02 Половой процесс, мейоз и их варианты. Нейроспора как генетический объект. Тетрадный анализ. (Лекции по генетике)

ГЕНЕТИКА 2. ПОЛОВОЙ ПРОЦЕСС, МЕЙОЗ И ИХ ВАРИАНТЫ. НЕЙРОСПОРА КАК ГАПЛОИДНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ. ТЕТРАДНЫЙ АНАЛИЗ.

О.Э. Костерин, ИЦиГ СО РАН и ФЕН НГУ, Новосибирск, 2012 г.

2.1. Половой процесс

В конце предыдущей лекции мы подошли к таким важным для генетики понятиям, как «гомозигота», «гетерозигота». Однако они имеют смысл лишь для диплоидных организмов. Именно диплоидность делает генетику довольно сложной наукой. Поэтому, прежде чем двигаться дальше, позволю себе напомнить вам о половом процессе. Что такое половой процесс и зачем он нужен? Молекулярная биология демонстрирует нам удивительные механизмы точного самовоспроизведения жизни. И в то же время половой процесс необходим для того, чтобы воспроизводиться не вполне точно, и для этого выработались механизмы, часто еще более изощренные, чем те, которые обеспечивают точность.

Вы знаете о существовании такого явления как эволюция. Само его существование уже говорит о том, что точность самокопирования биологических объектов не абсолютна. Действительно, чтобы выжить в  неустойчивом мире неравновесных процессов, изменяться необходимо. Что это за изменения и где их источник? Важнейший источник изменений – это ошибки - мутации. 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 достигла таких впечатляющих (с нашей антропоцентрической точки зрения) результатов как раз на редких благоприятных случаях, одна житейская мудрость остается справедливой всегда: ломать - не строить. Специально заботиться о генерации ошибок не следует – они всегда происходят сами собой в избыточном количестве, в силу самой химической природы физического носителя генетической информации. Но существует и более привлекательный источник изменения – выбор из уже существующего разнообразия и перебор разных комбинаций. Поэтому на всех уровнях организации жизни была предусмотрена возможность обмена генами между индивидуумами, причем комбинация функциональных генов порождает разнообразие технических решений, которое часто оказывается востребованным жизнью. Эти механизмы различны упрокариот и эукариот. У первых они проще и более гибкие, у вторых – сложнее и жестко упорядочены.

2.2. Половой процесс у бактерий.

Простота устройства прокариот делает обмен генетическим материалом между ними довольно легким. Вспомним, что в классическом опыте Гриффитсаневирулентная культура пневмококков приобретала вирулентность вследствие простого смешивания ее с убитой нагреванием вирулентной культурой, где сохранялась неразрушенная ДНК, которая фактически просто прилипала к капсиду (клеточной стенке). Действительно, для примерно 1% видов бактерий имеются специальные белковые механизмы для захвата в клетку чужеродной ДНК извне. В то же время, у бактерий известен и специальный половой процесс, который, впрочем, довольно прост. Рассмотрим его на примере кишечной палочки (Escherichia coli). Помимо жгутиков, бактериальная клетка может нести 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» (корректнее - F+ клеткой). F-пили представляют собой трубочки, способные присоединяться к другой бактерии, как правило, своего вида (хотя понятие вида у бактерий очень размыто) и открываться в нее. Этот процесс называется конъюгацией. Конъюгация служит сигналом к внесению однонитевого разрыва в определенный сайт F-фактора. При этом надрезанный конец проникает в F-пиль и далее в «женскую» клетку-акцептор, где к нему достраивается вторая цепь. В ходе этого процесса в клетке-доноре F-фактор реплицируется по механизму катящегося кольца. Таким образом, F-фактор фактически инфицирует собой клетку, его не имеющую (F- клетку). При совместном инкубировании F+ и F- клеток E. coli за один час инфицированными оказывается около 90% клеток. Небезынтересно, что две F+ клетки не конъюгируют.

С определенной вероятностью F-фактор встраивается в бактериальную хромосому, а будучи встроенным, способен вырезаться из нее – это обратимый процесс. Клетки, в которых F-фактор интегрирован в бактериальную хромосому, обозначаются как Hfr-клетки (от high frequency recombination). В результате, описанный выше механизм приводит к тому, что вслед за фрагментом ДНК F-фактора в клетку-акцептор начинает переходить и ДНК бактериальной хромосомы. Однако вся бактериальная хромосома переходит в клетку-акцептор крайне редко, как правило, конъюгация обрывается раньше. В результате, клетка-акцептор получает фрагментF-фактора (но не целый F-фактор) и фрагмент бактериальной хромосомы.

