Y-хромосоме расширили полномочия

Не так давно биологи выяснили, что половая Y-хромосома за время своей эволюции потеряла огромное количество генов и что теперь у неё осталось только 3% от того генетического набора, который имелся когда-то. Для сравнения: Х-хромосома сохранила 98% генов. Эти данные вызвали к жизни гипотезу об исчезающей Y-хромосоме, смысл которой в том, что в некоем эволюционном будущем от мужской хромосомы останется пустое место.

Правда, потом оказалось, что скорость исчезновения Y-хромосомы несколько преувеличена, а совсем недавно появилось исследование, согласно которому Y-хромосома вообще не может исчезнуть, так как в ней есть гены, абсолютно необходимые мужскому организму. Однако этот вывод был сделан после сравнения половых хромосом у нескольких мужчин, европейцев и африканцев, между собой и с митохондриальной ДНК. То есть вывод о сохранности Y-хромосомы не подкреплялся ни собственно примером этих самых необходимых генов, ни изучением её у других млекопитающих.

А вот исследователи из Института Уайтхеда (США) во главе с Дэвидом Пэйджем (David Page) именно это и сделали: они сравнили Y-хромосомы у человека, шимпанзе, макаки-резуса, мармозетки, крысы, мыши, буйвола и сумчатого южноамериканского опоссума. Вообще, когда занимаются секвенированием («прочитыванием») ДНК у очередного зверя, то Y-хромосому стараются не трогать, потому что её по некоторым причинам читать труднее, чем прочие хромосомы. Однако на этот раз учёные сосредоточились именно на Y-хромосоме, хотя в целом работа и потребовала более десяти лет.

В результате, получив последовательности Y-хромосом и сравнив их с Х-хромосомами, исследователи нашли 36 генов, которые присутствовали на обеих половых хромосомах (полностью все 36 совпадали как минимум у одного из восьми видов млекопитающих, «участвовавших» в исследовании). Многие из этих генов имеют отношение к регуляции транскрипции, трансляции и других важных молекулярных процессов. Более того, удалось найти два гена, UBE1Y и KDM5D, которые сохранились в Y-хромосоме у сумчатых и плацентарных зверей.

То, что эти гены остались у двух таких разных ветвей млекопитающих (не будем забывать, что сумчатые — одна из самых древних групп животных), говорит о неслучайном характере эволюционной деградации Y-хромосомы. Если бы Y-хромосома «просто исчезала» и все её гены и области имели бы одинаковое значение для эволюции, вряд ли можно было бы найти общие черты между хромосомами разных ветвей млекопитающих. Что же до пары UBE1Y и KDM5D, то эти гены, по словам учёных, участвуют в процессах конденсации хромосом (то есть упаковки, укладки ДНК в компактную хромосому), и в этом качестве они, по-видимому, незаменимы.

В то же время оказалось, что эффект от генов, которые есть на обеих половых хромосомах, зависит от того, работают ли эти гены вместе или поодиночке. Это значит, что гены на Y-хромосоме вносят свой вклад в конечный результат, и даже, более того, Y-хромосомные гены «активничают» в самых разных тканях организма. А ведь считалось, что мужская хромосома обслуживает только мужскую половую систему. Иными словами, Y-хромосоме расширили полномочия: она, как выяснилось, востребована и в других органах и тканях, её гены дополняют гены Х-хромосомы, и, несмотря на уменьшение мужской хромосомы, организм без неё всё же прожить не сможет.

Это исследование было опубликовано в Nature — вместе с другим, в котором учёные из Лозаннского университета (Швейцария) анализируют роль половых хромосом у 15 видов животных, в том числе утконосов (самых древних из зверей) и кур (которые вообще не звери, а птицы). Хенрик Кессман (Henrik Kaessmann) и его коллеги обнаружили, что ген SRY (один из самых знаменитых генов, который необходим для развития мужской половой системы) не появляется у зверей до расхождения первозверей (утконосов, ехидн и проехидн) и плацентарных млекопитающих (все, кроме первозверей и сумчатых). Но обычно считалось, что SRY возник гораздо раньше. (С другой стороны, формирование пола у первозверей зависит от другого гена, AMH, то есть эта группа воспользовалась для этого альтернативным молекулярно-генетическим решением.)

Сам же SRY возник 180 млн лет назад, после отделения первозверей, но накануне появления сумчатых. Впрочем, несмотря на различия, гены AMH у первозверей и AMH у всех прочих зверей работают схожим образом, запуская близкие цепи реакций. А вот у кур половая хромосома появилась только 140 млн лет назад.

Эти данные говорят о том, что Y-хромосома не была дана млекопитающим при их появлении на свет, и судьба её в эволюции гораздо сложнее, чем просто уменьшение. Кроме того, швейцарские исследователи, как и их коллеги из Массачусетского технологического института, обнаружили, что Y-хромосома активна не только в половой системе, но и в других тканях.

Правда, возникает вопрос, как древнейшие звери, которые ещё не разделились на разные группы, определяли свой пол. Возможно, половая принадлежность у древнейших млекопитающих формировалась под влиянием внешних факторов — то есть примерно как у современных крокодилов, у которых пол детёныша зависит от окружающей температуры.

Подготовлено по материалам Института Уайтхеда и The Scientist. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.