Откуда столько хромосом?

Как многим известно, существует 4 группы крови, 9 чинов ангельских и 12 знаков Зодиака. Почему именно столько — тайна, недоступная профанам. Есть в нашей жизни и еще одно число, окутанное тайной: по какой-то причине у нас 46 хромосом. Если бы невежественные люди были чуть менее невежественны, они бы наверняка уже придумали, что пятая хромосома астрально связана с Сатурном, а восемнадцатая контролирует вход космических вибраций через пятки. К счастью, они достаточно невежественны, чтобы никогда не вспоминать о хромосомах.

Но откуда взялись эти 46? Вроде бы венцу творения можно было бы иметь число покруглее да позначительнее: 12, или 100, или 666, или хотя бы 144, то есть дюжину дюжин. Число 46 ничем не выделяет нас из рядов разнообразного зверья: у кролика 44, у ежика 48, а у нас ровно посерединке.

На этих хромосомах причудливо разбросаны всякие гены, тоже без видимого склада и лада. Почему, например, ваш рыжий (или нерыжий) цвет волос закодирован именно на 16-й паре хромосом, а порядок, в котором соединены ваши руки, ноги, туловище и голова, — на второй? Неужели вторая настолько важнее?

Вашего покорного слугу с детства интересовало, откуда это все взялось, но он стеснялся спросить, уж больно дурацкий получался вопрос. Видимо, понимая наше смущение, профессор Харрис Льюин из Калифорнии вместе с международной группой ученых предложил нам ответ авансом, не дожидаясь расспросов. Но прежде чем изложить результаты их работы, расскажем еще чуть-чуть о хромосомах.

Сломать и склеить

Детский вопрос, мучивший автора, приобрел особо зловещий аспект в середине прошлого века: тогда вдруг оказалось, что у человека 46 хромосом, а у шимпанзе 48. Это значит, что у шимпанзе есть целая лишняя пара хромосом, со всякими важными генами, а у людей ее нет и в помине. Но люди же настолько лучше шимпанзе! Неужели все эти обезьяньи гены настолько вредны, что стоило от них избавиться — и из волосатой лесной зверюги получился венец эволюции?

Ответ был найден в 1980 году. Генетики из университета Миннеаполиса нашли способ окрасить препарат человеческих и обезьяньих хромосом и сравнить их (Yunis J., Sawyer J., and Dunham K., Science, 1980). Оказалось, что характерный узор из чередующихся темных и светлых полос у шимпанзе и человека повторятся с фантастической точностью, будто это не два разных вида, а один. С единственной поправкой: то, что у нас называется «хромосома II», у шимпанзе (и у других человекообразных обезьян) разделено на две половинки — хромосомы 12 и 13.

Посмотрите, как похожи: слева человек, справа шимпанзе

Иллюстрация: Jorge Yunis/Science Magazine 

Объяснение напрашивается само собой: в какой-то момент в человеческой истории, уже после того, как наши пути с шимпанзе разошлись, две предковые хромосомы вдруг объединились концами, образовав одну большую*. При этом гены — те самые, которые образуют при окрашивании индивидуальный узор темных и светлых полос, — никуда не делись, а потому мы ничем не хуже шимпанзе, да и не слишком-то и лучше, а просто гены наши соединены по-другому. Позже, в 1991 году, на второй человечьей хромосоме нашли следы того события — прямо у нее в середине были обнаружены остатки тех структур (теломер), которые обычно бывают у хромосомы на концах. Дайте нам еще десяток миллионов лет поэволюционировать, и мы избавимся от этого атавизма, но пока улики сохраняются.

То, что произошло с нашим далеким предком — не такая уж экзотика. Это называется «транслокация»: две хромосомы объединяются, обмениваются кусками, кусок одной хромосомы отрывается и цепляется к другой, иногда даже хромосома замыкается концами в колечко. Подобные штуки происходят постоянно: примерно один на тысячу человеческих младенцев несет хромосомную транслокацию. Многие из них не проявляются никак, некоторые ведут к отставанию в развитии. А есть у нас, например, довольно знаменитая «филадельфийская хромосома» (это когда 9-я и 22-я обмениваются кусками) — она с большой вероятностью награждает своего хозяина одним из нескольких видов лейкозов. Или прелестная «робертсоновская» транслокация der(14; 21): у ее носителей по факту как бы лишняя половинка 21-й хромосомы и, как следствие, синдром Дауна. Только в отличие от обычного этот — вместе с дефектной хромосомой — прослеживается в семьях на протяжении поколений.

Судьба однажды забросила автора этих строк в детскую Морозовскую больницу, где он увидел кариотипы (фотографии всех хромосом, разложенных по порядку) с разными странными транслокациями, а также детей, которым небеса судили с этими транслокациями родиться. Зрелище это интригующее, но далеко не веселое.

Впрочем, вернемся к обезьянам. Та транслокация, которая случилась в процессе превращения обезьяны в человека, отличается от всех этих разнообразных генетических дефектов одним: она закрепилась в популяции. То ли была не слишком вредна, то ли даже чем-то полезна, но факт остается фактом: в какой-то момент существовала скрещивающаяся группа приматов, которые все как один несли эту транслокацию, и эта группа оказалась настолько эволюционно успешна, что породила Данте, Эйнштейна и даже министра культуры РФ, доктора исторических наук В. Р. Мединского, обмолвившегося как-то о лишней хромосоме россиян.

