Как ГМО спасает планету и почему люди этому мешают - Анна Витальевна Иванова

У бактерий, как правило, хромосома всего одна и она замкнута в кольцо. Поэтому такой тип хромосом называется кольцевым. Бактериальная ДНК относительно короткая, а делиться бактериям нужно очень быстро. Потому репликация (удвоение ДНК) в бактериальной хромосоме проходит по кругу – начинается и заканчивается в одной точке, а транскрипция (чтение генов) происходит крупными целыми блоками генов, идущих на хромосоме друг за другом. О бактериях мы поговорим подробнее дальше. Сейчас нам интересен подход к хранению ДНК у более сложных существ.

Таких как внучка, Жучка, кошка и репка (а знает ли кто-нибудь, почему у собаки в сказке есть имя, а у кошки нет? Вопрос попросила записать моя кошка Куся, будучи в крайнем возмущении от такой несправедливости). Эукариотические геномы очень большие – иногда в сотни тысяч раз больше геномов бактерий![45] А еще клеток у нас очень много и все разные – и в разных клетках еще и читаются разные гены, а не все подряд. Подход бактерий к чтению с хромосомы нужных генов не сработает. Здесь необходима возможность в любой момент развернуть любой отдельный кусочек ДНК и считать с него информацию.

Чтобы это получалось, единая молекула ДНК поделена на большие фрагменты, а затем каждый из них через равные интервалы намотан на специальные белки – гистоны. Готовые клубочки с гистоном внутри укладываются один за другим, образуя спираль. А спираль затем соберется во что-то вроде петелек. Когда появится необходимость прочесть некую группу генов, соответствующие петельки легко «вытянутся» из общего «вязания», раскрутятся, освободятся от гистонов и дадут прочесть с себя всю необходимую информацию для построения нового белка. Такой подход очень удобен для клетки – он позволяет одновременно и независимо читать множество разных генов с совершенно разных мест молекулы. Такая хромосома зовется линейной.

В каждой соматической[46] клетке человека 46 таких хромосом. Два почти идентичных набора по 22 хромосомы – аутосомы, и две хромосомы половые. Такой удвоенный набор хромосом называется диплоидным. В половых клетках – клетках, отвечающих за размножение, – набор одинарный (22 аутосомы + 1 половая), он носит название гаплоидного. И вот эти знания нам сильно пригодятся дальше для разговора о модификации геномов растений, так что это первое, что стоит и правда запомнить. Размер гаплоидного набора принято обозначать буквой n. Так, для человека n=23, а полный кариотип – число, форма и особенности всех хромосом организма – равен n×2, то есть 23×2=46.

Половые клетки одного родителя, несущие один гаплоидный набор хромосом, в момент оплодотворения сливаются с половыми клетками второго родителя, также несущего гаплоидный набор хромосом. Получившаяся диплоидная клетка – зигота – дает начало новому человеку. Зигота делится пополам, и у зарождающегося существа становится уже две клетки, каждая из двух снова делится, и вот их уже четыре, на следующем шаге деления восемь, затем 16…[47]. И у каждой из них будет удвоенный набор хромосом: когда такая клетка собирается делиться, сначала ее диплоидный набор удваивается еще раз, а затем в каждую новую клетку уходит такой удвоенный набор. Но некоторые клетки зародыша ждет иная судьба – на определенной стадии развития плода им предстоит стать половыми. В таких клетках произойдет редукция числа хромосом, и их полный набор будет вновь гаплоидным. Чтобы однажды дать жизнь новому потомку все по той же схеме.

Основы процесса одинаковы для всех организмов, использующих половое размножение: два полученных от двух родителей набора сливаются и создают удвоенный общий. Так оно справедливо для внучки (Homo sapiens, n=23 и 2×23=46), Жучки (Canis familiaris, n=39 и 2×39=78 хромосом[48]), кошки (Felis catus, n=19 и 2×19=38 хромосом[49]) и даже репки (Brassica rapa, n=10 и 2×10=20 хромосом[50]). Но мы же помним, что это игра на поле генетики, а значит, «все просто» точно не будет.

Например, иногда родителями могут стать два вида, которые даже различаются по числу хромосом. Таким примером можно назвать мула – гибрид между лошадью и ослом. Диплоидный геном его матери-лошади состоит из 2×32=64 хромосомы, а геном его отца-осла – из 2×31=62. Таким образом, диплоидный геном мула состоит из 32+31=63 хромосом, что нормально не делится на 2, отчего у мулов большие проблемы с размножением.

Для растений история с гибридизацией в результате соединения двух видов с разным количеством хромосом происходит еще чаще. Вот, например, возьмем кузена нашей репки – рапс (Brássica napus). И репа, и рапс относятся к роду Капуста (Brassica). Известно, что у рапса 38 хромосом в обычных клетках и по 19 в половых. Анализ показал, что рапс когда-то давно, до появления науки генетики, получился в результате скрещивания двух других членов капустного рода с последующим удвоением числа хромосом (аллополиплоидия): нашей репки (Brassica rapa, с n=10) и капусты огородной (Brássica olerácea, с n=9). То есть эти наборы из 9 и 10 хромосом почти во всем дублируют друг друга. Получается, что в рапсе сразу четыре набора хромосом: 2×9 + 2×10 = 38, то есть на самом деле он тетраплоидный[51].

Иногда тетраплоидия получается и другим путем. Редукции числа хромосом не происходит, и в половой клетке остается двойной набор хромосом. Как правило, для животных такая ошибка ведет к большим проблемам и у такой мутации нет способа закрепиться в популяции. Но вот у растений удвоение очень популярная история. Происходит это из-за нарушения процессов расхождения хромосом в клетке во время ее деления и может быть вызвано разными причинами.

В мире растений с хромосомными наборами происходит настоящая вакханалия! Бывает так, что весь геном растения оказывается одинарным, как в половых клетках – такие гаплоидные потомки нормальных диплоидных родителей называются моноплоидами[52]; бывает, что уже удвоенный ранее набор удваивается еще раз; бывает, что удваиваются уже гибридные или гибридизуются уже удвоенные… Таким образом, в этом удивительном мире растений можно встретить гаплоиды, диплоиды, триплоиды, тетраплоиды, гексаплоиды, октоплоиды… и сумасойтиплоиды. При этом все осложняется тем, что с течением времени в разных хромосомных наборах одного полиплоидного генома могут накапливаться разные и происходящие параллельно и независимо мутации, так что наборы, еще вроде бы недавно бывшие точными копиями друг друга, начинают все