Мальчик или девочка? Выясняют ученые

Сайт Naked Science 5 апреля 2017 г.
Газета Наука в Сибири №14 (3075) от 13 апреля 2017 г.

С точки зрения эволюции половых хромосом, змеи — создания скучные. Сформировали себе систему ZW и ползают по ней веками. Их не сильно отдаленные родственники — ящерицы — подошли к вопросу определения пола более творчески. Исследователи Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН изучают, каким образом работает механизм “мальчик или девочка” у игуанообразных пресмыкающихся рода Anolis.

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.

ZW-определение пола — биологический процесс, в ходе которого развиваются половые характеристики организма.

“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.

PDF-файл статьи