МЕЙОЗ КАК ЗЕРКАЛО ЭВОЛЮЦИИ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
Уникальное для постсоветской России издательство естественнонаучной литературы «Товарищество научных изданий КМК» выпустило в свет фундаментальный труд Ю.Ф. Богданова и Т.М. Гришаевой «Консерватизм, изменчивость и эволюция мейоза» (М., КМК 2020, тир. 400 экз., 345 с. ISBN 978-5-907213-73-9).
Мейоз, или редукционное деление клетки, состоит из двух последовательных каскадов деления хромосомного набора, в результате которого образуются гаплоидные клетки – гаметы, яйцеклетки и сперматозоиды, способные дать начало развитию нового организма. Второе деление, эквационное, похоже на обычный митоз, и он тоже совсем не прост. Вариантов митоза в дикой природе много. У осоки Carex хромосомы не имеют центромер и нити веретена прикрепляются по всей длине хромосомы. У землероек-бурозубок Sorex araneus число хромосом варьирует от 20 до 33 без репродуктивной изоляции. У водорослей Dinohyta геном настолько огромный, что вообще непонятно, как он делится. Первое деление, собственно редукционное, являет собой настоящее представление под руководством невидимого режиссера. Каждая хромосома в профазе находит свою пару-гомеолога для конъюгации (точного и тесного сближения). Происходит тот самый интимный процесс обмена генетическим материалом, полученным от родителей, который объединяет группу особей в единое целое – популяцию.
Механизм мейоза оказался чрезвычайно эволюционно прогрессивным и породил появление и сукцессию (наследование, преемственность) одного из трех доменов живой природы – Eukaryotae – живых организмов, клетки которых содержат ядро. Все разнообразие жизни, которое люди могут видеть своими глазами, относится именно к этому домену.
Происхождение высших таксонов (группа в классификации, состоящая из объектов, объединяемых на основании общих свойств и признаков) не вписывается в модели микро- или макроэволюции. Это мегаэволюция, появление которой предвидел историк генетики Василий Бабков и которую ввела в научный оборот исследователь разных форм симбиогенеза, сотрудник кафедры микологии и альгологии Биофака Галина Белякова.
Разнообразие жизни на Земле намного больше. Вероятно, мы до сих пор не знаем, сколь фантастично может быть представлена жизнь. Искать во Вселенной для этого необязательно, следует более пристально посмотреть у себя под ногами.
Можно зайти и с другой стороны, построив модель известных форм жизни. Судя по монографии Богданова и Гришаевой, они тоже далеко еще не изучены.
По словам авторов, эукариоты явились результатом симбиотических процессов с участием предков, архей и бактерий. Бактерии были предшественниками митохондрий и пластид, а археи – предшественниками цитоплазмы. По поводу происхождения ядра идут дискуссии. Было высказано предположение, что эукариоты получили ядро от архей, при этом в их хромосомы были включены большие блоки бактериальных генов.
Предыстория мейоза cсогласно представлениям авторов такова. Эукариоты возникли от общего предка с архебактериями (археями) – более высокоорганизованными одноклеточными, чем эубактерии. Мейоз возник путем изменения структуры хромосом на одной из фаз жизненного цикла одноклеточных организмов.
Появление эукариот стало для эволюции дикой природы примерно тем же, что принесли на публичное информационное поле компьютеры. Стало возможно хранить, передавать и иногда даже использовать огромные блоки информации, не имеющие непосредственного применения здесь и сейчас. Естественно, появились и такие блоки, которые, что называется, возомнили о себе и обрели собственное целеполагание, отчужденное от автора и независимое от носителя – хозяйского генома.
Это не хорошо и не плохо, просто многообразие возможностей дальнейшей эволюции форм жизни расширилось чрезвычайно. И за всем этим стоит всего-навсего механизм правильного расхождения хромосомных наборов независимо от их величины. Вид имеет тем больше возможностей эволюции в изменчивом мире, чем больше его запас ДНК, хромосомный набор, генная нагрузка признака по Гершензону.
Иными словами, в явлении мейоза мы видим один из самых успешных в истории жизни арогенезов. Произошла самосборка сложнейшего механизма. И для каждого его элемента может быть найден предшественник.
Название процесса «симбиогенез» предложил в 1905 году Константин Мережковский.
Получилась гениальная иллюстрация антропному принципу в синергетике Сергея Курдюмова «Будущее сегодня».
На съезде ВОГиС 22.06.09 с докладом «Эволюционная теория после Дарвина: российский вклад» выступил замдиректора ИОГен РАН Илья Захаров-Гезехус. Среди прочего он отметил, что сейчас невозможно представить эволюцию без симбиогенеза. Об этом писал Константин Мережковский. Он был биологом, археологом, он обосновал симбиотическое происхождение пластид от цианобактерий. Его теория состояла в том, что высшие формы жизни – эукариоты – возникли в результате неоднократных актов симбиогенеза. Их биологическая природа двойственная, она происходит от двух миров, возникших в разное время. Клеточное ядро возникло от бактериальных симбионтов. Мережковский говорил о двух актах симбиогенеза – возникновение ядра, а также пластид клетки. Концепция симбиотического происхождения эукариотической клетки активно пропагандировала с 1981 года Линн Маргулис, которая ухитрилась не ссылаться на Мережковского, хотя все они публиковались на английском языке.
