Проблема непорочного зачатия в свете современной генетики
П.М.Бородин
«Вообще говоря, то, о чем я собираюсь вам сейчас рассказать, не имеет прямого отношения к кошкам. Речь пойдет в основном о мышах. Но, во-первых, эти два вида неразрывно связаны пищевой цепью, а во-вторых существуют между ними и более серьезные узы - общность происхождения. Все мы, как ни крути, млекопитающие. И что верно для мыши, то верно в общем и для кошки, и для человека. И, наконец, в-третьих, история эта очень поучительная и служит продолжением того разговора о механизмах действия генов на процесс развития, который мы вели раньше.
Начну я ее немного издалека.
Зимой 1985 года я получил приглашение от Эдинбургского университета. Работа, для которой меня пригласили, была связана не с кошками, а с мышами, но кошками я тоже в свободное время занимался, о чем будет рассказано в главе «Черный кот из Эдинбурга». Итак, собрался я в Эдинбург. А дело было еще до перестройки, и бумаги мои на эту поездку оформлялись около года.
Неожиданно я получил команду на выезд. Причем улетать в Лондон я должен был в 8 часов вечера 24 декабря. Что для нас 24 декабря? Неделя до Нового года. А для британцев это святой праздник - канун Рождества. Поезда не ходят. Самолеты не летают. Все сидят за столами и ведут рождественские беседы, а британские коты греются у каминов.
Вот на такую рождественскую беседу я и попал в ночь на 25 декабря в Лондоне. За столом были в основном биологи. А тема сначала была вполне соответствующая моменту. Речь шла о непорочном зачатии. Поговорили об обстоятельствах этого события, о том, что это может значить в духовном смысле. Но профессия взяла свое, и незаметно съехали на биологические механизмы непорочного зачатия. Один из нас высказал соображение, что поскольку от Святого Духа хромосомного вклада не было, а только духовный стимул, то все, видимо, сводится к партеногенезу.
Партеногенезом называют развитие без оплодотворения. Есть разные пути партеногенеза. Иногда потенцию к развитию нового организма приобретает диплоидная, то есть содержащая удвоенный набор хромосом яйцеклетка. Такой путь называют амейотическим, так как здесь выпадает одна из важнейших стадий полового процесса: мейоз, который, как мы уже знаем (см. «Гены и хромосомы») в норме приводит к превращению диплоидных клеток зародышевого пути в гаплоидные, содержащие только одинарный набор хромосом. Благодаря мейозу, половые клетки самцов и самок становятся как бы дополнительными друг к другу: они содержат гаплоидные наборы хромосом, а при оплодотворении диплоидный набор восстанавливается.
Партеногенезом успешно размножаются многие виды животных, включая и позвоночных: некоторые рыбы и рептилии. У млекопитающих, в том числе и у кошек, и у человека, это явление пока не описано. Но если не описано, то это не значит, что его в принципе быть не может.
В ту рождественскую ночь мы немного поспорили о том, был ли партеногенез при непорочном зачатии мейотическим или амейотическим. Сошлись на том, что, по всей видимости, был он мейотическим. То есть прошли оба деления мейоза, а потом гаплоидное ядро яйцеклетки от духовного стимула удвоилось, возникла полноценная зигота, из которой Он и развился.
Тут же, однако, появилось возражение, что таким путем могла родиться только девочка, а уж никак не мальчик, потому что Y-хромосому от матери не получишь. Действительно, откуда ей взяться, если в геноме женщины есть две половые хромосомы и обе они X. Это у мужчин есть и X, и Y-хромосомы, и именно поэтому они мужчины, а не женщины. Но из этого затруднения нашли выход. Допустили наличие мутации, которая направляет развитие эмбриона по мужскому пути даже при женской хромосомной конституций.
Казалось бы, уже все обосновали, но тут-то и было сделано заявление, которое очень меня насторожило. Один из участников беседы, иммунолог из Кембриджа, сказал, что в его институте работает человек, который показал, что у млекопитающих, ну, скажем точнее - у мыши, партеногенетическое развитие из женского или из мужского ядра в принципе невозможно. Для нормального развития недостаточно иметь полный диплоидный набор хромосом: нужно обязательно получить один гаплоидный набор от матери, а другой - от отца.
