Эволюция игрека

Николай Яковин – 06 марта 2014

Среди сетований о деградации рода человеческого лишь немногие могут претендовать на научное подтверждение. Например – «мужик мельчает». Конечно, не все так буквально: мельчает не мужик, а мужская половая хромосома, одна из самых «субтильных» в нашем кариотипе. Почему так происходит, и чем чреват этот процесс?

Начнем издалека. Во-первых, вспомним, что хромосомы – это структуры, в которые «упакована» ДНК. А ДНК – это длинные цепочки из одних и тех же четырех кусочков, нуклеотидов: подобно буквам, они складываются в «инструкцию», по которой живет любой живой организм.

Большую часть времени хромосомы представляют собой тонкие (шириной 10–30 нм) нити, видимые лишь под электронным микроскопом. Перед делением клетки вся ДНК удваивается, хромосомы с помощью ферментов создают собственные копии и состоят уже не из одной части (хроматиды), а из двух. Затем они укорачиваются более чем в 1000 раз и утолщаются, клетка делится пополам, и каждой из двух ее «дочек» отходят ровно половина ДНК и одна хроматида. Потом новая клетка удвоит число своих хроматид и сама сможет разделиться.

Животные и растения могут иметь самое разное число хромосом (обычно несколько десятков). У человека их 46, у собаки – 78, у мягкой пшеницы, из которой пекут белый хлеб, – 42. Папоротник ужовник густорядный (Ophioglossum reticulatum) – очень древнее, примитивное растение (потомок палеозойских папоротников, которые образовывали влажные тропические леса) – вообще имеет 1320 хромосом! При этом у некоторых других ужовников их всего 90. Как такое может быть? Об этом чуть позже.

Размер хромосом варьирует от 0,2 до 50 мкм. Человеческие составляют 3,8 мкм, у растений они бывают и того меньше, как, например, у арабидопсиса (Arabidópsis thaliána) – растеньица семейства Капустные, которое из-за своих размеров, малого числа хромосом (всего 10) и короткого жизненного цикла (35 дней) стало одним из модельных объектов для генетических исследований. Геном кукурузы – далеко не самый крупный из существующих – содержит в 18 раз больше ДНК, чем геном арабидопсиса. Но ведь ДНК – это информация, так зачем же кукурузе иметь многотомную энциклопедию собственного развития, а программа арабидопсиса записана в маленькой брошюрке?

Ответ на этот вопрос был дан в 60–70-е годы ХХ века, когда накопились знания о структуре ДНК, которая, оказывается, содержит много ненужных последовательностей. Японский ученый Сусуми Оно в 1972 году даже ввел термин «мусорная» ДНК. Геном человека лишь на 2 % состоит из нужных ему для развития генов, 98 % – это «все остальное». Представьте себе книгу, в которой на большинстве страниц вы видите бессмысленный набор букв, обрывки фраз, не связанные между собой, и лишь кое-где – отдельные абзацы осмысленного текста. Таков геном многих организмов.

Из чего состоит «генетический мусор»? И такой ли это мусор? Отчасти – да, это последовательности, которые не кодируют нужные белки, но расходуют энергию на то, чтобы копировать их при делении клетки, а это очень серьезные затраты для организма. Но давайте немного покопаемся в этом «хламе» – что же мы найдем?

Во-первых, мы найдем транспозоны – мобильные генетические элементы (МГЭ): последовательности, которые, не принося организму прямой пользы, но используя его ресурсы, могут сами перемещаться во время деления по геному и увеличивать число своих копий – по сути, размножаться, как компьютерный вирус. В этом они подобны настоящим вирусам живых организмов, и многие из них даже имеют с вирусами родство (есть гипотеза, что МГЭ произошли от вирусов, а не наоборот). Они составляют значительную часть генома: в маленькой «инструкции» арабидопсиса содержится минимум лишнего – всего 14 % мобильных элементов, а вот геном кукурузы прямо-таки забит «посторонними предметами» – их там 84 %.

К чему приводит перемещение мобильных элементов по геному? Основное следствие – постоянное перемешивание генетической информации, ведь МГЭ зачастую захватывает с собой и соседние последовательности, а среди них могут быть гены, отвечающие за развитие организма.

