Y-хромосомы человекообразных обезьян сильно отличаются повторами и палиндромами, которые помогают «игреку» оставаться в рабочем состоянии.

Фото: JUNI / Unsplash.com
Открыть в полном размере

До последнего времени в человеческом геноме сохранялись довольно крупные непрочитанные куски. Мы рассказывали, почему эти белые пятна так долго оставались незакрытыми: главная причина была в том, что некоторые последовательности ДНК трудно точно прочесть, а потом трудно правильно встроить в целый геном. Многие непрочитанные куски принадлежали Х- и Y-хромосоме. И вот сейчас, с развитием научных методов, непрочитанное удалось прочитать.

Но раз теперь мы можем читать прежде трудночитаемое, значит, можно обратить внимание на соответствующие геномные куски наших ближайших родственников, то бишь человекообразных обезьян. Эту работу проделали множество исследователей из разных научных центров; были среди них и сотрудники Высшей школы экономики и Института молекулярной генетики РАН. В статье в Nature они сравнивают половые хромосомы двух видов шимпанзе, обыкновенного и карликового (бонобо), двух видов орангутанов, калимантанского и суматранского, и гориллы. Кроме того, исследователи также прочитали половые хромосомы сиаманга, который относится к гиббоновым обезьянам. Гиббоновых иногда называют малыми человекообразными: они близки к человеку, но не так сильно, как «главные» человекообразные.

Если сравнивать между видами, то «игрек» выглядит намного разнообразнее «икса», в том числе и по своим размерам. «Икс» варьирует от 154 млн букв (то есть четырёх видов нуклеотидов, которые образуют ДНК) у человека и шимпанзе до 178 млн у гориллы. «Игрек» же варьирует от 30 млн букв у сиаманга до 68 млн у суматранского орангутана. И даже если Y-хромосомы близки по размеру, в их «тексте» всё равно будут ощутимые различия. Х-хромосомы человека и шимпанзе похожи своими последовательностями на 98%, Y-хромосомы – всего лишь на треть.

На самом деле, такой изменчивости в Y-хромосоме следовало ожидать. У всех хромосом, кроме неё, есть пары, и даже Х-хромосома может оказаться парной – в клетках особи женского пола. Парность помогает исправлять дефекты: если в одной копии хромосомы возникает мутация (например, выпадает кусок гена), вторая копия служит шаблоном, чтобы восстановить первую. «Игрек» всегда без пары, все мутации, все дефекты в нём накапливаются и накапливаются, и, собственно говоря, даже непонятно, почему Y-хромосома дожила до наших дней. Известно, что за миллионы лет развития млекопитающих вообще и приматов в частности размер мужской половой хромосомы сильно уменьшился, что дало повод некоторым исследователям спрогнозировать полное её исчезновение в будущем. Тут можно возразить, что «игрек» несёт гены, абсолютно необходимые для формирования половых клеток, и по этим генам видно, что они подвергаются очищающему отбору – то есть из популяции исчезают все модификации, которые ухудшают работу генов. Высокая важность генов «игрека» как будто говорит о том, что исчезнуть полностью мужской половой хромосоме не суждено. Однако нельзя сказать, что в природе такого вообще не происходит. Например, на свете есть рюкийская колючая мышь, у которой вообще нет Y-хромосомы, но самцы рюкийской колючей мыши всё равно остаются самцами.

Тем не менее, даже если учесть, что бракованные модификации важных «игрековых» генов вымываются из популяции, всё равно остаётся вопрос, как им удаётся работать. Представим, что в важный ген попала мутация, которая сделала его чуть хуже. Носитель гена оставит меньше потомства, и его дефектный ген будет представлен в меньшем числе копий по всей популяции. Но «меньше» и «больше» – понятия относительные. Что, если самца с дефектом окружают самцы, у которых дефекты в «игреке» ещё более серьёзные? Тогда преимущество будет всего лишь у наименее дефектной хромосомы. А поскольку вредные мутации случаются чаще, чем полезные, легко представить, как Y-хромосома становится всё более и более нефункциональной.

Тем не менее, у генов «игрека» есть способы противостоять мутациям, и исследователи эти способы описывают. Во-первых, гены на Y-хромосоме часто присутствуют во множестве копий. При репликации (копировании) ДНК случается так, что определённый участок удваивается, причём удвоиться может целый ген и даже несколько генов. В «игреке» у приматов это происходило много раз. И теперь, даже если в одну копию гена попадёт мутация, другая копия подстрахует организм в половой функции. Потом, спустя много поколений, нормальная копия может ещё раз удвоиться, а дефектная исчезнуть.

Во-вторых, в Y-хромосомах приматов оказалось много палиндромных участков. Палиндром возникает, когда некая последовательность удваивается, но при этом встаёт рядом с оригиналом в обратном, инвертированном, палиндромальном порядке, как слова «кот–ток». Палиндромные последовательности позволяют исправлять мутации друг в друге. Таковы особенности молекулярных машин, обслуживающих ДНК: если последовательности прямые («кот – кот – кот»), то их нельзя использовать, чтобы исправить соседа, а если палиндромные, то одна последовательность служит шаблоном для исправления своей инвертированной копии. Можно сказать, что обилие палиндромов позволяет Y-хромосоме не слишком беспокоиться об отсутствии хромосомной пары.

Кстати, именно из-за обилия повторов и палиндромов человеческую Y-хромосому долго не могли прочесть полностью. Но когда прочли, оказалось, что даже у отдельных мужчин она заметно отличается как общими размерами, так и числом повторов отдельных генов: так, ген TSPY, участвующий в формировании сперматозоидов, у одного мужчины может быть в тридцати девяти копиях, а у другого, скажем, в двадцати трёх. С прочитанными половыми хромосомами человекообразных обезьян эволюция «икса» и «игрека» станет более ясной, и, возможно, у нас получится точнее предсказать не только судьбу мужского «игрека», но и узнать возможные – и пока что неизвестные – причины бесплодия, как мужского, так и женского.