Тут я должен сказать, что английский мой в тот момент оставлял желать лучшего. Когда говорил один человек, я еще понимал, но когда начинали говорить несколько человек, меня зашкаливало. После сообщения кембриджского иммунолога я подумал, что со мной именно сейчас это и произошло: настолько не вязалась его информация с моими прежними представлениями.
Я был искренне убежден, что для нормального развития нужен диплоидный набор хромосом, а откуда эмбрион этот набор получил, вообще говоря, неважно. Это мое убеждение основывалось на экспериментах, проведенных на дрозофиле, и на уверенности в старом принципе генетики «Что верно для дрозофилы, то верно и для слона». И кроме того, я отчетливо помнил, какое сильное впечатление произвел на меня доклад выдающегося американского генетика К.Маркерта в 1978 году на Международном генетическом конгрессе в Москве.
Он рассказывал о своих экспериментах с яйцеклетками мыши. Маркерт удалял из оплодотворенной яйцеклетки хромосомы, полученные от отца, заставлял оставшиеся материнские хромосомы удвоиться, и из таких яйцеклеток рождались нормальные мыши. Он показывал их фотографии! А тут вдруг мне говорят, что это невозможно!
Поэтому я обратился к иммунологу за персональными разъяснениями, благо мы сидели рядом. Конечно, теперь я понимаю, что поступил ужасно не по-английски. Так за общим столом себя не ведут. Но он любезно вошел в мое положение, сказал, что я понял его совершенно правильно, что открытие Маркерта не подтвердилось (по-английски это звучало «Боюсь, что оно не подтвердилось»), и предложил встретиться с автором работ, о которых шла речь, когда я буду возвращаться из Эдинбурга в Лондон: заехать в Кембридж и поговорить с доктором А. Серани. Как пишут в газетах, приглашение было с благодарностью принято.
Беседа о непорочном зачатии между тем продолжалась. Но тут в разговор вступила хозяйка дома. Она выразила сомнения в целесообразности подробного обсуждения проблемы непорочного зачатия в принятом нами аспекте и напомнила о том, что подобное обсуждение прошлым летом в Йорке закончилось очень печально, а также о том, что этот дом достался ей от родителей и дорог как память. Все, кроме меня, засмеялись. И даже хозяйский кот, который лежал у камина, и тот, кажется, хихикнул. Нет, если быть до конца честным, я тоже засмеялся, чтоб не выделяться из публики. Но убей меня Бог, если я понял, причем тут Йорк и этот дом, и над чем мы все смеемся.
Кончились рождественские каникулы, и я улетел в Эдинбург. Что я там делал, это совсем другая история. Скажу только, что три месяца пролетели неожиданно быстро. Пришло время уезжать. Перед отъездом я позвонил в Кембридж и договорился о встрече с доктором Серани, чтобы он просветил меня, наконец, почему же партеногенез у млекопитающих невозможен.
До Кембриджа из Эдинбурга я добирался поездом. И одна из остановок была в Йорке. В том самом Йорке, где уже как-то обсуждалась проблема непорочного зачатия, что очень печально закончилось. Тут-то я и вспомнил об этой ремарке хозяйки того дома, где я вел рождественские беседы, и решил, наконец, выяснить, что же собственно произошло. Разобраться, так сказать на месте? Как говорили древние, «Hiс Jork - hiс salta». Я сошел с поезда.
В самом центре Йорка находится грандиозный собор - Йоркминстер. Описывать его здесь нет смысла. Это не моя задача. Да и слов-то таких у меня нет. Но южный трансепт этого собора был закрыт изнутри и покрыт лесами снаружи. Вот тут-то мне все объяснили. 8 июля 1984 года один из святых отцов, проповедуя в этом трансепте, позволил себе усомниться в факте непорочного зачатия. Ну, казалось бы, что здесь такого?
