Портрет Y-хромосоми в юності

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 56

Про авторів

Артем Павлович Лісачов — аспірант Інституту цитології та генетики СО РАН. Галузь наукових інтересів — молекулярна біологія мейозу, порівняльна цитогенетика хребетних.

Павло Михайлович Бородін — доктор біологічних наук, завідувач лабораторії рекомбінаційного та сегрегаційного аналізу того ж інституту, професор кафедри цитології та генетики Новосибірського державного університету. Займається проблемами еволюційної генетики, генетики мейозу. Лауреат почесного диплома Президії РАН за кращі роботи з популяризації науки (2009).

Якщо що і залишається у людей в пам’яті про шкільний курс генетики, так це впевненість в тому, що у самок є дві однакові Х-хромосоми, у самців же — одна Х, а інша Y. Деякі навіть пам’ятають, що Х-хромосома велика і несе в собі тисячі генів, а Y — маленька, і генів у ній зовсім мало. Все правильно. Саме так зараз йдуть справи у людей і більшості ссавців, деяких видів риб, рептилій і амфібій.

Однак серед інших хребетних тварин ми виявляємо різні варіанти визначення статі. Більшість риб і багато видів рептилій взагалі обходяться без статевих хромосом: у них стать визначається умовами розвитку ембріонів. У всіх птахів, деяких видів риб і рептилій самці мають дві однакові Z-хромосоми, а самки — одну Z, іншу — W. Вони теж розрізняються за розмірами і змістом: як правило, Z більше, ніж W.

Чому це так? Чому статева хромосома, яка у одній зі статей присутня в одному екземплярі, зазвичай менше тієї, що є у іншої статі в двох примірниках? Це призводить нас до запитання, як виникають статеві хромосоми і чому одна з них — та, що в однієї з статей завжди на самоті, — з часом неодмінно деградує і, якщо вірити газетам, може навіть померти. Та що там газети, деякі цілком серйозні вчені стверджують, що Y-хромосома, що визначає чоловічу стать у людини та інших ссавців, дегенерує і досить скоро, за геологічними мірками, зникне [1]. Одні вважають, що після цього зникнуть чоловіки, а за ними і все людство. Інші вважають, що чоловіча стать нікуди не дінеться, але почне визначатися іншою генетичною системою. Нарешті, треті стверджують, що дегенерація зупинилася мільйони років тому і Y-хромосомі ніщо не загрожує [2].

Примітно, однак, що сам факт деградації Y хромосоми ніхто не заперечує. По-перше, тому що всі ознаки її деградації добре видно на ссавцях [1-3]; по-друге — тому що самотня, позбавлена партнера для рекомбінації, хромосома просто зобов’язана деградувати [4].

У світлі можливої загибелі Y-хромосоми ссавців ми спробуємо розглянути саме початок її еволюційного шляху: як вона виникла, як виглядала в юності, як набула своїх фатальних властивостей. «За плечима» статевих хромосом ссавців — довга еволюційна історія, і ми можемо спостерігати лише її фінальний етап. Для того щоб побачити її ранні стадії, ми звернемося не до ссавців, а до носіїв більш молодих статевих хромосом — рибам, а точніше, до акваріумної рибки гуппі. А оскільки всі теоретики (які рідко в чому один з одним погоджуються) згодні з тим, що саме придушення рекомбінації між Y- і Х-хромосомами прирікає Y на деградацію, ми звернемо особливу увагу на поведінку цих хромосом в мейозі у самців.

Перш ніж перейти власне до історії Y-хромосоми, ми повинні б коротко пояснити, як взагалі влаштовані хромосоми, що таке мейоз і як відбувається рекомбінація. Але ми це робити не будемо. По-перше, тому що інтелігентні читачі журналу і так це знають зі шкільного курсу біології. По-друге, тому що один з нас вже сто разів пояснював це у всіх своїх статтях * в журналі «Природа» і йому набридло повторюватися. По-третє, для тих читачів, які забули шкільний курс і не читали наших попередніх пояснень, ми в цій статті даємо так звану тепер інфографіку мейоза (рис. 1).

Ріс. 1. Основні події мейозу

Чотири віку Y-хромосоми

Перший вік. День народження. Як ми вже сказали, далеко не у всіх тварин підлога визначається хромосомами. Статеві хромосоми виникають тоді, коли в результаті мутації стать починає визначатися одним-єдиним геном, а не набором з декількох. Важливо зазначити, що цей ген зовсім не відповідає поодинці за всі ознаки статі. Для повноцінного розвитку як чоловічого, так і жіночого організму потрібна злагоджена робота багатьох генів. Більшість з них знаходиться в аутосомах. Продукт гена-детермінатора підлоги відіграє всього лише роль тригера, визначаючи той чи інший шлях розвитку. Якщо домінантний алель викликає розвиток чоловічої статі, то хромосома, в якій він знаходиться, стає статевою хромосомою Y (а її гомолог — Х). Якщо цей новий домінантний алель спрямовує розвиток по жіночому шляху, то несуча його хромосома стає хромосомою W (а її гомолог — Z).

