Если все наши выводы верны, у нас серьезная проблема с мутациями. Речь не только о заменах одной пары оснований на другую, но и о мелких делециях и вставках, а также о прыгающих генах и ретровирусах, захламляющих нашу ДНК. Все это разные типы мутаций — жестко закрепленные наследуемые изменения в ДНК. Каждое новое изменение поначалу редко встречается в популяции, но потом его частота может расти или падать. Большинство таких изменений либо крайне вредны, либо слегка вредны. Их у нас полно, и от последних особенно трудно избавиться. Результат: множество редких генетических болезней, ранняя смертность и горы хлама в геномном «гараже», накопленные за всю жизнь нашего вида. Вдобавок репродуктивная компенсация делает летальные мутации более частыми, чем они были бы без нее. Похоже, та же компенсация лежит в основе нашего абсурдно высокого уровня хромосомных ошибок (которые тоже являются мутациями).

Но неужели мы совсем бессильны? Кое-какие ответные меры мы уже видели. У мышей, например, в противовес эгоистичным центромерам развился Bub1, который не дает им своевольничать. Igf2 и Igf2r противостоят друг другу, как Slx и Sly. Это примеры эволюционных игр в кошки-мышки между нашими собственными генами — почти как постоянная борьба с обычными паразитами вроде возбудителей малярии. В человеческих популяциях, к примеру, белок группы крови Даффи эволюционировал в ответ на малярию.

А как же наши проблемы с мутациями и общее несовершенство клеточных процессов? Есть ли в эволюционном арсенале организмов вроде нас подходящие контрмеры? Возможно, есть.

Одна из главных причин нашей неэффективности — огромные интроны. Как вы узнали из второй главы, виды с большими участками межгенной ДНК обычно имеют и крупные интроны. Мы накапливаем этот «геномный жир» повсюду. Скорее всего, это следствие слабого отбора, неспособного убрать мусор из нашего «гаража». Разбухание генома имеет несколько последствий. Начнем с того, что крупные интроны делают и копирование ДНК (репликацию), и синтез РНК (транскрипцию) неоправданно дорогими. Мы производим РНК, которые больше чем на 90% состоят из материала, подлежащего удалению при сплайсинге. Вероятно, поэтому гены, требующие высокой или быстрой экспрессии, обычно имеют короткие интроны — цена слишком велика, и отбору проще удалить вставки, раздувающие интроны таких генов. Чистая экономика.

Вторая проблема не так очевидна. Крупные интроны затрудняют точный сплайсинг. При взаимодействии с каждым интроном клетка решает сложную вычислительную задачу: каждая РНК — цепочка нуклеотидов, но большинство из них нужно вырезать, а оставшиеся участки снова соединить. Чтобы удалить интрон, мы делаем разрез в одном месте нуклеотидной цепи, затем второй разрез дальше по цепи, убираем кусок между разрезами и сшиваем концы. И так с каждым интроном.

А если разрез сделать не там, где нужно? Скорее всего, все пойдет наперекосяк — как при склейке кинопленки в неправильных местах. У наших генов в среднем по 10 интронов, так что простор для ошибок огромный. Неправильный сплайсинг часто дает мРНК со сбитой рамкой считывания. Напомню: кодоны читаются тройками, и если сплайсинг нарушает рамку, то новая мРНК не закодирует нужный белок и, скорее всего, получит стоп-кодон не там, где надо. Стоп-кодон в неположенном месте обычно запускает нонсенс-опосредованный распад (nonsense-mediated decay, NMD) — клеточную систему утилизации мусора. Или, допустим, системе повезло, и рамка считывания не сбилась. Но в новом транскрипте может не хватать инструкций для важного фрагмента белка или, наоборот, появится лишний кусок. Тоже ничего хорошего.

Надеюсь, теперь вы лучше понимаете, почему крупные интроны представляют собой проблему: они резко усложняют поиск нужного места разреза. Стоит взять искусственный ген с интроном, добавить в интрон лишнюю последовательность, и точность сплайсинга снижается: ценные экзоны превращаются в крошечные острова в интронном океане. Ошибки сплайсинга встречаются удручающе часто. Некоторые «экзоны» обнаруживаются только у одного вида — скорее всего, это результат неправильного сплайсинга. Такие псевдоэкзоны обычно соседствуют с крупными интронами. То же самое с «экзонами», которые то появляются, то исчезают в наборе мРНК-транскриптов, — они тоже окружены большими интронами. У человека особенно много редких транскриптов со сбитой рамкой считывания и неконсервативными сайтами сплайсинга. Все указывает на то, что наши особенно крупные интроны создают серьезные помехи сплайсингу. Мы миримся с этим, пока производим достаточно нужного белка, но до идеала тут далеко.

Решить эту проблему, однако, непросто. Да, нонсенс-опосредованный распад позволяет устранять последствия уже случившихся сбоев. У многих видов интроны даже содержат стоп-кодоны-ловушки, которые запускают NMD, когда сплайсинг дает осечку и интронная последовательность случайно остается в транскрипте. Но это все равно что полагаться на аварийные службы, расчищающие место ДТП и отправляющие покореженные машины в утиль. Возникает вопрос: почему мы не можем предотвратить сами ошибки сплайсинга?

И снова мы упираемся в проблему неэффективного отбора. Представьте: в интрон встроился прыгающий ген. У носителя этой новой вставки интрон увеличился. Такое происходит сплошь и рядом, наши интроны буквально нашпигованы подобными фрагментами ДНК. Эффект может быть небольшим: снижается точность сплайсинга, растет нагрузка на клеточную систему утилизации, ведь найти соседние экзоны становится труднее. Экзон не уменьшился, но океан интронов стал больше, усложняя поисково-спасательную операцию по вылавливанию экзонов. Но если снижение приспособленности незначительно, отбор мало что может поделать со вставкой — мешает малый эффективный размер популяции. Та же вставка у вида с большой эффективной численностью создала бы достаточно сильный эффект, чтобы отбор ее удалил. В этом суть теории Ота. Именно поэтому, как мы полагаем, виды с малой численностью популяций обзавелись раздутыми геномами.

Тут мы сталкиваемся с парадоксом: если естественный отбор слишком слаб, чтобы вычистить эту вставку из популяции, откуда у него возьмутся силы создать решение на уровне отдельного гена? Да, отбор успешно поддерживает системы реагирования на «аварии» вроде NMD, но только потому, что такие аварии происходят одновременно с транскриптами множества генов. А вот что может поделать отдельно взятый ген, раз за разом страдающий от неправильного сплайсинга? Есть ли у него хоть какие-то рычаги, чтобы повлиять на собственную склонность к ошибкам обработки?

Не исключено, что закрепление одной-единственной вставки — лишь первая ступень деградации, ведь тот же механизм может сработать снова. Мы постоянно наблюдаем, как повторяющиеся последовательности — те же прыгающие гены — встраиваются прямо внутрь уже имеющегося и постепенно распадающегося прыгающего гена или обосновываются рядом с ним. И мы опять бессильны: популяция мала, отбор слаб. Храповик раздувания интронов делает очередной необратимый поворот. А когда эта новая вставка распространится по популяции и закрепится у каждого ее носителя, точность сплайсинга упадет для всех без единого исключения.

