Генетическая рекомбинация в свете эволюции (стр. 1 из 3)

Генетическая рекомбинация в свете эволюции

Павел Михайлович Бородин, д.б.н., зав.лаб. рекомбинационного и сегрегационного анализа Ин-та цитологии и генетики СО РАН, проф. каф. цитологии и генетики НГУ.

Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции.

Федосий Добжанский

Рекомбинация - это процесс, который обеспечивает перемешивание генов в ряду поколений. При формировании половых клеток гены, полученные от родителей, “перетасовываются”, и в каждую гамету попадает только половина родительских генов. При оплодотворении гены двух родителей случайно комбинируются в зиготе. Сочетание этих двух случайных процессов - тасовки генов в генеративных клетках и встречи гамет - обеспечивает уникальность набора генов каждого организма.

Этот процесс был открыт в начале XX в. на основе анализа результатов скрещиваний. Сейчас в изучении рекомбинации используют весь арсенал современных методов молекулярной и клеточной биологии. И тем не менее процесс остается во многом загадочным. До сих пор идут бурные дебаты о том, зачем нужна рекомбинация. Непонятно, отчего она так сложно и, казалось бы, нелогично организована. Неясно, как распределяются по геному ее горячие и холодные точки. Попытаемся ответить на эти вопросы, рассмотрев рекомбинацию в свете эволюции.

Зачем нужна рекомбинация

Рекомбинация - главный генератор фенотипического разнообразия, того самого, с которым оперирует естественный отбор, тех отличий между организмами, которые играют решающую роль в их борьбе за существование. Мы привыкли думать, что эти различия определяются мутациями генов. Это и верно, и неверно одновременно.

Мутации меняют гены. Ген может быть неузнаваемо испорчен мутацией, изменен с сохранением функции (синонимически) или с ее потерей. Мы должны ясно понимать, что функция каждого гена определяется его взаимодействием с другими генами. Поэтому и функцию гена, и ее изменения следует рассматривать исключительно в рамках конкретного метаболического пути или регуляторной генной сети, в которых задействованы продукты этого гена. Бессмысленный или неверный ген из одной генной сети может приобрести новый, неожиданный смысл в другой; синоним в одном контексте оказаться антонимом в другом. Таким образом, мутации меняют фенотип не сами по себе, а в сочетании с другими генами.

Разнообразие фенотипов, которое мы наблюдаем, есть воплощенное разнообразие генных сочетаний. А поскольку рекомбинация обеспечивает постоянную генерацию все новых и новых сочетаний, мы имеем полное право назвать этот замечательный механизм генератором фенотипического разнообразия.

Рекомбинация, видимо, возникла одновременно или вскоре после появления жизни. Однако на первых порах она была робкой и спорадической. Такой она и остается в мире прокариот. Бактерии иногда входят в контакт друг с другом и обмениваются генетической информацией, чаще когда их жизнь становится хуже. Но из этого не следует, что рекомбинация непременно облегчает им жизнь, повышает их приспособленность. Она дает им шанс, надежду на то, что новая комбинация генов окажется полезной.

Регулярная, запланированная и обязательная рекомбинация появилась гораздо позже, одновременно или вскоре после возникновения эукариотических клеток. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что у подавляющего большинства современных эукариот рекомбинация происходит регулярно, а ее молекулярные и клеточные механизмы у самых разных организмов поразительно сходны. Сходство мы обнаруживаем и в том, что у всех них рекомбинация так или иначе связана с размножением. У эукариот, в отличие от бактерий, результаты рекомбинации проявляются не у самих организмов, а у их потомков.

Если мы сравним размножение бесполых (не рекомбинирующих) и половых (регулярно рекомбинирующих) организмов, нам сразу бросится в глаза поразительная неэффективность последнего варианта размножения. Представим себе два острова. На одном живут самец и самка, способные к половому размножению и, следовательно, к рекомбинации. На другом - две самки, размножающиеся бесполым путем. Ограничим плодовитость и тех и других самок двумя потомками. После первого же цикла размножения на бесполом острове родится четыре потомка, а на половом - два. Если на половом острове оба родившихся детеныша будут одного пола, то на этом вся история закончится. Если на свет появятся самка и самец, то эта пара произведет еще двух потомков, а на бесполом острове их родится уже восемь. Таким образом, при заданных условиях численность популяции бесполого острова будет расти экспоненциально, а на половом она так и останется равной двум особям. Очевидно, что эффективность бесполого размножения значительно выше (рис.1).

Рис.1. Сравнение эффективности полового и бесполого размножения.

Почему же тогда у эукариот, как правило, размножение половое, а бесполое - лишь редкое исключение? Именно потому, что при половом размножении возможна рекомбинация. Но если организмы, размножающиеся половым путем, так значительно проигрывают бесполым в эффективности размножения, то рекомбинация должна давать им преимущества, с лихвой покрывающие этот гигантский проигрыш. В чем же они заключаются?

