Лекция 10. ПОЛОВОЙ ПРОЦЕСС 1. МЕЙОЗ

(курс лекций "Общая биология", читавшийся О.Э. Костериным на первом курсе психологичесого факультета НГУ в 2006-2011 гг.)

Чем дальше, тем больше мы с вами концентрируем свое внимание на различиях прокариот и эукариот. Мы узнали, что у эукариот гораздо более сложно устроенная (да и более крупная) клетка, включающая собственно ядро – эфемерную перегородку, возникающую в рабочем состоянии клетки (интерфазе) для разделения зон репликации и транскрипции по одну сторону и трансляции – по другую. У эукариот гораздо сложнее устроен процесс деления клетки, и прежде всего ее генетического материала – хромосом. Хотя и здесь можно проследить преемственность от прокариот к эукариотам, различия все же впечатляющие. Связаны они прежде всего с тем, что ДНК у эукариот гораздо больше и всю ее нужно, во-первых, упаковать, во-вторых, в этом упакованном состоянии реплицировать, в-третьих, точно поделить на две идентичных копии – для этого она пакуется еще гораздо плотнее. Таким образом, более сложная клетка требует более сложных механизмов для своего точного воспроизведения.

И тут мы неожиданно сталкиваемся с необходимостью воспроизводиться не так уж точно. Именно с необходимостью, причем такой насущной, что для решения этой проблемы у всех известных организмов выработались специальные механизмы, часто еще более изощренные, чем те, которые обеспечивают точность.

Нам предстоит посвятить несколько лекций эволюции. Похоже, очевидное сходство нас с обезьянами и прочими зверями все же не осознавалось людьми в течение пары тысяч лет, но там сравниваются слишком эмоционально нагруженные вещи. Однако вот мы погружаемся в микромир, в область молекул и клеточных структур, с которыми у нас не связано никаких архетипов, образов и эмоций, мир вещей практически невидимых, которые мы можем воспринимать только с помощью интеллекта. Мы видим одни и те же нуклеотиды и аминокислоты, тот же генетический код, те же плазматические мембраны и в то же время сталкиваемся с разными способами организации этих мембран, клеточного деления и т. д. И мы не можем рассматривать это иначе как указания на ту или иную степень родства, которой связаны все живые организмы. Поэтому любое рассмотрение основ биологии с необходимостью эволюционной и иначе быть не может, так как все биологические объекты действительно возникли в ходе эволюции от общего корня. (Тем, кому дорога идея творца, не удастся закрыть глаза на эту совершенно очевидную эволюционную преемственность и придется заключить, что она свидетельствуют как минимум об эволюции творческих замыслов в божественном интеллекте. Но если эти замыслы действительно творческие, т. е. будучи помыслены, материализуются, то мы будем опять-таки иметь эволюцию в материальном мире. Позже мы увидим, что и с точки зрения механизмов эволюции творец оказывается излишней гипотезой.)

Так вот, у слова эволюция сначала было довольно возвышенное значение, но сейчас оно употребляется в значении «изменение в течение многих поколений». Само существование этого термина говорит о том, что, точность самокопирования биологических объектов не абсолютна. Действительно, чтобы выжить в этом неустойчивом мире неравновесных процессов, так или иначе изменяться необходимо. Что это за изменения и где их источник?

Важнейший источник изменений вам, как и любому, хорошо понятен – это ошибки. Все многообразие жизни в конечном счете возникло из счастливых (и не очень) ошибок. Но мы все хорошо знаем, как редко случаются счастливые ошибки и как много бывает досадных. И хотя в высшей степени терпеливая эволюция действительно преимущественно зиждется как раз на этих редких счастливых случаях, одна житейская мудрость остается справедливой всегда: ломать не строить. И специально заботиться о генерации ошибок любым биологическим системам (а не только нам с вами) не следует – они всегда происходят сами собой в избыточном количестве.

Но существует и более привлекательный источник изменения – выбор из имеющегося разнообразия вполне привлекательных вещей и перебор разных сочетаний из них. Согласитесь, звучит более обнадеживающе. Куда приятнее сходить в магазин, чтобы выбрать себе новые вещи, чем пересматривать пришедшие в негодность старые вещи на предмет, куда еще их можно приспособить. Поэтому на всех уровнях организации жизни была предусмотрена возможность обмена индивидуумами элементами своей конструкции. Мы помним, что митохондрии и пластиды произошли от бактерий, одомашненных клетками, имеющими ядра. Но это крайний и редкий случай. Нормой же является обмен не самими конструктивными элементами, а только их чертежами и прописями технологий, т. е. генами, в которых записана информация о том, как их делать. И пользуются ими не сами индивидуумы, а их потомки. Более точно – практически у всех организмов предусмотрены механизмы обмена генетическим материалом с себе подобными. Перекомбинация разных работающих (не сломанных) генов порождает разнообразие технических решений, которое часто оказывается востребованным жизнью (в прямом и переносном смысле).