Может ли маховик деградации крутиться бесконечно? Рано или поздно сплайсинг разладится настолько, что естественный отбор будет вынужден вмешаться и поставить точку. Но как это выглядит на деле? Тут мы знакомимся с особым классом ДНК-/РНК-мотивов, которые завораживают меня уже много лет. Это экзонные энхансеры сплайсинга (ESE). Похоже, именно они помогают нам дать отпор генетическому хламу.

Когда интроны огромны, а экзоны крошечные, найти экзонный островок в океане последовательностей становится настоящим испытанием. Представьте потерпевших кораблекрушение на необитаемом острове — они разводят сигнальный костер, чтобы проплывающие суда заметили клочок суши посреди моря. Точно так же работают наши экзонные энхансеры сплайсинга. Что они собой представляют? РНК ведь не разжигает костры! Чтобы разобраться, давайте поразмыслим, каким образом клетка определяет, где в цепочке нуклеотидов РНК заканчивается интрон.

В РНК есть особые участки — «сайты сплайсинга». Это характерные последовательности из нескольких нуклеотидов, расположенные по обе стороны от границы между экзоном и интроном. Сайты бывают сильными и слабыми. Сильный сайт способен самостоятельно подать четкий сигнал: «Эй, сплайсосома, сюда! Резать здесь!» Слабые сайты справляются с этой задачей лишь иногда. У дрожжей интроны маленькие, а сайты сплайсинга — сильные. У нас интроны огромные, а сайты — слабые. Дрожжи не знают наших проблем. У дрожжей еще и популяции большие. Повезло дрожжам!

И все же мы не дрожжи, поэтому нам приходится встраивать дополнительные указатели, которые подскажут системе, куда двигаться и где делать разрез. Тут-то и выходят на сцену мои обожаемые ESE. У границ экзонов мы обнаруживаем короткие последовательности нуклеотидов (примерно шесть оснований), обладающие особой «липкостью» — они притягивают и удерживают на РНК так называемые SR-белки. В этих ESE много аденина и гуанина (особенно аденина). Последовательности вроде AGGAGG и AAGAAG считаются сверхлипкими. SR-белки — это специализированные белки, которые садятся на РНК и привлекают аппарат сплайсинга. Фактически они сообщают клетке: «Где-то здесь поблизости ты найдешь сайт сплайсинга». Поскольку эти особые последовательности нуклеотидов усиливают процесс сплайсинга, их и назвали экзонными энхансерами сплайсинга. Это сигнальные костры, пылающие на крошечных островках в океане мусорной ДНК.

Наши гены используют ESE активнее, чем гены любых других организмов. Целых 30–40% нуклеотидов у границ наших экзонов представляют собой ESE, которые притягивают SR-белки. Как вы думаете, в каких экзонах плотность ESE будет особенно высокой? Если вы предположили, что в тех, которые соседствуют с большими интронами, вы абсолютно правы (рис. 8.1). Именно такие экзоны сложнее всего правильно распознать.

Рис. 8.1. Плотность мотивов экзонных энхансеров сплайсинга (ESE) у границ экзонов в зависимости от натурального логарифма размера прилегающих интронов

Плотность ESE у границ экзонов можно довольно точно предсказать: в пределах одного вида она зависит от размера соседних интронов, а при сравнении разных видов — от среднего размера интронов в геноме. Виды с раздутыми геномами вроде нас, обремененные огромными интронами, критически зависят от ESE, без них система просто не найдет, где делать разрезы в РНК. ESE — это наше средство борьбы с разбухшим геномом. Впрочем, рекорд по плотности ESE принадлежит не нам, а необычной бурой водоросли Ectocarpus, одной из разновидностей морских водорослей. У нее, как и у нас, интронных последовательностей хоть пруд пруди (рис. 8.2).

О том, насколько правильность сплайсинга у человека зависит от ESE, красноречиво свидетельствуют необычные болезнетворные мутации. У всех видов мутации в сайтах сплайсинга нарушают вырезание интронов и приводят к генетическим заболеваниям. Но виды вроде человека, которые полагаются на ESE, расположенные рядом с сайтами сплайсинга, но не в них самих, оказываются еще уязвимее. Мутации в нашей ДНК, повреждающие ESE в соответствующей РНК, способны нанести серьезный вред. Ведь из-за них мРНК будет неправильно сплайсирована, а значит, и белок получится дефектным.

Возможно, именно так работают многие мутации, меняющие аминокислоту (миссенс-мутации) или создающие стоп-кодон (нонсенс-мутации), — они разрушают ESE и тем самым нарушают сплайсинг, что и приводит к болезни. Впрочем, ESE-мутации могут быть и синонимичными, то есть заменять кодон на другой, кодирующий ту же самую аминокислоту. Возьмем одну из форм тугоухости под названием DFNA8/12, которая развивается из-за мутаций в гене TECTA. Виновница болезни — мутация, превращающая кодон CTG (кодирует лейцин) в CTA (тоже кодирует лейцин). Обычно мы считаем такие мутации «молчащими» и полагаем, что они ни на что не влияют, эволюционируют нейтрально и уж точно не могут вызывать заболевания. Но не в нашем случае. Эта единственная синонимичная замена резко снижает сцепление РНК с SR-белком SC35. SC35 довольно привередлив: он предпочитает мотивы с обилием цитозинов, например GGCCCCTG. Обратите внимание на CTG в конце последовательности. Утрата способности притягивать SC35 приводит к сбою сплайсинга, целый экзон выпадает из зрелой мРНК. К счастью, длина этого экзона составляет 111 нуклеотидов — число, кратное трем, — поэтому рамка считывания не сбивается и остальной белок синтезируется правильно. Но даже потеря 37 аминокислот оказывается достаточной для развития глухоты.

Рис. 8.2. Обогащение экзонными энхансерами сплайсинга различных модельных видов в зависимости от доли генной последовательности, представленной кодирующими участками (то есть не интронными). Обратите внимание, что относительно небольшая часть генов человека кодирует белки — они состоят преимущественно из интронов — и, как у схожих видов с большим количеством интронных последовательностей, содержат множество экзонных энхансеров сплайсинга. Показатель обогащения экзонными энхансерами сплайсинга здесь представляет собой долю аминокислот, демонстрирующих смещенное использование вблизи границы между экзоном и интроном. Данные взяты из Wu, X. et al., "Evidence for deep phylogenetic conservation of exonic splice-related constraints: splice-related skews at exonic ends in the brown alga Ectocarpus are common and resemble those seen in humans," Genome Biology and Evolution 5 (2013): 1731–1745

Вопрос о том, как часто мутации сплайсинга становятся причиной генетических заболеваний, до сих пор вызывает споры. Оценки варьируются от 10% до 50% всех наследственных болезней, но наиболее вероятной представляется доля в 25–30%. Недавние исследования показывают, что болезнетворные нонсенс-мутации (создающие стоп-кодоны) часто попадают именно в те участки, которые раньше были ESE, и особенно часто встречаются у границ экзонов, там, где мутации с большей вероятностью нарушат процесс сплайсинга. Свежие данные говорят о том, что примерно 30% нонсенс-мутаций, связанных с заболеваниями, вредят организму не столько из-за прямого повреждения белка, сколько из-за нарушения сплайсинга. Что касается синонимичных мутаций, мы пока не знаем точно, какая их доля наносит вред: оценки колеблются от нескольких процентов до 20%. Эта область остается предметом активных исследований.

