Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

После этого начинается мейоз, в ходе которого происходит не только сокращение ровно наполовину числа хромосом в яйцеклетках, но и тесное взаимодействие и перемешивание хромосом. Мужские и женские хромосомы перемешивают отцовские и материнские гены, рекомбинируют их по-новому — так образуются новые и отличные от прежних хромосомы.

Во время мейоза будущая яйцеклетка делится дважды, однако при этом хромосомы удваиваются всего один раз и число их сокращается наполовину. Первоначальное число хромосом восстанавливается впоследствии при оплодотворении яйцеклетки за счет проникновения в нее сперматозоида.

Первым шагом на пути к сокращению числа хромосом в ходе мейоза является их удвоение — хромосомы дублируются так, как это происходит во время нормального процесса митоза при обычном делении клетки. При этом удвоенные хромосомы сохраняют связь друг с другом. А затем каждая пара отцовских хромосом находит точно такую же пару материнских хромосом, и эти пары хромосом также связываются. После этого происходит обмен сходными областями между отцовскими и материнскими хромосомами, в результате чего некоторые наборы генов матери оказываются на хромосомах отца, и наоборот. Затем следуют еще два деления клеток без дальнейшего увеличения числа хромосом, в результате чего образуется 4 яйцеклетки с генетическим набором из всего лишь 23 хромосом, которые при этом перемешаны так, что каждая из четырех яйцеклеток имеет различные наборы генов. Это обеспечивает практически безграничное генетическое разнообразие.

Яйцеклетки в яичнике проходят первую стадию мейоза, но больше уже никогда не размножаются, так что общее число возможных яйцеклеток — около шести миллионов — предопределено при рождении девочки. Однако к тому времени, когда девочка достигает половой зрелости, из них остаются в сохранности, избегнув разрушения и деградации, лишь около 40 тысяч. Каждая яйцеклетка способна после оплодотворения развиться в новорожденного ребенка. По достижении половой зрелости яйцеклетки вырастают в размерах в тысячу раз, и мейоз при этом продолжается.

Развитие сперматозоидов не включает мейоза на эмбриональной стадии. Он начинается позже в яичках половозрелого мужчины. Но перемешивание и замещение генов в хромосомах сперматозоидов происходит. В отличие от яйцеклеток, сперматозоиды образуются на протяжении всей жизни мужчины.

В ходе развития как яйцеклеток, так и сперматозоидов конечный набор и состояние их генов должны стать такими, чтобы они могли породить все клетки нашего тела. Отдельные гены, как яйцеклеток, так и сперматозоидов, в дальнейшем, однако, могут и не понадобиться. Они специально деактивируются в ходе процесса, известного под названием «импринтинг». Осуществляется импринтинг за счет добавления особой метиловой группы к необходимым областям ДНК, в результате чего блокируется транскрипция соответствующего гена. У млекопитающих удалось идентифицировать около 70 генов, заблокированных в результате импринтинга, однако ученые установили функции лишь некоторых из них.

Самый ясный пример относится к росту эмбриона: ген, кодирующий фактор роста, блокируется в хромосоме яйцеклетки, но сохраняется в сперматозоиде. С эволюционной точки зрения это объясняется тем, что существует противоречие интересов отца и матери относительно стратегии воспроизводства. Отец стремится к максимальному росту своего потомства, в то время как мать заинтересована в более-менее равномерном распределении своих ресурсов между всеми рожденными ею особями и поэтому хочет, чтобы рост каждого ее эмбриона был разумным, но не чрезмерным; поэтому в яйцеклетке деактивируется ген, кодирующий фактор роста.

С эффектом геномного импринтинга связаны различные генетические болезни и нарушения у человека. В их число входят синдром Прадера-Уилли, который характеризуется чрезмерным вниманием к приему пищи и трудностями в обучении, и синдром Ангельмана, который приводит к задержкам умственного развития, ненормальной походке, дефектам речи, припадкам и неоправданно приподнятому состоянию с частыми приступами беспричинного смеха. Гены, вызывающие эти болезни, располагаются на 15-й хромосоме. Они подвергнуты импринтингу в материнской хромосоме и соответственно должны иметься на отцовской хромосоме, чтобы у ребенка было нормальное развитие. Однако если эти гены отсутствуют и в отцовской хромосоме, то у ребенка неизбежно разовьется синдром Прадера-Уилли. Если же повреждена материнская 15-я хромосома, то это вызовет синдром Ангельмана.

Развитие яйцеклетки начинается с ее оплодотворения, когда с ней соединяется сперматозоид. В ходе полового сношения в женское влагалище выбрасывается около 300 миллионов сперматозоидов, однако до яйцеклетки, которая ждет оплодотворения, добирается в конечном итоге меньше тысячи из них. Правда, эти сперматозоиды способны сохранять свою жизнеспособность на протяжении еще трех суток.

