Что случилось у червей: маленькая загадка большой эволюции

Кольчатые черви — одна из самых успешных на планете групп организмов. Возможно, своим успехом они обязаны одному фокусу, который они освоили, а мы пока нет.

Когда я ем курицу, я иногда думаю о ее хромосомах: четвертая, к примеру, очень похожа на мои половые хромосомы X и Y, а зато половые хромосомы самой курицы — Z и W, если курица девочка, — напоминают мои пятую и девятую. Думать о таком за едой — это, конечно, профдеформация, однако знания приносят не только печали, но иногда и свежий взгляд на мир. Хромосомы всех животных действительно похожи друг на друга. Не потому, что все они этакие кривые крестики, а потому, что у самых разных существ на хромосомах часто бывают очень похожие наборы генов. То есть если какие-то гены соединены вместе у слизня или медузы, есть немалая вероятность, что аналогичные гены соединены на одной хромосоме и у нас с вами. Генетики начали догадываться об этом правиле примерно полвека назад и назвали его «синтения» — от греческого «одна и та же лента».

Все наши родственники

Вообще тот факт, что последовательности ДНК разных организмов могут быть похожи между собой, в свое время стал для ученых сюрпризом. Когда в 50-х люди начали понимать, как устроены гены, все ожидали, что у разных организмов и гены будут разные (а иначе с чего бы вот это ворона, а вон то — крапива?). Авторитетнейший генетик Эрнст Майр в 1963 году на голубом глазу написал: «…Поиск гомологичных [то есть имеющих общее происхождение] генов является довольно бесполезным занятием, за исключением самых близкородственных видов». Это было попадание пальцем в небо: в том же году Цукеркандль и Полинг уже начали сравнивать последовательности аминокислот в белках, чтобы на основе различий и сходств восстановить пути их эволюции. В нашей рубрике этой теме посвящена июльская заметка об общем предке всего живого.

Впрочем, ситуацию с генами еще можно понять: они похожи потому, что кодируют важные белки, и эти белки должны делать свое дело, а если их изменить, они станут негодными. Но вот с синтенией, то есть сходством хромосом, всё гораздо страннее: откуда она взялась и зачем нужна, никто пока так и не объяснил. Два года назад Олег Симаков, профессор Венского университета, вместе с соавторами попытался реконструировать хромосомы общего предка всех животных, то есть его, Олега Симакова, и губки. У них получилось, что у этого самого предка было 29 хромосом, и более-менее понятно, какие перестройки случились с ними на эволюционном пути к человеку или, к примеру, к той же курице. 

Вообще-то это удивительно: общий предок всех животных жил в протерозое, то есть с тех пор промелькнула фактически вся история биосферы, зафиксированная в палеонтологической летописи, со всеми ее дикинсониями, трилобитами и динозаврами. А хромосомы, получается, перестраивались не так уж и часто — похоже, для эволюции это было не нужно или даже мешало. Раз уж мы помянули курицу, наш с ней общий предок жил лет этак миллионов триста назад и, видимо, напоминал то ли ящерицу, то ли саламандру. Но хромосомы — и мои, и курицыны — до сих пор помнят родство.

Ну поудивлялись — и хватит. В последние десять лет ученые начали удивляться другому явлению: отчего-то у некоторых существ это самое хромосомное родство не просматривается. Уже упомянутый Олег Симаков с коллегами некоторое время назад обратил внимание мировой общественности на осьминога: это странное существо в какой-то момент перетасовало свои гены настолько яростно, что от синтении не осталось и следа. В результате у какого-нибудь садового слизня (он тоже моллюск, как и осьминог) генный состав хромосом гораздо более напоминает человеческий, чем осьминожий.

Но осьминогу не долго привелось побыть притчей во языцех и поучительным исключением из правил. Этим летом на авансцену вышли земляные, они же дождевые, черви.