Теперь мы точно знаем: границы наших экзонов устроены необычно. В них сконцентрированы ESE, и эволюционируют они крайне медленно — мутации там возникают и оказываются вредными, поскольку нарушают сплайсинг. Именно поэтому генетические различия между мной и вами меньше у границ экзонов, чем в их центральной части. В крупных экзонах центр эволюционирует примерно на 30% быстрее, чем края. Из-за особого нуклеотидного состава ESE влияют и на то, какие аминокислоты чаще всего кодируются у границ наших экзонов. К примеру, в последних 70 парах нуклеотидов экзонов (там, где обитают ESE) мы почти не встречаем кодонов пролина (CCA, CCT, CCG, CCC), зато регулярно находим кодоны лизина (AAA или AAG). Дело в том, что последовательности, кодирующие лизин, «липкие» для SR-белков, а кодоны пролина — нет. Любопытно, что аргинин может кодироваться как «липкими» кодонами AGA и AGG, так и «тефлоновыми» CGT, CGC, CGG, CGA. У границ экзонов мы используем преимущественно липкие варианты.

Все это может показаться узкоспециальной темой: ну да, есть короткие мотивы у границ экзонов, они медленно эволюционируют, а их повреждение вызывает сбои сплайсинга и болезни. И что с того? А вот что: мы удивительно странные существа именно в этом отношении. Дело в том, что ESE концентрируются у границ экзонов, а наши экзоны крайне короткие. Вспомните те самые 70 пар нуклеотидов — рабочую зону ESE. Это 70 спаренных оснований от каждого края экзона. Получается, что экзон длиной 140 со или меньше — это сплошная граница. И вот первая странность: большинство человеческих экзонов именно такие — короче 140 со. Учитывая, что 30–40% пограничной зоны занимают ESE, выходит, что этот простой показатель — доля мРНК, попадающая в 70-нуклеотидную зону от границы экзона, — оказывается одним из двух главных факторов, определяющих скорость эволюции наших белков. Второй фактор — уровень экспрессии белка. У нас, в отличие от видов с малочисленными и короткими интронами, необходимость подстраховывать ненадежный процесс сплайсинга стала, возможно, важнейшим фактором, определяющим эволюцию генов и белков. И именно этим во многом объясняется, почему мутации способны нас убить или серьезно навредить нашему здоровью.

Наша борьба с ненадежным сплайсингом — во многом странное решение. Это локальный ответ на локальную проблему: каждый ген самостоятельно эволюционирует, чтобы справиться с собственными трудностями сплайсинга. Обычно такой путь недоступен: если отбор слишком слаб, чтобы противостоять вредным мутациям, он не может одновременно поддерживать и локальные механизмы компенсации. Особенность сплайсинга в том, что вредные эффекты накапливаются постепенно, маховик мутаций шаг за шагом подтачивает эффективность сплайсинга. В целом же мы ожидаем увидеть то, что можно назвать глобальными решениями. Скорость мутирования, к примеру, зависит от ферментов репарации, которые работают не в одном участке ДНК поблизости, а по всему геному. Одна-единственная мутация в гене фермента репарации ДНК затрагивает огромные массивы генетического материала, поэтому отбор на такие изменения гораздо сильнее, чем на локальные геномные решения. NMD тоже работает глобально, он обрабатывает неправильно сплайсированные транскрипты всех генов без исключения.

Существуют ли похожие глобальные решения наших проблем с мутациями? Возможно, да, и связаны они с любопытным свойством системы репарации неспаренных оснований ДНК.

Система репарации ДНК в целом направлена на предотвращение развития мутаций. Всякий раз, когда между двумя цепями ДНК возникает несоответствие, система репарации неспаренных оснований тут как тут — готова пресечь рождение мутации. Допустим, у нас была пара GC: гуанин на одной цепи, комплементарный ему цитозин на другой. Но что-то пошло не так, и вместо пары GC образовалось несоответствие AG. Аденин и гуанин не должны быть в паре. Правильные пары — это G с C и A с T, другие комбинации недопустимы. Если не исправить ошибку, у нас появится новая мутация. Но если система репарации распознает неправильную пару AG, удалит аденин и поставит на его место цитозин — все, можно выдохнуть, мутация предотвращена.

Но тут возникает загвоздка. Откуда системе знать, что в неправильной паре AG именно гуанин — «нужное» основание? Если система решит сохранить аденин и исправит пару в его пользу, то мы получим мутацию, созданную самой репарацией: пара GC через промежуточное несоответствие превратится в пару AT. Формально система репарации справилась с задачей — несоответствия больше нет, теперь у нас корректная пара AT. Вот только появилась новая проблема — мутация.

Раз мы не можем установить исходное основание, нельзя ли придумать какое-нибудь практическое правило, которое поможет чаще сохранять более выгодный для отбора нуклеотид? Мы считаем, что такое правило вполне может существовать.

Чтобы лучше его понять, представьте бочку, наполненную черными и белыми шарами. У каждого черного шара есть вероятность спонтанно превратиться в белый, у каждого белого — стать черным. Аналогия с мутациями, надеюсь, очевидна. Проследим за изменениями в составе шаров во времени. В каждый момент я подсчитываю черные и белые шары и вычисляю их соотношение. Когда спустя какое-то время пропорция белых и черных шаров перестает меняться, можно заключить, что система достигла точки баланса — равновесия. Но в этом равновесии процессы не замирают. Напротив, на каждый белый шар, превращающийся в черный, приходится один черный, становящийся белым. Это называется динамическим равновесием.

Какова связь между равновесным соотношением черных и белых шаров и относительными скоростями их взаимных превращений? Если белые становятся черными с той же скоростью, что черные — белыми, равновесие установится на уровне 50:50. Но что произойдет, если, скажем, черные шары превращаются в белые чаще, чем белые в черные? Тогда о соотношении 50:50 речь уже не идет. Если начать с бочки, где черных и белых поровну, а затем вернуться через некоторое время, белых окажется больше, просто потому, что мутации черных шаров менее стабильны. Значит, изначально мы находились вовсе не в точке равновесия.

Возможно, вы думаете, что, если черные шары чаще превращаются в белые, чем наоборот, то в конце концов в бочке останутся одни белые. Ваша интуиция вас не подводит. И все же вы ошибаетесь — по одной любопытной причине. Когда черных шаров становится меньше, а белых больше, общее число превращений белых в черные растет просто за счет увеличения количества белых шаров. Общая скорость превращения черных в белые равна доле черных шаров, умноженной на вероятность перехода черного в белый. Когда черных становится меньше, общая скорость их превращения в белые падает. Представьте, что в бочке остались только белые шары. Теперь все мутации будут идти только в одном направлении — из белых в черные, ведь черных шаров попросту нет. Значит, состояние «все белые» — тоже не равновесие.

На самом деле равновесное состояние зависит только от того, с какой скоростью белые шары превращаются в черные, а черные — в белые. Где-то на отрезке между равными долями цветов (50:50) и полным преобладанием одного из них (100:0) найдется такая точка, в которой две скорости сравняются. В этой точке число появляющихся черных шаров (которое равно количеству белых шаров, умноженному на скорость их почернения) будет точно совпадать с числом появляющихся белых (которое равно количеству черных шаров, умноженному на скорость их побеления). И чем сильнее разнятся скорости этих превращений, тем дальше от середины окажется точка равновесия.

