Карл Циммер - Она смеется, как мать [Могущество и причуды наследственности] [litres]

Все это действительно так, но только в среднем. Столь же верно утверждение, что если вы бросите пару кубиков, то выпавшая сумма будет примерно равной семи. Однако в каком-то отдельном броске у вас могут выпасть две единицы. После того как мейоз перемешает ДНК между парными хромосомами, может случиться так, что в яйцеклетках окажется больше ДНК от отца женщины, чем от ее матери; иной же раз картина обратная. Братья и сестры, появившиеся из этих яйцеклеток, получат больше ДНК от маминого отца, чем от ее матери. А для других детей может быть все наоборот. Таким образом, мейоз делает одних братьев и сестер генетически более близкими, чем других.

Когда у ученых появилась возможность прочитывать последовательность ДНК, они применили ее для сравнения генетической схожести обычных людей. В 2006 г. генетик Питер Вишер из Квинслендского института медицинских исследований (Австралия) и его коллеги исследовали 4401 пару братьев и/или сестер, изучив несколько сотен генетических маркеров у каждого [364] Visscher et al. 2006. . Часто у братьев и сестер было несколько одинаковых сегментов хромосом, которые они унаследовали от одного из родителей. Ученые обнаружили, что в среднем у братьев и сестер примерно половина всей ДНК состоит из одинаковых участков. Однако различие между многими парами не было равным точно 50 %. Максимальное значение общей ДНК, которое зарегистрировали исследователи, оказалось 61,7 %, минимальное – 37,4 %. Другими словами, среди всего разнообразия наследования братья и сестры в ряде пар были ближе к однояйцевым близнецам, а в некоторых других – к кузенам и кузинам.

Первые эукариоты, у которых появилась наследственность, подчиняющаяся закону Менделя, передали ее своим потомкам. В большинстве родословных она сохраняется и по сию пору. Уже примерно 2 млрд лет тарантулы используют мейоз, чтобы соединить хромосомы и перемешать аллели. То же делают колибри, розы и бледные поганки. Однако при всех стойких преимуществах мейоза в определенных обстоятельствах он может затухать и исчезать.

К примеру, у некоторых видов растений процесс мейоза нарушается [365] Mirzaghaderi and Hörandl 2016; van Dijk et al. 2016. . Их яйцеклетки-семязачатки образуются из клеток-предшественниц без перемешивания ДНК и последующего расхождения хромосом. Наоборот, такие растения часто образуют семязачатки с помощью обычного деления. Материнская клетка с парными хромосомами делится на две дочерние с точно такими же парными хромосомами.

Хотя эти растения в процессе эволюции отказались от мейоза, они все еще цепляются за пережитки своей прошлой жизни, в которой было половое размножение. У некоторых из них семязачаток может сформироваться, только если на цветок попала пыльца и принесла с собой правильные молекулярные сигналы. Все, что нужно от пыльцевого зерна, – именно эти сигналы. Мужская ДНК здесь не используется.

Ястребинка, которую Мендель выбрал для изучения после гороха, оказалась одним из таких странных растений [366] Koltunow et al. 2011; Bicknell et al. 2016. . У гороха мейоз происходит стабильно, давая соотношение доминантных и рецессивных признаков у потомства, равное трем к одному. Было ошибкой для поиска такого же соотношения выбрать ястребинку – растение, эволюционно отошедшее от подобного способа наследования. Когда Мендель нанес пыльцу на цветок ястребинки, он запустил процесс образования семян, которые содержали полностью материнскую ДНК, а ДНК из пыльцы в них не было. И только когда генетики научились отслеживать передачу генов от одного поколения ястребинки к другому, они осознали великое невезение Менделя.

Растения, как и другие эукариоты, утрачивают мейоз, когда его эволюционная польза перестает перевешивать затраты на него. В определенных ситуациях организмы смогут размножаться более эффективно, если будут просто удваивать свою ДНК, а не объединяться с противоположным полом, разрывая связи между своими генами.

Есть и другие способы нарушить закон Менделя. Иногда отдельные гены обманывают наследственность ради своей эволюционной выгоды.

Такие молекулярные хакеры стали известны в 1920-х гг., когда были обнаружены мухи, приносящие в потомстве преимущественно дочерей. Однажды советский биолог Сергей Гершензон отправился в лес, чтобы отловить вид мух Drosophila obscura [367] См.: Gershenson 1928; Wasser 1999. . Он принес их в московский Институт экспериментальной биологии [368] Сейчас Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова. – Прим. пер. и подобрал для их содержания питательную смесь из изюма, картофеля и воды. Некоторые из пойманных самок уже несли оплодотворенные яйца, которые затем отложили в большом количестве. Гершензон выбрал нескольких потомков для дальнейшего разведения, а именно – чтобы вывести на их основе экспериментальные линии для изучения наследования тех или иных признаков.

Гершензон заметил, что у двух из этих линий было что-то особенное. Обычно кладка яиц Drosophila obscura содержит примерно равное соотношение самцов и самок. Однако в двух линиях самки производили на свет больше дочерей, чем сыновей. А иногда сыновей вообще не было. По словам Гершензона, это соотношение оказалось настолько выраженным, что «по-видимому, его нельзя было объяснить случайными причинами» [369] Gershenson 1928, p. 490. .

В поисках истинной причины исследователь провел серию экспериментов со скрещиванием. Особенность рождать больше дочерей может передаваться как простой признак, имеющий свою генетическую основу. В результате Гершензон выяснил, что определяющий ген находится на X-хромосоме. Но при этом ученый не понимал, как именно этот ген сдвигает соотношение полов в сторону дочерей. Гершензон осознал, что, каким бы ни был этот особенный способ, он находит лазейку в законе Менделя.

Обычно у мух вероятность родиться самцом или самкой составляет 50 %, потому что сперматозоид имеет 50 %-ный шанс получить как X-, так и Y-хромосому. В результате нормальный аллель гена, лежащий на X-хромосоме самца дрозофилы, унаследует примерно половина его потомков. Для мух Гершензона расчеты получались другие. Если у самца появляется та самая таинственная мутация, которую открыл Гершензон, то большинство потомков – да едва ли не все – получат его X-хромосому и почти никто не унаследует Y-хромосому. Эти мухи могут передать ген, отвечающий за рождение дочерей, своим потомкам и дальше. В целом вероятность для мухи унаследовать мутацию, отвечающую за преимущественное рождение дочерей, будет выше 50 %. В результате мутация закрепляется в популяции.

Гершензон пришел к выводу, что «это и позволяет ему распространяться» [370] Гершензон имеет в виду, что распространяется мутантный аллель гена, который приводит к тому, что бóльшая часть потомства является носителями Х-хромосомы. – Прим. науч. ред. .