Н. Ю. Феоктистова

Детективная история Y-хромосомы

О самой маленькой хромосоме генома человека мы уже писали (Биология, № 46/2002). Однако с тех пор были сделаны новые интересные открытия как в области изучения всего генома человека, так и в исследовании Y-хромосомы человека и ряда видов животных.

Начнем с небольшого экскурса в историю. Первые предположения о том, что хромосомные наборы у мужчин и женщин различаются, были выдвинуты в 1920-х гг. Именно самая маленькая хромосома генома – Y-хромосома – была первой обнаружена с помощью микроскопа. К середине XX в. генетики считали, что в этой хромосоме содержится несколько весьма специфических «мужских» генов. Обнаружить эти гены удалось только в конце XX в., а в 1957 г., на собрании Американского общества генетики человека, Y-хромосома была названа «пустышкой», не несущей в себе никакой важной наследственной информации за исключением гена, определяющего пол человека. Однако ученые поторопились с выводами, и Y-хромосома оказалась настоящей чудесной шкатулкой, таящей в себе множество загадок.

В 1979 г. изучением Y-хромосомы занялся молодой американский исследователь Дэвид Пейдж. В начале 1980-х гг. он сконструировал молекулярный зонд, помогающий отыскать ген, который кодирует белок, запускающий, по мнению ученого, процесс формирования зародыша мужского пола. Опубликованные им результаты наделали много шума, и молодой специалист оказался в центре внимания общественности. О нем писали в газетах, он выступал на радио и телевидении, получил крупную премию от Фонда Макартуров и был приглашен на работу в Институт Уайтхеда при Массачусетском технологическом институте.

Однако открытие Пейджа оказалось ошибочным, о чем в 1990 г. сообщили британские исследователи. Они обнаружили, что ген, идентифицированный Пейджем, находится вовсе не в той части хромосомы, которую исследовал ученый, а в соседней. Для Пейджа это был серьезный удар, но ученый оказался настоящим борцом и, несмотря на все проблемы и сложности, возникшие после обнаружения ошибки, продолжил изучение других генов, находящихся в Y-хромосоме. В 1995 г. он выявил мутацию, которая является основной причиной генетически обусловленного мужского бесплодия. А в 2004 г. совместно с исследователями из Медицинской школы при Вашингтонском университете он опубликовал полную нуклеотидную последовательность генсодержащей части Y-хромосомы.

В результате секвенирования учеными было выявлено 78 генов. Естественно, самый важный в этой хромосоме ген SRY, при наличии которого человеческий зародыш развивается по мужскому пути. Функции еще трех генов заключаются в формировании определенных белковых комплексов, а один ген связан с функционированием нервной системы. Целый ряд генов отвечает за формирование мужских половых клеток. О роли 18 из 78 генов Y-хромосомы ученые пока ничего определенного сказать не могут.

И Y- и Х-хромосомы начали свою эволюцию около 300 млн лет назад. В отличие от других хромосом (в том числе Х-хромосомы), всегда представленных двумя копиями, Y-хромосома копий не имеет, поэтому возможность замены на ней дефектных генов полноценными ограниченна. В ходе эволюции примерно 1000 ее генов были элиминированы.

Казалось бы, отсутствие возможности исправления возникающих ошибок должно привести к постепенной инактивации генов Y-хромосомы. Некоторые исследователи даже утверждали, что при существующих темпах деградации Y-хромосома исчезнет из генома человека за временной период в 125 тыс. – 10 млн лет. Однаков в работах Пейджа с соавторами было показано, что никакой реальной угрозы исчезновения Y-хромосомы не существует. Она способна противостоять деградации благодаря наличию палиндромов.

В общем случае, (от греч. palindromos – бегущий обратно) палиндром – это две одинаковые последовательности символов, соединенные либо началами, либо концами. Так, например, палиндромом будет число 20200202 или текст «искатьтакси». Палиндром можно читать хоть справа налево, хоть слева направо, получится одно и то же. В цепочке ДНК палиндромом будет последовательность азотистых оснований, например АТЦАГЦЦГАЦТА. Если один из таких участков спарится со своим зеркальным отражением, образовав так называемую шпильку, то в этом месте Y-хромосома сможет заменить дефектные гены точно так же, как это делают остальные 45 хромосом генома человека.

Проведенный анализ показал, что из 50 млн нуклеотидов Y-хромосомы более 6 млн являются палиндромами, разбросанными по хромосоме. Длина наибольшей из обнаруженных последовательностей составляет 3 млн нуклеотидов. По выражению Пейджа, Y-хромосома – это «зал зеркал».