И снова – эти механизмы различны у прокариот и эукариот. У первых они проще и более гибкие, у вторых – сложнее и жестко упорядочены. Они называются двумя словами: половой процесс. Вот вы и оживились! Это лишь очередное свидетельство важности генетического обмена для биологических объектов. Подумайте сами, почему вы оживились, о чем это вам напомнило и каков биологический смысл этого самого. Давайте пойдем по уже привычному для нас пути – начнем с того, что посмотрим, как он происходит у бактерий.

Половой процесс у бактерий довольно прост. Помимо жгутиков, бактериальная клетка часто несет тонкие отростки - пили. Обычно они нужны, чтобы бактерия прикреплялась к субстрату. Есть особый тип отростков - F-пили. Их наличие кодируется особой плазмидой, называемой F-фактор - независимой небольшой кольцевой ДНК, произвольное число копий которой может находиться в цитоплазме. Соответственно бактерию, которая несет эту плазмиду и как следствие имеет F-пили, можно назвать "мужской". Они способны присоединяться к другой бактерии, не имеющей F-фактора, как правило, своего вида (хотя понятие вида у бактерий очень размыто) и открываться в нее. Этот процесс называется конъюгацией. Конъюгация служит сигналом к внесению разрыва в одну из цепей ДНК в F-факторе. При этом надрезанный конец проникает в F-пиль и далее в "женскую" клетку, где к нему достраивается вторая цепь. В ходе этого процесса в "мужской" клетке F-фактор реплицируется по мере расплетания его двойной спирали и полностью восстанавливается. Таким образом, F-фактор фактически инфицирует собой "женскую" клетку, делая ее "мужской". С определенной вероятностью F-фактор встраивается в главную бактериальную ДНК, а будучи встроенным, способен вырезаться из нее - это обратимый процесс. В результате, описанный выше механизм приводит к тому, что вслед за фрагментом ДНК F-фактора в "женскую" клетку начинает переходить и ДНК основной бактериальной хромосомы "мужской" клетки. Однако вся она переходит крайне редко, как правило, конъюгация обрывается раньше. В результате, "женская" получает фрагмент F-фактора (но не целый F-фактор) и фрагмент бактериальной хромосомы. В ней кусок ДНК из "мужской" клетки способен замещать соответствующий ему кусок хромосомы "женской" клетки, так что она становится гибридной.

Как вы уже, видимо, усвоили, эукариоты отличаются от прокариот гораздо большим количеством ДНК, расфасованным во многие хромосомы, и сложным механизмом ее точного попадания в дочерние клетки при делении. Кроме того, ДНК у них защищена от внешних воздействий плотной белковой упаковкой, а кроме того, либо двойной ядерной мембраной в интерфазе, либо еще более плотной упаковкой во время митоза. Такой вариант полового процесса, как у бактерий, – передача произвольного куска ДНК в надежде, что он заменит соответствующий кусок в какой-то хромосоме, тут вряд ли пройдет. И действительно, для полового процесса эукариоты изобрели специальные универсальные механизмы.

Половой процесс у эукариот состоит из двух частей, которые у многоклеточных в той или иной мере разнесены в пространстве и времени. Первая его часть состоит в полном слиянии двух клеток и их ядер друг с другом. Слияние происходит на стадии G1 клеточного цикла, т. е. до синтеза ДНК. Этот момент обычно называется оплодотворением. Однако когда речь идет о слиянии двух одноклеточных организмов, то об оплодотворении говорить не принято. Видимо, когда две клетки сливаются без остатка, трудно сказать, что «кто-то оплодотворил кого-то», так как самих субъектов процесса не остается. Клетки, «намеревающиеся» слиться, принято называть гаметами. В результате слияния образуется одна клетка, ядро которой содержит два более или менее одинаковых набора хромосом, полученных от каждой из гамет. Такая клетка всегда называется зиготой.

Одинаковость двух наборов хромосом достаточно относительна, так как происходит слияние двух индивидуумов, будем говорить – двух родителей. Как мы все знаем, индивидуумы имеют индивидуальные различия, которые в основном определяются множеством небольших отличий в первичной их ДНК. У зиготы два набора хромосом, которые обычно имеют индивидуальные различия. Каждой хромосоме одного набора, полученной от одной из слившихся клеток (одного родителя), соответствует хромосома второго набора, полученная от другой слившейся клетки (другого родителя), причем последовательность ДНК этих двух хромосом отличается в деталях, но, как правило, несет те же самые гены, т. е. районы, в которых закодирована последовательность тех же самых белков или РНК и те же регуляторные области. Кроме того, в большинстве случаев эти районы расположены на ДНК в том же самом порядке. Первичная структура белков и РНК, кодируемая соответствующими друг другу участками хромосом, полученных от двух родителей, может несколько отличаться в деталях, но план строения и функциональные особенности молекул, как правило, сохраняются. Из всех этих правил бывают исключения (и порядок генов может быть изменен, и функции их продуктов не сохраняться), но они редки.

