Центромеры, в сущности, представляют собой участки для прикрепления набора белков. Эти белки растаскивают разделенные хромосомы на противоположные края клетки. Представьте себе, как Человек-Паук выбрасывает паутину, целясь в предмет, который он хочет заполучить, и затем подтягивает этот предмет к себе. А теперь вообразите себе двух таких существ, только крошечных. Они стоят на двух противоположных краях клетки. Человек-Паук бросает сеть в нужную хромосому, сеть прикрепляется к ней, и затем он подтягивает хромосому к своему краю клетки. Его близнец проделывает то же самое на своем краю с другой хромосомой из данной пары.
Но нашему Человеку-Пауку приходится нелегко. Почти вся поверхность хромосомы покрыта веществом, отталкивающим паутину. Существует лишь один участок, к которому она может прилипнуть. Этот участок и есть центромера. В клетке центромера прикрепляется к длинной цепочке белков, которая оттаскивает хромосому от центра на периферию клетки. Такая цепочка белков называется веретеном деления.
Центромеры неизменно играют важнейшую роль во всех видах живых организмов. Именно к ним прикрепляется веретено деления. Без подобного участка веретено деления не могло бы выполнять свою функцию.
Такая система должна работать как следует, иначе деление пойдет по неверному пути. Это принципиально важный процесс, а значит, следовало бы ожидать, что ДНК-последовательность центромеры остается почти неизменной практически на всем протяжении эволюционного древа. Как ни странно, это совсем не так. Продвинувшись по нему дальше дрожжей
[13] и микроскопических червей
[14], мы обнаружим, что у различных видов эта ДНК-последовательность весьма различна2. Собственно, ДНК-последовательность центромер может отличаться даже у двух хромосом одной и той же клетки. Такой уровень разнообразия ДНК-последовательности противоречит интуитивным представлениям, ведь речь идет о неизменном исполнении одной и той же функции. К счастью, мы уже начинаем понимать, каким же образом этот жизненно важный участок мусорной ДНК ухитряется проделывать столь необычный эволюционный трюк.
В человеческих хромосомах центромеры образованы из повторов элемента ДНК-последовательности, длина которого составляет 171 пару нуклеотидных оснований
[15]. Эта 171 пара повторяется снова и снова. Общая длина одной центромеры может доходить до 5 миллионов оснований3. Главное свойство центромеры состоит в том, что она является участком связывания белка CENP-A (Centromeric Protein-A)4. Соответствующий ген (также называемый CENP-A) почти неизменен у всех видов, где он есть (в отличие от ДНК центромеры).
Чтобы разобраться в эволюционном противоречии, которое мы изложили выше, снова прибегнем к аналогии с Человеком-Пауком. Его паутина может связываться с белком CENP-A. Неважно, с чем он соединяется — с куском мяса, кирпичом, картофелиной, лампочкой. Главное, чтобы белок CENP-A хоть с чем-нибудь соединялся. Паутина Спайдермена прикрепляется к этому «чему-нибудь», а затем тянет белок и это «что-нибудь» к нашему супергерою.
Итак, ДНК-последовательность центромеры может очень сильно различаться у разных видов. Отличие колоссальное — от «куска мяса» до «электрической лампочки». Главное, чтобы белок CENP-A оставался таким же. Тогда веретено деления (практически одинаковое у разных видов) прикрепится к нему и растащит хромосомы по разным полюсам делящейся клетки.
CENP-A — не единственный белок, с которым работает центромера. Имеется и множество других. В лаборатории вполне возможно подавить экспрессию белка CENP-A в клетках. В таком случае другие белки, которые должны бы соединяться с центромерой, прекращают это делать5,6. Однако если в ходе эксперимента, наоборот, подавляют экспрессию какого-то из других белков, CENP-A все равно продолжает связываться с центромерой7. А значит, белок CENP-A — своего рода краеугольный камень всего процесса.
Добившись сверхэкспрессии гена CENP-A в клетках, взятых у дрозофил, ученые обнаружили: хромосомы начали создавать центромеры, расположенные в необычных местах8. Однако, судя по всему, с человеческими клетками дело обстоит сложнее. Для них сверхэкспрессия CENP-A не приводит к возникновению новых центромер, расположенных аномальным образом9. Похоже, у человека белок CENP-A необходим, но не достаточен для формирования центромер.
Белок CENP-A необходим для «вербовки» всех прочих белков, требующихся для того, чтобы веретено деления успешно занималось своим делом. Когда клетка активно делится, CENP-A способствует выстраиванию на нужном месте более 40 различных белков. Процесс идет постадийно, подобно добавлению кирпичиков «Лего» в определенном порядке. Сразу же после того, как продублированные хромосомы окажутся растащенными на противоположные края клетки, этот большой комплекс, содержащий множество белков, снова распадается. Весь процесс может занять меньше часа. Мы толком не знаем, что контролирует все его стадии, но какие-то из них управляются чисто физическими свойствами. Обычно ядро окружено мембраной, сквозь которую непросто проникнуть крупным белковым молекулам. Когда клетка готова к пространственному разделению продублированных хромосом, этот барьер временно разрывается, и белки могут присоединиться к хромосоме на том участке, где расположена центромера10. Представьте себе, что вы переезжаете и вызвали грузчиков. Они готовы заняться вашей мебелью, однако не могут приступить к работе, пока вы не откроете дверь и не впустите их.
Вопрос места
Перед нами по-прежнему маячит сложная концептуальная проблема. ДНК-последовательность центромеры, мягко говоря, не везде одинакова. При этом жизненно важно, чтобы белок CENP-A направлялся в строго определенное место. Откуда же клетка знает, где должна располагаться центромера на каждой хромосоме? Почему на человеческой хромосоме 1 она всегда примерно в середине, а на хромосоме 14 — всегда ближе к концу?
Чтобы разобраться в этом, нужно выстроить более сложный образ ДНК наших клеток. Пресловутая двойная спираль ДНК — картинка, которую знают все. Возможно, она даже символ всей современной биологии. Но эта картинка не дает полного представления о ДНК. Собственно, ДНК — это очень длинная веретенообразная молекула. Если растянуть ДНК одной человеческой клетки в единую линию, длина такой линии составит 2 метра (если вы соедините вместе генетический материал из всех хромосом, содержащихся в клетке). Но эта ДНК как-то должна помещаться в ядре клетки, а его диаметр — всего лишь сотая миллиметра.
Попробуйте-ка запихнуть штуковину, длина которой равна высоте Эвереста, в капсулу размером с мячик для гольфа. Если штуковина — веревка, у вас ничего не получится. А вот если вместо веревки взять волоконце тоньше человеческого волоса, тогда вы, скорее всего, справитесь с задачей.
