Это делают даже те, кто не занимается сексом

Предыдущую главу читайте здесь: Старинное приспособленье: как слиться с любимым существом

Глава двадцать шестая, в которой рекомбинация происходит не там, где все ждали, а читатель узнает слово «парасексуальный»

Ничто так не привлекает меня в научно-популярных текстах, как систематизм мышления автора: умение выстраивать мысли и слова в линейную логическую цепочку, чтобы от простого постепенно продвигаться к сложному, весело и беспреткновенно, как на попе с ледяной горки. В свете этого кажется особенно странным, что сам я постоянно прыгаю с одного на другое: например, уже много страниц назад было впервые упомянуто слово «мейоз», но пока еще не рассказано, что это такое. Рекомбинация упомянута в третьей главе, сейчас у нас уже двадцать шестая, а схемы рекомбинации еще не нарисованы. Ну и вот совсем вопиющий случай: так и не перейдя к рекомбинации и мейозу, мне вздумалось упомянуть о парасексуальном процессе. Ни один здравомыслящий биолог не стал бы располагать факты в таком порядке. А мы будем, потому что терять уже нечего. К тому же мы пытаемся понять, как наши предки пришли к сексу, и нельзя исключать, что они тоже двигались по этому пути вопреки всякой логике и, возможно, тоже начали с парасексуального процесса.

В прошлой главе мы выяснили, что научиться сливать свои клетки эукариотам было, видимо, совсем несложно: все необходимое досталось им в наследство от архейного родителя. Следуем дальше: оказывается, сливать ядра (это называется «кариогамия») — тоже не бином Ньютона. А когда ядра сольются, в них произойдет рекомбинация.

В студию возвращаются два сорта плесени Aspergillus nidulans, которые в прошлой главе слили свои клетки, чтобы избежать голодной смерти. Напомню: одна плесень была с желтыми спорами и не умела сама синтезировать аминокислоту триптофан, а вторая — с белыми спорами и не могла синтезировать аргинин. Тем не менее, когда мы посадили их вместе на среду без аргинина и триптофана, у нас выросли колонии со смешанными бело-желтыми спорами — дикарионы, в которых после слияния клеток перемешались ядра двух наших грибков. Колонии росли на бедной среде, потому что два типа ядер могли совместно обеспечивать потребности гриба в аминокислотах. Однако ни белые, ни желтые споры-конидии не прорастали: в споре-то ядро только одно, а поодиночке они справляться так и не научились.

При этом, если смыть водой все-все споры с таких колоний и упрямо размазать их по бедной среде, кое-что все-таки вырастет. Кое-что не с белыми, не с желтыми, а с зелеными спорами, как у дикого гриба (и белые, и желтые споры — это мутанты). И эти споры будут заметно крупнее обычных, отчего колонии приобретают красивый чуть дымчатый оттенок. Кто это такой у нас тут вырос? А это диплоид! Где-то там, в глубине дикариона, два ядра слились в одно. Это не секс: не будем углубляться в тонкости, но слились они не так, как это делается при сексе, а просто между делом. В этих новых диплоидных ядрах каждая мутация из тех, что были у родителей, компенсирована здоровой копией гена в наборе, полученном от другого родителя. Поэтому нашему диплоиду не нужен для роста ни аргинин, ни триптофан, и споры у него вполне обычного для этой плесени зеленого цвета. Итак, для некоторых эукариот сливать ядра клеток — тоже не слишком хитрый фокус.

А теперь подвергнем нашего диплоида небольшой неопасной процедуре: посадим иголочкой несколько спор на питательную среду, куда добавлен вредный яд, мешающий хромосомам нормально расходиться при делении клеток. Сначала мы ничего не увидим: гриб просто не сможет расти, потому что при каждой попытке поделиться его ядра будут терять хромосомы. Но рано или поздно в какой-то части гриба все лишние хромосомы диплоида будут потеряны — он снова станет гаплоидом. И тогда мы увидим растущий сектор колонии плесени с зелеными, или белыми, или желтыми спорами. Возможно, там будут, к примеру, желтые сектора, нуждающиеся для роста в аргинине, но не нуждающиеся в триптофане.