Немного очень важной терминологии.

1. Две почти одинаковые хромосомы, несущие, однако, некоторые индивидуальные различия, полученные зиготой от разных родителей, называются гомологичными хромосомами, или гомологами. Хромосомы разного типа, которые несут разные гены, называются негомологичными.

2. Индивидуальные варианты любого гена (осмысленной последовательности ДНК, несущей информацию о белке, РНК или являющейся регуляторной), которые могут быть (а могут и не быть) различными у двух гомологов, называются аллелями (мужского рода). То место на хромосоме, где расположен тот или иной аллель, называется локусом. По сути, и локус, и аллель – это гены, а различиt между этими понятиями точно то же самое, что между переменной и ее значением. Локус – это определенный тип гена. К примеру, последовательность ДНК, находящаяся в определенном месте хромосомы и кодирующая определенный белок, который синтезируется в определенное время в определенной клетке в определенном количестве, имеет определенную структуру и выполняет определенную функцию. Все эти свойства допускают некоторую степень изменчивости – такую, впрочем, что этот белок определенно остается тем же самым белком. Аллель же – это конкретный индивидуальный вариант гена, а кодируемый им индивидуальный вариант белка или РНК называется аллельным вариантом. Каждая хромосома может рассматриваться как строго определенная цепочка различных локусов, каждый из которых представлен тем или иным аллелем – индивидуальным вариантом каждого гена. (Между локусами у эукариот существуют промежутки – участки ДНК, которые не кодируют ничего, биологической информации не несут и могут быть очень изменчивыми.)

3. Аллели превращаются один в другой посредством изменений их последовательности нуклеотидов, которые могут иметь разную причину. Каждое такое одноактное изменение называется мутацией. Однако иногда слово «мутация» применяют и для получившегося в результате аллеля, особенно если очевидно, что исходный аллель – «нормальный», а получившийся – «аномальный». Это не совсем последовательно, но такова обычная практика.

Между делом мы ввели основной понятийный аппарат генетики и могли бы прямо сейчас перейти к основам генетики. Мы пока не будем этого делать, так как нам еще нужно знакомиться со многими удивительными вещами на уровне цитологии – науки о клетке.

4. Клетка, в ядре которой имеется два гомологичных набора хромосом, полученных в результате слияния родительских клеток (т. е. имеющая пару гомологичных хромосом для каждого типа хромосом), называется диплоидной. Диплоидна любая зигота, а также все клетки, образовавшиеся за счет деления зиготы и ее потомков путем митоза. (Вы помните, что при митозе количество и состав хромосом строго поддерживается, так что все митотические потомки зиготы будут нести тот же самый диплоидный набор хромосом.)

Было бы логично предположить, что те клетки, которые, слившись, образовали зиготу, имеют только по одному экземпляру негомологичных хромосом, т. е. были гаплоидны и несли только по одному гаплоидному набору хромосом. Однако, если слияние клеток и ядер происходит регулярно в ходе неважно чьей и неважно какой жизни и каждый раз количество хромосом удваивается, то либо мы получим бесконечно раздувающиеся ядра, либо должен существовать механизм, способный снова разделять два гомологичных набора хромосом диплоидного ядра.

Такой механизм есть. Он называется мейозом. Позже мы рассмотрим, как он происходит, но сейчас важно отметить, что мейоз – это процесс, который умеет разделять каждую пару гомологичных хромосом диплоидной клетки и помещать каждый гаплоидный набор хромосом по разным гаплоидным клеткам. Тем самым открывается возможность для нового слияния гаплоидных клеток с образованием диплоидной зиготы.

Преднамеренно не конкретизируем, о каких клетках идет речь. Сейчас нам важно усвоить абстрактный принцип и не ассоциировать его ни с каким конкретным примером. Принцип состоит в том, что у эукариот любая форма жизни существует посредством чередования двух фаз – гаплоидной и диплоидной. Принято говорить о гаплоидном и диплоидном поколениях. Нас сейчас это может немного сбить с толку, так как мы с вами находимся на уровне клеток. Каждая фаза может быть представлена множеством поколений клеток, размножающихся путем митотического деления, при котором диплоидное или гаплоидное состояние строго воспроизводится, то есть без смены фазы. Терминология, связанная с поколениями, возникла при рассмотрении многоклеточных организмов. Однако каждая фаза может быть представлена и единственной клеткой, которая не делится путем митоза. Смена гаплоидной фазы на диплоидную происходит при слиянии двух гаплоидных клеток (оплодотворении). Смена диплоидной на гаплоидную происходит в результате мейоза.

В этой смене (и ни в чем более) гаплоидного и диплоидного поколений и состоит суть полового процесса. И, заметьте, в отличие даже от бактерий, у нас пока еще нигде не возникали два разных пола.

