Александра Брутер: Хромосомные войны

Александра Брутер Wellcome Images

Новое исследование подтверждает концепцию постоянного соперничества X и Y-хромосом.

X и Y-хромосомы – это половые хромосомы млекопитающих. Y-хромосому можно назвать доминантной: генотип XY приводит к развитию организма мужского пола, XX – женского.

У предков млекопитающих пол не определялся генетически. До сих пор у многих рептилий пол новорожденного зависит от температуры, при которой высиживались яйца. Вероятно, при таком способе определения пола потомства животным не всегда удавалось поддерживать подходящее соотношение полов в потомстве (1:1), и генетический способ оказался выгоднее.

Половые хромосомы образовались из обычных аутосом. По разным оценкам это произошло от 300 до 160 миллионов лет назад. Мутация в гене транскрипционного фактора SOX3 превратила его в ген SRY. Хромосома, на которой остался SOX3, стала прототипом X хромосомы, а хромосома с новым геном SRY стала прообразом Y хромосомы. Ген SRY полностью ответственен за развитие организма по мужскому типу. Если вся остальная Y хромосома присутствует, а ген SRY утрачен или нефункционален, развитие происходит по женскому типу. Если Y хромосома отсутствует, а ген SRY оказался транслоцирован на какую-нибудь другую хромосому, развитие происходит по мужскому типу, хотя такой мужчина может оказаться бесплодным.

Это не единственный в истории случай возникновения половых хромосом. Например, у птиц есть свои половые хромосомы – Z и W. Они возникли из другой пары аутосом общего с млекопитающими предка, и у них наоборот – женский пол оказался «доминантным».

На ранних этапах своего существования половые хромосомы еще могли рекомбинировать (обмениваться гомологическими участками), как обычные хромосомы. Но со временем эта практика показала себя вредной: иногда оказывалось, что гены, необходимые для сперматогенеза и находящиеся в Y-хромосоме рядом с геном SRY, исчезают, что приводит к бесплодию. Женщинам мужские гены тоже оказались ни к чему. Со временем строение Y-хромосомы изменилось так, что ее центральная часть перестала рекомбинировать с X-хромосомой; способность к рекомбинации сохранилась только у небольших участков на концах хромосомы.

Из-за рекомбинационной изоляции у Y-хромосомы начались проблемы. Во-первых, хотя бы одна X-хромосома есть у всех, а Y-хромосома только у половины особей данного вида. Поэтому уникальные важные гены не могли находиться на Y-хромосоме. Если бы эти гены были жизненно важными, как бы без них обходились женщины? Сперматозоидов у мужчины за всю его жизнь вырабатывается гораздо больше, чем яйцеклеток у женщины. Это значит, что предшественники мужских половых клеток делятся гораздо интенсивнее и, следовательно, у них больше риск возникновения мутаций. Но мутации во всех остальных доставшихся от отца хромосомах могут быть со временем элиминированы, а мутации в Y-хромосоме не могут, рекомбинации-то нет. Отсутствие рекомбинации приводит также и к тому, что в отборе участвует не конкретный вариант каждого гена, а вся хромосома целиком со всем ее сочетанием удачных и неудачных вариантов. Другая проблема – накопление «мусорной ДНК», от которой опять же из-за отсутствия рекомбинации невозможно избавиться.

Все эти проблемы привели к тому, что Y-хромосома постепенно деградирует, лишаясь генов, доставшихся ей от аутосомного предка. В 2002 году в журнале Nature вышла наделавшая много шума статья, в которой авторы экстраполировали на будущее скорость деградации Y хромосомы и пришли к выводу, что через 10 миллионов лет у человека она исчезнет.

Даже если это и так, то пугаться не стоит. Люди не станут однополыми, а мир планеты Зима, описанный Урсулой ле Гуин в романе «Левая рука тьмы» не станет реальностью (в романе жители планеты Зима большую часть времени бесполы, и только на непродолжительное время приобретают черты одного из полов). Некоторые виды грызунов (Tokudaia tokunoshimensis, Tokudaia osimensis, Ellobius tancrei, Ellobius lutescens) уже сейчас утратили Y-хромосому, ген SRY у них не обнаруживается, однако это не мешает им сохранять разделение полов. Метод определения пола у них неизвестен.