Поскольку мобильные элементы склонны увеличивать копийность – логично предположить, что в скором времени их размножение привело бы к увеличению генома до тех предельных размеров, когда клетка уже не смогла бы функционировать. Раз этого не происходит – значит, существуют механизмы, позволяющие уничтожать или деактивировать эгоистичные последовательности. Это механизмы прямого вырезания и механизмы, запрещающие транспозонам копироваться вместе с другими генами. Например, большинство последовательностей в организме метилировано: к некоторым нуклеотидам в них привязана метильная группа, которая не позволяет работать с ними транскриптазам – ферментам, отвечающим за считывание информации. У человека метилировано 60–70 % ДНК.

Что еще можно найти в «мусорной» ДНК? Обрывки генов, а то и целые гены – по тем или иным причинам не работающие. Повторы, когда последовательность из нескольких нуклеотидных «букв» или целых «абзацев» дублируется десятки и сотни раз. Многие из них играют важную роль в поддержании структуры хромосом, а некоторые – критически важную.

Итак, мы поняли, что геном – не статичная «книга жизни», а весьма подвижная система, зависящая от хрупкого баланса факторов, среди которых и естественный отбор, и мутации, и размножение МГЭ, и многие другие.

Теперь нам проще понять, почему столь различно и число хромосом – ведь движение идет не только на уровне последовательности нуклеотидов. Нити ДНК рвутся, сливаются, порой хромосомы «забывают» разойтись в процессе размножения, и их становится в два раза больше (явление полиплоидии). Бывает, что из-за нарушений в делении хромосомы расходятся неравномерно, и одному организму их достается больше, чем другому. Часто такие перестройки приводят к наследственным заболеваниям (вроде синдрома Дауна у человека), что обычно делает получившийся организм не- или маложизнеспособным. Но бывает и иначе. Тут мы еще раз вспомним про папоротник ужовник: базовое число хромосом у него – 15, но вполне нормально может существовать вид с 30, с 90 и даже тысячей хромосом.

Таким образом, основные причины «разрастания» генома – это накопление «мусорной» ДНК и полиплоидизация, то есть кратное увеличение количества хромосом. Иногда это делает геном стабильнее, в том числе и в эволюционном плане, ведь в нем в неактивном состоянии могут сохраняться (и постепенно мутировать) гены, которые потом, в новых условиях среды окажутся полезными.

Помимо обычного типа деления – митоза, в живых клетках происходит мейоз, который нужен лишь для полового размножения, и поэтому в нем каждой из дочерних клеток (гамет) отходит лишь половина родительских хромосом. Мейоз проходит в два этапа: сначала уменьшается число хромосом, затем – хроматид. Так образуются сперматозоиды (у растений – спермии) и яйцеклетки. Когда две половые клетки потом сольются, дав начало новому организму, число хромосом вновь станет таким, каким должно быть, – половина придет от отца и половина от матери.

Зачем вообще все это нужно? Плодились бы дочерние клетки митозом, рожали бы собственные копии, и никаких проблем – ни любви, ни сбежавших невест, ни падения Трои… Все дело в рекомбинации, то есть перемешивании разного генетического материала: оно дает новые генотипы, которые могут оказаться более приспособленными к условиям среды, чем их предки. Рекомбинация – это материал для отбора, эволюции. Именно поэтому злак, растущий на лугу в относительно стабильных условиях, высевающий сотни семян каждый год, может иногда позволить себе размножаться без скрещивания. А животные, дающие мало потомства, ведущие активный образ жизни, прямо-таки обязаны скрещиваться, искать себе лучшую, а порой просто чем-то неведомым им приглянувшуюся пару.

Однако простого объединения хромосом отца и матери природе оказалось мало – нужно же еще все перемешать. Это тоже происходит в мейозе, на стадии пахитены. В цепочках ДНК двух хромосом происходят разрывы, и нити ДНК из одной хромосомы сливаются с другой. Здесь хромосомы уже достаточно толстые, чтобы быть видимыми в световой микроскоп, но все еще имеют вид длинных нитей, которые у многих видов напоминают бусы. Рисунок этих бус уникален – мы можем идентифицировать каждую хромосому по рисунку ее пахитены и даже создать пахитенную карту хромосом.