Кто знает, где у человека диплоидное и гаплоидное поколение? Человек ведь эукариота! Человек весь диплоиден, за исключением его половых клеток – яйцеклеток и сперматозоидов.

Прежде чем мы рассмотрим, как происходит мейоз, зададимся вопросом: что хорошего нам дает половой процесс, т. е. чередование гаплоидной и диплоидной фаз? Если кто вспомнит про удовольствие, то пусть имеет в виду, что удовольствие – это всегда только приманка, которую эволюция выработала, чтобы заставить нас делать что-то полезное, причем полезное именно для нее же, эволюции.

Сказка начинается так: в Эдемском саду в некоей хромосоме некоего индивидуума случился хороший ген, очень полезный в данных условиях. Неважно, откуда он взялся, наверное, образовался в результате благоприятной мутации. Или его экспериментатор подсадил. Или вообще бог, а он, говорят, был большой экспериментатор. И неважно, что это за индивидуум – одноклеточный или многоклеточный. Пусть этот ген дает своему носителю большие уши. А в другой хромосоме некоего другого индивидуума случился другой хороший ген, тоже полезный – в тех же условиях среды Эдемского сада. Пусть он дает этому индивидууму более длинные зубы. (Неплохими персонажами мы населили Эдемский сад, не правда ли?) А как вы помните, в Эдемском саду индивидуумы не знали греха. И следовательно, полового процесса совсем не знали. Немного отойдем от библейской ситуации к более жизненной. Пусть эти индивидуумы умеют размножаться бесполым образом, т. е. точно себя копировать (это еще называется клонировать). И что будет в результате? В результате все менее удачные варианты  будут вытеснены (в частности, Красная Шапочка будет выедена под корень), а сад наполнится двумя клонами – ушастым и зубастым, которые и будут конкурировать друг с другом, пока небольшие преимущество одного не приведут к тому, что он вытеснит другой. Скорее всего зубастые съедят всех ушастых (что сделать им будет нелегко, так как те их издалека слышат) и будут дальше радостно есть уже друг друга. (Или один из них вымрет совершенно случайно.)

Догадываетесь, куда идет мысль? Возьмем на себя роль дьявола и научим наших друзей половому процессу. Чего проще – не мучиться и собрать в одном гибридном монстре большие уши и длинные зубы! Тогда таковые еще быстрее съедят всех остальных и станут не менее радостно есть друг друга. Выглядит безнадежно, но в эволюции все так и есть. Главное – вытеснить других побыстрее, до того как вытеснили тебя самого. Вот для этого и изобретен половой процесс.

Половой процесс – это способ перетасовывать, перекомбинировать гены, имеющиеся у разных индивидуумов одного вида. (Но не разных видов: что такое вид и почему нельзя избежать разделения на виды, мы обсудим потом.) В ходе мейоза имевшиеся в диплоидном ядре полученные от разных родителей гомологичные хромосомы каждой пары случайно распределяются между гаплоидными ядрами. Подчеркнем – случайно, т. е. материнские и отцовские как попало и вперемешку. Другими словами, мейоз гарантирует, что в каждую дочернюю клетку попадет по одной хромосоме из каждой пары гомологичных хромосом. А какая именно – это его не заботит. (И заведен он был именно затем, чтобы не заботило!) В результате за счет случайного распределения гаплоидных хромосом диплоидная клетка может образовать 2n различных гамет, где n – число хромосом гаплоидного набора. Вы знаете, что у человека 46 хромосом и что он диплоиден. Следовательно, у человека n = 23, поэтому таких сочетаний имеется 8 388 608!

Мы увидим далее, что в ходе мейоза даже гомологичные хромосомы умеют обмениваться своими генами. А в ходе оплодотворения более или менее случайно сливаются самые разные гаплоидные клетки. Если мы можем вырастить новую особь из зиготы, где объединились клетки, в хромосомах которых закодированы разные полезные признаки, то эта особь может получить оба этих признака. Таким образом возникают удачные сочетания разных признаков, которые и наследуют Землю.

Не заметили подвоха? Если половой процесс – это перетасовка сочетаний разных генов, то удачное сочетание генов можно точно так же и потерять, причем раньше, чем оно унаследует Землю. Буквально уже в следующем поколении. Конечно, тот факт, что индивидуум будет пользоваться своими преимуществами только на протяжении его индивидуальной жизни, повысит шансы именно этих генов со временем вытеснить все остальные, так что в ядра зигот будут попадать одни и те же удачные сочетания генов оттого только, что не осталось других.

На самом деле ситуация такова: в стабильных условиях эволюционно выгодно строго копировать сочетания генов. Предполагается, что рано или поздно в результате естественного отбора останутся только удачные сочетания. В нестабильных условиях выгоднее как можно быстрее изменяться. Придется расплачиваться неудачными вариантами, но немногие удачные, подхваченные естественным отбором, все окупят по эволюционному счету. В общем, для этого и устроено чередование поколений: более или менее длительные периоды строгого самокопирования путем митоза в пределах поколения чередуются с возникновений непредсказуемых сочетаний в ходе оплодотворения и мейоза.