Усомнился и усомнился, на то и плюрализм. Но ночью того печального дня, а вернее, с утренней зарей пришла беда: в этом самом трансепте вспыхнул пожар и все крыло Йоркминстера выгорело дотла. Треснуло от огня и рассыпалось на мелкие осколки знаменитое Окно Роз, тех самых Алых Роз Йорков. Остались только голые каменные стены. Когда пожарные взломали дверь, из собора выскользнула черная кошка и исчезла. Вот чем закончилось обсуждение проблемы непорочного зачатия в городе Йорке.
Для меня это событие тоже имело последствия. Пока я все это выяснял, пока считал кошек на узких улицах Йорка, ушел последний поезд на Кембридж, и на свидание свое с доктором Серани я безнадежно и абсолютно не по-джентльменски опоздал. Просить о новом свидании было совершенно неприлично. Осталось только принести свои извинения. Так эта встреча и не состоялась. Вернее, состоялась, но двумя годами позже. Но к тому времени я уже знал основные работы по проблеме непорочного зачатия у мышей. Ну вот наконец-то я и добрался до того пункта, с которого можно начать собственно рассказ об этой проблеме. А все, что было до этого места, рассматривайте как преамбулу.
Итак, чем занимался у себя в Кембридже доктор Серани? Он пытался получить партеногенетических мышат. Однако в качестве инициирующего фактора партеногенеза он использовал не вмешательство Святого Духа, а микрохирургические операции на оплодотворенных яйцеклетках мыши.
Что представляет собой яйцеклетка мыши вскоре после оплодотворения? Внутри нее находится два ядра: гаплоидное ядро яйцеклетки, или женский пронуклеус. В тот момент, когда пронуклеусы лежат отдельно и не слились пока друг с другом, есть возможность тонкой пипеткой удалить один из них и заставить второй удвоиться. После всех этих процедур мы получаем оплодотворенную и тем самым индуцированную к развитию яйцеклетку, имеющую полный диплоидный набор хромосом (каждая хромосома, как и положено, присутствует в двух экземплярах).
Но в отличие от нормальной оплодотворенной яйцеклетки эта содержит хромосомы, полученные только от одного из родителей: только материнские, если мы Удалили отцовский пронуклеус, или только отцовские. То есть, как видите, мы повторяем опыт Маркерта, о котором я вспоминал за рождественским столом.
Допустим, мы провели все эти процедуры корректно, ничего не повредив. Что будет с такой яйцеклеткой, если ее поместить в матку приемной матери? Она начинает развиваться. И на первых шагах это развитие будет протекать вполне Нормально: эмбрион благополучно минует ранние стадии Развития, успешно имплантируется в стенку матки. А вот когда уже половина эмбриогенеза будет позади, такой однородительский партеногенетический зародыш погибнет. Отчего? Чего ему не хватает для нормального развития до конца?
Ведь он имеет полный набор хромосом, весь набор генов, тех же генов, что и зародыш, возникший нормальным путем. Может быть, это сказываются отдаленные последствия тех манипуляций, которые мы над ним проделывали: вынимали один пронуклеус, удваивали другой? Нет. Яйцеклетки, из которых сначала удалили, а потом вставили удаленный пронуклеус, развиваются до конца, из них получаются живые и нормальные во всех отношениях мыши. Чего же не хватает однородительским зародышам?
Кому чего. Одноматеринским зародышам не хватает для нормального развития внезародышевых образований: желточного мешка, амниона, трофобласта - тех самых эмбриональных структур, которые создают нормальный зародыш и которые обеспечивают его питание и связь с материнским организмом. Одноотцовские же эмбрионы, напротив, строят почти нормальные внезародышевые структуры, но не способны построить собственное тело. Естественно, и те, и другие гибнут.
Серани задался вопросом, нельзя ли попытаться скомпенсировать эти дефекты, создав комбинированный зародыш, который содержит как одноматеринские, так и одноотцовские клетки. Он получил однородительские яйцеклетки обоих типов. Дал им пройти одно-два деления в пробирке, затем разделил образовавшиеся клетки и перемешал их вместе. В результате всех этих манипуляций образовались мозаичные, или химерные зародыши, состоящие из смеси одноотцовских и одноматеринских клеток. Какова была судьба этих зародышей?