Многие из установленных генов Y-хромосомы находятся в палиндромах. Таким образом, отсутствие копии гена (в хромосоме-гомологе) компенсируется наличием его на другом конце палиндромной последовательности. Считается, что в данном случае мутантная копия исправляется за счет процесса так называемой конверсии – однонаправленного переноса генетической информации. «Перетасовка» генов способствует элиминации мутантных копий гена.

Согласно расчетам специалистов группы Пейджа, Y-хромосома каждого из мужчин содержит по крайней мере 600 нуклеотидов, которые отличаются от таковых в хромосоме его отца. Установленный уровень изменчивости в тысячи раз превышает таковой для естественных мутаций. Учитывая раскрытый механизм поддержания генетического постоянства Y-хромосомы, возможность ее исчезновения через 5–10 млн лет теперь можно считать маловероятной. Стив Розен, один из руководителей проекта, отмечает, что это вряд ли случится даже за 50–60 млн лет, если человеку как виду суждено прожить столь долгий срок. Но даже если ныне существующей Y-хромосоме и предстоит исчезнуть, то ее необыкновенные приключения продолжатся и после ее исчезновения.

Ученые выяснили это, исследуя Y-хромосому плодовых мушек-дрозофил, половые различия которых, как и у человека, определяются парами Х–Х и X–Y. Американские исследователи А.Карвальо и А.Кларк выявили поразительный факт: нынешняя Y-хромосома одного из видов дрозофил (D.pseudoobscura) – это «самозванец», не имеющий никакого родственного отношения к древней, истинной, Y-хромосоме этих мушек.

Используя результаты недавней полной расшифровки генома дрозофил, американские исследователи проследили, куда же девались мужские гены древней Y-хромосомы у этого вида (какие это гены, они знали по геномным последовательностям других видов дрозофил), и нашли их в полной сохранности на аутосомах. Откуда же взялась у самцов дрозофилы этого вида нынешняя Y-хромосома? Геномное расследование показало, что это обычная аутосома, которая когда-то, после полной деградации и исчезновения древней Y-хромосомы, присоседилась к оставшейся в одиночестве Х-хромосоме и стала ее партнером по паре.

Это доказывает, что Y-хромосома может жить и после своей смерти. Она воскресает в новом обличье псевдо-Y-хромосомы. Что же до мужских половых генов, то природа изобрела другие пути их сохранения: она позволила им в случае смертельной угрозы «переселяться» (копироваться) на обычные хромосомы.

Этот факт был известен и ранее. Как обнаружилось в генетических исследованиях, существуют мужчины, у которых набор половых хромосом не X–Y, а Х–Х. Но при этом на кончике одной из X-хромосом (той, что пришла от отца) находится ген SRY. Удалось даже выяснить, откуда он там взялся. Оказывается, в ходе образования сперматозоида этот участок случайно отломился от своей Y-хромосомы и уселся на (отцовскую же) Х-хромосому, вместе с которой вошел потом, при оплодотворении, в яйцеклетку. А еще позже, уже в эмбрионе, этот участок включился в работу и сделал эмбрион мужским – только с двумя Х-хромосомами.

Так что одна из возможностей, которая могла бы открыться перед мужчинами после окончательной деградации Y-хромосомы, – это переход участка SRY на соседнюю Х-хромосому или на аутосому какой-то другой, не половой пары. Возможно даже образование какого-то нового «мужского» участка, играющего роль бывшего SRY.

Мало кто знает, но это уже произошло по крайней мере у одного вида млекопитающих – у закавказской слепушонки (Ellobius lutescens). У этого вида грызунов половые хромосомы самцов и самок одинаковы (ХО), и фактор определения пола связан с одной из аутосом. В итоге самцы и самки этого вида продуцируют гаметы с 8 и 9 хромосомами. При этом комбинации 8+8 и 9+9 летальны; 8+9 дает самцов, а 9+8 – самок.

Однако в случае с дрозофилами, как показали исследования Карвальо и Кларка, приключения Y-хромосомы выглядели еще сложнее и запутанней. Оказывается было не две Y-хромосомы – «древняя», общая для всех видов дрозофил, и нынешняя, а целых три: Y-хромосома исходная, Y-хромосома древняя и Y-хромосома нынешняя. Дело, очевидно, происходило так.