Сделаем оговорку. Упоминая естественный отбор, мы полностью уверены, что эта в общем-то бытовая метафора совершенно прозрачна и понятна. Если у кого-то она вызывает идеологическую аллергию, то сообщаем, что, хотя ее придумал Дарвин, этот механизм эволюции никак не связан с дарвинизмом как системой взглядов и был очевиден даже одному очень раннему древнегреческому мыслителю (Эмпедоклу). Если в силу особенностей своей организации кто-то не выжил, а кто-то выжил, то тот факт, что следующее поколение будет представлено потомками второго, а не первого, – это автоматическое правило, к которому приводит элементарный здравый смысл в любой его форме. То, что такие свойства часто наследуются, – факт, не вызывающий возражений. С тем, что такие явления имеют место, согласны даже антидарвинисты. Суть дарвинизма состоит в утверждении, что не существует других механизмов эволюции, кроме этого. Разные системы взглядов отличаются по своему отношению к источнику и характеру изменчивости. Дарвинизм утверждает, что исходная изменчивость случайна, в частности синтетическая теория эволюции – что ее природа в ошибках копирования ДНК. Несмотря на постоянное желание публики выдать желаемое за действительное и объявить дарвинизм опровергнутым, поле битвы в науке остается до сих пор за ним. Все мы опять-таки обсудим в дальнейшем. Пока же следует адекватно относиться к упоминаниям естественного отбора как автоматического процесса, который в любом случае заведомо имеет место.

Есть еще один аспект диплоидной и гаплоидной фаз. Многие мутации представляют собой «поломки» генов, т. е. происходит такое изменение последовательности нуклеотидов, что с гена сходит дефектный продукт (чаще всего это белок), который не может выполнять свою функцию или продукт вообще не образуется. Однако в диплоидном ядре есть по две копии всякого гена (два аллелля), находящиеся в гомологичных хромосомах. Если одна копия дефектна, а вторая нет, то, как правило, это никак не сказывается на клетке – чаще всего продукта и одного гена оказывается вполне достаточно для выполнения необходимых функций. Если бы ядро было гаплоидным, т. е. большая часть генов существовала в единственной копии, то поломка большинства генов приводила бы к гибели клетки (мутация, приводящая к гибели, называется летальной мутацией, или леталью). Таким образом, диплоидное ядро обладает определенной избыточностью и помехоустойчивостью.

Казалось бы, это хорошо, но здесь имеется палка о двух концах. Под прикрытием одной из работающих копий (аллелей) гена в диплоидных ядрах дефектная копия (аллель) выживает и воспроизводится путем репликации. И таких дефектных копий может накопиться среди разных генов весьма много. При перетасовке аллелей в ходе полового процесса два дефектных аллеля могут встретиться и такая клетка погибнет, даже будучи диплоидной. Получается, что помехоустойчивость диплоидных клеток оборачивается накоплением скрытых мутаций. Чередование диплоидной и гаплоидной фаз помогает и в этом случае. Диплоидная фаза выживает, даже если один из аллелей дефектен. В гаплоидной фазе должно бы происходить  очищение от скрытых леталей, так как каждый аллель остается наедине сам с собой. Однако у многоклеточных в гаплоидной фазе работают далеко не все гены, поэтому летали действительно накапливаются до определенного уровня в генах, призванных работать только в диплоидной фазе. Люди – диплоидные организмы, и каждый из нас несет в себе десятки леталей – дефектных аллелей генов, которые привели бы к гибели, случись они в обоих гомологичных хромосомах. Что же предпочесть?

Мы можем судить по результату. Большинство одноклеточных организмов большую часть своей жизни проводят в гаплоидной фазе. По-видимому, им проще всего сразу же избавляться от леталей, ведь при этом погибает всего одна клетка. Все многоклеточные животные, грибы и наиболее высокоорганизованные растения большую часть жизни проводят в диплоидной фазе, а гаплоидная возникает на короткое время только в момент размножения. И это можно понять. Многоклеточный организм строится из тысяч, миллионов или миллиардов клеток, все из них получаются путем размножения одной-единственной. Если в каком-то клеточном клоне произойдет летальная мутация, то это может лишить организм важной конструктивной части и из-за летали в одной клетке погибнут многие. Поэтому им важнее надежность и помехоустойчивость. Летали же частично отфильтровываются в кратковременной гаплоидной фазе. Летальные мутации по тем генам, которые работают только в диплоидной фазе (а таких очень много), в гаплоидной фазе не отфильтровываются и в какой-то мере накапливаются. Встретившись вместе в двух гомологичных хромосомах, они приводят к появлению нежизнеспособных потомков. Такие летали представляют собой так называемый генетический груз.