Вернемся на наши умозрительные острова. И на одном, и на другом острове в генеративных клетках их обитателей возникают мутации. Полностью защититься от мутаций в принципе невозможно, ведь с ними неизбежно сопряжено копирование ДНК. Большинство мутаций оказываются вредными. Парадоксально, но очень вредные мутации не так опасны для генофонда популяции, как не очень вредные. Очень вредные мутации несовместимы с жизнью, их носители немедленно выбраковываются, и, следовательно, такие мутации не накапливаются в генофонде. А не очень вредные передаются потомкам, затем у них возникают новые не очень вредные мутации, и в итоге генофонд бесполой популяции медленно, но верно деградирует (рис.2,а).

Рис.2. Накопление вредных мутаций (красные точки) при бесполом размножении (а) и их сортировка и элиминация при половом размножении (могут поддерживать свое существование) (б).

Выдающийся генетик Герман Мёллер впервые обратил внимание на медленную, но неуклонную деградацию бесполого генофонда за счет последовательного накопления не очень вредных мутаций. Сейчас в научной литературе этот процесс называется храповиком Мёллера. Мёллер показал, что бесполые популяции, несмотря на давление мутационного процесса, могут поддерживать свое существование за счет очень высокой численности и сильного давления стабилизирующего отбора, благодаря которому носители даже не очень вредных мутаций быстро погибают, а их место занимают клоны, свободные от мутаций.

Однако у храповика Мёллера есть еще одна неприятная особенность. Чем больше у организма генов, тем больше он накапливает мутаций. Вероятность мутации одного гена приблизительно равна 10-5 на гамету за поколение. Это значит, что каждая вторая из 10 тыс. гамет, содержащих 5 тыс. генов (именно столько их у бактерий), несет одну новую мутацию. Если в гамете 30 тыс. генов, как у нас млекопитающих, то каждая из 10 тыс. гамет несет в среднем три новых мутаций. Отсюда третье условие, позволяющее виду жить с храповиком Мёллера, - малый размер генома и как следствие - относительная простота организации.

Мощное и радикальное средство борьбы с храповиком Мёллера - рекомбинация. Перетасовывая гены при образовании гамет, она может перегрузить мутациями одни гаметы и одновременно недогрузить другие. В итоге особи, возникшие из перегруженных мутациями гамет, погибают, а продукты гамет, очищенных от мутаций, процветают (рис.2,б). Это позволяет рекомбинирующим организмам избавиться от ограничений, накладываемых храповиком Мёллера. Они могут позволить себе роскошь иметь большие геномы. Отсюда получается, что все мы высшие и сложные оттого, что наши далекие одноклеточные предки открыли для себя рекомбинацию и создали механизмы, гарантирующие регулярную перетасовку генов из поколения в поколение.

Гипотеза Мёллера - не единственное объяснение преимуществ рекомбинации. Очень подробные обзоры гипотез о преимуществах рекомбинации даны в книгах Дж.Мэнард Смита [1] и М.Ридли [2].

Как происходит рекомбинация

У всех эукариот рекомбинация происходит в мейозе [3]. Этот процесс изучают в школе, и по степени вызываемой у учащихся ненависти мейоз может соперничать разве что с двойным оплодотворением у растений по Навашину. Что обидно, поскольку процесс этот по-своему красив (рис.3).

Рис.3. Схема мейоза.

Красным обозначены материнские хромосомы, синим - отцовские.

Некоторые сравнивают мейоз с танго [4]. В первом туре мейоза пары удвоенных гомологичных хромосом (одна получена от отца, другая от матери) находят друг друга, тесно свиваются, обмениваются участками, а потом расходятся в разные стороны, в разные клетки, чтобы уже не встретиться никогда. Второй тур мейоза менее романтичен. В нем гомологи выстраиваются вдоль экватора клетки и их хроматиды расходятся к разным полюсам. Так из одной генеративной клетки получаются четыре гаметы с разными наборами генов.

Рекомбинация происходит в первом, романтическом туре мейоза. Рассмотрим его более подробно. Сближение гомологичных хромосом начинается с того, что их концы, скользя по ядерной мембране, собираются в одной точке и формируется структура, романтически названная букетом. В нем гомологичные хромосомы оказываются поблизости друг от друга и приступают к взаимному опознанию. Оно, видимо, идет в два этапа: сначала приблизительное, а затем точное. Приблизительное опознание может происходить по принципу штрих-кодов. Известно, что хромосомы представляют собой комплекс ДНК с белками, набор которых и характер связывания с ДНК во многом определяются последовательностью нуклеотидов. Поэтому каждая хромосома отличается индивидуальным, только для нее специфичным распределением белков - штрих-кодом. Поскольку гомологичные хромосомы в основном сходны по последовательностям ДНК, они должны иметь сходные штрих-коды. Таким образом, грубое распознавание может быть достигнуто простым их совмещением.