Хромосома Y

На модерации Отложенный http://www.ufolog.ru/articles/detail.aspx?id=2789

Хромосома Y

Великой Сексуальной Революции (в понятии Пола) - человек обязан самой маленькой хромосоме из своего генетического набора - мужской половой хромосоме (Y). Хромосома, как вы, может быть, помните, это просто та же генетическая молекула ДНК, только туго свернутая и еще запеленутая молекулами белков.

Прежде всего объясним, почему она называется половой и к тому же— мужской. В глубокой древности, когда венцом эволюции были рептилии, еще не существовал специальный генетический механизм разделения полов. У рептилий (в том числе современных) пол потомка определяется температурой внешней среды, в которой созревает оплодотворенное яйцо. При одной температуре из яйца вылупляется самка, при другой — самец. Затем, однако, у млекопитающих, блох, бабочек, птиц и у некоторых других видов (в том числе и растений) появились специальныеполовые хромосомы X и Y (у птиц они именуются Z и W). Все яйцеклетки несут в себе только хромосому Х, все сперматозоиды — либо Х, либо Y. Если при оплодотворении, то есть слиянии сперматозоида с яйцеклеткой, в зародышевой клетке встретятся Х и Х, из зародыша образуется самка; если Х и Y — самец (у птиц наоборот). Иначе говоря, самцы получаются только при наличии этой маленькой хромосомы, так что название «мужской» принадлежит ей по праву.

На женской хромосоме Х имеется около 2-3 тысяч генов. А вот на мужской, в силу ее малости, генов очень немного, не более нескольких десятков. И вот к чему это приводит. Иногда определенный ген поражается мутацией, становится дефектным. Например, на хромосоме Х имеется ген, при повреждении которого человек будет страдать гемофилией. У женщин эта болезнь встречается редко, потому что у них вторая половая хромосома тоже Х, а значит, содержит этот же ген и, как правило, здоровый (вероятность, что случайная мутация поразит обе хромосомы в одном и том же месте, крайне мала). Этот здоровый ген компенсирует дефект первой хромосомы. Не то у мужчин: их вторая половая хромосома Y не содержит этого гена и не может компенсировать дефект. Поэтому гемофилия, как правило, поражает мужчин (хотя и вызвана порчей женской хромосомы).

Как, однако, получилось, что половые хромосомы возникли вообще и стали такими различными, в частности? На протяжении почти ста лет со времени установления (в начале ХХ века) того факта, что у некоторых видов пол определяется специальными хромосомами, больше о них почти ничего не было известно. Но вот около десяти лет назад генетикам удалось точно определить тот участок Y-хромосомы, который вызывает «самцовость». Оказалось, что этот участок расположен на короткой «руке» этой хромосомы и содержит в себе всего один ген. Он получил название SRY (Sex-determining Region of Y). Сегодня это один из самых знаменитых генов во всем человеческом геноме.

Судя по всему, он возник в результате случайной мутации, одного-единственного «сбоя», вызвавшего, однако, грандиозные эволюционные последствия. До этого будущие половые хромосомы были одинаковыми по величине и по набору генов, составляя такую же пару, как все остальные. Когда же возник ген SRY, он тотчас взял на себя те функции, которые у рептилий, скажем, выполняет температура созревания яйца, — функции формирования всей половой анатомии и физиологии. Как установили последующие исследования, белок, производимый по инструкции гена SRY, включает в работу многие гены других хромосом и тем самым вызывает каскад биохимических реакций ( примерно на шестой неделе развития эмбриона), конечным результатом которых становится образование яичек. В свою очередь, яички начинают производить мужской половой гормон тестостерон и другие вещества, под влиянием которых формируются все остальные анатомические и физиологические половые признаки самца. А вот без участия гена SRY организм приобретает признаки самки. Иными словами, «самочность» — это признак, заданный нашей биологической природой «по умолчанию»: он реализуется сам собой, автоматически; для перехода же к «самцовости» требуется «переключатель» SRY.

Откуда, однако, известно, что раньше обе половые хромосомы были одинаковы? На это указывает их остаточная способность к так называемой рекомбинации. Перед тем как удвоиться в ходе мейоза, хромосомы каждой пары переплетаются и обмениваются целыми кусками — скажем, хвост А становится хвостом А’ и наоборот.

Благодаря этому некоторые материнские гены переходят в отцовскую хромосому (того же номера) и наоборот. Этот «кроссинговер» позволяет природе в каждом следующем поколении тасовать отцовские и материнские гены во все новых комбинациях, поэтому дети и несут в себе самое причудливое переплетение отцовских и материнских черт, а также получают свои собственные, неповторимые генные сочетания. (Заметим, что кроссинговер происходит только у предполовых клеток и только один раз в их жизни.)