Мы с вами уяснили основную суть полового процесса – чередование диплоидной и гаплоидной фазы в ряду клеточных поколений – и его основной смысл – создание новых сочетаний генов и помехоустойчивой диплоидной фазы. Теперь нам нужно ближе познакомиться с наиболее важным для полового процесса цитологическим механизмом – мейозом, а потом уже будем рассматривать, какие формы (зачастую с нашей точки зрения уродливые) половой процесс может принимать у разных эукариотических организмов.

Итак, мейоз. Видный отечественный цитогенетик Александра Алексеевна Прокофьева‑Бельговская любила задавать вопрос: чем отличается мейоз от митоза – и утверждала, что никто никогда ей не ответил правильно. По-видимому, под «правильным» она понимала что-то сугубо свое. Нам нужно уяснить, что, несмотря на фонетическое сходство названий, это не совсем сопоставимые понятия. Митоз – это определенный механизм деления эукариотической клетки, при котором достигается точное расхождение двух хроматид каждой хромосомы в два ядра дочерних клеток. Мейоз – более сложный процесс, включающий два клеточных деления, главная суть которого – точное расхождение в разные клетки гомологичных хромосом.

Мы, диплоидные многоклеточные организмы, привыкли связывать мейоз с разможением, потому что у нас в результате мейоза образуются половые клетки, "которыми мы размножаемся". В случае одноклеточных организмов такой связи нет - они разможаются митозом, а функция мейоза именно как специального механизма смены диплоидной фазы на гаплоидную становится очевидной. На самом деле и мы тоже размножаемся митозом. В ходе мейоза из одной диплоидной клетки получается всего четыре гаплоидных (или всего одна, как мы увидим ниже), а тот факт, что диплоидный организм может иметь множество потомков, достигается митотическим размножением клеток зародышевого пути - то есть предшественников тех клеток, которые впоследствии вступят в мейоз и образуют половые клетки.

Главное событие мейоза состоит в спаривании гомологов. Мы помним, что в профазе митоза хромосомы конденсировались и оказывались двумя идентичными хроматидами, образовавшимися в ходе репликации ДНК и соединенными между собой в районе центромеры. При этом митоз ничем не отличается у диплоидных и гаплоидных клеток, и если делится диплоидная клетка, то гомологичные хромосомы ведут себя совершенно независимо. В первом делении мейоза тоже есть профаза и в ней хромосомы тоже конденсируются. Важнейшим событием профазы мейоза является то, что гомологичные хромосомы (а в мейоз вступают только диплоидные клетки) находят друг друга и соединяются друг с другом.

Мейоз логично было бы организовать как клеточное деление, аналогичное митозу, но вместо двух хроматид одной хромосомы в нем расходились бы два гомолога. Для этого его нужно было бы начать после фазы клеточного цикла G1, т. е. до репликации ДНК и тем самым образования двух хроматид каждой хромосомы. Природа почему-то распорядилась иначе. Мейоз начинается после S-фазы, но в нем действительно происходит клеточное деление с расхождением гомологов. При этом сестринские хроматиды (так называются хроматиды одной хромосомы, в отличие от несестренских хроматид, принадлежащих разным гомологам), образовавшиеся в S-фазе, остаются соединенными друг с другом и, в отличие от митоза, расходятся вместе, к одному и тому же полюсу. Чтобы разделить сестринские хроматиды, за первым делением мейоза следует второе, полностью аналогичное митозу, оно разделяет хроматиды к разным полюсам. Отличие состоит только в том, что у него практически нет интерфазы – деконденсация хромосом почти не имеет места. Таким образом, мейоз включает в себя два деления, из которых второе – практически тот же митоз, а первое – специфическое, и лишь отдаленно напоминает митоз.

Профаза мейоза сложна и подразделяется на многие стадии с характерными греческими названиями.

Первая из них – лептотена (по-гречески – «тонкая нить»), она знаменуется конденсацией хромосом в видимые нити. При этом каждая хромосома организуется следующим образом: ее основу образует белковая нить, называемая осевым элементом, от которой в стороны отходят бесчисленные петли хроматина. Кажется, в швейном деле это называется «сборка».

Далее наступает зиготена. Прикрепленные к ядерной мебране концы хромосом (теломеры) начинают блуждать по этой мембране до тех пор, пока каждый из них не встретится с соответствующим концом гомологичной ей хромосомы (а два конца каждой хромосомы не одинаковы) и не соединится с ним. У некоторых организмов это облегчается тем, что и в интерфазе гомологичные хромосомы располагаются неподалеку друг от друга, даже когда их не видно. По крайней мере, так обстоит дело у двукрылых. (У мух в клетках слюнных желез формируются так называемые политенные хромосомы, состоящие из многократно реплицированных, но не разошедшихся цепей ДНК, лежащих вместе параллельно друг другу и видимых в микроскоп со слабым увеличением. Хотя эти клетки развиваются из обычных диплоидных, в них наблюдается гаплоидное число политенных хромосом. Каждая такая толстая хромосома на самом деле состоит из двух гомологов, расположенных параллельно и представленных сотнями хроматид. Это, впрочем, экзотический случай.)