Этот процесс изображен на следующей схеме:

В клетке-акцепторе этот фрагмент ДНК способен с некоторой вероятностью замещать соответствующий ему кусок хромосомы «женской» клетки по механизму репарации двунитевых разрывов, так что бактериальная хромосома становится рекомбинантной.

Нетрудно понять, что этот половой процесс – как бы «незаконный». F-фактор ведет себя как геномный паразит, а конъюгация и f-пили несомненно являются всего лишь средствами передачи инфекции. На этой основе, судя по всему, и возник полезный для самой бактерии половой процесс; возможно, способность F-фактора встраиваться в бактериальную хромосому была поддержана естественным отбором.

Скорость передачи ДНК при конъюгации постоянна при неизменной температуре. На передачу всей бактериальной хромосомы при температуре 37оС у E. coliуходит около 100 минут. На постоянстве этой скорости основан метод ее генетического картирования путем прерванной конъюгации: через определенное время после объединения «скрещиваемых» культур в одной суспензии их интенсивно встряхивают, что нарушает конъюгацию, после чего выясняют какие гены от клеток-доноров оказались в составе рекомбинантных хромосом у клеток-акцепторов. На таких картах расстояния между генами даже измеряются в минутах.

2.3. Половой процесс у эукариот.

У эукариот ДНК гораздо больше, количество ее копий в клетке жестко регулируется, она плотно упакована и защищена в интерфазе двойной ядерной мембраной, а во время деления клетки упакована еще более плотно. Поэтому для полового процесса эукариоты изобрели достаточно сложный механизм. У эукариот он 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. 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 называется зиготой. Зиготы имеет два набора хромосом, которые обычно имеют индивидуальные различия. Каждой хромосоме одного набора, полученной от одной из слившихся клеток (одного родителя), соответствует ее гомолог - хромосома второго набора, полученная от другой слившейся клетки (другого родителя). Клетка, в ядре которой имеется два набора гомологичных хромосом, называется диплоидной. Диплоидна любая зигота, а также все клетки, образовавшиеся за счет деления зиготы и ее потомков путем митоза.

Если слияние клеток и ядер происходит регулярно, и каждый раз количество хромосом удваивается, то должен существовать механизм, способный снова разделять два гомологичных набора хромосом диплоидного ядра. И такой механизм с необходимостью должен быть более сложным. Этот механизм называется мейозом. Он представляет собой процесс, разделяющий каждую пару гомологичных хромосом диплоидной клетки и помещающий каждый гаплоидный набор хромосом в две разные гаплоидные клетки. Тем самым открывается возможность для нового слияния гаплоидных клеток с образованием диплоидной зиготы. В результате, уэукариот любая форма жизни существует посредством чередования двух фаз – гаплоидной и диплоидной. 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. 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.

Существуют организмы, в ядре которых присутствует более двух гомологичных хромосом - полилоиды, если имеется более двух гомологичных геномов целиком, или анеуплоиды – если число разных гомологичных хромосом различается. В этом случае либо мейоз протекает с нарушениями, либо все хромосомы все же разделяются по парам наиболее гомологичных – такие организмы являются функциональными диплоидами и их мейоз проходит нормально.

Половой процесс возник в эволюции с единственной целью – как способ перетасовывать, перекомбинировать гены, имеющиеся у разных индивидуумов одного вида (но не разных видов). В ходе мейоза имевшиеся в диплоидном ядре и полученные от разных родителей гомологичные хромосомы каждой пары случайно распределяются между гаплоидными ядрами. Мейоз гарантирует, что в каждую дочернюю клетку попадет по одной хромосоме из каждой пары гомологичных хромосом, а какая именно – это его не заботит. За счет одного лишь случайного распределения гаплоидных хромосом диплоидная клетка может образовать 2ⁿразличных гамет, где n – число хромосом гаплоидного набора. Вы знаете, что у человека 46 хромосом и что он диплоиден. Следовательно, у человека n = 23, поэтому в мейозе у одного человека может возникнуть  8 388 608 разных гамет! А при оплодотворении гаметы двух родителей могут породить 2²ⁿ разных зигот: 70 369 744 177 664. Более 70 триллионов разных вариантов детей возможны у одной супружеской пары в результате лишь случайной сегрегации хромосом в мейозе (то есть без учета обмена гомологичных хромосом своими участками) !

