Она смеётся, как мать. Могущество и причуды наследственности

Митоз у нас происходит для роста и обновления тела. Однако для создания половых клеток нам нужно, чтобы в сперматозоиде или яйцеклетке был не двойной, а одинарный набор хромосом. Проще всего было бы разделить пары хромосом в соматической клетке и выделить по одному набору на каждую половую. Но в нашем организме так не бывает. Вместо этого запускается чрезвычайно причудливый процесс, который получил название «мейоз»[351].

У мужчин мейоз осуществляется в извитых семенных канальцах, расположенных в семенниках. В стенках канальцев находятся предшественники сперматозоидов – клетки, несущие две копии каждой хромосомы: одну от матери мужчины, другую от отца. Когда эти клетки начинают делиться, вся ДНК удваивается, так что теперь у них есть по четыре копии каждой хромосомы. Однако вместо того, чтобы разделиться, хромосомы остаются вместе. Материнская и отцовская копия каждой хромосомы выстраиваются рядом друг с другом. Специальные белки «садятся» на них и делают разрезы в строго одних и тех же местах этих расположенных рядом хромосом.

Когда клетка исправляет такие нанесенные самой себе разрезы, происходит очень важный обмен. Фрагмент ДНК с одной хромосомы может встать на то же место, но в соседнюю хромосому, и наоборот[352]. Эта молекулярная операция выполняется не очень быстро. В общей сложности клетке нужно три недели, чтобы закончить мейоз. Как только обмен участками произошел, хромосомы расходятся. Затем клетка делится два раза, образуя в итоге четыре сперматозоида. Любая из этих четырех клеток несет одну копию каждой из 23 хромосом. Но в каждом сперматозоиде набор ДНК различен.

Одна из причин этих различий кроется в том, как разойдутся пары хромосом. Сперматозоид может содержать хромосому 1, полученную от отца, хромосому 2, полученную от матери, и т. д. В другом сперматозоиде будет иная комбинация. Кроме того, некоторые сперматозоиды окажутся гибридными. Хромосома 1, например, из-за мейоза может иметь одни участки, полученные от отца, а другие – от матери.

Основные биологические принципы мейоза у женщин точно такие же, но сроки очень отличаются[353]. Первый этап начинается, когда девочка еще находится в утробе матери. Группа клеток внутри эмбриона получает новое назначение – эти клетки становятся предшественницами яйцеклеток. Они мигрируют туда, где позже сформируются яичники. На седьмом месяце развития плода в этих клетках-предшественницах начинается мейоз: хромосомы удваиваются, сцепляются парами и обмениваются участками ДНК. Но затем хромосомы как бы застывают, останавливая мейоз на полпути. Они остаются в таком состоянии годами, пока девочка не достигнет периода полового созревания и у нее не начнутся овуляции.

В течение каждого овуляторного цикла одна яйцеклетка запускает продолжение мейоза и завершает свое деление[354]. Так же как и у мужчин, в результате мейоза у женщин образуются четыре новые клетки, каждая из которых содержит 23 хромосомы. Но только одна из них станет зрелой яйцеклеткой. Остальные три редуцируются до маленьких полярных телец[355].

Сейчас ученые понимают, как мейоз обеспечил закономерности, которые Мендель наблюдал у себя в саду. Когда Мендель скрещивал, например, высокие и низкие растения, полученные гибриды оказывались высокими[356]. Но когда он скрестил гибриды между собой, то увидел, что четверть потомков – низкорослые. Недавно ученые выяснили, какой ген отвечает за эти различия. Ген le кодирует белок, который запускает рост у гороха. У низких растений было две копии мутантной формы данного гена. Белок у этих растений работал неправильно, и их рост тормозился. Гибриды же обладали одной работающей копией гена, и этого хватало, чтобы вырасти нормально.

Когда гибридные особи вырастали, перед образованием пыльцевого зерна и семязачатка некоторые их клетки делились мейозом. Хромосомы в этих клетках удваивались, менялись фрагментами между соответствующими участками и разделялись на четыре набора. С каким вариантом гена le попадет в пыльцевое зерно хромосома – нормальным или мутантным, – определялось случайным образом. В итоге оба варианта гена были в половине всех половых клеток.

Биолог Лоренс Херст как-то написал, что процесс мейоза «напоминает пьяную походку возвращающегося с вечеринки человека: шаг назад, два шага вперед»[357]. Однако этот странный процесс лежит в основе одной из самых изящных закономерностей в наследственности.

__________

Впервые ученые увидели хромосомы в середине XIX в., но мейоз оставался неизвестным еще несколько десятилетий. В начале 1900-х гг. бельгийский священник Франс Альфонс Янсенс окрашивал яйцеклетки саламандр таким способом, что можно было наблюдать их хромосомы в микроскоп[358]. Процесс окраски заставал клетки на разных стадиях мейоза, подобно стоп-кадру в фильме. Это выглядело так, как если бы хромосомы взаимодействовали друг с другом, а потом разошлись.