Сперматозоид направляется к яйцеклетке, совершая колебательные движения своим хвостом, однако лишь один из тысячи сперматозоидов, стремящихся к яйцеклетке, в действительности имеет шанс соединиться с ней, пробившись сквозь ее защитную оболочку. Как только один сперматозоид сливается с яйцеклеткой и происходит ее оплодотворение, доступ для всех других сперматозоидов к этой яйцеклетке блокируется. Оплодотворение вызывает выброс кальция, что активирует энзим, который добавляет к белкам фосфатные группы и инициирует развитие яйцеклетки. Она начинает делиться и завершает процесс мейоза, произведя крошечную дочернюю клетку, которая затем распадается.

Для родителей, у которых возникают проблемы с оплодотворением и зачатием, сейчас существует возможность оплодотворить яйцеклетку искусственно, вне организма матери, и затем поместить ее в материнский организм — то есть совершить то, что называется экстракорполярным оплодотворением. Для совершения этой процедуры в организме матери с помощью гормонов инициируется созревание яйцеклеток. Затем они извлекаются из яичника и помещаются в искусственную питательную среду в пробирке. Туда добавляются сперматозоиды, и происходит оплодотворение, после чего оплодотворенная яйцеклетка помещается в матку матери. Если существует проблема с наличием сперматозоидов и для искусственного оплодотворения их недостаточно, то возможно оплодотворить яйцеклетку, введя непосредственно в нее один-единственный здоровый сперматозоид.

При оплодотворении в яйцеклетку обычно проникает лишь один сперматозоид, и примерно 12 часов спустя 23 материнские хромосомы соединяются с 23 отцовскими хромосомами. В результате мы получаем оплодотворенную яйцеклетку с полным набором хромосом, которая, если все и далее пойдет хорошо, способна развиться в целого человека. С этого момента начинается процесс деления клеток.

Наш пол определяется тем, какие половые хромосомы предоставляет при оплодотворении сперматозоид. Существуют две хромосомы, связанные с половой принадлежностью человека, — хромосомы X и Y. У мужчин имеются они обе, их сочетание обозначается как XY; у женщин есть две хромосомы X, обозначаемые обычно как XX. В ходе развития сперматозоидов происходит процесс мейоза, в результате которого число хромосом уменьшается наполовину, и поэтому одна половина сперматозоидов несет хромосому X, а другая — хромосому Y. У каждой яйцеклетки есть хромосома X. Если в яйцеклетку во время оплодотворения проникает сперматозоид с хромосомой X, то эмбрион получает хромосомный набор эмбриона XX и обретает женский пол. Если же в яйцеклетку проникает сперматозоид с хромосомой Y, то рождается ребенок мужского пола. В случае, если хромосомный набор оплодотворенной яйцеклетки представляет собой XXY или одну лишь X, то происходит ненормальное половое развитие. Таким образом, кто родится — мальчик или девочка, — зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку.

Хромосома Y приводит к развитию эмбриона мужского пола, поскольку она содержит ген, который кодирует белок, приводящий к развитию у эмбриона яичек и производству мужского гормона тестостерона, в силу чего возникают половые различия, характерные для мужчин и женщин. На ранней стадии развития разница между мужскими и женскими эмбрионами неразличима. Изначально все эмбрионы имеют женские признаки. Но когда в дело вступает производимый яичками гормон тестостерон, начинается развитие мужских признаков и ряду органов тела придается мужская форма. Воздействие тестостерона ведет к развитию пениса, а не клитора в области гениталий, хотя на самой ранней стадии нет никакого различия в структуре и строении ткани, из которой в будущем разовьются либо пенис, либо клитор. Тестостерон также предотвращает заметный рост груди у мужчин и оказывает воздействие на развитие головного мозга. Если мужчина невосприимчив к воздействию тестостерона, он, хотя и имея яички, будет выглядеть, как женщина.

Эмбрион, имеющий хромосомный набор XX и запрограммированный к тому, чтобы превратиться в женщину, изначально имеет двойное количество генов X по сравнению с мужским эмбрионом, обладающим хромосомным набором XY. Это необходимо скорректировать, поскольку на хромосоме X должно проявляться одинаковое число генов как у женщин, так и у мужчин. У человека, подобно другим млекопитающим, эта диспропорция корректируется путем случайной деактивации одной из хромосом X в каждой клетке женского эмбриона на ранней стадии развития. Этот процесс приводит к тому, что в клетках по всему телу содержится одинаковое число хромосом X, заимствованных у отца и у матери. В тех же случаях, когда число либо поведение половых хромосом не соответствуют норме, происходят отклонения от нормального развития.