В еволюції ссавців ця подія сталася у загального предка сумчастих і плацентарних один-єдиний раз, близько 180 млн років тому. Значить, Y-хромосоми всіх ссавців (від кенгуру до людини) — нащадки єдиної аутосоми, в якій один з алелей гена SOX3 в результаті мутації став майстер-геном чоловічої статі SRY (Sex Reversal Y). Приблизно в той же час або трохи пізніше (близько 140 млн років тому) птахи знайшли ZW систему визначення статі. І це теж сталося один раз і теж і на основі однієї-єдиної аутосоми.

Рис, 2. Еволюція Y-хромосоми

Інша справа риби. У них статеві хромосоми (і Y, і W) виникали багато разів, в різний час і на основі різних аутосом. У більшості випадків все це відбувалося відносно недавно. Системи визначення статі варіюють між видами навіть у межах відносно невеликого сімейства пецилієвих риб. Так, у гуппі — це XY-система, а у чорних моллінезій, що мали з нею загального предка всього 20 млн років тому, — ZW-система. Та що там види! У меченосців в межах одного виду зустрічаються популяції і з XY-, і з ZW- і з нехромосомними системами визначення статі.

Чому це так? Чому риб’ячі статеві хромосоми такі молоді, набагато молодші за наших з вами і пташиних статевих хромосом, хоча самі риби набагато старші за нас? Найпростіше пояснення — саме тому, що вони набагато старші за нас: ті з них, хто давно завів статеві хромосоми, вже вимерли (є і більш дотепна гіпотеза під назвою «Фонтан молодості», про яку ми розповімо трохи пізніше).

Як справедливо зауважив Козьма Прутков, «перший крок немовляти є перший крок до його смерті». Коли аутосома стає хромосомою Y, невблаганна логіка природного відбору спрямовує її шляхом повільної і неминучої деградації (рис. 2). Кожен крок еволюції при цьому веде до підвищення пристосованості або принаймні до збереження її рівня, досягнутого предками, а в результаті цих кроків ціла хромосома деградує.

Другий вік. Дитинство і збирання чоловічих генів. На Y-хромосомі починають накопичуватися гени, що відіграють важливу роль у житті самців. У людини, наприклад, крім гена SRY, що визначає стать, є гени, що відповідають за сперматогенез і формування насінників. У гуппі Y-хромосома містить гени, що відповідають за елементи шлюбного наряду — яскраве забарвлення тіла і привабливу форму плавників (рис. 3, 4).

Рис, 3. Різноманітність забарвлення у самців гуппі. Фото: Fish ETC

Рис, 4. Фенотипічний прояв генів, локалізованих на Y-хромосомі гуппі [7]

Гени, корисні для однієї статі і марні або шкідливі для іншої, називаються статевими антагоністами. У геномі час від часу відбуваються перебудови: гени можуть копіюватися (дупликації), вирізатися (делеції), переноситися на інше місце (транслокації), змінювати свою орієнтацію в хромосомі (інверсії). Коли такі перебудови виявляються шкідливими, природний відбір відсіює їх. Однак у випадку зі статевими антагоністами переноси самцевих генів з аутосом на Y-хромосому можуть бути досить корисними, і тоді природний відбір утримує їх, і вони закріплюються.

Третій вік. Юність і замикання рекомбінації. Самцеві гени повинні бути на Y-хромосомі. Однак у кожному поколінні в мейозі юні Y-хромосоми у самців зближуються з X-хромосомами і вступають з ними в рекомбінацію, в результаті якої самцеві гени можуть іноді відриватися від гена SRY і йти на X-хромосому. Нащадки, які отримали такі рекомбінантні хромосоми, опиняються в невигідному становищі: сини втрачають такі їм необхідні чоловічі достоїнства, а дочки їх набувають, хоча їм ці достоїнства ні до чого. У виграші опиняються ті самці, у яких рекомбінація між SRY і генами чоловічих достоїнств відбувається вкрай рідко або її взагалі немає.

