Полураспад Адама: исчезнет ли Y-хромосома, а вместе с ней и мужчины?

Каких только напастей на не пророчат в будущем. Вот еще одна - касается всех мужчин. К счастью, это про далекое будущее, но тем не менее это происходит уже прямо сейчас, как утверждают ученые. Читаем статью о деградации мужской Y-хромосомы.

Среди сценариев конца цивилизации есть и ее гибель по вине беспощадных законов эволюции. Генетический символ мужского начала, Y-хромосома, за сотни миллионов лет своего существования растеряла множество генов и заметно уменьшилась в размерах. Ряд ученых бьет тревогу: если это продолжится, то Y-хромосома исчезнет в ближайшие миллионы, а то и тысячи лет. Что губит мужское начало в недрах нашего генома? И как это отразится на судьбе мужчин, а вместе с тем и всего рода человеческого?

Короче, мужчина

Вопросы пола никогда не бывают легкими, а ответы на них — однозначными, но людям все равно повезло сильнее многих других животных. Родившись мальчиками или девочками, они могут быть уверены, что ими же и останутся до конца дней — не то что рыбы-клоуны (они все сначала самцы) или голубоголовые губаны, которым при потере супруга пол приходится менять. Условия развития человеческих эмбрионов могут повлиять на многое, но не на пол — чего не скажешь о черепахах, крокодилах и некоторых других.

Медицина позволяет людям и скорректировать внешний вид гениталий, и достичь более внушительных изменений за счет гормональной терапии. Но главный тумблер, включение которого делает человека мужчиной, а его отсутствие или молчание — женщиной, при этом никуда не девается (ну, или не появляется).

Этот тумблер — ген SRY на Y-хромосоме. Его полное название Sex-determining Region Y (определяющий пол участок Y-хромосомы, а кодируемый им белок именуют testis-determining factor, то есть фактор развития семенников) недвусмысленно описывает функцию. Именно SRY «решает», станут ли половые железы человеческого эмбриона семенниками, и тормозит их развитие по «дефолтному» женскому пути.

Даже если SRY переместится с Y-хромосомы на какую-нибудь другую, например на X, его обладатель будет мужского пола, независимо от наличия «игрека». Прочие гены Y-хромосомы тоже почти все играют роль в определении пола. Этим стремлением к единой цели она отличается от многих других хромосом — сборных солянок из генов с самыми разными функциями.

Прототип человеческой Y-хромосомы возник 180 миллионов лет назад у общего предка сумчатых коал и плацентарных из неполовой хромосомы (аутосомы) и с тех пор потерял множество генов — сейчас на нем осталось всего 50-70 участков ДНК, кодирующих белки. Сначала их там было несколько сотен или даже тысяч. Интересно, что укорачиваются и другие Y-хромосомы — например, мушиные, которые появились независимо от человеческой и примерно на 120 миллионов лет позже.

Эволюция половых хромосом у млекопитающих

Bruce T. Lahn et al. / Nature Reviews Genetics, 2001

Столь заметное укорочение гаранта маскулинности не могло не обеспокоить ученых. А что если потеря генов идет с постоянной скоростью? Когда при таком раскладе исчезнет Y-хромосома? Именитый британский генетик Брайан Сайкс в своей книге 2003 года «Адамово проклятие» утверждает, что всего через 125 000 лет, то есть через 5 000 поколений, мужчины фактически потеряют способность к размножению — и все из-за проблем с Y-хромосомой. И вместе с тем наступит и конец роду человеческому: раз один пол не может размножаться, то и другой без него вымрет. Мы же не партеногенетические ящерицы даревскии, чтобы развиваться из неоплодотворенных яйцеклеток без участия самцов.

Предполагаемые стадии деградации Y-хромосомы млекопитающих

Jennifer A. Marshall Graves / Cell, 2006

Цена специализации

Куда пропадают гены с Y-хромосомы? И почему?