С мутациями происходит нечто похожее. Мутации случайны — в том смысле, что ни место их появления в ДНК, ни их эффекты никак не предопределяются. Мы уже обсуждали это в шестой главе. Однако сам процесс их возникновения имеет определенное смещение. У человека, как и у многих других организмов, нуклеотиды G и C чаще превращаются в A и T, чем наоборот. Это мутационное смещение по сути похоже на нашу историю с черными и белыми шарами. Если единственное, что влияет на содержание G+C в ДНК — это мутации с их характерным смещением, то молекула ДНК будет эволюционировать до такого состояния (называемого мутационным равновесием), в котором нуклеотидов A и T окажется больше, чем G и C, точно так же как смещение при перекрашивании шариков влияет на соотношение черного и белого. Изучая ДНК родителей и их детей, мы смогли разобраться в особенностях мутационного процесса и подсчитать, что в состоянии мутационного равновесия доля G+C составляет примерно 28%. В этой точке каждому появлению G или C из A или T в одном месте нашей ДНК соответствует противоположное событие где-то в другом месте — появление A или T из G или C.

Допущение об отсутствии других факторов, влияющих на содержание G+C, равносильно утверждению, что новые мутации подчиняются исключительно дрейфу (нейтральной эволюции). Что вы подумаете, если при изучении гена обнаружите, что содержание G+C в нем намного превышает 28%? Тут самое время призадуматься. Если единственный процесс, определяющий долю G+C, — это мутационное смещение и оно предсказывает 28%, значит, нашей простой модели чего-то не хватает. Самый очевидный недостающий элемент — естественный отбор. Гены кодируют белки, а белкам часто требуются кодоны, богатые парами G+C, чтобы кодировать необходимые аминокислоты. Глицин, к примеру, — распространенная и важная аминокислота. Но все кодоны глицина начинаются с GG. Поэтому, если в гене содержание G+C значительно превышает 28%, логично предположить, что избыточные гуанины и цитозины, превышающие мутационное равновесие, находятся там неслучайно.

Вернемся к несоответствию между A и G. Мы не знаем, какое основание было исходным, а какое ошибочным. Но нас интересует не столько исходное основание, сколько более выгодное, если таковое имеется. Какое практическое правило здесь напрашивается? Поскольку гуанины и цитозины чаще требуют специального объяснения своего присутствия (ведь мутационное смещение работает против них), разумно предположить, что по балансу вероятностей именно G или C окажется полезным основанием. Как же поступить при встрече с несоответствием AG (или TG, AC, TC)? Логично сохранить G или C и достроить пару соответствующим образом.

Удивительно, но похожую систему наш организм использует для исправления уже случившихся мутаций. Когда формируются половые клетки — сперматозоиды и яйцеклетки, — происходит обмен ДНК в процессе кроссинговера, о котором мы говорили в прошлой главе. Часть этого процесса устроена довольно хитро. Представьте: одна цепочка из хромосомы, доставшейся вам, скажем, от мамы, внедряется в двухцепочечную ДНК в той же самой позиции на другой хромосоме — той, что досталась от папы. В результате возникает причудливая структура — участок ДНК, где одна цепь от мамы, а вторая от папы. Такое образование называется гетеродуплексом (от слова «гетеро» — смешанный, а «дуплекс» указывает на двухцепочечную природу структуры). Но что происходит, если в папиной ДНК в каком-то месте стоит пара AT, а в маминой в том же месте — пара GC? В гетеродуплексе может возникнуть несоответствие: например, A на одной цепи и G на другой. Тут в дело вступает система репарации несоответствий. И вот что интересно: она не просто случайным образом выбирает, какой вариант оставить, — примерно в 70% случаев выбор падает на G или C. Это явление получило название GC-смещенной генной конверсии, или сокращенно gBGC. Кстати, смещенная генная конверсия — одна из самых горячих тем в современной эволюционной геномике.

Как gBGC влияет на эволюцию нашего генома? У этого механизма есть поразительные свойства. Суммарный эффект gBGC зависит от длины гетеродуплекса, частоты их образования, частоты несоответствий AT–GC и степени смещения — которое, как я упоминал, составляет примерно 70:30 в пользу G и C. Начнем с участка ДНК, где неважно, какой именно нуклеотид стоит в данной позиции, подойдет любой из четырех. В таком случае gBGC будет увеличивать частоту гуанинов и цитозинов исключительно за счет смещения 70:30. Это смещение напоминает то, что мы наблюдали у эгоистичных центромер. Попадая более чем в половину яйцеклеток или сперматозоидов, мутация способна из редкой превратиться в распространенную.

На основе этой информации мы можем спрогнозировать несколько вещей. Например, в участках ДНК с частой рекомбинацией должно быть больше гуанинов и цитозинов, просто потому, что там чаще образуются гетеродуплексы и, следовательно, чаще работает gBGC. И мы действительно это наблюдаем. Наша ДНК устроена необычно: в ней есть участки с очень высоким содержанием G+C в межгенных областях и интронах, а есть участки с преобладанием A+T. Эти блоки, богатые либо парами G+C, либо парами A+T, тянутся более чем на 300 Кб и называются изохорами (на самом деле они не совсем блокообразные, скорее волнообразные, но не будем углубляться). В областях с высоким содержанием G+C происходит активная рекомбинация, например, на концах хромосом. Области, богатые A+T, демонстрируют противоположную картину. Вспомните: наши центромеры не участвуют в рекомбинации — и они богаты парами A+T. Особенно показательна Y-хромосома. На концах она обменивается ДНК с X-хромосомой. В остальной части ей не с кем рекомбинировать. И что мы видим? Концы богаты G+C, а вся остальная ДНК — парами A+T.

В результате gBGC содержание пар G+C в геноме поддерживается на уровне, значительно превышающем мутационное равновесие. Получается, что, когда естественный отбор не в силах сохранить для нас полезные гуанины и цитозины, эту задачу берет на себя наш механизм репарации. По сути, gBGC работает как глобальная геномная система, которая в целом предотвращает распространение вредных мутаций (чаще всего замен GC на AT), — и все потому, что естественный отбор слишком слаб, чтобы справиться с ними самостоятельно.

Насколько важную роль играет gBGC за пределами человеческого генома, вопрос открытый. У млекопитающих и птиц этот механизм, похоже, работает в полную силу. А вот с пекарскими дрожжами история совсем другая. Мы попытались выяснить, есть ли у них вообще какое-то смещение, и дрожжи идеально для этого подходят, ведь у них можно проследить судьбу всех четырех продуктов одного мейоза (это называется тетрадныманализом). Что же мы обнаружили? Проанализировав 100 000 несовпадений, мы ожидали увидеть соотношение 70:30, а получили 50,03 к 49,97. То есть смещения практически нет. Реально ли вообще это крохотное отклонение? Сказать трудно — мы упираемся в предел точности существующих методов. Но одно ясно точно: никакого смещения 70:30 у дрожжей нет и в помине.