Несомненно, такое случалось в эволюции и раньше, и не раз — не случайно же земные твари так разнообразны по количеству хромосом. Но вот только восстановить эту историю по распределению полосок на хромосоме уже не получится, слишком сильно они отличаются друг от друга, по сравнению с нами и шимпанзе. Но это не значит, что восстановить последовательность этих событий совсем уж невозможно.

Тут мы наконец возвращаемся к работе Харриса Льюина и его коллег. Именно они придумали, как это сделать.

Как все это было

В распоряжении коллег Льюина было куда больше фактов, чем у ученых из Миннеаполиса, разбиравшихся с шимпанзе 37 лет назад. А именно, они использовали полные расшифрованные геномы двадцати одного вида зверей. И еще, конечно, у них был компьютер! Точнее, разработанный ими алгоритм DESCHRAMBLER (в вольном переводе — нечто, превращающее яичницу обратно в яйцо).

Хитрая программа выделила во всех геномах зверья — а 19 из 21 твари были плацентарными млекопитающими — больше двух тысяч похожих кусков, которые у каждого из них были перепутаны и перемешаны между собой. Это, собственно, «яичница». А потом программа прикинула, как эти куски могли бы перетасоваться за сотню миллионов лет эволюции, чтобы получилось то, что получилось. И главным образом, как выглядел геном того самого первого плацентарного млекопитающего, от которого мы все произошли, — условное «яйцо».

Если вам еще интересно, у того крысообразного звереныша было 42 хромосомы (21 пара). На долгом пути от него к нам 162 раза хромосомы рвались и соединялись по-другому. При этом, как ни странно, одну из хромосом (двадцатую) тот крысеныш ухитрился передать нам в целости и сохранности. А вот у слона, к примеру, за плечами совершенно другая история хромосомных поломок и починок. У собаки тоже история, не слишком похожая на нашу, хотя 6 событий у нас с ней общие. Пятнадцать общих с крысой (те же 6, что с собакой, плюс еще 9). 62 — с маленькой обезьянкой-игрункой, что родом из Бразилии. И наконец 149 — с шимпанзе (оказывается, мы отличаемся от них вовсе не единственной транслокацией: на пути от общего предка у нас было 13 таких событий, у шимпанзе — 14).

Детали этой истории можно при желании рассмотреть на картинке.

Иллюстрация: Harris Lewin/UC Davis

Раз мы теперь знаем, как выглядели хромосомы общего предка плацентарных млекопитающих, можно задаться вопросом: много ли у нас с ним общего? Просто чтобы не повторился тот казус, о котором мы рассказали в начале, что якобы у шимпанзе есть целая лишняя хромосома, на которой закодировано черт знает что. Ну так вот, у общего предка плацентарных (то есть человека, крысы, коровы, слона и ламантина) уже было около 80% всего того, что есть у нас в геноме. У общего предка «бореоэутериев» (это все наши звери, кроме опять же слона, ламантина, трубкозуба и им подобных странных существ), а также общего предка «эуархонтоглиров» (это мы, приматы и наши ближайшие родственнички-грызуны) — больше 80%, у общего предка приматов — больше 90% всего нашего генетического богатства. Другое дело, что использовали это богатство все мы по-разному. Ну так это же часто бывает среди ближайших родственников: поделили с братом отцову избу, его половина сгнила, ваша — как на картинке. Но это не повод, чтобы задирать нос перед трубкозубом или голым землекопом. Все равно дальше-то будем выкручиваться все вместе.

Кроме вот этой общегуманитарной морали, которую мы вывели из работы Льюина и его коллег, оттуда следуют еще разные мелочи: например, знание о том, в каких точках хромосома предпочитает ломаться и почему. Это знание, наверное, как-то можно будет использовать, чтобы рождалось поменьше детишек с хромосомными нарушениями, а если родятся — чтобы у них в жизни было все нормально. Но в такие вопросы нам, профанам, вникать не так интересно: мы воспринимаем как должное, что непонятные и неизлечимые недуги со временем становятся понятными и излечимыми. А вот то, что для этого иногда приходится восстанавливать историю происхождения наших 46 хромосом от ископаемой крысы, — приятный бонус. Это дает нам право воображать, будто смысл работы ученых в том, чтобы отвечать на наши глупейшие вопросы. Может, когда-нибудь они выяснят, почему чинов ангельских именно девять, а может, мы и сами потеряем интерес к подобной чепухе и заинтересуемся наконец потрясающей тайной жизни.

Кстати, если кто-то уже заинтересовался, по-английски о работе Льюина можно прочитать на сайте его университета.

* Примечание. Хромосомы всех живых существ нумеруются от самой большой к самой маленькой. Неудивительно, что продукт слияния двух обезьяньих хромосом оказался довольно большим, а потому приобрел у нас привилегированное место в начале списка.