В результаті будь-яка мутація, що замикає рекомбінацію в Y-хромосомі між SRY і генами чоловічих достоїнств, негайно підхоплюється відбором і стає надбанням всього виду. Водночас відбір підтримує рекомбінацію за межами цього району, оскільки вона необхідна для забезпечення нормальної розбіжності хромосом у другому поділі мейозу (див. рис. 1). Як правило, до самої смерті Y зберігає певний район гомології з Х (так званий псевдоаутосомний район). У молодих статевих хромосом він відносно довгий, у старих — дуже короткий. У більшості ссавців він становить близько 5% від довжини Y-хромосоми, а у деяких відсутній зовсім.

Четвертий вік. Старіння і деградація. Припинення рекомбінації в будь-якому районі будь-якої хромосоми неминуче веде до деградації. Чому це так? Про це говориться в статті «Історія самотньої хромосоми» [4]. А до чого ця деградація може призвести, один з нас вже писав у «Природі^{» *} *. До цих статей ми і відсилаємо цікавих читачів, а самі переходимо до опису юних Y-хромосом. Як ми вже говорили, їх треба шукати у риб і, як завжди, найкраще під ліхтарем — у акваріумних.

Y-хромосомі стільки років, на скільки вона виглядає

У рибки гуппі Y-хромосому знайшли ще в 1934 р. Вчені помітили, що деякі ознаки забарвлення передаються тільки по батьківській лінії і ніколи не проявляються біля самок [5]. На основі цих спостережень уклали, що гени, що відповідають за такі ознаки, повинні перебувати в Y-хромосомі. Однак тоді методи роботи з препаратами хромосом не дозволили ідентифікувати статеві хромосоми: вони занадто схожі один на одного. Тільки в 1990 р. за допомогою спеціального фарбування дослідники змогли розрізнити X- і Y-хромосоми гуппі. Виявилося, що Y несе в дистальному (тобто у віддаленому від центромери) районі великий блок щільно упакованої ДНК (гетерохроматину), який відсутній у Х-хромосоми (за рахунок нього Y трохи довший за свій гомолог). Автори роботи припустили, що нерекомбінуючий Y-специфічний сегмент гуппі, що містить гени чоловічих достоїнств, знаходиться саме в цій дистальній ділянці [6].

Пізніше з використанням флуоресцентної гібридизації ДНК in situ (Fluorescence in situ hybridization — FISH) з’ясували, що цей район включає унікальні для Y-хромосоми послідовності ДНК. Фарбувавши ДНК самця і самки гуппі різними флуоресцентними барвниками, дослідники нанесли їх на препарати хромосом. Оскільки між однаковими послідовностями ДНК є спорідненість, завдані проби зв’язалися з ДНК хромосом. При цьому дистальний район Y-хромосоми світився тільки одним кольором, а весь інший геном — обома. Це означало, що в дистальному сегменті знаходяться унікальні послідовності ДНК, яких немає в геномі самки. Таким чином, було підтверджено висновок про те, що статеві хромосоми гуппі діляться на два сегменти — гомологічний проксимальний (близький до центроміри) і специфічний дистальний [7].

Значить, перші два віку Y-хромосома гуппі вже прожила: вона народилася і зібрала в собі гени чоловічих достоїнств. Чи увійшла вона в третій вік, чи виникла в ній заборона на рекомбінацію між цими генами і геном-визначником статі? І якщо так, то наскільки велика заборонена зона?

Відповідь на це питання могли дати дослідження мейотичних хромосом. У 1995 р. один з нас (разом з колегами) провів електронно-мікроскопічний аналіз спарювання статевих хромосом у мейозі у самців гуппі, і вирішив (самостійно), що Х і Y повністю гомологічні один одному. Це здавалося досить обґрунтованим: в абсолютній більшості з сотень проаналізованих клітин всі хромосоми були зближені по всій довжині. Нечисленні пари хромосом, де синапсис виявився неповним, а довжина хромосом трохи відрізнялася, один з нас помилково вважав артефактами [8].

З результатів електронно-мікроскопічного дослідження, опублікованих у 2001 р. [7], випливало, що порівняно з аутосомами для статевих хромосом гуппі характерна невелика затримка в синапсисі. У міру синапсису довша Y-хромосома змушена скорочуватися до тих пір, поки довжини хромосом не зрівняються. Автори припустили, що спарювання починається в проксимальному гомологічному сегменті, а потім поширюється в бік дистального, негомологічного, де, за їхніми уявленнями, рекомбінації бути не повинно. Оскільки використовуваний метод не дозволяв відрізняти проксимальні кінці від дистальних, автори вирішили, що якщо у Х і Y дистальні кінці різні, а проксимальні однакові, то саме в них повинен відбуватися синапсис [7].

