Кошки, гены и эволюция - Павел Михайлович Бородин

Что замечательно, все виды семейства кошачьих очень сходны друг с другом по генетическому составу этого района. Это значит, что по крайней мере последние 20 миллионов лет их Y-хромосома не очень-то и меняется. Она давно прекратила деградировать и научилась поддерживать свои гены в целости и сохранности, не сверяясь с Х-хромосомой, а полагаясь только на себя.

Деградация Y и проблемы котов

Следы общего происхождения половых хромосом, последующего накопления различий в их генетическом составе и частичной деградации Y-хромосомы хорошо видны в мейозе у котов. Хромосома Y в 4 раза короче хромосомы Х. Их район высокой гомологии составляет примерно 6% от длины Х-хромосомы и 30% от длины Y.

Вот тут-то у котов и проблема. Чтобы прийти к сезону размножения в боевой готовности, они должны произвести несколько десятков миллионов гамет. Для этого они должны провести все свои хромосомы через мейоз. То есть им придется в каждую гамету положить по одной хромосоме из каждой пары. Для этого хромосоме нужно сначала найти своего гомолога, с ним спариться и рекомбинировать, а потом уже разойтись к разным полюсам клетки в момент первого деления мейоза (см. главу 5). У самок проблем нет. Их половые хромосомы – две хромосомы Х – гомологичны по всей длине, легко спариваются и могут рекомбинировать в любом месте.

Иное дело у котов. Район гомологии очень маленький. Спаривание и рекомбинация происходят только в нем. Иногда в перестроенно-повторенном районе Y-хромосомы образуются шпильки самоспаривания и саморекомбинации внутри них. Благодаря этим событиям в Y-хромосоме возникают прямые повторы и обращенные повторы[61]. За счет них Y-хромосома компенсирует отсутствие нормальной рекомбинации и поддерживает свои гены в рабочем состоянии.

Но проблема котов не только в отсутствии рекомбинации между бóльшими частями Х и Y, а в том, что эти части остаются неспаренными. И это очень опасно. В половых клетках на этой стадии действует суровый закон: клетки, содержащие неспаренные участки хромосом, на следующую стадию не пропускаются и подлежат немедленному уничтожению.

В половых клетках есть специальные системы контроля, которые строго отслеживают завершенность спаривания хромосом и репарации всех разрывов ДНК. Как только они обнаруживают неспаренный участок по наличию на нем нерепарированных разрывов, включается программа самоуничтожения клетки (апоптоз). Понятно, почему такой закон возник. Отсутствие спаривания указывает на серьезные генетические нарушения: крупную хромосомную перестройку, внедрение ретровируса, тяжелые неизлечимые повреждения ДНК.

Как тогда быть котам (и всем остальным самцам с системой ХY)? Что делать с неспаренными частями Х– и Y-хромосом, чтобы обмануть контролеров и обойти закон? Правильно, надо их спрятать, упаковать так, чтобы их не нашли клеточные контролеры. Достигается это за счет программируемой модификации упаковочных белков хромосом на неспаренных участках половых хромосом. Эта модификация приводит к прекращению транскрипции генов, которые в этих участках находятся. Этот процесс называется мейотической инактивацией половых хромосом142. В ходе него пара половых хромосом превращается в компактную структуру, так называемый половой узелок, который от греха подальше отодвигается на периферию клеточного ядра и становится недоступным для систем мониторинга. Внутри этого узелка работают свои системы репарации, которые не нуждаются в гомологичной матрице, чтобы залечить разрывы ДНК в неспаренных участках.

Как это сплошь и рядом происходит в ходе эволюции, все проблемы решаются в порядке их поступления. Решаются они подручными средствами, не лучшими из возможных, а теми, что уже созданы для решения совсем других проблем. Механизмы инактивации неспаренных участков были созданы для подавления транскрипции ДНК ретровирусов, которые по умолчанию считались вредоносными и подлежащими безусловному отключению. И вот этот механизм пригодился для спасения деградирующей, теряющей гены Y-хромосомы.

Деградация Y и проблемы кошек

Х-хромосома кошки содержит 1537 генов[62]. Это составляет около 7,5% от общего числа генов кошки. В котовой Y-хромосоме генов кот наплакал. Такие вопиющие различия между Х и Y характерны для всех плацентарных млекопитающих, включая и нас с вами. У сумчатых перекос в пользу Х еще сильнее. Тогда получается, что у любой самой захудалой кошки на 7,5% больше генов, чем у любого сколь угодно красивого и орденоносного кота. Обидно и несправедливо.

Разные виды по-разному преодолевают этот дисбаланс, компенсируя избыточную дозу генов у самок143, 144. У самцов мух единственная X-хромосома работает вдвое активнее (производит вдвое больше РНК), чем каждая Х-хромосома самки (у которой их две). Млекопитающие выбрали иной путь. В каждой клетке взрослой самки работает только одна Х-хромосома, а вторая молчит: она практически полностью инактивирована и очень плотно упакована. Она легко заметна на цитологических препаратах – так называемое тельце Барра. Цитологи видели это тельце в образцах эпителия, соскобленного с внутренней поверхности щеки, еще в середине прошлого века и использовали для определения пола. Если есть тельце Барра – значит, самка, нет тельца Барра – значит, самец. А если два, но у самки? А если есть одно, но все равно самец? Объясните сами.

Инактивация одной из Х-хромосом в клетках самок была открыта в 1960-е годы английской исследовательницей Мэри Лайон. В честь первооткрывательницы это явление назвали лайонизацией.

Инактивация происходит довольно рано в ходе эмбрионального развития. На самых ранних стадиях работают обе Х-хромосомы. Затем часть клеток эмбриона специализируется на выполнении питающей функции. Позднее эти клетки войдут в состав плаценты. В этих клетках необратимо “выходит из игры” – инактивируется – одна из Х-хромосом145. Остальные клетки некоторое время остаются неспециализированными и при этом пользуются услугами обеих Х-хромосом, которые, однако, уже работают вполсилы. Они называются клетками внутренней массы эмбриона, и далее, в результате процесса дифференцировки, из них формируется собственно эмбрион. В этих клетках у всех исследованных плацентарных происходит инактивация одной из Х-хромосом.

Выбор хромосомы, подлежащей инактивации, происходит случайно: в одной клетке инактивируется отцовская Х-хромосома, в другой – материнская. Так этот процесс идет у всех плацентарных млекопитающих, включая кошку и человека. При этом единожды сделанный выбор не пересматривается. Если в некой клетке-прародительнице отключилась материнская Х-хромосома, то во всех дочерних, внучатых и т. д. клетках она же останется выключенной.

Рассмотрим этот процесс на кошках. Ген рыжей окраски O (Orange) находится у них в Х-хромосоме. Если мы скрестим рыжую кошку с нерыжим (черным, агути, голубым, каким угодно, только не рыжим) котом, то все их сыновья будут рыжими (X от матери, Y от отца), а все дочери – двухцветными, или разномастными (в терминологии Рулье). На их шкурке мы увидим смесь рыжих и нерыжих (черных, агути, голубых, каких угодно, только не рыжих) пятен.

Рис. 8–1. Инактивация Х-хромосомы у гетерозиготных кошек приводит к формированию черепаховой окраски.

Почему? Потому что у самок-эмбрионов часть пигментных клеток возникла из клеток внутренней массы, в которых инактивировалась отцовская Х-хромосома