В ходе кроссинговера переплетаются друг с другом только одинаковые хромосомы, из одной и той же пары. Так вот, как уже было сказано, мужская и женская половые хромосомы, несмотря на гигантскую разницу в размерах, сохранили способность к такому переплетению, хотя и только на самых кончиках, составляющих лишь около пяти процентов их длины. Это и говорит о том, что когда-то они, видимо, были одинаковыми и переплетались при мейозе по всей длине. Об этой же древней одинаковости говорит и тот факт, что почти половина сохранившихся сегодня на Y-хромосоме генов имеет пару на хромосоме Х (в основном это«гены-домоправители», необходимые для выживания любой клетки).

То, что в ходе эволюции Y-хромосома почти полностью утратила способность рекомбинироваться с Х-хромосомой, отнюдь не случайно. Природе выгодно сексуальное размножение: оно позволяет перемешивать гены в процессе созревания половых клеток и тем самым создавать все новые генетические комбинации, чтобы отбирать из них наилучшие.

Но для самого полового процеса необходимо, чтобы «самцовый ген» был всячески предохранен от рекомбинации (иначе мужская хромосома потеряет свою «особость»). Поэтому в ходе эволюции сохранялись лишь те виды Y-хромосом, которые обладали все меньшей способностью рекомбинировать со своим партнером по паре.

Два года назад эта гипотетическая картина эволюции Y-хромосомы была блестяще подтверждена исследованиями Дэйвида Пейджа из Уайтхедского института в Массачусетсе. Пейдж со своим коллегой Ланом измерили количество различий, накопившихся (в силу мутаций) в нерекомбинирующихся частях Y-хромосомы. Было выделено четыре участка с резко различающимся количеством изменений.

Зная среднюю частоту мутаций, можно определить, когда перестал рекомбинироваться каждый из этих участков. Оказалось, что участок, ближайший к гену SRY, утратил способность к рекомбинации раньше всего, примерно 240— 320 миллионов лет назад, вскоре после того, как появились первые млекопитающие (а стало быть, и сам ген SRY). Природа сразу же позаботилась о том, чтобы этот ген не исчез. Далее этот процесс происходил несколькими скачками: примерно 150, 100 и 40 миллионов лет назад. Причина поэтапной утраты способности к рекомбинации, да и сам механизм этой утраты пока еще остаются загадкой.

Появление гена SRY, а с ним и полового размножения, было своего рода «великой сексуальной революцией» и, как всякая революция, имело не только желанные, но и нежелательные последствия. Позитивные новшества состояли прежде всего в невероятно расширившейся (благодаря рекомбинациям) возможности разнообразить генетические сочетания, что, как уже говорилось, повышает шансы организмов на выживание в меняющихся условиях. Вдобавок почти полная утрата способности к рекомбинации сделала мужскую хромосому хорошо защищенным убежищем для генов, необходимых для самцов, например генов яркой окраски (которая привлекает не только партнерш, но и хищников, следовательно, ее наличие выгодно лишь одному полу).

Но при этом проявились минусы. В отсутствие рекомбинационного перемешивания генов в Y-хромосоме накапливались неустраненные мутации, по большей части (как всякие случайные мутации) вредные; пораженные гены «отмирали», и мужская хромосома становилась все короче и короче. Несмотря на попытки защититься путем создания множества копий.

И стало быть, игрек-хромосома когда-нибудь вообще исчезнет? Дополнительную надежду на ее сохранение вселяет недавнее открытие Амоса и Харвуда, которые обнаружили высокую мутабильность гена SRY. Оказалось, что он практически одинаков у всех людей, но в десять раз более различен у людей и обезьян, чем все другие их гены. Иными словами, это самый консервативный ген внутри вида и самый динамичный между видами.

Последнее (как говорят англичане, по счету, но не по важности) воздействие «великой сексуальной революции» сказалось уже на Х-хромосоме. В любой паре обычных хромосом оба парных гена производят один и тот же белок, но с появлением особой, омертвевшей и короткой Y-хромосомы у большинства генов Х-хромосомы исчезли пары, и поэтому они вынуждены были начать работать за двоих, чтобы обеспечить клетку своими белками. Но в случае удвоения Х-хромосом в клетке образуется вредный излишек этих белков!

Перечисление всех хитроумных механизмов, возникших для решения этой проблемы, заняло бы слишком много места, но о том, как это делается у людей, стоит все-таки сказать.Затем в клетках женского организма происходит инактивация всех тех генов одной из Х-хромосом, которые не имеют пары на Y-хромосоме. В ходе эмбрионального развития эта хромосома (какая именно из двух, отцовская или материнская, — дело случая) на всех нужных участках покрывается особым инактивирующим белком Xist или сжимается «пеленкой» белка-гистона так туго, что не может работать. Как при этом они распознаются — и подавляются, — еще одна не разгаданная пока загадка.