Но последние исследования вообще показывают, что пессимизм авторов статьи 2002 года ничем не оправдан, а такая экстраполяция неправомерна. По мере развития секвенирования, которое в 2002 году было еще дорогим и медленным, удалось секвенировать Y-хромосомы некоторых видов обезьян. Общий предок макак-резусов и человека жил примерно 25 миллионов лет назад, но оказалось, что в Y-хромосоме макак есть всего один ген, которого нет у человека, и тот находится в нестабильной части хромосомы. Это значит, что почти никаких генов со времени жизни общего предка утрачено не было. То есть логично предположить, что Y-хромосома утрачивала не очень нужные гены, доставшиеся в наследство от аутосомного предка, и, когда «ненужные» гены кончились, процесс остановился.

Но так ли не нужны эти гены? Как будет чувствовать себя человек с одной X хромосомой? Начать надо с того, что большинство таких эмбрионов гибнут на ранних этапах внутриутробного развития. Те, которые доживают до рождения, болеют болезнью (синдромом) Шерешевского-Тернера. Они отстают в развитии и бесплодны.

От аутосомного предка у мышей на Y-хромосоме осталось 9 генов, а у людей 17. У мышей аналог синдрома Шерешевского-Тернера приводит к гораздо более мягким последствиям – сниженной фертильности. Значит, среди оставшихся восьми есть гены, необходимые для нормального развития. Скорее всего, эти же гены есть и в X-хромосоме, и для успешного развития нужны сразу два активных гена. Мыши же каким-то образом научились обходиться без соответствующего гена, например, произошел его перенос в аутосому.

На конференции, освященной вопросам репродукции, прошедшей в городе Сан-Хуан в Пуэрто-Рико группа исследователей из Миннеаполиса выступила с сообщением о природе генетических элементов, находящихся в Y-хромосоме. Давно известно, что значительную часть Y-хромосомы (24% у людей, 44% у быков и почти 90% у мышей) занимают длинные палиндромные повторы. Из-за особенностей секвенирования такие последовательности плохо поддаются анализу, и на первый взгляд они похожи на так называемый генетический мусор – результат бесконтрольной и неограниченной рекомбинацией и отбором деятельности транспозонов (мобильных генетических элементов).

Благодаря новым методикам секвенирования авторам доклада удалось разобраться во всех этих нагромождениях повторов. Оказалось, что повторы содержат вовсе даже не мусор, а кодируют белки, представляющие три белковых семейства. Примечательно, что эти гены не имеют ничего общего с наследством аутосомных хромосом-предков, зато точно такие же повторы содержатся в X-хромосоме.

Анализ активности содержащихся в повторах генов показал, что активны они в клетках мужской половой линии, которые со временем превращаются в сперматозоиды. Как мы помним, каждый сперматозоид содержит либо X-хромосому, либо Y. Авторы предполагают, что, чем активнее эти гены, тем больше вероятность, что потомству достанется именно такая хромосома. Поэтому между X и Y-хромосомой существует своего рода гонка вооружений, стимулирующая увеличивать число повторов. Она приводит к тому, что соотношение полов (у человека 106 рождающихся мальчиков на 100 девочек) почти у всех видов с такой системой наследования пола примерно равно 1:1.

Как именно число повторов превращается в больший успех своего сперматозоида при оплодотворении, пока неясно. Но уже есть данные, прямо подтверждающие такую зависимость. Была обнаружена делеция в мышиной Y-хромосоме, приводящая к изменению соотношения полов в популяции. Меняя число повторов, авторам работы удалось изменить это соотношение в обе стороны.

Здесь мы видим пример того, как, конкурируя между собой, две эгоистичные хромосомы поддерживают порядок, важный для выживания вида-хозяина.

Смотрите также: Александра Брутер Спектр пола. Часть 2 Александра Брутер Спектр пола Александра Брутер «Мусорную ДНК» не стоит выбрасывать Максим Руссо Кем быть: определение пола в животном мире Новое Татьяна Пигарева Испания от И до Я Сергей Сергеев Русское самовластие. Власть и ее границы: 1462–1917 гг. Катерина Михалева-Эгер 350 лет современной моды Леонид Чутко Сил нет Катя Колпинец Формула грез Сергей Плохий Забытые бастарды Восточного фронта Дэвид Чиверс, Том Чиверс Цифры врут. Как не дать статистике обмануть себя Пол Стейнхардт Невозможность второго рода Стивен Хоффман Пять сил, изменяющих все Уолтер Айзексон Взломавшая код Рустам Александер Закрытые. Жизнь гомосексуалов в СССР 3D-каркасы для восстановления костной ткани Платиновый бутерброд для спинтроники