Хромосомы бабушки удава

Большинство людей куда больше интересуется отношениями полов, чем генетическими системами определения пола у зародыша — это удел специалистов. Но даже они полвека пребывали в заблуждении относительно змеиных половых хромосом. Оказалось, что система определения пола питонов и удавов отличается от существующей у других змей. Истина открылась благодаря развитию методов анализа ДНК.

Пол животных может зависеть от внешних факторов, таких как температура окружающей среды или количество цитоплазмы в клетках. Но значительно чаще его определяют половые хромосомы. Существует несколько систем хромосомного определения пола, нам сейчас интересны две. Система, при которой мужские клетки содержат две разные половые хромосомы (мужской пол гетерогаметный), а женские — две одинаковые, называется XY. Такова привычная нам система млекопитающих. Если же гетерогаметен женский пол, половые хромосомы обозначают буквами Z и W (генотип самцов ZZ, клетки WW нежизнеспособны).

Эволюция половых хромосом происходила независимо у разных таксонов — млекопитающих, рептилий, птиц, насекомых, однако во всех случаях половые хромосомы образовывались из аутосом. Сначала в них возникали гены, определяющие пол, затем в одной из парных хромосом происходили структурные перестройки, которые делали невозможной рекомбинацию — обмен ДНК между гомологичными хромосомами. Согласно этой модели половые хромосомы в начале эволюции внешне похожи друг на друга, но затем перестройки, а также потеря и приобретение генетического материала приводят к появлению отличий, в том числе в размере и наборе генов. Хромосома, определяющая гетерогаметный пол (Y или W), содержит преимущественно гены, ответственные за определение пола, она меньше по размеру, а более крупная (X или Z) сохраняет много последовательностей, имеющих общее значение. Таким образом, половая хромосома, которая определяет гетерогаметный пол, превращается в чрезвычайно стабильный генный комплекс.

Разноразмерные половые хромосомы хорошо заметны на фоне парных аутосом. Такие явные различия позволяют исследователям довольно просто распознавать систему определения пола. Если разнокалиберные хромосомы обнаруживаются в клетках самца, то система определения пола у данного вида — XY, а если у самок, то ZW.

Однако половые хромосомы различаются не всегда. Например, у низших змей (клада Henophidia) — питонов и удавов — половые хромосомы так похожи, что определить гетерогаметный пол на глаз, анализируя хромосомный набор, невозможно. Строго говоря, никто этого толком и не делал. Есть много других змей, у которых система определения пола идентифицируется как ZW. А удавы, что, не змеи разве? Змеи, да еще какие! Значит, и у них то же самое.

Время от времени исследователи приступали к изучению половых хромосом питонов и удавов, но подтвердить существование системы ZW им не удавалось. Тем временем наряду с отсутствием аргументов «за» стали появляться веские доводы «против». Техасские генетики Кристофер Маллери (Christopher Mallery Jr.) и Мария Карильо (Maira M. Carrillo) изучали наследование коралловой окраски у королевских питонов Python regius [1]. В результате серии скрещиваний удалось показать, что мутация, определяющая окраску Coral Glow, присутствует на обеих половых хромосомах и наследуется, как должно быть при системе XY, но не ZW.

Уоррен Бут (Warren Booth), генетик и эколог из Университета Талсы (штат Оклахома, США), несколько лет исследовал факультативный партеногенез позвоночных [2]. Бут и его коллеги показали, что при партеногенезе на свет появляется потомство только гомогаметного пола. В случае системы ZW это самцы ZZ, а в случае XY — самки ХХ. В число объектов наблюдения попали и несколько видов удавов, у них при факультативном партеногезе выводятся исключительно самки, что странно при системе определения пола ZW. Если партеногенетическое потомство гомогаметно, самки удавов должны иметь две одинаковые половые хромосомы, а поскольку особи WW нежизнеспособны, это возможно только при системе определения пола XY.

Чтобы разрешить это противоречие, Уоррен Бут обратился за консультацией к специалисту по половым хромосомам рептилий, доценту Университета Маркетта (штат Висконсин, США) Тони Гэмблу (Tony Gamble). Тот перечитал научные публикации и с удивлением обнаружил, что доказательств существования системы ZW у удавов нет. И тогда ученые объединили усилия [3]. Они использовали новые методы исследования генома, позволяющие установить систему определения пола в случаях, когда половые хромосомы не имеют видимых различий. Ученые секвенировали последовательности нескольких тысяч коротких фрагментов ДНК самцов и самок и выбрали среди них фрагменты, которые встречаются только у особей одного пола. Такие маркеры должны располагаться на хромосомах Y или W. В случае преобладания мужских маркеров вид имеет XY-систему определения пола, если преобладают женские маркеры — систему ZW.

Исследователи работали с центральноамериканскими императорскими удавами Boa imperator и темными тигровыми питонами Python bivittatus, обитателями тропической Азии. В качестве контроля они использовали техасского гремучника Crotalus atrox — представителя высших змей, у которых система определения пола ZW сомнений не вызывает. И действительно, специфические маркеры у гремучника обнаружились в ДНК женских особей, а у удавов — в ДНК самцов, что дает основание предполагать у них систему определения пола XY. Эти результаты подтвердили и для другого вида, удава обыкновенного Boa constrictor. Последовательность Y-хромосомы обоих видов консервативна. Что касается питонов, у них система определения пола, скорее всего, тоже XY, но эти данные нужно еще проверить, поскольку в распоряжении исследователей было мало экземпляров — только три самки и четыре самца.

Последовательности геномов удавов и питонов известны. Ученые использовали эти данные, чтобы идентифицировать половые хромосомы. Оказалось, что у боа и питонов они возникали независимо, из разных пар аутосом. В качестве гипотетического предка выступала ящерица Anolis carolinensis (североамериканский красногорлый анолис). У высших змей половые хромосомы гомологичны шестой хромосоме анолиса. У удавов половые хромосомы гомологичны микрохромосоме ящерицы, которая называется группой сцепления f (linkage group f, LGf). Что касается питонов, их половые хромосомы XY, как и ZW высших змей, гомологичны шестой хромосоме анолиса. Так одна пара аутосом дала начало разным системам определения пола. В заключение исследователи пишут о том, какую замечательную модель для изучения эволюции половых хромосом представляют собой змеи. Можно предположить, что система XY свойственна всем питонам и удавам, а не только трем изученным видам, но эта гипотеза еще нуждается в проверке. Ученые планируют также исследовать и другие виды примитивных змей, в том числе червеобразных Scolecophidia. А Тони Гэмбл размышляет о том, как часто исследователи некритически относятся к допущениям, которые считаются само собой разумеющимися, однако не подкреплены экспериментальными данными. Как говаривал Шерлок Холмс, ничто так не обманчиво, как слишком очевидные факты.

Наталья Резник

1. Mallery C. S., Carrillo M. M. A case study of sex-linkage in Python regius (Serpentes: Boidae), with new insights into sex determination in Henophidia // Phyllomedusa. 2016. 15. 29–42. doi:10.11606/issn.2316-9079.v15i1p29-42.

2. Booth W., Schuett G.W. The emerging phylogenetic pattern of parthenogenesis in snakes // Biol. J. Linn. Soc. Lond. 2016. 118. 172–186. doi:10.1111/bij.12744.

3. Gamble T., Castoe T. A., Nielsen S. V., Banks J. L., Card D. C., Schield D. R., Schuett G. W., Booth W. The Discovery of XY Sex Chromosomes in a Boa and Python // Current Biology. 2017. 27. 2148–2153. doi:10.1016/j.cub.2017.06.010.