Исходная Y-хромосома была общей у всех видов дрозофил. Но со временем она полностью деградировала, и тогда ее место заняла некая «сверхштатная» хромосома (она называется В-хромосомой), которая часто обнаруживается в геномах растений и насекомых, а также некоторых млекопитающих.

Эта В-хромосома представляет собой некую загадку: ученые предполагают, что она образуется из случайно соединившихся вместе обломков ДНК, плавающих в ядре клетки. В-хромосома не способна спариваться с обычными аутосомами и чаще всего ведет одиночное существование, при делении переходя от материнской клетки к одному из ее потомков. Но у нее есть странное сродство с Х-хромосомой, и как только эта половая хромосома после полной деградации исходного Y-партнера оказалась в одиночестве (авторы полагают, что это случилось 63 млн лет назад, когда образовались все основные виды современных дрозофил), В-хромосома, видимо, предложила ей себя в качестве пары. Ее то и считали раньше древней Y-хромосомой всех дрозофил. На самом деле, как видим, она у них вторая по счету.

Конечно, В- и Х-хромосомы не содержали одинаковых генов (В-хромосома – просто сборка случайных генов и негенных участков ДНК), но партнерство было выгодно им обеим, т.к. в процессе деления клетки на две половые они могли теперь выступать как нормальная пара вроде X и Y. Поэтому многие гены других хромосом, имеющие какое-либо отношение к мужскому полу, начали постепенно переселяться или копироваться на В-хромосому, и она претерпела процесс превращения в псевдо-Y-хромосому. Как уже сказано, Карвальо и Кларк полагают, что этот процесс замены Y на В произошел у дрозофил примерно 63 млн лет назад, потому что у всех их видов роль Y-хросомомы играет именно эта псевдополовая хромосома.

У всех, кроме вида D.pseudoobscura. У этих дрозофил (и у их ближайших сородичей) нынешняя Y-хромосома (вернее, хромосома, которая сейчас играет ее роль) совершенно не похожа на древнюю (т.е. нынешнюю у всех остальных видов). У D.pseudoobscura их нынешняя Y-хромосома – уже третье воплощение Y-хромосомы, которое возникло, скорее всего, 18 млн лет назад, когда D.pseudoobscura впервые отделилась от общей дрозофильной семьи, а именно от вида D.melanogaster.

Главным в ее обособлении было то, что у нее появилась необычно большая по размеру Х-хромосома. А появилась она потому, что прежняя Х-хромосома D.melanogaster соединилась с куском ее же аутосомы 3L, что, естественно, увеличило размеры Х-хромосомы. Карвальо и Кларк предполагают, что при этом второй кусок аутосомы 3L (они обозначают его Y2) остался непарным, и, когда древняя Y-хромосома нового вида (авторы для ясности называют ее Y1) деградировала, этот Y2 стал играть ее роль, причем к настоящему времени он тоже уже далеко продвинулся по пути деградации.

Эту гипотезу удалось доказать, когда ученые обнаружили, что 15 генов этой нео-Y-хромосомы (Y2) попарно сходны с генами аутосомы 3L у D.melanogaster. Более того, они обнаружили и следы бывшей Y-хромосомы (той, которую обозначили Y1) – ее ключевой участок (тот, который отвечает за образование яичек у эмбриона) оказался переселившимся на пару обычных хромосом (аутосом). И что самое фантастическое, мало того что теперь этот «мужской участок» имелся в двух копиях (по одной на каждой аутосоме), как обычные гены, так он еще восстановил те свои размеры, которые имел десятки миллионов лет назад, до деградации. Иными словами, произошло что-то вроде восстановительных работ.

Распутывание всей этой сложной истории половых хромосом дрозофилы явно стоило затраченных усилий: оно показало возможности жизни после смерти Y-хромосом. За последние 100 млн лет простенькие дрозофилы, сохраняя одну и ту же Х-хромосому, изобрели три различных типа Y-хромосом: исходные, древние и нео. Некоторые данные указывают, что на такие же трансформации способны и половые хромосомы птиц и других позвоночных. Создается впечатление, что в действительности Y-хромосома бессмертна.

По материалам

Стикс Г. «Картограф» мужского генома // В мире науки. 2005. № 11. С. 12–13.

Carvalho A.B., Clark A.G. Y-Chromosome of D.pseudoobscura is not homologous to ancestral drosophila Y // Science. V. 307. P. 108–110.

Tilford C. et al. A physical map of the human Y-chromosome // Nature. 2001. V. 409. P. 943–945.