Революция червей

Научные статьи (1, 2 и 3) вдруг посыпались как из дырявой кошелки: у червей с хромосомами явно происходит что-то странное. Все их гены перетасованы так, что ни малейшего сходства с остальным зверьем, от губки и медузы до человека, не просматривается. Не откажу себе в удовольствии поместить здесь картинку из статьи, соавтором которой был опять же Олег Симаков, иллюстрирующую это перетряхивание генов.

В верхней части схематически изображены хромосомы нечервей (а именно: моллюска), а также морских червей, которых в школьных учебниках называют «многощетинковые». Можно видеть, что их гены, в общем-то, держатся вместе (то, что у моллюска на одной хромосоме, показано одним цветом). А дальше начинаются «малощетинковые» черви, то есть пресноводные пиявки и наши розовые дождевые приятели. И вот у них-то всё всмятку! Хромосомы как будто порубили на маленькие кусочки и потом склеили как попало. Причем это была не разовая катастрофа, а продолжающийся процесс: между пиявками и земляными червями, а также между разными группами земляных червей перетряски генов продолжались.

Последнее обстоятельство важно, поскольку из него следует, какие вопросы надо задавать дальше. Если бы в эволюционной истории червей что-то такое один раз грянуло, вопрос был бы один: как они выкрутились из этакой передряги?! Мы начали наш рассказ с синтении именно потому, что это свойство геномов всех животных как бы намекает: нашему брату надо быть осторожнее с хромосомами, и кто тасует их слишком уж рьяно, обычно не выживает. У животных перед размножением бывает мейоз, когда каждая хромосома одного родителя должна найти свою пару от другого родителя и прижаться к ней по всей длине. Без этого мейоз не получится, гамет не будет, не будет и детишек. Если один родитель решил ради забавы порубить свои хромосомы в лапшу, склеил кусочки кое-как и предложил эту мешанину половому партнеру для мейоза, он мог бы с тем же успехом остаться девственником. Правило, видимо, таково: рубленые хромосомы потомков не оставляют и в популяции не фиксируются, отсюда и пресловутая синтения, то есть консервативность хромосомного состава за последние минимум полмиллиарда лет. Червяк это правило обошел: как?!

На это занудный зоолог может ответить, что как раз между много- и малощетинковыми лежит интересный рубеж: первые обычно двуполые, а вторые — гермафродиты, причем среди них нередок и партеногенез. То есть мейоз, воможно, им нужен не всегда. Совпадение? Возможно, оно самое и есть, на очереди другие вопросы.

Другие вопросы возникают оттого, что это перемешивание генов явно было не случайностью, а сложившейся у малощетинковых практикой. Главный из них — вопрос «зачем?». В ответ на него природа чаще всего издевательски ухмыляется, однако биологи все равно не могут его не задавать. А потом подыскивать подходящий ответ. 

Например, вот такой: однажды в далеком палеозое черви оказались на перепутье — то ли остаться жить в море, то ли идти завоевывать сушу, а вместе с ней и пресноводные водоемы, уже в виде пиявок. Мнения червей разделились, и тем, кто решился на авантюру, пришлось для этого немного поэволюционировать в ускоренном темпе. Фокус с порубленным в щепки геномом пришелся тут как нельзя кстати. 

Дело в том, что у нас, эукариот, регуляция работы генов очень сильно завязана на то, где именно в хромосоме располагается ген. Вся ДНК в ядре уложена в прихотливые петли и загогулины, так что если просто перенести ген в другое место, он почти наверняка начнет работать невпопад. У бактерий не так: ген регулируется небольшим кусочком ДНК, лежащим, как говорят биологи, «выше по течению», а потому гены вместе с их регуляторными областями можно переставлять как заблагорассудится. Они и переставляют. А у нас так нельзя, потому у нас и синтения. Но зато если нам хочется, наоборот, что-то изменить в жизни, интересный способ — разобрать свой геном и собрать по-другому. Не исключено, что именно в этом был ключ к эволюционному успеху земляных червей. Их на планете живет около 400 млн тонн. Нас чуть больше — полмиллиарда тонн, и еще чуть больше нашего крупного рогатого скота. Но из дикой природы с червями может посоперничать разве что антарктический криль.

