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.