Однак такому умовиводу суперечили спостереження тих же авторів за хромосомами самців гуппі в метафазі I мейоза (див. рис. 1). На цій стадії статеві хромосоми завжди пов’язані між собою дистальними кінцями, чого не повинно бути при відсутності рекомбінації в дистальному сегменті. У проксимальному сегменті теж спостерігалися точки з’єднання, але вкрай рідко. Щоб звести кінці з кінцями, автори припустили, що спарювання дистальних кінців пов’язане не з рекомбінацією, а з якимось іншим механізмом.

У новій роботі, опублікованій в 2009 р., рекомбінацію статевих хромосом гуппі автори вивчали генетично і виявили групу генів, за розподілом яких у потомства визначили частоту рекомбінації між X- і Y-хромосомами. З’ясували, що такий обмін відбувається вкрай рідко (всього в 2% клітин), причому обмежений він невеликою ділянкою в проксимальному районі [9]. Виходячи з отриманих даних, випливало, що у гуппі рекомбінація між статевими хромосомами або майже припинилася, і значить, її Y-хромосома набагато старше, ніж вона виглядає, або автори цих робіт десь помиляються.

Реабілітація юної Y-хромосоми

Щоб усунути ці незв’язки, ми вирішили вивчити статеві хромосоми гуппі за допомогою імуноокрашивання ключових білків мейозу (такий метод раніше не застосовувався в дослідженнях цього виду) ^* * *. З насінників гуппі приготували препарати мейотичних клітин і нанесли на них мічені флуоресцентними барвниками антитіла до двох білків — SYCP3 і MLH1. Перший білок утворює осі хромосом, а другий маркує точки рекомбінації. ДНК ми пофарбували синім флуоресцентним барвником DAPI. У результаті нам вдалося отримати зображення бівалентів (спарених хромосом) з позначеними на них точками рекомбінації (рис. 5, а). У кожній клітині було 23 біваленти, і кожен мав принаймні одну точку рекомбінації. Який же з них утворений X- і Y-хромосомами і де у XY-бівалента проксимальний кінець, а де дистальний, тобто де знаходяться центромери складових його хромосом?

Рис, 5. Біваленти хромосом самця гуппі, отримані методом імуноокрашивання двох білків мейозу — SYCP3, який утворює осі хромосом, і MLH1, що маркує точки рекомбінації. За допомогою мічених флуорохромом антитіл (червоним для осьового білка і зеленим — для маркера MLH1) вдалося визначити позиції цих точок на всіх бівалентах (а). На тих же мейотичних клітинах після проведення реакції FISH в кожному біваленті виявилися гетерохроматинові райони (дифузний зелений сигнал), що примикають до центромерів. За допомогою FISH визначили і положення XY-бівалента. На його дистальному кінці розташовувався великий гетерохроматиновий район [5]

Для ідентифікації XY-бівалента використовували флуоресцентну in situ гібридизацію ДНК самця гуппі з його мейотичними хромосомами. Ми нанесли на препарати хромосом позначену зеленим флуорохромом пробу ДНК і за допомогою цього методу виявили гетерохроматинові (що містять сильно ущільнену ДНК) райони хромосом. Це були блоки прицентромірного гетерохроматину на всіх хромосомах, включаючи і X, і Y, а також дуже великий гетерохроматиновий блок на дистальному кінці статевого бівалента (рис. 6, б). У статевих бівалентах з незавершеним синапсисом мічений дистальний сегмент був спарений, а проксимальні кінці X і Y хромосом залишалися вільними (рис. 6, а, б). Саме так виглядала більшість статевих бівалентів з незавершеним синапсисом.

Рис, 5. Біваленти хромосом самця гуппі, отримані методом імуноокрашивання двох білків мейозу — SYCP3, який утворює осі хромосом, і MLH1, що маркує точки рекомбінації. За допомогою мічених флуорохромом антитіл (червоним для осьового білка і зеленим — для маркера MLH1) вдалося визначити позиції цих точок на всіх бівалентах (а). На тих же мейотичних клітинах після проведення реакції FISH в кожному біваленті виявилися гетерохроматинові райони (дифузний зелений сигнал), що примикають до центромерів. За допомогою FISH визначили і положення XY-бівалента. На його дистальному кінці розташовувався великий гетерохроматиновий район [5]

Таким чином, ми встановили, що у гуппі спарювання статевих хромосом починається з дистального кінця, а не з проксимального, як вважали раніше. Чи так це важливо, з якого кінця починається синапсис, якщо по його завершенні хромосоми все одно виявляються спареними по всій довжині і, здавалася б, рекомбінація можлива? У тому-то й річ, що, відповідно до сучасних уявлень, це дуже важливо, адже рекомбінація тільки й може відбуватися в точках ініціації синапсису, оскільки вона його й ініціює (див. рис. 1, зіготена). Точки рекомбінації ми спостерігали майже на всіх статевих бівалентах, а не тільки на 5% з них, як передбачали генетичні дані.