Это был один из возможных ответов на вопрос «зачем», и он исходил из неявного предположения, что рубка своего генома приносит червям эволюционную пользу (что совсем не факт). Но полезна она или нет, а тот факт, что она повторялась в эволюции червей многократно, ставит еще один вопрос: как? Что это за механизм, позволяющий на коротком эволюционном отрезке до такой неузнаваемости покорежить свои хромосомы? И почему мы, люди, на своем долгом эволюционном пути ни разу не столкнулись с его работой?

При чем тут рак

Прихотливых молекулярных механизмов в природе не счесть, и про один из них мы тут как раз недавно рассуждали. Открывают их чаще всего случайно, пытаясь исследовать что-то практически важное, вроде иммунитета к вирусам. А поскольку практически важного на всех не напасешься, можно ставить деньги, что 90% молекулярно-генетической клеточной машинерии остаются неоткрытыми.

Одно такое важное, при исследовании которого открыто множество фундаментальных биологических явлений, — это рак. Разновидностей у него множество, и каждая может при желании принести исследователям пару сюрпризов. Совсем недавно, всего десятилетие назад, зафиксирован один такой сюрприз: в некоторых линиях злокачественных клеток хромосомы очень сильно перестроены по сравнению со здоровой тканью, из которой эти клетки происходят. Прямо-таки порублены в щепки, а потом соединены заново, но уже кое-как, с потерей многих кусочков.

Это явление назвали непонятным словом «хромоанагенез», а в нем еще и выделили несколько механизмов — хромотрипсис (когда хромосомы рубятся в чепуху), хромоанасинтез (когда новая хромосома собирается из кусочков во время ошибочной репликации), хромоплексия и другие непонятные слова. Важно здесь то, что изобретением непонятных слов все пока и ограничивается, потому что лежащие в основе механизмы остаются совершенно загадочными. Ясно только, что все происходит не в виде последовательности отдельных событий, а в рамках единой катастрофы: вот была нормальная хромосома, и вот уже остались щепочки.

Сходство с тем, что произошло у червей, несомненно. Но и различия видны невооруженным глазом: хромоанагенез происходит в соматических клетках, где никакого мейоза не бывает и в помине. Иногда он связан с образованием «микроядра», когда одна из хромосом после деления оказывается снаружи от общей ядерной мембраны, и именно там при попытке репликации происходит рубка-склейка. Судьба раковых клеток предсказуема: чаще всего они смертны, потому что не переживают своего хозяина, а он, если у него рак, смертен в самом прямом и очевидном смысле. 

А вот у червей (а возможно, и осьминогов, и еще у некоторых групп животных, список которых пополняется по мере того, как все больше и больше геномов удается расшифровать) все произошло в зародышевой линии, то есть в бессмертной череде клеток, идущей от общего предка всего живого к нам с вами и далее в будущее. Произошло ли то же самое, что в хромоанагенезных опухолевых клетках, или совсем другое — пока можно только гадать. Но результаты видны не на маленьком препарате биопсии опухоли, а прямо на огромном древе земной жизни: то, что случилось у червей, определенно оставило следы. Повторю: этих червей сейчас около 400 млн тонн, больше — только нас с вами.

В конце научно-популярной статьи хорошо смотрятся разгадки, но тут у нас разгадок пока не будет. Зато ясно, что биологи опять набрели на что-то интересное и неведомое. Возможно, в один прекрасный день биоинформатики на ниве молекулярной геномики объединят свои силы с клеточными биологами, изучающими рак, и что-то у них прояснится. А возможно, история разрешится как-то совсем по-другому. Если кому-то это по-настоящему интересно и у него еще есть время на этой земле, возможно, имеет смысл изучить биологию и заняться одной из ее загадок. Их осталось еще много, и обычно они увлекательные.