Хочется спросить: почему у птиц и млекопитающих gBGC работает на полную мощность, а у дрожжей — нет? Честно говоря, мы не знаем ответа. Но есть одна заманчивая гипотеза: все дело в эффективности естественного отбора. У дрожжей с их огромной эффективной численностью популяции отбор прекрасно вычищает вредные мутации. Если какая-то мутация все же достигает заметной частоты в популяции, она, скорее всего, безвредна — иначе отбор давно бы ее отбраковал. А вот у людей и птиц все обстоит иначе: популяции маленькие, отбор работает неэффективно, поэтому вредные мутации (обычно замены GC на AT) вполне могут набрать приличную частоту. И тут gBGC становится спасательным кругом — он вычищает то, с чем не справляется слабый отбор. Возможно, это и есть оптимальная стратегия. Если гипотеза верна, то сила gBGC должна быть откалибрована под вероятность образования гетеродуплекса между «хорошей» и «плохой» версиями одного участка ДНК. В малых популяциях отбор работает хуже, а значит, такая вероятность выше. Впрочем, эту идею еще предстоит проверить. Нам нужно гораздо больше данных о gBGC и масштабах его влияния. Благодаря новым технологиям секвенирования это теперь реально, осталось только накопить столько же оценок эффектов gBGC, сколько у нас уже есть данных о скорости мутаций и эффективной численности популяций.

В одном мы можем быть уверены: раз выбор GC работает вслепую, по принципу «чем больше GC, тем лучше», процесс неизбежно будет давать осечки и поддерживать вредные мутации. Недавно обнаружился показательный пример такого сбоя. Чтобы убедиться, что gBGC действительно повышает частоту вредных замен AT на GC в популяции, нужен случай, когда мы точно знаем: A или T — это хорошо, а G или C — плохо. Идеальный пример — стоп-кодоны.

Напомню: существует три кодона, которые командуют рибосоме «СТОП, хватит синтезировать белок». Это TAA, TGA и TAG. Интересно, что TAA — безусловный чемпион среди них. Чемпион в том смысле, что рибосома реже всего «проскакивает» этот стоп-сигнал. TAA она пропускает примерно раз на 2000 попыток, а вот TGA — раз на 500. Такое «проскакивание» оборачивается кучей неприятностей. К готовому белку может прицепиться лишний кусок, а это увеличивает энергозатраты. Белок может неправильно свернуться или попасть не туда, куда надо. А может случиться и вовсе катастрофа: рибосома на полном ходу влетит в поли(А)-хвост на конце мРНК. Этот хвост работает как песчаная ловушка для рибосом-беглянок. Потом приходится вызывать молекулярных «эвакуаторов» — спасать и рибосому, и белок, и РНК. Настоящий хаос. Логично, что у большинства организмов естественный отбор старается минимизировать частоту таких проскоков. Например, нуклеотид, стоящий сразу после стоп-кодона, влияет на вероятность сквозного прочтения. И организмы избегают тех нуклеотидов, которые повышают риск проскока.

TAA по праву считается золотым стандартом. Взгляните на активно работающие гены, там, где молекулярные сбои бьют по клетке больнее всего. От бактерий до человека все организмы отдают TAA явное предпочтение, используя его чаще, чем предполагает обычная статистика нуклеотидного состава. У бактерий, беспозвоночных — практически у всех — эволюция бережно хранит TAA как оптимальный стоп-сигнал. Кроме людей. У нас все наоборот: мы храним TGA. Да-да, вы не ослышались, у нас эволюционно закрепился самый ненадежный, самый «дырявый» стоп-кодон. Неудивительно, что молекулярные аварии в наших клетках — обычное дело.

И проблема не только в нас. Ученые выяснили: чем сильнее работает gBGC у вида, тем упорнее он цепляется за TGA. Наш и другие виды с изохорными геномами — где чередуются блоки с высоким и низким содержанием G+C — как раз и грешат избыточным использованием и сохранением TGA. Логика понятна: замены TAA на TGA вредны, но gBGC их упорно продвигает. И точно, в человеческом геноме TGA закрепляется именно там, где чаще всего происходит рекомбинация. А на коротких хромосомах, где плотность рекомбинации на единицу длины выше, TGA встречается еще чаще.

Так почему же мы держимся за TGA? Вовсе не потому, что это отличный стоп-кодон. И не потому, что естественный отбор поощряет сквозное считывание и молекулярные катастрофы. Все дело в слепом следовании правилу: встретил несовпадение — выбирай G вместо A. Поэтому, когда в гетеродуплексе встречаются TAA и TGA (точнее, TAA с комплементарной нитью TGA, то есть ACT), механизм репарации автоматически голосует за GC. Это происходит повсеместно — не только со стоп-кодонами, но и в интронах, и в межгенных участках. И дело не только в паре TGA/TAA. Многие аминокислоты кодируются триплетами, которые заканчиваются либо на A или G, либо на C или T. В областях генома с высокой частотой рекомбинации мы упорно сохраняем варианты с G и C на конце — не потому, что они лучше, а просто потому, что так велит правило «GC важнее AT». А вот в участках ДНК, где рекомбинация редка, вне генов мы находимся практически в мутационном равновесии.

Смещенная генная конверсия ломает одну из негласных аксиом эволюции: что у гетерозиготы — носителя старой и новой версий ДНК — обе версии передаются потомкам с равной вероятностью. Как мы убедились, когда эта аксиома нарушается, возникает механизм, способный раздуть частоту вредной мутации (отсюда и наша нездоровая любовь к TGA). Важный нюанс: при смещенной генной конверсии искажение передачи — это то, что мы сами делаем со своей ДНК, а не то, что ДНК делает по собственной инициативе.

Смещенная в сторону GC генная конверсия, конечно, быстро и заметно влияет на ДНК. Но когда популяции малочисленны и геномы начинают деградировать, возможно, более мощным лекарством становится половое размножение с его генетическим перемешиванием — механизм куда более тонкий.

Для человека и других млекопитающих половое размножение — когда потомок получает комбинацию ДНК матери и отца — дело обыденное. У нас просто нет альтернативы. Как мы обсуждали в седьмой главе, у нас работает система геномного импринтинга: во время внутриутробного развития некоторые критически важные гены активны только в той копии, что досталась от отца. Неоплодотворенная яйцеклетка, даже если каким-то чудом она начнет развиваться, очень быстро зайдет в тупик.

Птицы сталкиваются с другой проблемой. Если у человека и большинства млекопитающих разнополые хромосомы (X и Y) носит самец, а самка имеет две X, то у птиц мы наблюдаем зеркально противоположную картину. Чтобы не путаться, птичью систему называют ZW-определением пола. У самки две разные половые хромосомы (Z и W), у самца — две одинаковые (ZZ). Теперь представьте: самка откладывает яйцо с одинарным набором хромосом, и оно вдруг начинает развиваться без оплодотворения. Обычно сначала происходит удвоение всех хромосом — яйцо как бы имитирует оплодотворенное. В итоге все эмбрионы получаются либо WW, либо ZZ. Эмбрионы WW нежизнеспособны. А вот ZZ развиваться могут. У индеек, например, изредка регистрируют такие случаи спонтанного развития. Но даже если бы эти особи были абсолютно здоровыми (а они обычно далеки от этого), все они — самцы! Вот и все — бесполая линия обрывается уже в первом поколении.