С момента объединения концов гомологичных хромосом происходит следующее важное событие, которое имеет место в зиготене, – начинается спаривание гомологов. Это означает, что гомологичные хромосомы прилипают друг к другу вдоль всей своей длины. Как правило, оно начинается именно с концов хромосом (но иногда – с определенных мест в середине) и происходит за счет формирования так называемого синаптонемального комплекса.

Синаптонемальный комплекс – опять-таки белковая структура, довольно большая. Ее часто сравнивают с веревочной лестницей, скорее, она больше похожа на застежку-молнию. Он состоит из двух белковых тяжей – боковых элементов, которые возникают из осевых элементов хромосом, и центрального элемента – также белкового тяжа, соединяющего боковые элементы двух гомологов посредством белковых же перемычек. Синаптонемальный комплекс соединяет два гомолога, располагая их строго друг напротив друга. Как видно на нижеприведенном рисунке, большая часть ДНК (вернее, хроматина), выпетливается за пределы синаптонемального комплекса.

Схематическое изображение синаптонемального комплекса:

А вот его фотография

 

Следующая стадия профазы мейоза – пахитена. На этой стадии клетки могут задерживаться вплоть до нескольких суток. Она характеризуется полным спариванием гомологов, так что синаптонемальный комплекс располагается вдоль всей их длины.

На фотографии представлены изменения хромосом от зиготены до поздней пахитены

А на этой - картина пахитены у китайского хомячка дана в сравнении с метафазой его же митоза. Видно, насколько хромосомы в профазе мейоза длиннее (то есть менее конденсированы), чем в метафазе митоза.

Следующая стадия – диплотена (от греч. «диплос» – двойной, т. е. двойная нить). Вообще-то диплотена характеризуется тем, что на этой стадии синаптонемальный комплекс частично разрушается и гомологи несколько отходят друг от друга. В отличие от профазы митоза, в профазе мейоза синтезируются определенные мРНК, т. е. некоторые гены активно работают. Это особенно важно для будущих яйцеклеток, так как они продолжают нарабатывать все необходимое будущему организму, уже вступив в профазу мейоза. Причем в этом состоянии они в некоторых случаях (например у человека) могут находиться годами.

Вот микрофотография бивалентов кобылки на стадии диплотены.

В диплотене можно заметить два важных явления. Во-первых, видно, что сестринские хроматиды каждого гомолога остаются тесно склеенными друг с другом, образуя так называемый бивалент – такого мы не наблюдали в митозе. Во-вторых, в диплотене становится видно, что в каждом биваленте гомологи в нескольких точках оказываются соединенными друг с другом, так что внешне это выглядит как их перекрещивание. Еще в пахитене в этих точках можно наблюдать крупные белковые структуры диаметром 90 нм - так называемые рекомбинационные узелки.

А это и есть перекрещивание! В профазе мейоза процесс, называемый мейотической рекомбинацей, или кроссинговером, – хроматиды из разных гомологов обмениваются участками. При этом каждая хроматида остается на своем месте в биваленте, но цепочки их ДНК разрезаются и сшиваются крест-накрест. В результате в местах, где кроссинговер произошел, биваленты оказываются связанными сразу двумя перекрещенными цепочками ДНК, идущими от одного бивалента к другому, – такие места называются хиазмами.

Отметим три обстоятельства:

1. Результат рекомбинации становится виден в диплотене, но сам процесс начинается в момент спаривания гомологов.

2. Любая из двух хроматид одного из гомологов может обмениваться с любой из двух хроматид другого гомолога – этот процесс случаен. Но сестринские хроматиды в пределах гомолога обмениваются участками крайне редко - им мешает осевой элемент синаптонемального комплекса.

3. Кроссинговер происходит строго в одних и тех же местах двух гомологичных хромосом – в гомологичных районах, последовательность ДНК которых либо идентична, либо слегка различается на уровне индивидуальных различий. Исключения бывают, но крайне редки и требуют особых обстоятельств.

4. У большинства организмов кроссинговер может произойти в любом месте хромосомы, буквально между любыми двумя нуклеотидами. Здесь исключения случаются гораздо чаще – у многих видов бывают районы, закрытые от кроссинговера, а бывают горячие точки кроссинговера. Но для этой дифференцировки интенсивности кроссинговера по хромосоме требуются дополнительные механизмы. А первоначальная идея кроссинговера такова, что он может пройти повсюду.