На том же съезде Юрий Богданов представил доклад «Эволюция клеточных и молекулярных механизмов мейоза».
Мейоз был открыт Эдуардом ван Бенеденом (Van Beneden) в 1884 году вслед за митозом, открытым двумя годами раньше. Роль мейоза в половом процессе была осознана в те же годы. Биологи поняли, что чередование двух явлений – мейоза и оплодотворения – в ряду поколений организмов позволяет поддерживать постоянство числа хромосом.
В конце XIX века роль хромосом в наследственности не была ещё общепризнанной.
Мейоз был в центре внимания цитологов и генетиков на протяжении первых 40 лет ХХ века. В 1950-е годы возникла молекулярная биология и основным направлением исследований стали структура гена, регуляция транскрипции и трансляции генетической информации. В 1970-е годы появилась генная инженерия, биотехнология, затем – геномика.
Любая наука всегда развивается неравномерно. В разное время основными направлениями становятся разные ветви той или иной науки, и они пользуются наибольшим вниманием, финансированием и притоком молодых исследователей. Исследования мейоза отошли на второй план в 1960–1990-х гг.
К моему великому сожалению, учеными правит мода, а не целесообразность со здравым смыслом.
Представления об энзимологии генетической рекомбинации и кроссинговера – явлений, лежащих в основе мейоза – излагались на материале генетической рекомбинации бактерий Escherichia coli, не имеющих мейоза.
Авторы ссылались на то, что рекомбинация ДНК унаследована эукариотами от прокариот, хотя в это время уже были известны эукариотические гомологи генов рекомбинации и, в частности, гены, контролирующие кроссинговер у дрозофилы или кукурузы. Были известны ферменты рекомбинации у эукариотического организма – почкующихся дрожжей, с их классическим мейозом.
Учебники для университетов начала ХХI века излагали энзимологию и теорию мейотического кроссинговера на уровне 1960-х гг.
Переломным событием в изучении молекулярных механизмов мейоза стала локализация в мейотических клетках, а затем и внутри синаптонемных комплексов белков RAD51 и DMC1 – переносчиков одноцепочечной ДНК в сайте рекомбинации. Это достижение стало возможным благодаря разработке методов иммуноцитохимической детекции белков in situ, включающей технику иммунофлуоресцентной микроскопии. Начался бум в экспериментальном исследовании мейоза на молекулярно-генетическом уровне.
Исследования мейоза в XXI веке ведутся методами современной молекулярной и клеточной биологии, молекулярной генетики, цитогенетики и геномики.
Мейоз консервативен и изменчив одновременно. В своей книге Богданов и Гришаева сосредоточили внимание на ключевых вопросах общей проблемы мейоза. Это узнавание и синапсис гомологичных хромосом, мейотическая рекомбинация в целом, кроссинговер и хиазмы, структура и функция центромер. Эти явления и структуры определяют специфику мейоза, его отличие от митоза.
Книга написана на основе мировой литературы. Использованы материалы исследований Богданова, Гришаевой, Симановского и Ляпуновой Путем мейоза клетки делятся один раз в жизненном цикле любого эукариотического организма, способного размножаться половым путём. Мейоз необходим для передачи хромосом в ряду поколений организмов от родителей потомкам и в этом состоит биологическая роль мейоза. Эта роль отличается от биологической роли митоза, которая состоит в передаче хромосом в череде клеточных поколений в пределах одного организма.
Схема мейоза одинакова у растений, грибов и животных, несмотря на то, что в разных филогенетических ветвях эукариот мейоз занимает разное место в жизненном цикле организма. У животных мейоз происходит в конце диплоидной фазы жизненного цикла. Это терминальный, или гаметный, мейоз. У грибов он происходит в начале диплоидной фазы, в зиготе. Это зиготный мейоз. Наибольшую часть жизненного цикла грибы проводят в гаплоидной фазе. У растений мейоз занимает промежуточное положение между длинной диплоидной фазой (диплофит или спорофит) и короткой гаплоидной стадией (споры, гаплофит).
Простой способ разделить некоторое число парных предметов на две равные группы – соединить их попарно, выстроить пары в две шеренги и затем сразу развести эти линии-шеренги в противоположные стороны. Иными словами, выполнить действия, аналогичные армейским командам, с помощью которых солдаты строятся в две шеренги, а затем эти шеренги расходятся в противоположные стороны. В отношении хромосом нужно, прежде всего, спарить гомологичные хромосомы. Для этого они должны сначала узнать друг друга. Затем нужно построить пары хромосом на экваторе клеточного деления и развести партнёров к противоположным полюсам. Каждая хромосома должна сохранять обе продольные половины – хроматиды, продукты репликации ДНК.