И тут вы — если вы генетик — захлопаете в ладоши от радости. Дело в том, что мутации trpC, argC и yB находятся на одной (а именно, восьмой) хромосоме нашего гриба. И если у этих потомков, в отличие от родителя, совместились признаки «желтый» — «не нуждающийся в триптофане» — «нуждающийся в аргинине», это значит, что в восьмой хромосоме случились события рекомбинации. Гены родителей перетасовались между собой. При этом ни малейшего секса там не было и в помине. Не было и мейоза.

Возможно, именно так в 1954 году захлопал в ладоши итальянский генетик Гвидо Понтекорво, работавший в шотландском городе Глазго. То, что он открыл, назвали «парасексуальным процессом» — это такой секс без секса, то есть рекомбинация в неполовых, соматических клетках. Понтекорво понял, что это открывает путь к генетическому исследованию таких объектов, которые заниматься сексом никак не заставишь, вроде культур клеток растений или животных. Заметим в скобках, что вот такую произошедшую не вовремя рекомбинацию называют «митотической», в отличие от обычной «мейотической». Это название вносит небольшую путаницу, потому что мейотическая рекомбинация действительно привязана к мейозу, а вот митотическая происходит когда угодно, только не во время митоза. Впрочем, не будем придираться к общепринятой терминологии.

Гвидо Понтекорво сделал это открытие, работая в Андерсон-колледже Университета Глазго, на углу Черч-стрит и Думбартон-роуд, — позже здание отделения генетики получило имя «Понтекорво Билдинг». Работал в нем некоторое время и автор этих строк. Из архитектурных особенностей запомнились узкие окна под потолком лаборатории, в которые никак невозможно было увидеть ничего, кроме серого шотландского неба. Впрочем, в технологических перерывах можно было выйти наружу и прогуляться по берегу быстрой речки Кельвин. Поначалу мне показалось ужасной безвкусицей назвать речку в честь знаменитого физика. Потом выяснилось, что это как раз физик Уильям Томсон получил имя речки, омывающей стены родного университета, когда удостоился баронского титула за научные заслуги.

Не могу не упомянуть еще одну достопримечательность Андерсон-колледжа: лифт системы патерностер, представляющий собой вереницу кабинок, которые движутся без остановок на этажах. В них полагалось впрыгивать на ходу, что особенно весело, если у вас в охапке какой-нибудь нескладный и хрупкий научный прибор, а навстречу из лифта прыгает девушка с полной корзиной баночек с дрозофилами. На инструктажах по технике безопасности аспирантам объясняли, что, если вы не успели соскочить на верхнем или нижнем этаже, ничего страшного, складывающиеся стены кабинки вас не раздавят, однако этот сюжет у многих присутствовал в ночных кошмарах. В прошлом году здание Понтекорво Билдинг было снесено ввиду ветхости и крайнего неудобства, но в 1995-м этот бастион большой науки был еще неколебим.

Сам Понтекорво к тому моменту уже давно проживал в Италии, однако в один прекрасный день 88-летний классик все же посетил свою бывшую лабораторию. Мне было поручено рассказать мэтру, что мы вообще там делаем и куда зашла основанная им (и впоследствии заброшенная) область науки. Этот день я вспоминаю со стыдом.

Самонадеянный постдок из далекой России построил свою экскурсию в стиле дня открытых дверей для старшеклассников: «Это слишком долго объяснять, но посмотрите, какие красивые штучки». Доктор Понтекорво ходил за мной по лаборатории и благосклонно кивал. А потом задал пару вопросов. Если вы доживете до 88 лет, дай вам бог уметь задавать такие вопросы, мгновенно ставящие на место зарвавшихся дилетантов. И, кстати, дай нам всем бог закончить свою жизнь так же, как он: четыре года спустя, на 92-м году жизни, Гвидо Понтекорво погиб, сорвавшись с тропы во время горной прогулки в Альпах.

«Дружище, соберись: это все-таки не мемуары, а научпоп», — вынужден сказать себе автор и продолжить повествование о рекомбинации.