Впрочем, из этого тупика можно найти выход. Если птица случайно удвоит все хромосомы еще до формирования яиц, то яйца изначально будут содержать двойной набор и некоторые окажутся ZW. Но бесполое размножение у птиц — это все-таки экзотика, разовая аномалия, а не жизнеспособная стратегия. Нам известно несколько случаев у птиц в зоопарках — там мы точно знаем, что самка не спаривалась. Считается, что изредка неоплодотворенное яйцо может спонтанно начать развиваться. Недавно из Бекмановского центра охраны природы при зоопарке Сан-Диего пришла совсем уж странная новость. Две самки калифорнийского кондора в питомнике произвели на свет сыновей с хромосомами ZZ, у которых генетический анализ показал только материнское происхождение. Это удивительно само по себе, но еще больше поражает, что рядом с ними жил самец, который успешно стал отцом других птенцов.

Если не считать птиц и млекопитающих, во многих группах организмов есть виды, где самки постоянно размножаются без генетического участия самцов, и это не единичные курьезы, а норма жизни. Нам известны около 50 видов рыб, амфибий и рептилий, где самцов нет вообще, а самки производят дочерей без отцов. Обитающие в штате Нью-Мексико ящерицы-хлыстохвосты и амазонские моллинезии откладывают яйца, которым не нужен генетический вклад спермы для развития. У моллинезий вообще наблюдается интересный парадокс: самкам все-таки приходится спариваться с самцами родственного вида, сперма запускает развитие яйца, но генетически в потомстве никак не участвует.

Многие осы тоже размножаются бесполым путем. Возьмем паразитическую осу Lysiphlebus fabarum: в одной популяции есть и бесполые особи (матери производят дочерей без отцов), и обычные. Интересно, что «решение» самки стать бесполой зависит всего от одного гена. Чтобы размножаться партеногенетически, самке нужно иметь обе копии определенного гена одного из двух конкретных вариантов. Резонный вопрос: как мы вообще это выяснили, если бесполые самки по определению не спариваются с самцами? Хитрость в том, что примерно один из 3000 потомков бесполых самок — самец. Этих редких самцов можно скрестить с обычными самками (размножающимися половым путем) и таким образом разобраться в генетике бесполости.

Впрочем, бесполое размножение не всегда идет через яйцо. Морские звезды, например, могут отбросить луч — он вырастет в полноценную морскую звезду, а «родитель» восстановит утраченную конечность. Таким образом, одна особь превращается в две. Гидра — трубчатое беспозвоночное с венчиком щупалец — производит потомство почкованием: маленькая, но полноценная гидра вырастает прямо из тела родителя.

Один из моих любимых примеров бесполого размножения — растение, которое недавно захватило Британию. Veronica filiformis — скромный на вид цветок с голубыми лепестками, который теперь можно встретить на газонах по всей стране (в народе его называют вероникой). Это не местный вид — родом он из Турции и Кавказа, а в Британию попал в 1808 году как садовое растение. Но вероника сбежала из садов, первые дикие экземпляры обнаружили в 1838 году. А в последнее время она распространялась настолько стремительно, что стала неотъемлемой частью британских газонов. Парадокс в том, что все британские вероники стерильны (я часто проверяю, когда вижу их, — ни разу не нашел растения с семенами). Как же стерильное растение умудрилось так преуспеть?

Удивительная особенность этого растения заключается в том, что оно распространяется с помощью газонокосилок и граблей. Каждый раз, когда веронику скашивают, срезанные кусочки укореняются и дают начало новым растениям. Вероника захватывает и Западную Европу. Похоже, она попала туда с корнями виноградных саженцев из Грузии в конце XIX века. С тех пор каждая фрагментация запускает новую волну расселения. Анализ инвазивных растений под Москвой показывает: вероника продвигается на четыре километра к северу и на 10 километров к югу ежегодно. Впечатляющий результат для растения, которое не может ни ходить (это очевидно), ни производить семена.

Бесполое размножение — классическая эволюционная загадка. Парадокс в том, что на бумаге бесполость выглядит безупречной стратегией. Самцы (в основном) не нужны, искать партнера не надо. У видов без ZW-хромосом нет сыновей, а сыновья, как мы убедились, — балласт. Мать тратит энергию на производство сыновей, но те не вкладываются в следующее поколение, их вклад ограничивается крошечным сперматозоидом с ДНК. При соотношении полов 50:50 (а это типичная ситуация) бесполая линия способна расширяться лавинообразно: одна самка дает двух дочек, те дают четыре, потом восемь, 16, 32, 64 и так далее. А при половом размножении самка в среднем оставит после себя одного сына и одну дочь — никакого роста популяции. Стремительная экспансия вероники — наглядное доказательство того, насколько выгодно обходиться без самцов.

Но есть и другая сторона медали: если взглянуть на древо жизни целиком: бесполые виды — это всегда одинокие тупиковые веточки, а вокруг них — сплошь половые родственники. У нашей Veronica filiformis все ближайшие родичи — обычные половые вероники, причем десятки разных видов. Вывод напрашивается сам: в эволюционной перспективе бесполость обречена. Если бы она была хорошей долгосрочной стратегией, мир кишел бы бесполыми организмами, а половое размножение осталось бы забавной аномалией, редкими веточками-чудаками на эволюционном древе.

Из правила «бесполые виды — всегда тупиковые веточки, а не пышные ветви древа жизни» могут быть странные исключения. Самое яркое — несколько сотен видов бделлоидных коловраток. Это крошечные, миллиметровые трубчатые существа, у которых никто никогда не видел самцов. Поройтесь во мху или загляните в лужу из водосточного желоба — наверняка наткнетесь на этих удивительных беспозвоночных. Целое семейство из сотен бесполых видов? Это было бы сенсацией. Если верить расчетам, они живут без секса уже 40 миллионов лет (когда вам кажется, что с личной жизнью все плохо у вас, вспомните о бделлоидах). Парадокс настолько вопиющий, что Джон Мейнард Смит назвал их «эволюционным скандалом». Но недавно генетики обнаружили у них все признаки полового размножения на молекулярном уровне. Может, никакого скандала и нет?

Считается также, что даже в краткосрочной перспективе у полового размножения есть свои козыри. У некоторых видов половые и бесполые особи прекрасно уживаются в одной популяции. Если бы бесполость всегда была беспроигрышным вариантом, даже на коротких дистанциях, бесполые особи должны были бы полностью вытеснить половых. Но этого не происходит.

В новозеландских озерах обитает один из самых изученных видов — улитка Potamopyrgus antipodarum, у которой в одной популяции есть и половые, и бесполые особи. За 10 лет наблюдений их соотношение то и дело менялось, но полного захвата власти бесполыми так и не случилось. Очевидно, половое размножение дает какое-то преимущество.

В чем же краткосрочные преимущества полового размножения? Вопрос простой, а ответ — одна из главных нерешенных загадок биологии. Исследователи выдвинули больше 20 теорий, причем многие не исключают друг друга. Немало биологов считают: загадка пола не решается именно потому, что единственного объяснения не существует, тут переплетаются разные эволюционные механизмы. Один из вероятных факторов — половое размножение эффективно очищает популяции от вредных мутаций. В этом смысле оно становится частью системы защиты — или хотя бы частью ответа на вопрос, как мы вообще умудряемся существовать при такой слабости естественного отбора.