Материнские и отцовские хромосомы диплоидного набора находят друг друга, чтобы построиться попарно в профазе редукционного деления, на основе узнавания гомологичных локусов ДНК гомеологов. В этом процессе участвуют белки-ферменты и белки-медиаторы, которые создают условия для временного соединения гомологичных локусов ДНК.
У некоторых организмов контакт гомеологов и первоначальный синапсис происходят без взаимного узнавания гомологичных локусов молекул ДНК. В этих случаях он происходит с помощью выравнивания хромосом и через структурные белки-посредники, но опять же узнающие гомологичные последовательности нуклеотидов ДНК в паре гомологичных хромосом. Соединенные в биваленты гомеологи должны прочно удерживаться вместе при маневрах, которые они совершают для построения в две шеренги на экваторе метафазы редукционного деления. Прочность попарного соединения перед началом их расхождения в дочерние клетки обеспечивается хиазмами – перекрёстами хроматид, возникшими в результате рекомбинации кроссинговера.
Прочность соединения с помощью хиазм необходима, чтобы противостоять тянущим силам нитей веретена, соединяющих гомологичные хромосомы с противоположными полюсами клетки, пока не поступит сигнал к расхождению гомеологов и не начнётся анафаза. Необходимо синхронное движение расходящихся хромосом в анафазе, иначе механизм разделения цитоплазмы клеток (клеточная перетяжка у животных или клеточная пластинка у растений) могут отсечь и оставить отстающие хромосомы вне нового ядра.
Несинхронное расхождение хромосом при редукционном делении иногда встречается в природе как в результате мутаций генов клеточного деления, так и под влиянием внешних факторов. Такие случаи могут приводить к потере некоторых хромосом и, как следствие, к потере фертильности продуктов мейоза или к анеуплоидии потомства, если зиготы образовались.
Цель книги Богданова и Гришаевой – объяснить последовательность внутриклеточных явлений, неизбежно приводящих к закономерной редукции числа хромосом. Последовательность обусловлена активацией специфической генной программы мейоза, которая потенциально заложена в геноме всех эукариот. Она супрессирована в соматических клетках, делящихся путем митоза, и активируется только на время одного цикла клеточного деления – редукционного.
Эквационное деление мейоза представляет собой отложенный митоз клеток, вернувшихся к рутинной программе клеточного деления.
Для нас эта рецензия необычна. Мы ее практически не писали сами, текст составлен из самой книги. Для Юрия Федоровича Богданова характерны публикации простые и понятные. В прошлом он выпустил своеобразную монографию «Очерки о биологах второй половины XX века».
В этой книги Богданов описал драматические события в генетике пост-лысенковского периода возрождения. Об этом много говорили, но дальше кулуарных разговоров узкого круга дело не шло. Ситуация на самом деле была позорная: лишившись одного идеологического врага, яркий и контрастно-непримиримый генетический мир раскололся на множество враждующих группировок. Обилие скандалов в НИИ генетической направленности, воровство материалов с присвоением авторства и фальсификации поражало воображение и ставило в тупик руководство Академии.
Богданов со своим мейозом оставался в нейтральном положении. Что и позволило ему описать события непредвзято и достаточно честно.
«Мне повезло: я сумел прослушать некоторые курсы лекций по настоящей генетике в Ленинграде на кафедре генетики и селекции ЛГУ (лекции приезжих лекторов: Н.В. Тимофеева-Ресовского и А.А. Прокофьевой-Бельговской), когда был аспирантом Института цитологии АН СССР в Ленинграде (1957–60). В начале 60-х годов эти лекторы и другие генетики классической школы были приглашены читать отдельные лекции и спецкурсы и на кафедре генетики и селекции МГУ.В 1958 и 1960 гг. я дважды прослушал летние курсы лекций по радиационной генетике Н.В.Тимофеева-Ресовского на биостанции Миассово на Урале и там же прошел практикум по цитогенетике. В результате я оставил физиологию животных и занялся цитогенетикой растений, а потом и общей цитогенетикой и генетикой растений и животных», – из этой цитаты понятно место Богданова в отечественной генетике.
После описанных Богдановым событий дальше наступило вовсе странное. В науке параллельно прошли революция и контрреволюция. Предпосылки для революции были созданы еще до войны Тимофеевым-Ресовским, конкретно «зеленой тетрадью» со статьей «О природе генных мутаций и структуре гена». Статья в неведомом журнале на немецком запустила послевоенную гонку за нобелевскими премиями в генетике. Вся наука получила шанс стать точной. Однако процесс англосаксонской глобализации науки вернул дремучую гуманитарность и превратил научную популяризацию в погремушку.
Так что выход в свет монографии Богданова и Гришаевой на самом деле чудо, учитывая специфику времени.
Напомним, КМК остается последним проводником в свет для ряда авторов, попавших под эмбарго от установок глобализованной науки. В частности, трудов Ю.В. Чайковского с его уникальным описанием эволюционного процесса, восходящим к воззрениям Эразма Дарвина.
Мы выражаем благодарность сотруднику Зоомузея МГУ Кириллу Михайлову за предоставленную возможность написать эту рецензию.
Лев МОСКОВКИН, Наталья ВАКУРОВА.
