В предыдущей части мы разобрались, как получается, что все клетки организма содержат один и тот же генетический материал - перед каждым клеточным делением все хромосомы удваиваются, а во время деления разделяются на две одинаковые группы, так что две клетки, образовавшиеся в результате деления, содержат одинаковый набор ДНК, такой же, как в исходной клетке.
Первая клетка организма возникает при оплодотворении. Как мы знаем, при этом один набор хромосом приходит от отца, а другой - от матери. Посмотрим, как это работает. В организме животных есть специальный тип клеток, которые называются клетками зародышевого пути или клетками зародышевой линии. Их функция - передача генетической информации в следующее поколение. Как и другие клетки организма, они содержат два набора хромосом - один от отца и один от матери.
Эти клетки могут делиться, но кроме этого, они способны превращаться в половые клетки - сперматозоиды у самцов и яйцеклетки у самок. Каждый сперматозоид и яйцеклетка содержат уже не два набора хромосом, а только один. Как же это получается?
Процесс формирования половых клеток посложнее обычного деления клетки: он происходит в два этапа. Сначала происходит удвоение каждой хромосомы в клетке, как мы наблюдали в первой части нашей истории. Но дальше начинаются важные отличия.
После удвоения однотипные хромосомы, полученные от родителей, находят друг друга и соединяются: удвоенная хромосома 1, полученная от отца, соединяется с удвоенной хромосомой 1 от матери, хромосома 2, полученная от отца, соединяется с хромосомой 2 от матери и т.д. То, каким образом каждая хромосома точно распознает свою пару - это очень сложный, но интересный процесс, заслуживающий отдельного разговора. Если коротко, то хромосомы, фигурально выражаясь, “ощупывают” ДНК друг друга и соединяются только в случае совпадения. Таким образом формируются сложные агрегаты, каждый из которых содержит две копии одной из отцовских хромосом и две копии соответствующей ей пары из материнского набора.
После этого клетка приступает к первому делению, которое также проходит необычно. В новые клетки расходятся не одиночные хромосомы, а удвоенные - либо материнские, либо отцовские. Например в новую клетку может попасть удвоенная хромосома 1 от отца и удвоенная хромосома 2 от матери - выбор родительского происхождения происходит случайным образом.
Поделившиеся таким образом клетки все еще содержат двойной набор хромосом, поэтому перед формированием половых клеток они делятся еще раз, но уже без этапа удвоения ДНК. В результате этого второго деления и получаются половые клетки, в которых каждая хромосома представлена в единственном экземпляре. Эти клетки в дальнейшем больше не делятся и превращаются в сперматозоиды у самцов и яйцеклетки у самок. Важно отметить, что в этом процессе у самок при каждом делении одна из клеток деградирует. Поэтому в итоге из исходной клетки зародышевого пути получается не четыре, а только одна яйцеклетка.
Отметим два важнейших с точки зрения генетики момента. Во-первых, как и в случае обычного клеточного деления, в описанном процессе решающую роль играет физическое соединение однотипных хромосом, как при первом, так и при втором делении. Именно благодаря ему перед делением удается поделить хромосомы ровно на две группы, когда их начинают растаскивать микротрубочки. Если процесс соединения нарушается, формирование жизнеспособных половых клеток невозможно.
Второй важнейший нюанс связан со случайным расхождением отцовских и материнских хромосом при первом делении. Это приводит к тому, что половые клетки содержат не те же наборы ДНК, которые достались от отца и от матери, а новые комбинации, причем число таких комбинаций огромно! Например, поскольку у собаки 39 пар хромосом, то число новых комбинаций равно 2^39=549 755 813 888! Это действительно огромное число, особенно принимая во внимание, например, что концентрация сперматозоидов у собак составляет в среднем “всего” 500 миллионов на миллилитр. Это означает, что в 1 мл спермы содержится около 0,1% всех возможных комбинаций хромосом! Это явление обеспечивает один из уровней генетической рекомбинации, которая делает каждый организм неповторимым. Кроме близнецов и клонов, конечно.