Из этой истории — я имею в виду историю про рекомбинацию у соматических диплоидов аспергилла — можно сделать вывод, что сливать два ядра в одно и заниматься рекомбинацией живые организмы могут и без специальных устроений, даже не задумываясь о сексе. Всякие научные сложности, изложенные выше, — специальный подбор родителей с разными мутациями, создание гетерокариона, выделение диплоида и его последующая гаплоидизация — понадобились здесь только для того, чтобы генетик мог заметить на своих чашках Петри, что это произошло. Но, видимо, рекомбинация может происходить и в самых обычных клеточных ядрах. Просто нам ее будет трудно наблюдать, потому что тогда рекомбинировать будут две совершенно одинаковые молекулы ДНК.

Собственно, с помощью таких опытов в середине ХХ века и было выяснено, как происходит рекомбинация. На мой взгляд, это одна из самых завораживающих страниц истории биологии: от разноцветных спор, бактериальных колоний и фаговых бляшек (это когда вирус нападает на бактерию, бактерии умирают, и на сплошном бактериальном ковре возникает прозрачное пятнышко) биологи протянули логическую нить к молекулярным перестройкам ДНК. И, как оказалось, все угадали правильно, хоть и не с первого раза.

Рекомбинация, как выяснилось, бывает не только у высших организмов, но и у бактерий, и у вирусов. Бактерии размножаются делением, то есть клонально и без всякого секса, но они обзавелись особыми приемами, чтобы обмениваться генами. Таких приемов, вообще говоря, три.

Первый называется трансформация. Бактерия умеет захватывать ДНК, плавающую во внешней среде, и потом встраивать ее в свой геном. Она делает это не по небрежности, а намеренно: у нее есть для этого специальные приспособления, которые запускаются в периоды стресса, например голодания. Если бактерии голодно, значит, возможностей ее генома не хватает на то, чтобы прокормить себя. Возможно, мешают какие-то мутации или просто нужного гена у нее никогда и не было. И тут микроб делает последнюю ставку: а вдруг нужный ген плавает где-то рядом? Это не так уж маловероятно, как кажется, потому что если бактерии плохо, то плохо и окружающим ее сестрам-бактериям, и многие из них наверняка уже погибли, их ДНК вытекла наружу и где-то тут плавает.

Именно генетическая трансформация бактерий стала решающим доказательством того, мягко говоря, немаловажного факта, что в основе жизни на Земле лежит ДНК. Это открытие было сделано в 1944 году, и Освальд Эйвери остался в истории как пример ученого, совершившего эпохальный прорыв в своей области, но не удостоившегося Нобелевской премии. Номинирован на нее он был несколько раз, в том числе в 1949 году, когда премию присудили за лечение психических заболеваний с помощью лоботомии. Вот такой неприятный случай в истории Нобелевского комитета.

Впрочем, перейдем к другим приемам, с помощью которых бактерии обмениваются генами. Второй способ называется трансдукция. За него отвечают вирусы-бактериофаги, которые иногда встраивают свой геном в хромосому бактерии, живут там некоторое время, а потом вырезают сами себя и начинают размножаться. Так вот, при вырезании они иногда могут по неосторожности прихватить кусочек бактериальной хромосомы с каким-нибудь геном. А после такой вирус заразит другую клетку, встроится в ее геном и подарит ей новый ген. Одно время было принято думать, что трансдукция — чистая случайность, и бактерии в ней уготована лишь пассивная роль. Но сейчас выясняется, что особые приспособления — «агенты переноса генов», или АПГ — являются частью бактериального аппарата выживания и эволюции, и не всегда легко бывает определить, где там злой вирус, а где добрый механизм клетки-хозяина. Об этом хорошо прочитать в «Логике случая» у Евгения Кунина, благо по самой первой биологической специальности он именно вирусолог и лишь потом стал биоинформатиком-теоретиком. Для наших скромных штудий эта тема — уже немного чересчур.

Наконец, есть третий способ, очень изощренный, и он называется конъюгация. О ней мы немного говорили: бактериальные клетки соединяются мостиком из цитоплазмы, и по этому мостику от одной клетки к другой передается особый генетический элемент, F-фактор. Элемент часто передается сам по себе, и тогда это похоже на обычную инфекцию. Но бывает, что элемент встроен в хромосому, и тогда он начинает перетаскивать всю хромосому за собой (а другая копия остается внутри клетки, так что никто не умирает). Весь процесс занимает около полутора часов, но, если встряхнуть колбу с конъюгирующими бактериями, он прервется раньше, и от донора к реципиенту перейдет лишь часть генов. А поскольку генетики знают, в каком именно месте хромосомы встроен F-фактор у их домашних питомцев-бактерий, они могут использовать этот фокус, чтобы составлять карты генов. Генетическая карта кишечной палочки размечена в минутах. Если какой-то ген успевает перейти в клетку-реципиент за 30 минут конъюгации (а за 29 не успевает) — значит, этот ген расположен «на 30-й минуте генетической карты».