Чудес и загадок в этой истории еще столько, что хватило бы и на множество работ, но сейчас приходится повторить вслед за Шахразадой, что «время истекло, и пора прервать дозволенные речи». половые хромосомы X и Y (у птиц они именуются Z и W). Все яйцеклетки несут в себе только хромосому Х, все сперматозоиды — либо Х, либо Y. Если при оплодотворении, то есть слиянии сперматозоида с яйцеклеткой, в зародышевой клетке встретятся Х и Х, из зародыша образуется самка; если Х и Y — самец (у птиц наоборот). Иначе говоря, самцы получаются только при наличии этой маленькой хромосомы, так что название «мужской» принадлежит ей по праву.

На женской хромосоме Х имеется около 2-3 тысяч генов. А вот на мужской, в силу ее малости, генов очень немного, не более нескольких десятков. И вот к чему это приводит. Иногда определенный ген поражается мутацией, становится дефектным. Например, на хромосоме Х имеется ген, при повреждении которого человек будет страдать гемофилией. У женщин эта болезнь встречается редко, потому что у них вторая половая хромосома тоже Х, а значит, содержит этот же ген и, как правило, здоровый (вероятность, что случайная мутация поразит обе хромосомы в одном и том же месте, крайне мала). Этот здоровый ген компенсирует дефект первой хромосомы. Не то у мужчин: их вторая половая хромосома Y не содержит этого гена и не может компенсировать дефект. Поэтому гемофилия, как правило, поражает мужчин (хотя и вызвана порчей женской хромосомы).

Как, однако, получилось, что половые хромосомы возникли вообще и стали такими различными, в частности? На протяжении почти ста лет со времени установления (в начале ХХ века) того факта, что у некоторых видов пол определяется специальными хромосомами, больше о них почти ничего не было известно. Но вот около десяти лет назад генетикам удалось точно определить тот участок Y-хромосомы, который вызывает «самцовость». Оказалось, что этот участок расположен на короткой «руке» этой хромосомы и содержит в себе всего один ген. Он получил название SRY (Sex-determining Region of Y). Сегодня это один из самых знаменитых генов во всем человеческом геноме.

Судя по всему, он возник в результате случайной мутации, одного-единственного «сбоя», вызвавшего, однако, грандиозные эволюционные последствия. До этого будущие половые хромосомы были одинаковыми по величине и по набору генов, составляя такую же пару, как все остальные. Когда же возник ген SRY, он тотчас взял на себя те функции, которые у рептилий, скажем, выполняет температура созревания яйца, — функции формирования всей половой анатомии и физиологии. Как установили последующие исследования, белок, производимый по инструкции гена SRY, включает в работу многие гены других хромосом и тем самым вызывает каскад биохимических реакций ( примерно на шестой неделе развития эмбриона), конечным результатом которых становится образование яичек. В свою очередь, яички начинают производить мужской половой гормон тестостерон и другие вещества, под влиянием которых формируются все остальные анатомические и физиологические половые признаки самца. А вот без участия гена SRY организм приобретает признаки самки. Иными словами, «самочность» — это признак, заданный нашей биологической природой «по умолчанию»: он реализуется сам собой, автоматически; для перехода же к «самцовости» требуется «переключатель» SRY.

Откуда, однако, известно, что раньше обе половые хромосомы были одинаковы? На это указывает их остаточная способность к так называемой рекомбинации. Перед тем как удвоиться в ходе мейоза, хромосомы каждой пары переплетаются и обмениваются целыми кусками — скажем, хвост А становится хвостом А’ и наоборот.

Благодаря этому некоторые материнские гены переходят в отцовскую хромосому (того же номера) и наоборот. Этот «кроссинговер» позволяет природе в каждом следующем поколении тасовать отцовские и материнские гены во все новых комбинациях, поэтому дети и несут в себе самое причудливое переплетение отцовских и материнских черт, а также получают свои собственные, неповторимые генные сочетания. (Заметим, что кроссинговер происходит только у предполовых клеток и только один раз в их жизни.)

В ходе кроссинговера переплетаются друг с другом только одинаковые хромосомы, из одной и той же пары. Так вот, как уже было сказано, мужская и женская половые хромосомы, несмотря на гигантскую разницу в размерах, сохранили способность к такому переплетению, хотя и только на самых кончиках, составляющих лишь около пяти процентов их длины. Это и говорит о том, что когда-то они, видимо, были одинаковыми и переплетались при мейозе по всей длине. Об этой же древней одинаковости говорит и тот факт, что почти половина сохранившихся сегодня на Y-хромосоме генов имеет пару на хромосоме Х (в основном это«гены-домоправители», необходимые для выживания любой клетки).