Все они дожили до 10-го дня, после чего были взяты в анализ. Оказалось, что сами эмбрионы состоят почти исключительно из одноматеринских клеток, их желточные мешки - из одноотцовских, а трофобласт состоит из смеси клеток обоих типов. То есть на 10-й день такие химерные зародыши вполне полноценны.
Однако, как оказалось дальше, полной компенсации дефектов клеток однородительского происхождения у таких зародышей не получается. Несмотря на то, что они вроде бы имеют все, что положено, пусть и с четким пространственным разделением клеток в зависимости от происхождения, завершения развития не происходит. Комбинированные эмбрионы гибнут.
В то же время плоды комбинирования нормальных, двухродительских клеток не имеют подобных проблем: их клетки располагаются в зародыше произвольно, вне зависимости от происхождения, развитие их идет совершенно нормально, они дают плодовитое потомство и благополучно доживают до глубокой старости.
Итак, что же выясняется в результате всех этих манипуляций с мышиными яйцеклетками? Для нормального развития мало иметь полный диплоидный набор хромосом, нужно получить один набор от отца, а другой от матери: однородительские партеногенетические эмбрионы нежизнеспособны. Мало иметь оба набора - отцовский и материнский: комбинированные эмбрионы, имеющие оба набора, но в разных клетках, также неспособны к нормальному развитию. Нужно иметь оба набора в каждой клетке организма. Таким образом, возможность непорочного зачатия и партеногенетического - однородительского - развития для млекопитающих полностью исключается...
...Что-то дымок пошел из моего компьютера, на котором я пишу эту главу. Не было бы повторения Йоркской истории. Напишу-ка я осторожней: исключается, по крайней мере, для мыши. А как с котами и человеком - пока неизвестно... О, смотрите, перестал... Но все равно, лучше оставить эту скользкую тему. Дело-то в конце концов не в непорочном зачатии, это не Бог весть какая важная проблема, а в пересмотре одного из фундаментальнейших принципов генетики.
Этот великий принцип состоит в том, что гены, не меняясь, проходят через женский и мужской зародышевый путь. Для проявления гена не важно, от кого из родителей он получен. И основная масса генетических экспериментов и на дрозофиле («Что верно для дрозофилы, то верно и для слона»), и на других объектах убедительно свидетельствовала в пользу этого постулата.
Встречались, правда, и исключения - когда проявление гена явно зависело от того, кто передал его потомку - мать или отец. Одно из таких исключений - поведение гена Thp - «заячьего хвоста» - локализованного в 17-й хромосоме мыши. Хвост у носителей этого гена и впрямь заячий, если они получали его от отца, если ген доставался от матери, то его носитель погибал незадолго до рождения.
Проявление гена совершенно явным образом зависело от его происхождения: отцовский ген нарушал развитие гораздо слабее (укорачивал хвост), чем материнский (укорачивал жизнь). Похожее явление было обнаружено и на кошках. Мы уже говорили с вами о мутации бесхвостости, характерной для кошек с острова Мэн. И там последствия для потомка были более тяжелыми, если потомок получал ген от матери.
Прямо противоположное явление было обнаружено в ходе исследований, проведенных в Институте цитологии и генетики СО РАН А.О.Рувинским и мною на другой мышиной мутации Fu. В этом случае мутация проявлялась сильнее, если приходила от отца. Были и другие примеры такой разнокачественности отцовского и материнского геномов.
При нормальном оплодотворении каждый из родителей вносит по одному экземпляру каждой хромосомы: по одной первой хромосоме, по одной второй и так далее. Поэтому в каждой клетке эмбриона одна из хромосом каждой пары имеет отцовское происхождение, а другая - материнское. Однако, используя некоторые хромосомные перестройки, можно получать мышей, скажем, с двумя материнскими 17-ми хромосомами Или с двумя вторыми отцовскими. Используя этот подход, Исследователи А. П. Дыбан и В. С. Баранов из Санкт-Петербурга детально изучили вклад отдельных хромосом в развитие.
