Потеря беременности и эволюция полового размножения связаны клеточным "танцем"

После того как Дэн Левитис и его жена потеряли две беременности, прежде чем родить троих детей, он захотел исследовать, почему выкидыши так распространены и сталкиваются ли другие живые существа с той же проблемой.

Левитис, учёный из Университета Висконсин-Мэдисон, заподозрил в этом мейоз — процесс, который организмы используют для производства сперматозоидов и яйцеклеток при половом размножении. Он описывает мейоз как сложный клеточный "танец", который перемешивает хромосомы, чтобы перетасовать гены. Это перераспределение помогает создать потомство, отличное от родителей, которое может быть лучше приспособлено к выживанию в меняющемся мире.

Но мейоз — один из самых сложных процессов в клетке, и многое может пойти не так, когда хромосомы запутываются и распутываются. Левитис предположил, что эта сложность может приводить к проблемам в создании здорового потомства.

В новом исследовании, опубликованном 1 августа 2017 года в Proceedings of the Royal Society B, Левитис и его коллеги сообщают, что мейоз наносит тяжёлый урон жизнеспособности потомства. И не только у людей. Существа от гекконов до чеснока и от кактусов до тараканов платят цену за половое размножение.

Работа даёт более глубокий контекст фундаментальных биологических причин потери беременности и предполагает, что преимущества полового размножения должны перевешивать серьёзные ограничения, налагаемые мейозом.

"Известно, что для людей основной причиной потери беременности являются хромосомные аномалии, возникающие из-за мейоза, — говорит Энн Прингл, соавтор исследования. — Но было совершенно неясно, является ли мейоз ведущей причиной нежизнеспособности не только у людей, но и везде, где он происходит".

Чтобы ответить на этот вопрос, Левитис сравнил жизнеспособность потомства, произведённого тремя разными способами размножения:

• Половое размножение (два родителя, генетический вклад от обоих) всегда требует мейоза.
• Бесполое размножение (потомство — клоны родителей) обычно использует гораздо более простой митоз — простое клонирование клеток без генетического перемешивания.
• Когда бесполое размножение всё же использует мейоз, этот процесс оказывается ещё сложнее, чем при половом размножении.

В этом трёхстороннем сравнении Левитис обнаружил, что более сложное размножение приводит к более низкой выживаемости потомства. Например, бесполые ящерицы, использующие мейоз, имели более низкую жизнеспособность, чем половые ящерицы, также использующие мейоз, потому что бесполый мейоз был сложнее. При этом организмы, использовавшие более простой митоз (например, пальмы и стрекозы), производили более здоровое потомство.

Эта закономерность подтвердилась у 42 из 44 изученных видов. "Когда вы получаете результат, настолько последовательный для такого широкого круга организмов, это подозрительно", — говорит Левитис. Но даже после повторной проверки данные подтвердились. Что-то в мейозе, по-видимому, его сложность, убивает потомство.

"Если вы составляете баланс плюсов и минусов полового размножения, тот факт, что для него требуется этот смертоносный процесс, — явно недостаток", — говорит Левитис.

Что касается эволюции полового размножения, выводы Левитиса предполагают, что преимущества прохождения через мейоз должны быть достаточно значительными, чтобы сбалансировать этот баланс. Перетасовка генов от двух родителей во время полового размножения может давать даже большее преимущество, чем считалось ранее.

Другой вывод, по словам Левитиса, заключается в том, что хотя легко думать, будто естественный отбор может решить любую проблему (и нам хотелось бы, чтобы он решил, например, проблему высокой частоты выкидышей), иногда он наталкивается на фундаментальные ограничения. Мейоз, по-видимому, является одним из таких непреодолимых барьеров.

Однако компромисс — по-настоящему уникальное потомство с новыми генетическими комбинациями, готовое к встрече с непредсказуемым миром, — должно того стоить.