Есть несколько механизмов, благодаря которым половое размножение борется с вредными мутациями, но один особенно важен для нас, потому что проявляется он именно в малых популяциях. Рассмотрим пример. Представим вид, размножающийся бесполым путем. Мы секвенируем ДНК каждой особи и можем подсчитать как скорость мутирования, так и количество вредных мутаций у каждого индивида. Немногим счастливчикам достанется минимум мутаций, другим — целая куча. Носители множества мутаций чаще погибают (по определению), поэтому отбор поддерживает тех, у кого их мало. Но мутационный процесс постоянно добавляет вредный груз и особям, и их потомству. Две силы — отбор и мутирование — тянут в противоположные стороны. В конце концов популяция достигнет какого-то равновесия: мутации наращивают груз, отбор его снижает.

Но добавим важную деталь: популяция невелика. Значит, особей с минимальным грузом вредных мутаций может быть совсем мало. А что, если по чистой случайности все эти особи погибнут молодыми или просто не оставят потомства? Чем меньше популяция, тем выше вероятность такой катастрофы. И что тогда?

Американский генетик Герман Мёллер заметил ключевую проблему: если вид бесполый, популяция уже никогда не сможет восстановить утраченный минимум мутаций. Новый золотой стандарт теперь будет чуть хуже прежнего. Но дальше история повторяется: в малой популяции этот новый элитный класс тоже может исчезнуть по воле случая. При бесполом размножении нет способа заново создать особей с минимальным грузом мутаций. Каждая потеря генетической элиты — это щелчок храповика, который крутится только в одну сторону. Процесс так и назвали — храповик Мёллера.

Храповик Мёллера обрекает малые бесполые популяции на генетическую деградацию. Более того, процесс может разгоняться. С каждым щелчком храповика абсолютное качество даже лучших особей падает. Если из-за этого сокращается и сама популяция, она становится еще уязвимее к случайной потере генетической элиты. Это может запустить процесс, известный как мутационный коллапс: малые бесполые популяции стремительно мельчают и деградируют с нарастающей скоростью.

Впрочем, остановить храповик Мёллера просто — достаточно заняться сексом. При половом размножении у потомков может оказаться меньше мутаций, чем у каждого из родителей. В этом вся суть полового размножения: оно создает разнообразие. Дети отличаются и друг от друга, и от родителей. Да, кому-то достанется груда мутаций, зато счастливчики получат совсем чуть-чуть.

Существует еще один механизм, благодаря которому половое размножение выгодно видам с аномально высокой скоростью мутирования, таким как мы. В отличие от храповика Мёллера, здесь не нужны случайные процессы и малые популяции. Для работы этой модели требуются всего два условия: достаточно высокая скорость мутаций и нелинейный эффект их накопления — чем больше вредных мутаций, тем хуже особи. Но «хуже» не в том тривиальном смысле, что просто накопилось больше вреда. Речь о другом: каждая новая мутация снижает приспособленность непропорционально сильно. С двумя мутациями вы должны чувствовать себя гораздо хуже, чем предполагает простое удвоение эффекта одной мутации.

Крайний вариант такого эффекта — который заодно упрощает объяснение этой модели — называется отсекающим отбором. При отсекающем отборе организм с одной мутацией живет нормально. С двумя тоже. Но в какой-то момент еще одна мутация — и все, конец. Вы сорвались с обрыва. В природе чистого отсекающего отбора не существует, но это удобная крайность для понимания тех взаимодействий, о которых идет речь.

Теперь давайте посмотрим, как отсекающий отбор подействовал бы на бесполый вид. Такая популяция неизбежно ведет к опасной черте — все особи будут балансировать на самом краю обрыва. Если с 10 мутациями вы еще живы, а 11-я вас убивает, то все живущие будут носить ровно 10 мутаций. Любая особь, получившая еще одну мутацию, мгновенно погибает (да, я предупреждал, модель не самая реалистичная). В таком мире смертность равна скорости мутирования. Чем чаще возникают мутации, тем хуже приходится бесполым.

Что в таких условиях произойдет с половым видом? Справится ли он лучше? Ответ — однозначно да. При каждом спаривании часть потомков получит минимум вредных мутаций, но — и это ключевой момент — другие детеныши унаследуют целый воз мутаций, намного больше смертельных 11. Парадоксально, но это делает популяцию в целом более эффективной и дает матерям прямую выгоду от полового размножения. Секс может произвести на свет детеныша с 15 мутациями (заметьте: у бесполых 15 мутаций быть не может, они погибают на 11-й). Гибель особи с 15 мутациями — это мощная чистка генофонда. Одна смерть — минус пять лишних мутаций. Тем временем гибель бесполой особи удаляет всего одну мутацию.

Теперь можно вычислить критическую скорость мутирования, при которой выгоды полового размножения перевешивают его колоссальные издержки. В отличие от предыдущих сложных расчетов, в которых сам черт ногу сломит, здесь все на удивление просто. Одна мутация. Все верно — если в геноме вида возникает хотя бы одна вредная мутация за поколение, половое размножение становится выгоднее бесполого.

Эта изящная гипотеза породила волну исследований: ученые бросились подсчитывать число новых вредных мутаций у самых разных видов. Заодно начали выяснять, действительно ли вредные эффекты мутаций усиливают друг друга при накоплении. Результаты оказались неоднозначными. Человек со своим аномально высоким темпом мутирования едва-едва преодолевает порог — чуть больше одной вредной мутации на геном за поколение. Но мы скорее исключение. Лабораторные дрозофилы всегда размножаются половым путем, хотя их показатель немного не дотягивает до единицы. У большинства видов с обширными популяциями и быстрой сменой поколений цифра тоже ниже критической. Изучение взаимодействия мутаций тоже не принесло однозначных доказательств. Некоторые вредные мутации действительно усиливают эффект друг друга, как предсказывает теория. Но далеко не все.

Из-за таких результатов теорию уже не считают универсальным ключом к загадке полового размножения. Остается ли она хотя бы частью разгадки? Трудно сказать. Ведь критический порог «одна мутация на геном» имеет значение, только если других преимуществ у полового размножения нет.

А вот модель храповика Мёллера проверку временем выдержала куда лучше. Показательный эксперимент провели с бактерией Salmonella typhimurium. Начали с 444 независимых линий: каждую выращивали на агаровой пластинке, затем случайным образом отбирали одну бактерию и переносили на свежую пластинку. Цикл «вырасти–выбери–перенеси» повторяли ежедневно для всех 444 линий на протяжении 60 дней. От каждой отобранной бактерии за день получалось около 28 клеточных делений, в сумме примерно 1700 поколений. Такая схема дала два важных следствия. Во-первых, бактерии были вынуждены размножаться исключительно бесполым путем. Во-вторых, отбор единственной бактерии с последующим восстановлением популяции и новым отбором создавал мощный случайный дрейф — именно тот процесс, который в храповике Мёллера приводит к потере самых приспособленных особей.

Результаты подтвердили прогнозы Мёллера. Из 444 линий пять штаммов к концу эксперимента росли значительно медленнее. В норме этой бактерии требуется 23,2 минуты на одно деление клетки, но у этих пяти штаммов время деления увеличилось и составило от 25 до 47,5 минуты. При этом ни в одной линии скорость роста не повысилась. Исследователи пришли к выводу, что малый размер популяций действительно привел к деградации генома.