Точки ці показували дуже цікавий розподіл: в проксимальній половині XY-бівалента їх зовсім не було, зовсім мало (близько 5%) — приблизно в його середині, а всі інші концентрувалися в дистальній чверті бівалента (рис. 6, в, г). Між цими двома районами знаходилася зона, заборонена для рекомбінації. Переважна локалізація обмінів на кінці цілком узгоджується з давно виявленим з’єднанням кінців статевих хромосом на пізніх стадіях мейозу. Цей факт підтвердили і наші дослідження.

Тепер кінці з кінцями начебто сходяться (рис. 7). Згідно з нашою моделлю, синапсис починається в зіготені переважно з дистальних кінців статевих хромосом, де в пахітені спостерігається абсолютна більшість точок рекомбінації, а в метафазі I виявляються хіазми, що гарантує правильну розбіжність хромосом в гамети. Залишається одне питання — чому проведений раніше генетичний аналіз виявив так мало точок рекомбінації між X і Y тільки в середині бівалента, а на його кінці навіть не виявив їх безліч? Вся справа в тому, що як підтвердили останні дослідження з використанням FISH, в руках генетиків поки немає маркерів, локалізованих на дистальному кінці, і дослідники просто не бачать відбуваються там обмінів.

Рис, 7. Поведінка статевих хромосом у мейозі у самців гуппі за даними попередніх робіт (вгорі) і по наших. Синім позначений Y-специфічний сегмент, рожевим — Х-специфічний. Гуртками показано центромери

Отже, ген-детермінатор підлоги, що містяться в Y-хромосомі ген-детермінатор, гени чоловічих достоїнств і самцовий блок гетерохроматину, який примкнув до неї, швидше за все, знаходяться в забороненій для рекомбінації зоні, розташованій в дистальному районі хромосоми. Оскільки зона ця поки невелика, то значить і Y-хромосома вивчених нами рибок ще дуже молода і виглядає досить непогано.

Що чекає Y-хромосому в майбутньому?

Мабуть, особливості спарювання і рекомбінації, характерні для статевих хромосом гуппі, виникали на основі невеликої зміни рис, властивих аутосомам. На них ми теж спостерігаємо ініціацію спарювання в дистальних районах і переважно дистальну локалізацію точок рекомбінації. У проксимальних районах аутосом рекомбінація відбувається відносно рідко.

Яке майбутнє приготоване статевим хромосомам гуппі?

Сценарій № 1, песимістичний. Заборонена для рекомбінації зона пошириться далі в проксимальному напрямку, і всі рекомбінаційні події зосередяться на кінці дистального сегмента. Різниця в довжині між X і Y буде наростати, гомологія в проксимальному районі зникне, і спарювання припиниться. За цим повинна послідувати деградація нерекомбінуючого сегмента. Так з часом (приблизно через 150 млн років) настане передсмертний стан статевих хромосом.

Сценарій № 2, оптимістичний. Відбудеться зміна системи визначення статі з XY на ZW або ж XY утворюється на основі зовсім іншої пари аутосом Для цієї достатньо однієї мутаційної події — виникнення домінантного гена перемикача підлоги, який перехопить на себе управління зі старого гена. Як тільки це станеться, старі статеві хромосоми негайно стануть пересічними аутосомами, а хромосома, що містить новий ген-перемикач, перетвориться на Y (або W), а її гомолог — на Х (або Z). Такі зміни, мабуть, не раз відбувалися в еволюції риб і тому їхні статеві хромосоми залишаються вічно молодими.

Сценарій № 3, косметичний. Основна причина старіння і деградації Y (або W) хромосоми — це придушення рекомбінації. Якщо час від часу знімати заборону на рекомбінацію і дозволяти вічно юній хромосомі Х хоч іноді обмінюватися генами зі старіючою Y, то ця остання може омолодитися. Гіпотезу «фонтану молодості» запропонував швейцарський вчений Нікола Перрін [10]. Вона виходить з наступних передумов.

Відомо, що рекомбінація залежить від реальної, а не від хромосомної статі. Наприклад, у нормальних (ХХ) самок ссавців частота рекомбінації в аутосомах вище і точки рекомбін