Однако мы помним, что в пахитене (когда кроссинговер и происходит) гомологи соединены синаптонемальным комплексом, причем большая часть ДНК находится во внешних петлях за его пределами. Отсюда следует, что существует механизм, который протягивает петли ДНК, принадлежащие хроматидам разных гомологов, вдоль друг друга, точно сближая гомологичные районы. При этом в случайных местах происходит кроссинговер. Эту работу делают рекомбинационные узелки. Недаром они очень крупные белковые машины. Напоминаем, что они ее делают в пахитене, но результат виден в диплотене. Все происходит примерно так, как показано на рисунке:

Процесс рекомбинации делает число вариантов сочетаний генов в клетках, получающихся после мейоза, практически бесконечным.

Завершающая стадия профазы мейоза – диакинез. Хромосомы еще сильнее конденсируются, уплотняются, синаптонемальный комплекс полностью исчезает и гомологи оказываются соединенными одними хиазмами. При этом концы хромосом теряют контакт с ядерной мембраной, потому что и самой ядерной мембране приходит конец.

Профаза заканчивается, ядерная мембрана фрагментируется, начинается метафаза первого деления мейоза.

Она очень похожа на метафазу митоза, но есть отличия. Первое и главное – кинетохоры двух Первое - кинетохоры двух сестринских хроматид каждого гомолога присоединены к микротрубочкам, отходящим от одного полюса, то есть они униполярны. Как вы помните, в митозе они были биполярными - к кинетохорам двух сестринских хроматид подходили микротрубочки от противоположных полюсов. В метафазе митоза хромосомы собирались в экваториальной плоскости клетки за счет натяжения микротрубочек, которое их же и стабилизировало. Это натяжение обеспечивалось связью центромер двух сестринских хроматид друг с другом. В метафазе первого деления мейоза обе сестринские хроматиды выступают как одно целое, а натяжение микротрубочек обеспечивается связью гомологов посредством хиазм. В этом состоит достаточно неожиданная механическая функция рекомбинации гомологов. Сложно сказать, какая функция важнее – механическая (стабилизация метафазы и тем самым обеспечение правильного расхождения гомологов в первом делении мейоза) или генетическая (перетасовка генов) – и какая возникла раньше. Но у большинства известных организмов они удачно дополняют друг друга.

В первом делении мейоза расходятся не хроматиды, а гомологи (две хроматиды расходятся вместе). Если расхождение хроматид – анафаза – в митозе происходит после внезапного расхождения центромер двух сцепленных хроматид, то в первом делении мейоза она происходит после внезапного рассоединения двух сестринских хроматид по всей длине. Как вы помните, в профазе мейоза они были по всей длине слипшиеся. Скорее всего механизм этого рассоединения хроматид подобен механизму рассоединения их центромер в митозе. Но, заметьте, в первом делении мейоза хроматиды не расходятся друг от друга. Расходятся гомологи. Чем же может помочь их расхождению рассоединение сестринских хроматид?

Дело в том, что высвобождение хроматид помогает разрешению хиазм. Когда хроматиды свободны, хиазмы можно вытянуть, как перепутавшиеся нитки.  А до этого слипание хроматид, вовлеченных и не вовлеченных в кроссинговер, этого не дает. Так что, как только хроматиды освободились друг от друга, микротрубочки растаскивают гомологи к разным полюсам. При этом места перекреста нитей ДНК соскальзывают к концам хромосомы, пока не освободят их совсем.

Первое деление мейоза завершается тем, что образуются две клетки, в которых каждое ядро несет только по одному гомологу (по одной хромосоме гаплоидного набора), состоящему, однако, из двух хроматид. Ядерная мембрана тоже восстанавливается.

Только непонятно зачем, так как почти сразу же следует второе деление мейоза. Интерфазы перед ним практически нет, хотя хромосомы немного деконденсируются. Второе деление мейоза проходит как типичный митоз, при этом, как и в нормальном митозе, к разным полюсам расходятся хроматиды.

В результате мейоза получаются четыре гаплоидные клетки, в которой каждая хромосома представлена одной нитью (хроматидой). В дальнейшем они либо могут вступить в обычный клеточный цикл и размножаться митозом, либо созреть в половые клетки и снова слиться в диплоидную зиготу – у кого как.

Приведу, наконец, общую схему мейоза.

Далее идут микрофотографии разных стадий мейоза у разных животных и растений. В хронологическом порядке, но без подписей. Попробуйте угадать стадии.

Комар-звонец (такие не кусающиеся комары с пушистыми усами, летом в массе сидящие на всех растениях на берегу Обского моря. Их ярко-красные донные личинки Ц это так называемый лмотыль>, очень популярный у подледных рыбаков в качестве наживки):

Кукуруза:

Растение триллиум, близкое к лилейным (у них у всех очень большие хромосомы):

Механизмы оплодотворения и мейоза универсальны для всех эукариот (полового процесса не удалось пока наблюдать у некоторых одноклеточных). На следующей лекции мы увидим, как по-разному они встроены в жизненный цикл разных организмов.