Похожий эксперимент с небольшими отличиями провели на пекарных дрожжах Saccharomyces cerevisiae. Здесь исследователи каждый день брали строго определенный объем культуры и переносили его в свежую пробирку. Такое фиксированное разведение гарантировало, что переносится лишь горстка клеток, причем их число от пересева к пересеву неизбежно падало, если дрожжи росли плохо. Если мутационный коллапс действительно существует, в этом эксперименте он должен предстать во всей красе. За 175 дней ежедневных пересевов дрожжи успели поделиться около 2900 раз. А поскольку теория утверждает, что храповик Мёллера набирает обороты при высокой частоте мутаций, ученые запустили две параллельные серии экспериментов: в одной использовали штамм-мутатор с повышенной частотой мутаций, в другой — обычный штамм с низкой частотой.

Из 12 исходных линий две полностью вымерли, и обе принадлежали к штамму с высокой частотой мутаций. В одном случае вымирание явно произошло из-за резкого падения приспособленности, вызванного переносом слишком малого числа клеток. Поскольку ученые замораживали образцы на каждом этапе эксперимента для последующего анализа, они смогли проверить, насколько закономерным было это вымирание. Результат оказался поразительным: всякий раз, когда эксперимент запускали заново от популяции, только что пережившей резкий спад приспособленности, линия неизбежно вымирала. Но если брали популяцию из заморозки до момента критического падения, никакого вымирания не происходило. Выходит, храповик Мёллера не просто снижает приспособленность — если численность популяции падает вместе с приспособленностью, начинается необратимый коллапс.

Храповик Мёллера — далеко не единственная беда бесполого размножения. Проблемы усугубляет еще одно обстоятельство: без рекомбинации и обмена участками ДНК полезная мутация, возникнув однажды, может распространиться по популяции и рано или поздно ее унаследуют все потомки. Казалось бы, прекрасно. Вот только без рекомбинации все эти счастливые обладатели полезной мутации получат в нагрузку весь остальной генетический багаж исходного генома бесполого предшественника. В итоге вся популяция становится генетически однородной. Перед нами тот самый «генетический автостоп», о котором шла речь в шестой главе. Когда все особи идентичны, сколько бы их ни было физически, с генетической точки зрения популяция состоит из одного-единственного индивида. Эффективный размер популяции обрушивается до минимума. А мы уже знаем: когда эффективный размер популяции мал, мутации, наносящие незначительный вред, неизбежно накапливаются.

Эксперименты — это, конечно, замечательно, но действительно ли половое размножение помогает нам выживать и справляться с вредными мутациями? К счастью, природа сама поставила для нас элегантный естественный эксперимент. Y-хромосома — крупная хромосома, которая, за исключением самых кончиков, не участвует в обмене ДНК. У всех остальных хромосом происходит кроссинговер — обмен участками ДНК между материнской и отцовской хромосомами при образовании половых клеток. Y-хромосома ведет себя как бесполый геном, затаившийся внутри полового вида.

Если половое размножение и кроссинговер действительно защищают от накопления вредных мутаций, Y-хромосома должна выбиваться из общего ряда. На ней должны быть видны следы генетической деградации. Так и есть. Сегодня на Y-хромосоме осталось совсем мало работающих генов, зато мы видим руины прежних — генов, выведенных из строя мутациями: преждевременными стоп-кодонами, вставками и выпадениями участков ДНК.

Еще интереснее увидеть этот процесс в действии. Плодовая мушка Drosophila miranda предоставляет нам такую возможность. У нее есть совсем молодой участок Y-хромосомы, настолько недавний, что его называют нео-Y. Ему меньше двух миллионов лет. Как и следовало ожидать, генетическое разнообразие на нео-Y крайне скудное, а многие из уцелевших генов несут серьезные повреждающие мутации. О том, что естественный отбор здесь работает слабо, говорит и другое: белки, кодируемые генами нео-Y, эволюционируют быстрее обычного и сильнее отличаются от белков ближайших родственных видов.

Следы спасительных операций кроссинговера — генетической перетасовки при формировании половых клеток — видны по всему нашему геному. Возьмем участки ДНК с активной рекомбинацией: там царит генетическое разнообразие, потому что попутный отбор («генетический автостоп») не может диктовать свои условия. И наоборот: в нерекомбинирующих центромерах все люди удивительно похожи друг на друга. Максимальные же различия между нами обнаруживаются на кончиках хромосом, там, где рекомбинация бьет ключом.

Итак, половое размножение спасает от мутационной деградации, особенно если речь о видах с небольшим эффективным размером популяций. Но это, разумеется, не единственное его преимущество. Главное, что делает половое размножение, — перетасовывает геномы. Благодаря этому полезные мутации могут вырваться из того генетического окружения, в котором возникли. После перетасовки полезная мутация оказывается в случайном геномном контексте, где естественный отбор может беспристрастно оценить ее достоинства в сравнении с другими вариантами того же гена, а не по компании генов-соседей, с которыми ей довелось появиться. У бесполых организмов все иначе: если полезная мутация возникает в никудышном геноме, она навсегда остается его пленницей. Шансов распространиться в популяции у нее практически нет, как бы полезна она ни была.

Перетасовка генома, по-видимому, обеспечивает еще одно важнейшее преимущество полового размножения — способность не отставать в гонке вооружений с паразитами. Беда крупных долгоживущих организмов в том, что их паразиты успевают сменить множество поколений, пока хозяева произведут одно. Человеческое поколение — это примерно 20 лет, поэтому мы эволюционируем черепашьими темпами по сравнению с нашими стремительно размножающимися врагами. В такой ситуации мутации, помогающие держать паразитов в узде, нуждаются в любой поддержке. Возможность полезных мутаций вырваться из плохого генетического окружения и генетическое разнообразие потомства — вот, вероятно, два ключевых фактора, благодаря которым паразиты до сих пор не стерли нас с лица Земли.

Этим же, судя по всему, объясняется парадокс новозеландских улиток: почему половые формы не проиграли конкуренцию бесполым. Когда какой-нибудь бесполый клон становится многочисленным, его атакуют паразиты. На смену приходит новый клон, но и его со временем постигает та же участь. Ахиллесова пята бесполых клонов в том, что все особи генетически одинаковы: паразиту достаточно взломать защиту одной улитки, чтобы получить ключ ко всем остальным. Между тем половые улитки тихо живут своей жизнью, поддерживая заражение на низком уровне. Паразит, смертельный для одного потомка, может оказаться безобидным для его братьев и сестер: генетическое разнообразие создает надежный щит.

Все эти гипотезы подкреплены экспериментами. Ученые заставили лабораторных червей эволюционировать вместе с атакующими их бактериями. Результат: у червей резко возросла частота полового размножения. А популяции, состоявшие из самооплодотворяющихся особей, попросту вымерли.

Экзонные энхансеры сплайсинга, корректирующие ошибки сборки белков; смещенная генная конверсия, подменяющая естественный отбор; половое размножение, вычищающее вредные мутации, — все эти механизмы помогают нам худо-бедно держаться на плаву. Но только едва-едва. Зато у нас, у людей, есть козырь, недоступный другим видам. Большой мозг. В последней главе я расскажу, как именно он позволяет нам дать отпор нашей незавидной эволюционной судьбе. Медицина — вот наше главное оружие против мутаций.