Конъюгация уже так похожа на секс, что есть соблазн думать, будто это он и есть. У инфузорий — сложных ядерных организмов — половой процесс тоже называется конъюгацией, потому что внешне похож на бактериальный: две клетки соединяются мостиком и через него обмениваются ядрами. Но у инфузорий эти ядра — продукт мейоза, почти что наши гаметы, и все это просто часть обычного полового процесса. К тому же все происходит симметрично, родители вносят одинаковый генетический вклад. А при бактериальной конъюгации есть ярко выраженные «мама» и «папа» («папой» будем считать штамм, в котором был F-фактор и который инициировал все это безобразие). По окончании процесса «папа» остается с чем был, а «мама» может использовать «папину» хромосому, чтобы заменить ею кусочек своей. А может и не использовать. Так что это не совсем одно и то же.

Тут нельзя не сказать, что все эти способы перенесения генов из одного организма в другой используются биологами-экспериментаторами, причем не только в бактериях. Взять хотя бы ту же трансформацию: это один из способов засунуть чужой ген в клетку, чтобы сделать из нее генно-модифицированный организм (или ГМО; признаны в РФ иностранными агентами). Сам я умею делать это с бактериями и грибами, причем у грибов это даже проще — идеологически, если не технически. Сначала, правда, надо удалить клеточную стенку гриба, состоящую из хитина и других полисахаридов, для чего кусочек гриба обрабатывают особым ферментом. А потом просто добавляем чуждую ДНК, резко помещаем клетки в концентрированный раствор чего бы то ни было (это называется осмотическим шоком), и вуаля — ДНК уже внутри клетки.

А что потом? А ничего: если она внутри, то какая-то ее часть доберется до ядра и найдет место, где встроиться в хромосому. Более того: если взять для трансформации два разных сорта молекул ДНК, то по итогам они с большой вероятностью прорекомбинируют между собой, объединившись в одну молекулу. Это значит, что рекомбинацию тут вообще нельзя считать узким местом: это вполне обычная судьба «диких» молекул ДНК в клетке. Скорее уж организму надо принимать меры, чтобы этого не произошло, потому что происходит оно буквально само собой, а рекомбинация непонятно чего с твоей единственной и незаменимой хромосомой может повредить какие-то нужные гены.

На такой неутолимой тяге к рекомбинации построен смешной способ клонирования генов, который незадолго до того, как я приобрел обыкновение прогуливаться вдоль речки Кельвин, придумал мой коллега Дэвид Джемс (ныне занимающийся проблемами старения у червей, вот ведь поворот), а я осуществил. Способ получил название instant gene bank, то есть что-то типа «быстрорастворимый банк генов», и устроен он до глупого просто: перемешиваем все компоненты, включая клетки реципиента с переваренной клеточной стенкой, бабах — и вот уже на чашках Петри растут нужные клоны, только выбирай. Все прорекомбинировало, как говорится, in vivo, без нашего участия. Именно эту историю я и пытался рассказать в тот день Гвидо Понтекорво, намеренно ограничивая себя лексикой из сказки Goldilocks and the Three Bears в адаптации для иностранцев, что, как мне казалось, было уместно в общении с пожилым человеком.

Если читатель здесь почувствовал себя немного запутавшимся в побочных линиях повествования, ничего страшного: все эти ни к селу ни к городу не идущие подробности приведены здесь с единственной целью. Я пытаюсь разными способами намекнуть, что ни слияние клеток, ни слияние ядер, ни рекомбинация — не таинства, а повседневность. Они происходят повсюду на древе жизни и при самых разных обстоятельствах. Половой процесс у высших организмов просто систематизировал эти разрозненные наработки и объединил в стройную схему. Наверное, вот теперь все-таки пора рассказать, как именно он это сделал: об этом и пойдет речь в следующий раз.

Продолжение: Чем сложный секс лучше простого