В некоторых случаях мыши с однородительским происхождением одной пары хромосом ничем не отличаются от своих нормальных собратьев. Это справедливо для 1-х, 4-х, 18-х и еще нескольких других хромосом. Но вот мыши с двумя материнскими 11-ми хромосомами (и не имеющие, естественно, ни одной 11-й хромосомы отцовского происхождения) оказываются при рождении гораздо мельче своих собратьев. В том же случае, если обе 11-е хромосомы достались от отца, эффект получается прямо противоположный.
Из этого следует уточнение нашей формулировки: проявление генов, локализованных в некоторых хромосомах мыши (а еще точнее, в определенных областях некоторых хромосом мыши) в сильной степени зависит от их происхождения - отцовского или материнского. Но если это так, то эти гены, проходя, через мужской или женский зародышевый путь, подвергаются специфической модификации таким образом, что их проявление становится комплементарным - дополнительным друг другу.
Понятно, что не все гены подвергаются родителеспецифической модификации. Поскольку ранее развитие партеногенетических зародышей протекает вполне нормально, можно думать, что все гены домашнего хозяйства и ранние регуляторные гены проявляются независимо от происхождения.
Более поздно проявляющиеся в развитии гены распадаются, видимо, на несколько групп в отношении их реакции на родительские модификации. Вы еще не забыли, что одноматеринские зародыши не способны образовывать внезародышевые структуры, а одноотцовские - тело самого эмбриона? Исходя из этого, можно думать, что гены, отвечающие за образование внезародышевых структур, могут быть активированы (даже не активированы, а предетерминированы к активации в нужное время) только в том случае, если несущие их хромосомы прошли модификации в зародышевом пути отца. Соответственно гены, регулирующие образование органов и тканей самого эмбриона (но не экстраэмбриональных органов), нуждаются в материнской модификации.
Наконец, существует, видимо, еще одна категория генов. На их наличие указывает нежизнеспособность химер из однородительских клеток. Эти гены должны взаимодействовать друг с другом, и их нормальное взаимодействие возможно только тогда, когда в одной и той же клетке есть гены, прошедшие отцовскую модификацию, и те же или другие гены, но модифицированные матерью.
Что же это за модификации и как они происходят? Чтобы разобраться в этом вопросе, обратимся к экспериментам по переносу генов в яйцеклетки млекопитающих. Об этих опытах уже много писали, поэтому я позволю себе только кратко напомнить их существо.
Как правило, работа начинается с выделения или синтеза гена - фрагмента ДНК и получения его множественных копий. Потом несколько тысяч копий этого гена набирают в тонкую пипетку и аккуратно инъецируют в ядро оплодотворенной яйцеклетки.
Эти чужие гены иногда встраиваются в хромосомы и нередко даже начинают работать в новом хозяине. Если они встроились в определенную хромосому, то должны подвергаться той же родителеспецифичной модификации, что и вся эта хромосома или, по крайней мере, определенный ее участок.
Достоинство этой модели заключается в том, что мы можем внести известный нам ген в яйцеклетку, позволить ему интегрироваться в геном, размножиться в его составе в ходе клеточных делений, претерпеть все положенные модификации в зародышевом пути соответствующего родителя, получить потомков от такого трансгенного животного, а затем, выделив суммарную ДНК из клеток потомков, найти в ней этот самый ген и выяснить, что с ним произошло.
Именно по этому пути и пошел доктор Серани. И он обнаружил, что чужой ген, пройдя через отцовскую линию, изменился. Нет, последовательность азотистых оснований в нем осталась прежней, но одно из них - цитозин - подверглось в некоторых позициях химической модификации за счет присоединения метальных групп.
О том, что метилирование играет чрезвычайно важную роль в регуляции работы генов, было известно давно. Здесь же было показано, что этот процесс происходит по-разному в зависимости от того, через мужской или женский зародышевый путь проходит тот или иной ген. Можно думать, что именно разная степень метилирования определяет дополнительность генов отцовского и материнского происхождения».
Из книги «Кошки и гены. Генетика для владельцев кошек» (М.: УРСС, 2010), гл.4.