Кошки, гены и эволюция - Павел Михайлович Бородин

Где? В зачатках еще не дифференцированных по полу половых желез.

Когда? Когда зачатки уже есть, но еще не дифференцированы.

Как долго? У мыши – день-полтора. У кошки, видимо, тоже. Когда дифференцировка гонады завершается, он уже не нужен.

Что он делает? Синтезирует белок под названием Sex-determining region Y-protein – белок определяющего пол района Y-хромосомы. Он связывается с ДНК гена SOX9 на хромосоме E1, который синтезирует другой белок, который связывается с ДНК других генов, которые запускают дифференцировку клеток, которые продуцируют тестостерон и антимюллеровский гормон, которые индуцируют развитие по мужскому типу135. Вот такой типичный для генной регуляции “Дом, который построил Джек”.

Итак, ген SRY, который находится на Y-хромосоме, – это ключевой регулятор пола у кошек и всех остальных млекопитающих, включая и нас с вами. Как он оказался на Y-хромосоме и откуда вообще взялись половые хромосомы?

Взлет и падение Y-хромосомы

Множество раздельнополых животных и растений прекрасно обходятся без половых хромосом. Пол у них определяется кумулятивным действием нескольких генов или условиями среды: температурой, социальным статусом, возрастом и другими обстоятельствами. Половые хромосомы возникали в эволюции животных и растений многократно и независимо на основе разных пар хромосом. Они появлялись, когда в результате мутации пол начинал определяться не условиями среды и не сочетанием нескольких генов, а одним-единственным геном.

За направление развития в сторону мужского пола в таком случае отвечает один вариант (аллель) гена, а за развитие по женскому пути – другой. В присутствии обоих вариантов одновременно доминирует один из них: мужской в Y-хромосоме или женский в W-хромосоме, как у птиц. Несущие этот ген хромосомы и становились половыми. А не несущие (то есть все остальные хромосомы) – их же надо как-то называть – называют аутосомами.

Специалисты по половым хромосомам давно пришли к убеждению, что у общего предка млекопитающих, который жил на Земле около 200 миллионов лет назад, будущие хромосомы X и Y были одинаковыми и полностью гомологичными. Около 170 миллионов лет назад у общего предка сумчатых и плацентарных млекопитающих на одной из них (той, которая потом стала Y) ген SOX3 удвоился, и в одной из копий возникла мутация, превратившая его в главный ген мужского пола SRY136. Только этим и различались тогда X– и Y-хромосомы[60].

Однако со временем на Y-хромосоме рядом с геном самцовости SRY стали накапливаться полезные для самцов гены. Сейчас их довольно много – гены, контролирующие сперматогенез, высокий рост и прочие мужские достоинства. Они возникали за счет мутаций и/или переносились туда из других хромосом.

Поскольку самкам такие гены были как минимум бесполезны, а иногда и вредны, естественный отбор стал подхватывать любые изменения, предотвращающие обмен генами (рекомбинацию) между X– и Y-хромосомами. В результате рекомбинация полностью прекратилась почти на всей Y-хромосоме. Но как только прекратился обмен генами между Х– и Y-хромосомами, Y-хромосома начала катастрофически деградировать, терять активные гены и становиться все более отличной от X.

Почему прекращение обмена вызвало деградацию? Потому что в любой нерекомбинирующей хромосоме включается храповик Мёллера (см. главу 7): в ней одна за другой начинают накапливаться вредные мутации. Их становится все больше и больше, и отделаться от них без рекомбинации невозможно.

Можно предположить, что Y-хромосома общего предка кошки и других млекопитающих после частичного развода с X прошла именно этот путь. Гены, необходимые для детерминации мужского пола, поддерживались в рабочем состоянии естественным отбором. Все прочие гены накапливали дефекты и постепенно деградировали.

С Х-хромосомами этого не происходило. Встречаясь при очередной смене поколений в половых клетках самок, они спаривались друг с другом, сверяли свой генный состав и тем самым поддерживали все гены в рабочем состоянии. Х-хромосома кошки и большинства исследованных млекопитающих содержит полторы тысячи генов. Y-хромосомы кошки и человека, как и у большинства млекопитающих, гораздо меньше по размеру, чем соответствующие Х-хромосомы. При этом бóльшую часть Y-хромосомы составляют обломки генов и ретровирусов, некодирующие короткие повторы ДНК и прочий генетический мусор.

Если аппроксимировать темп деградации Y-хромосомы на будущее, то оказывается, что жить ей осталось от 50 тысяч до 5 миллионов лет138. После этого она окончательно и безвозвратно исчезнет. Одни ученые считают, что после этого исчезнут мужчины, а за ними и все человечество. Про исчезновение котов впрямую говорить никто не решается, но если и вправду Y неуклонно деградирует, то котов не минует чаша сия, а вместе с ними пропадет и все кошачество.

Другие ученые полагают, что мужской пол никуда не денется, но начнет определяться другой генетической системой.

Наконец, третьи утверждают, что дегенерация остановилась миллионы лет назад и Y-хромосоме ничего не угрожает. Есть разные способы омоложения Y-хромосомы: перенос генов с аутосом, самокоррекция поврежденных генов за счет образования шпилек ДНК и рекомбинации внутри шпилек, возникновение новых генов из ретровирусов и прочего генетического мусора. Одним словом, ученые спорят139.

Прямой анализ последовательностей ДНК Y-хромосом котов и других кошачьих показал, что она хоть и деградировала, но вполне прилично выглядит. Для своего возраста.

Сейчас в Y-хромосоме кошки выделяют три района, несущие функциональные гены140.

1. Район высокой гомологии между X и Y. Именно в этом районе происходит спаривание и рекомбинация половых хромосом в мейозе у самцов. Высокая гомология здесь поддерживается за счет регулярной сверки и чистки его генетического состава. Остается открытым вопрос, от насколько далекого предка достался современным котам этот район. Сначала казалось очевидным, что от того самого последнего 170 000 000-летнего предка, у которого только-только возник SRY, и хромосома, на которой он возник, стала Y-хромосомой. Но тогда генетический состав этого района гомологии между X и Y должен быть одинаковым или хотя бы сильно похожим у представителей разных отрядов млекопитающих. Оказалось, что это не так. Сравнение между людьми и мышами не выявило ничего общего в составе этого района. Скорее всего, районы высокой гомологии между X и Y возникли у приматов и грызунов независимо за счет их переноса на половые хромосомы с аутосом. Массивные и очень недавние переносы хорошо видны на половых хромосомах парнокопытных млекопитающих141. С котами пока вопрос остается открытым.

2. Встык с этим районом в Y-хромосоме кошки находится район вырожденной гомологии между X и Y. Вот он точно унаследован от 170 000 000-летнего предка и состоит из остатков древних аутосом, эволюционировавших в сторону половых хромосом. Представители разных отрядов млекопитающих (приматы, грызуны, хищные) сходны по генетическому составу этого участка. В нем находится полтора десятка уникальных генов, которые все еще обнаруживают определенную гомологию со своими родственниками на Х-хромосоме.

3. Перестроенно-повторенный район состоит из различных многократно перестроенных и повторенных генов. Он содержит как белок-кодирующие, так и некодирующие гены, которые работают почти исключительно в семенниках и играют важную роль в сперматогенезе. В этом же районе находятся функциональные и перестроенные копии SRY. Некоторые гены этого района происходят от уникальных генов вырожденной гомологии между X и Y. Остальные были внесены