То, что в ходе эволюции Y-хромосома почти полностью утратила способность рекомбинироваться с Х-хромосомой, отнюдь не случайно. Природе выгодно сексуальное размножение: оно позволяет перемешивать гены в процессе созревания половых клеток и тем самым создавать все новые генетические комбинации, чтобы отбирать из них наилучшие.

Но для самого полового процеса необходимо, чтобы «самцовый ген» был всячески предохранен от рекомбинации (иначе мужская хромосома потеряет свою «особость»). Поэтому в ходе эволюции сохранялись лишь те виды Y-хромосом, которые обладали все меньшей способностью рекомбинировать со своим партнером по паре.

Два года назад эта гипотетическая картина эволюции Y-хромосомы была блестяще подтверждена исследованиями Дэйвида Пейджа из Уайтхедского института в Массачусетсе. Пейдж со своим коллегой Ланом измерили количество различий, накопившихся (в силу мутаций) в нерекомбинирующихся частях Y-хромосомы. Было выделено четыре участка с резко различающимся количеством изменений.

Зная среднюю частоту мутаций, можно определить, когда перестал рекомбинироваться каждый из этих участков. Оказалось, что участок, ближайший к гену SRY, утратил способность к рекомбинации раньше всего, примерно 240— 320 миллионов лет назад, вскоре после того, как появились первые млекопитающие (а стало быть, и сам ген SRY). Природа сразу же позаботилась о том, чтобы этот ген не исчез. Далее этот процесс происходил несколькими скачками: примерно 150, 100 и 40 миллионов лет назад. Причина поэтапной утраты способности к рекомбинации, да и сам механизм этой утраты пока еще остаются загадкой.

Появление гена SRY, а с ним и полового размножения, было своего рода «великой сексуальной революцией» и, как всякая революция, имело не только желанные, но и нежелательные последствия. Позитивные новшества состояли прежде всего в невероятно расширившейся (благодаря рекомбинациям) возможности разнообразить генетические сочетания, что, как уже говорилось, повышает шансы организмов на выживание в меняющихся условиях. Вдобавок почти полная утрата способности к рекомбинации сделала мужскую хромосому хорошо защищенным убежищем для генов, необходимых для самцов, например генов яркой окраски (которая привлекает не только партнерш, но и хищников, следовательно, ее наличие выгодно лишь одному полу).

Но при этом проявились минусы. В отсутствие рекомбинационного перемешивания генов в Y-хромосоме накапливались неустраненные мутации, по большей части (как всякие случайные мутации) вредные; пораженные гены «отмирали», и мужская хромосома становилась все короче и короче. Несмотря на попытки защититься путем создания множества копий.

И стало быть, игрек-хромосома когда-нибудь вообще исчезнет? Дополнительную надежду на ее сохранение вселяет недавнее открытие Амоса и Харвуда, которые обнаружили высокую мутабильность гена SRY. Оказалось, что он практически одинаков у всех людей, но в десять раз более различен у людей и обезьян, чем все другие их гены. Иными словами, это самый консервативный ген внутри вида и самый динамичный между видами.

Последнее (как говорят англичане, по счету, но не по важности) воздействие «великой сексуальной революции» сказалось уже на Х-хромосоме. В любой паре обычных хромосом оба парных гена производят один и тот же белок, но с появлением особой, омертвевшей и короткой Y-хромосомы у большинства генов Х-хромосомы исчезли пары, и поэтому они вынуждены были начать работать за двоих, чтобы обеспечить клетку своими белками. Но в случае удвоения Х-хромосом в клетке образуется вредный излишек этих белков!

Перечисление всех хитроумных механизмов, возникших для решения этой проблемы, заняло бы слишком много места, но о том, как это делается у людей, стоит все-таки сказать.Затем в клетках женского организма происходит инактивация всех тех генов одной из Х-хромосом, которые не имеют пары на Y-хромосоме. В ходе эмбрионального развития эта хромосома (какая именно из двух, отцовская или материнская, — дело случая) на всех нужных участках покрывается особым инактивирующим белком Xist или сжимается «пеленкой» белка-гистона так туго, что не может работать. Как при этом они распознаются — и подавляются, — еще одна не разгаданная пока загадка.

Чудес и загадок в этой истории еще столько, что хватило бы и на множество работ, но сейчас приходится повторить вслед за Шахразадой, что «время истекло, и пора прервать дозволенные речи».