Зачем нужна Y-хромосома?

Последние исследования американских генетиков заставляют кардинально пересмотреть взгляды на особенности Y-хромосомы и её значение в эволюции человека

Американские генетики в последнем выпуске журнала Nature опубликовали результаты подробного анализа последовательности Y-хромосомы человека. Их открытие заставляет кардинально пересмотреть взгляды на особенности Y-хромосомы и её значение в эволюции человека.

Как известно, человеческий кариотип (хромосомный набор) состоит из 24 пар больших молекул ДНК – хромосом – 23-х так называемых аутосом и пары половых хромосом. У женщины половые хромосомы представлены парой одинаковых Х-хромосом, тогда как ядро мужчины содержит одну Х- и одну Y-хромосому. В средине ХХ столетия было установлено, что Y-хромосома играет ключевую роль в определении пола зародыша в ходе эмбрионального развития. Также было известно, что в ней содержится серия генов, отвечающих за процессы сперматогенеза. Считалось, что хромосома Y содержит всего около 40 генов (против тысяч, содержащихся в других хромосомах). Вот, собственно, и всё, что отводилось этой самой маленькой хромосоме человеческого хромосомного набора.

В случае хромосом, имеющих пару, каждый из генов представлен двумя копиями. Эта избыточность предохраняет организм от возможных последствий возникновения вредных мутаций в одном из аллелей. Кроме того, присутствие гена в двух копиях позволяет производить исправление большинства возникающих ошибок в одной из хромосом, используя последовательность другой в качестве матрицы. Y-хромосома не имеет пары, поэтому до последнего времени считалось, что она является "деградирующей свалкой" генетического материала. Бытовало мнение, что отсутствие возможности исправления возникающих ошибок приводит к постепенной инактивации генов Y-хромосомы. Некоторые исследователи даже утверждали, что при существующих темпах её деградации, Y-хромосома исчезнет из генома человека приблизительно через 5 миллионов лет, о чем в своё время уже писалось на Компьютерре Онлайн.

Результаты исследований группы специалистов во главе с Дэвидом Пейджем (David Page), представляющих Уайтхедовский институт биомедицинских исследований (Whitehead Institute for Biomedical Research), Кембридж, и Вашингтонскую университетскую школу медицины (Washington University School of Medicine) в Сент-Луисе, США, вероятно, заставят в основе пересмотреть старые взгляды на функции и механизмы функционирования Y-хромосомы. Что же такого нового и необычного в работе американских учёных?

Во-первых, для анализа была использована информация о полной последовательности Y-хромосомы, полученная в рамках международного проекта "Геном человека", завершившегося в апреле текущего года. Более 50 млн. нуклеотидных пар – такова длина Y-хромосомы человека (и это лишь самая малая наша хромосома), которая является первой полностью секвенированной Y-хромосомой живого организма.

Во-вторых, было установлено, что исследуемая хромосома содержит не 40, как считалось раньше, а целых 78 генов. Один из них, как уже отмечалось, выполняет роль "переключателя" в процессе определения пола человека и связан с синтезом так называемого H-Y-антигена. Функция ещё трёх генов заключается в формировании определенных белковых комплексов, а один ген связан функциями нервной системы (о чём подробнее несколько позже). Многие гены отвечают за формирование мужских половых клеток. О роли 18 из 78 генов Y-хромосомы учёные пока ничего определённого сказать не могут. В частности, предполагается, что их исследование может помочь разобраться с причинами возникновения различных форм мужского бесплодия.

Одним из важнейших выводов, к которым пришли американские исследователи, является то, что Y-хромосома – не такая уж "беспомощная", как было принято считать ранее, и обладает высокоэффективными механизмами самовосстановления. Их изучение также может иметь большое значение в решении вопроса о происхождении человека.

Было установлено, что Y-хромосома противостоит деградации за счёт наличия палиндромов. Палиндромы или т.н. зеркальные последовательности, в общем случае представляют последовательности из двух одинаковых частей, расположенных в противоположных направлениях (например, палиндромом будет число 20200202). В случае ДНК палиндромом будет последовательность азотистых основ, например, АТЦАГЦ ЦГАЦТА. Так вот, проведённый 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 за счёт наличия его на другом конце палиндромной последовательности. Утверждается, что в данном случае мутантная копия исправляется за счёт процесса т.н. конверсии – однонаправленного переноса генетической информации. "Перетасовка" генов способствует элиминации мутантных копий гена. Группа Пейджа подсчитала, сколько таких замен в расчёте на одно поколение должно произойти, чтобы сохранить исходную последовательность. Согласно полученных ими результатов, 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.

Учёные отмечают, что в процессе "тасования" нормальные гены имеют такие же шансы быть утерянными, как и дефектные. Это как раз и может быть причиной мужского бесплодия. Считается, что причина стерильности, которой страдает один из нескольких тысяч мужчин, заключается в удалении ключевых генов, отвечающих за формирование яичек и спермы.

Учитывая раскрытый механизм поддержания генетического постоянства Y-хромосомы, возможность её исчезновения через 5-10 млн. лет теперь можно считать маловероятной. Стив Розен (Steve Rozen), 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.

Напоследок остановлюсь на гене Y-хромосомы, который связан с некой пока не установленной функцией ЦНС. Предполагается, что в своё время именно он мог сыграть ключевую роль в эволюции человека. Часть хромосомы, в которой он находится, сформировалась на протяжении нескольких последних миллионов лет уже после расхождения эволюционных ветвей шимпанзе и человека. Не исключено, что этот ген обеспечил человеку определённое эволюционное преимущество и вызвал изменения, в конечном счете, обеспечившие возникновение современного человека.