Самое удивительное в этой игре в кошки-мышки то, что участвуют в ней не люди и вирусы с паразитами, не мужчины и женщины, не младенцы и матери — основное противостояние проходит между нашими генами и нашими же центромерами. Поэтому такое явление называют внутригеномным конфликтом, или просто геномным (генетическим) конфликтом. То, что выгодно центромере, — попытаться ухватить канат жизни, когда ей достался канат смерти, — совсем невыгодно остальным генам в геноме. Как ни странно, они предпочитают не оказаться в мертвом эмбрионе и голосуют за честное расхождение 50:50. Кстати, мы называем их не коварными, а «эгоистичными генетическими элементами». Встречаются также термины «эгоистичный ген», «ультраэгоистичный ген», «генетические ренегаты», «геномные паразиты» или «самопродвигающиеся элементы». Терминология разнообразна, но суть одна: некоторые мутации распространяются в популяции не потому, что приносят нам пользу, а потому, что умеют обманывать систему наследования.

История гена, который узнаёт своих родителей

Развитие плаценты и молочное вскармливание, судя по всему, приводят к еще одному конфликту. Мы уже видели, как плацентарное развитие провоцирует борьбу между матерью и плодом за уровень сахара, приводя к гестационному диабету и создавая условия для повышения артериального давления у матери. Та же самая гибкость в снабжении питанием, как полагают, объясняет похожий конфликт, лежащий в основе некоторых загадочных генетических заболеваний.

Наверняка вы видели фотографии утят, которые гуськом идут за человеком с ведром. Куда движется человек с ведром, туда и утята. Это явление называется поведенческим импринтингом. Когда птенец вылупляется, первым делом он обычно видит мать. В мозгу формируется ее образ, и птенец знает, что нужно следовать за ней. Если заменить мать ведром, птенец запечатлеет в памяти ведро и будет ходить за ним.

У нас есть гены, которые ведут себя похожим образом. Поясню. У вас примерно 20 000 генов, кодирующих белки, и немало некодирующих генов. Когда гены любого типа активируются, обычно работают обе копии — материнская и отцовская (то есть они транскрибируются и, возможно, транслируются). Но для некоторых генов это правило не действует.

В некоторых случаях клетка случайным образом выбирает одну из двух копий гена и активирует только ее. Так часто происходит при специализации клеток. Например, в носу клетка обычно экспрессирует только одну из двух копий генов обонятельных рецепторов. B-лимфоциты нашей иммунной системы тоже активируют только одну из двух копий генов иммунных белков. Каждая такая клетка могла бы быть универсальной и производить обе версии,