Мальчик или девочка? Хромосомы подскажут

Кстати, некоторые ящерицы и вовсе обходятся без мужского пола — они переходят на так называемое партеногенетическое размножение, его еще называют «девственным». Самцов в популяции либо нет, либо отсутствует их вклад в половой процесс. При этом большие группы «амазонок» способны захватывать и осваивать весьма обширные территории.

«Это ставит перед нами интересные биологические вопросы, связанные с тем, зачем нужна так называемая «двойная цена» за мужской пол (понятие «двойная плата за самцов» подразумевает то, что, с биологической точки зрения, половое размножение в два раза менее эффективно, чем бесполое; в первом случае потомство самок наполовину состоит из самцов, которые сами по себе размножаться не могут, во втором — популяция включает в себя только самок, каждая из которых способна дать детенышей. — Прим. авт.), если, например, успешные  пенангские чешуепалые гекконы, как и ряд других видов, обходятся без него», — говорит заведующий лабораторией сравнительной геномики ИМКБ СО РАН, кандидат биологических наук Владимир Трифонов.

У каролинского анолиса, который стал объектом исследования сибирских генетиков, в отношении пола все традиционно. Однажды эта ящерица — небольшая, меняющая свою окраску под настроение и обладающая острыми коготками — проснулась знаменитой: ее геном был секвенирован и сопоставлен с геномами птиц и млекопитающих.

«Мы тоже работали с этим видом и когда-то давно отсортировали хромосомы, получили библиотеки ДНК отдельных хромосом и все пытались понять, где же половые, — комментирует Владимир Трифонов. — Дело в том, что последние у ящериц меняются достаточно быстро. Например, у гекконов система половых хромосом похожа на ту, что у птиц (ZZ, ZW, где ZZ — гомозиготные организмы, носители двух одинаковых генов, определяющих признак, самки, а ZW — гетерозиготные самцы. — Прим. авт). У игуаноподобных ящериц система XX, XY сходна с теми, что есть у плацентарных млекопитающих и человека.  Очевидно, что у разных групп ящериц совершенно разные хромосомы берут на себя функцию половых и начинают определять пол и решать, самцом или самкой будет потомство». 

После основополагающей статьи в Nature по секвенированию генома каролинского анолиса стало известно, что у него система определения пола — XY, но не было ясности, какие именно хромосомы ответственны за механизм. «Единственное, что мы понимали: это микрохросомомы, потому что крупные были одинаковые и у самцов, и у самок», — говорит Владимир Трифонов. Микрохромосомы — мелкие хромосомы, существенно уступающие по размеру макрохромосомам.

Надо отметить, что у млекопитающих такого понятия как микрохромосомы вообще нет: все носители генетической информации у нас и наших собратьев по классу достаточно крупные и хорошо различимые под микроскопом. Однако, скорее всего, у предков позвоночных был геном, состоящий из макро- и микрохромосом, очень маленьких элементов. Такой  тип сохранился у большинства птиц, черепах, многих  видов ящериц, а также у разных таксонов рыб, включая акул.

«Микрохромосомы очень сложно изучать: описать, посчитать, упорядочить, — объясняет Владимир Трифонов. — Раньше можно было увидеть в микроскоп лишь некую точку среди пятидесяти таких же. Сейчас же к нам на помощь пришли биоинформатика и секвенирование нового поколения — и мы способны понять генный состав: набор всех генов, у которых прописаны свои функции. Как и большая часть хромосом в целом, микрохромосомы отвечают за многое — в них присутствуют и «гены домашнего хозяйства», и «гены роскоши», и т. д.». 

Генами домашнего хозяйства называют те участки ДНК, которые работают во всех клетках и тканях. Гены роскоши — те, что ответственны за специализацию клеток. Другими словами, есть набор, позволяющий клетке выжить, а есть  набор, обуславливающий то, что она делает для организма. 

Чтобы разгадать загадку половых микрохромосом каролинского анолиса, исследователи ИМКБ СО РАН изучили другой вид анолисов, у которого половые хромосомы по какой-то причине стали крупными и хорошо различимыми — серого анолиса. «Мы исследовали строение как Х, так и Y хромосом этих двух объектов и сравнили их, — говорит Владимир Трифонов. — Обнаружилось, что и та и другая хромосомы гомологичны (подобны, — NS) у обоих видов, и, как было потом показано, у остальных видов Anolis они очень похожи. Однако еще один результат оказался неожиданным. Выяснилось, что в ходе эволюции серого анолиса происходило что-то невероятное, у него некоторые микрохромосомы вдруг  непонятно почему начали сливаться с половыми».

Дело в том, что как раз с половыми хромосомами вообще редко что-то происходит — меняются стратегии размножения, идут мимо века и эпохи, гремят сексуальные революции, но наши носители генетической информации о том, кто должен родиться: мальчик или девочка, консервативны и незыблемы. «Если мы сравним человека и шимпанзе, то Х хромосома у них внешне совершенно не отличается, все перестройки происходят с аутосомами (парные хромосомы, не относящиеся к половым и одинаковые как у самцов, так и у самок, — NS). И это с большинством млекопитающих, на кого мы не посмотрим, — говорит Владимир Трифонов. — В случае же с серым анолисом мы видим совершенно другую стратегию — по какой-то причине Х и Y хромосомы становятся участниками хромосомных перестроек, и объяснить данное явление мы пока еще никак не можем. Это очень необычная эволюционная судьба». 

Итак, серый анолис демонстрирует: его микрохромосомы присоединяются к таким же маленьким половым и образуют одну большую группу сцепления. Кусочки новых перенесенных фрагментов сохраняются на Х хромосоме, а на Y начинают дегенерировать, и теперь у мужского пола будет не два варианта генов, чтобы выбрать, какой из них лучше, а только один — как, собственно, это и происходит у млекопитающих. 

«Мы опубликовали статью по этому исследованию в журнале Chromosoma, а дальше планируем расширять спектр ящериц, сейчас у нас в работе новые виды анолисов, ведется анализ отсеквенированного материала, — рассказывает Владимир Трифонов. — Особенно интересна дегенерация генов на Y хромосоме — теперь по эволюционной траектории они должны со временем вырождаться и превращаться в мелкую хромосому, богатую повторенными элементами. То есть останутся те гены, которые будут отвечать за определение пола, а все остальное можно спокойно выбрасывать, это не повлияет на жизнеспособность». 

Впрочем, как сказано еще в одной статье исследователей ИМКБ СО РАН, нечто странное происходит с половыми хромосомами и у некоторых других видов — это в первую очередь грызуны. Их стабильная, сложившаяся за много миллионов лет система начинает разрушаться: SRY-ген (он определяет мужской пол;  даже если у особи есть Y хромосома, но этот ген инактивирован, организм начнет развиваться по женскому типу) не работает. Однако в популяции присутствуют и самки, и самцы, что означает: возникли какие-то другие гены, пришедшие на помощь и взявшие на себя необходимые функции.

Таким образом, механизмы определения пола многообразны и удивительны. В некоторых случаях они эволюционируют: одни перестают работать, и эту функцию на себя берут другие. Какие — как раз и выясняют биологи.

Сибирское отделение РАН

11 статей