Удачные сочетания генов можно как приобрести, так и потерять. В стабильных условиях эволюционно выгодно строго копировать сочетания генов. В нестабильных условиях выгоднее как можно быстрее изменяться: Приходится расплачиваться неудачными вариантами, но немногие удачные все окупят по эволюционному счету. В принципе, чередование поколений, в какой-то степени решает эту проблему: более или менее длительные периоды строгого самокопирования путем митоза в пределах поколения чередуются с возникновением непредсказуемых сочетаний в ходе оплодотворения и мейоза. В основном это решение касается одноклеточных организмов, у которых каждая фаза включает много поколений не просто клеток, но организмов. Однако даже тли переоткрыли этот путь – они размножаются партеногенезом, но образуют самцов и переходят к половому размножению при ухудшении условий (например, осенью).

Есть еще один аспект диплоидной и гаплоидной фаз. Мы с вами говорили о нуль-аллелях, которые представляют собой «поломки» генов. Однако в диплоидном ядре есть по две копии всякого гена (два аллеля), находящиеся в гомологичных хромосомах. Если одна копия дефектна, а вторая нет, то есть нуль-аллель находится в гетерозиготе, это часто не сказывается на клетке – продукта и одной копии гена оказывается вполне достаточно для выполнения необходимых функций. Если бы ядро было гаплоидным, т. е. большая часть генов существовала в гемизиготе (в единственной копии), то поломка одного из достаточно многих генов приводила бы к гибели клетки. (Аллели, приводящие своего носителя к гибели, называют летальными, или просто леталями.) Диплоидное ядро обладает определенной избыточностью и помехоустойчивостью.

Казалось бы, присутствие для страховки двух копий любого гена - это хорошо, но это опять-таки палка о двух концах. Под прикрытием работающего аллеля гена в диплоидных ядрах дефектный аллель выживает и воспроизводится. И таких дефектных копий в гетерозиготе может накопиться среди разных генов весьма много. При перетасовке аллелей в ходе полового процесса два дефектных (летальных) аллеля могут встретиться в гомозиготе, и такая клетка погибнет, даже будучи диплоидной. Получается, что помехоустойчивость диплоидных клеток оборачивается накоплением скрытых вредных мутаций. Чередование диплоидной и гаплоидной фаз помогает и здесь. Диплоидная фаза часто выживает, даже если один из аллелей дефектен. В гаплоидной фазе должно бы происходить очищение отскрытых леталей, так как каждый аллель в гемизиготе остается наедине сам с собой. Однако у многоклеточных организмов в гаплоидной фазе работают далеко не все гены, поэтому летали действительно накапливаются до определенного уровня в генах, призванных работать только в диплоидной фазе. Что же предпочесть?

Мы можем судить по результату. Большинство одноклеточных организмов большую часть своей жизни проводят в гаплоидной фазе. Им проще всего сразу же избавляться от леталей, ведь при этом погибает всего одна клетка. Все многоклеточные животные, высшие 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 астрономического количества клеток, все из них получаются путем размножения одной-единственной. Если в каком-то клеточном клоне произойдет мутация, то это может лишить организм важной конструктивной части и из-за мутации 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 до определенного предела могут накапливаться. Встретившись вместе в двух гомологичных хромосомах, они приводят к появлению нежизнеспособных потомков. Такие летали представляют собой так называемый генетический груз.

2.4. Мейоз.

Мы с вами вспомнили 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 вспомнить механизм мейоза.

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 - не совсем сопоставимые понятия. Митоз – это определенный механизм деления эукариотической клетки, при котором достигается точное расхождение двух хроматид (точных копий, образовавшихся в процессе удвоения ДНК) 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 размножением, потому что у нас в результате мейоза образуются половые клетки, «которыми мы размножаемся». В случае одноклеточных организмов такой связи нет – они размножаются 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 либо всего четыре гаплоидных, либо всего одна (об этом ниже), а тот факт, что диплоидный организм может иметь множество потомков, достигается митотическим размножением предшественников тех клеток, которые впоследствии вступят в мейоз и образуют половые клетки. У животных ими являются только специализированные клетки, поколения которых связывают зиготу и гаметы, производимыми образующимся из нее организма – в совокупности они называются клетками зародышевого пути.