Почти все хромосомы в организмах имеют пару, это так называемые гомологичные хромосомы, они практически одинаковы, и именно они расходятся в мейозе в две стороны. Половые же хромосомы порой отличаются очень сильно. Так человек имеет две половые хромосомы – довольно крупный X и маленький Y (он меньше «икса» почти вдвое). Они тоже расходятся в мейозе – каждой половой клетке достается или Y, или X. Мужчина, имеющий в геноме один «икс» и один «игрек», образует два типа сперматозоидов – несущих X- или Y-хромосому. Женщины не имеют Y-хромосомы, поэтому пол потомства зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку. Именно на маленькой Y-хромосоме находятся гены, запускающие развитие организма «по мужскому сценарию».

Половые хромосомы (и вообще пол) возникали и исчезали множество раз на протяжении эволюции как животных, так и растений. Человеческие хромосомы произошли, скорее всего, от гоносом древних млекопитающих. Пол у птиц, млекопитающих и змей, вероятно, образовался независимо, причем из разных пар неполовых хромосом (аутосом). А у рептилий, как и у современных крокодилов, пол определялся температурой, при которой развивалась особь.

Y-хромосома человека – одна из самых маленьких в его кариотипе. Она не рекомбинирует с X-хромосомой, что не позволяет «мужским» генам оказаться на «женской территории». Всем этим мы похожи со многими другими раздельнополыми организмами, например, с плодовой мушкой дрозофилой или хмелем обыкновенным. Дело в том, что мужская Y-хромосома изначально была только гомологом «икса» и лишь с развитием системы наследования пола постепенно стала отличаться. Таким образом, маленькая, нерекомбинирующая Y-хромосома, несущая небольшое число генов, является признаком стабильной, прошедшей длительную эволюцию системы наследования пола.

При развитии пола по «классическому» сценарию, согласно модели эволюции половых хромосом, выдвинутой R. Ming, на определенном этапе на Y-хромосоме начинают накапливаться транспозоны и повторяющиеся последовательности. Вначале это может даже увеличить ее размеры, но впоследствии ведет к деградации, то есть постепенной потере ДНК. Причина в том, что, собственно, ничто не мешает хромосоме деградировать. Потеря какого-то куска ДНК не приводит к негативным последствиям, так как мужской пол уже несет X-хромосому – а на ней присутствуют все гены, которые есть на Y. Естественный отбор особей с отсутствием каких-то генов на «игреке», таким образом, ослабляется. А физическая деградация, то есть уменьшение размера, происходит в результате исчезновения повторяющихся последовательностей.

К чему все это может привести? Вариантов два. Первый – все останется как есть. Y-хромосома уже уменьшилась до неких крайних пределов и сейчас достаточно стабильна, а те гены, что остались на ней, необходимы для функционирования организма, так что на них действует постоянный положительный отбор. По-видимому, они необходимы именно на Y, потому и не происходит их случайное перемещение. Кроме того, около 25 % длины хромосомы составляют крупные палиндромные последовательности, препятствующие ее дальнейшей деградации.

Второй, также возможный вариант – исчезновение Y-хромосомы. При этом женщины будут иметь по-прежнему два «икса», а мужчины – лишь один «икс», без «игрека». Это, однако, чрезвычайно сложно с точки зрения системы наследования пола, так как потребуется ее принципиальная перестройка: ген Sry, запускающий программу развития генома по мужскому типу, находится именно на «игреке».

В принципе, можно вообразить и третий вариант развития событий: постепенное необратимое исчезновение Y без образования новой системы половых хромосом, что должно привести к исчезновению человека как биологического вида – в связи с отсутствием мужчин. Но этот сценарий маловероятен в силу гигантского (для млекопитающих) размера человеческой популяции. Либо всегда будут люди с сохранившейся Y-хромосомой, либо со временем появятся мужчины, у которых пол развивается без участия Y.