Проблема в происхождении этой ДНК. Y-хромосома, как и ее «женская» сестра X, изначально не была связана с полом. Скорее всего, предки сумчатых и плацентарных, у которых еще не было половых хромосом, становились самцами или самками в зависимости от температуры инкубации яиц. Но в какой-то момент на одной из аутосом произошла мутация, которая сделала один из генов — Sry — определителем пола более сильным, чем влияние температуры.

С тех пор прото-Y стал половой хромосомой. А поскольку в клетках млекопитающих каждой хромосомы по паре, то ее напарница прото-X тоже волей-неволей специализировалась на определении пола. Дальше обе половые хромосомы накапливали мутации, полезные либо только для мужчин, либо только для женщин — каждая свои.

Шло время, сменялись поколения, X- и Y-хромосомы все сильнее отличались друг от друга. В какой-то момент это критически сказалось на их отношениях, и вот уже большую часть своего существования они друг с другом почти не «разговаривают». Когда клетка делится, ее хромосомы образуют связи и обмениваются гомологичными (похожими по составу генов) участками — это называется рекомбинацией. У X- и Y-хромосомы таких участков осталось всего два, поэтому поделиться им друг с другом практически нечем.

Перетасовка гомологичных участков ДНК между двумя хромосомами позволяет обновить состав каждой из них. Когда исчезает возможность это сделать, на нерекомбинирующих участках накапливаются мутации, ну а гены, которые не дают преимущества или даже скорее вредят, постепенно исчезают. Поэтому обе половые хромосомы у нас мельче аутосом, но Y — особенно.

Скорее всего, так появлялись различия между X- и Y-хромосомами

Jennifer A. Marshall Graves / Cell, 2006

Y-exit

Эволюция — это серьезно. В конце концов, именно благодаря ней мы стали достаточно развитым видом, чтобы разобраться в механизмах эволюции. Так что же, какие-то закономерности связывания-несвязывания, обмена-необмена для хромосом поставят под угрозу существование Homo sapiens?

По счастью, далеко не каждый эволюционист считает, что человеческой Y-хромосоме придет конец. На самом деле, есть два лагеря: те, кто уверен в исчезновении генетического начала мужественности и те, кто предполагает, что оно никуда не денется. Англоязычные источники называют их порой leavers и remainers по аналогии со сторонниками и противниками Брекзита.

У первой группы основные аргументы такие. Во-первых, практически все «мужские» хромосомы — что независимо возникшая Y у растений, что W-хромосома у птиц и некоторых бабочек — с момента их возникновения уменьшились в размерах. Во-вторых, отбора каких-то генов в Y-хромосоме практически нет, так что в ней накапливается что ни попадя. В-третьих, у некоторых млекопитающих — слепушонок и двух видов рюкийских мышей (Tokudaia osimensis и Tokudaia tokunoshimensis; а у третьего, Tokudaia muenninki, она сохранилась, но слилась с аутосомой) — Y-хромосома уже исчезла. У кого-то из них самцы подобно самкам несут в своих клетках по две X-хромосомы, у кого-то — только одну (и имеют генотип X0).

Ученые из второй группы напоминают, что кое-какой отбор в Y-хромосоме все-таки идет. Он называется отрицательный (очищающий) и позволяет избавиться от некоторых неудачных вариантов генов.

Плюс к тому, пусть у Y-хромосомы и есть проблемы с рекомбинацией, она научилась их обходить: обзавелась палиндромными повторами некоторых участков ДНК. Они, как и положено палиндромам, одинаково читаются с обоих концов, только вместо обычных букв — нуклеотиды. Каждую такую ДНК-«фразу» можно сложить пополам, и тогда напротив любого «слова» в ней окажется оно же. Одинаковые «слова» смогут обменяться своими фрагментами — то есть как-никак рекомбинировать. Это и спасает их от быстрого вырождения.

Палиндромы на Y-хромосоме, как и в других местах, где они встречаются, образуют «шпильки». Одна ножка «шпильки» может обменяться нуклеотидами с другой

Doris Bachtrog / Nature Reviews Genetics, 2013

Есть предположение, что некоторые гены на Y-хромосоме активно защищают ее от исчезновения: при образовании половых клеток в нужный момент меняют ее пространственную конфигурацию и тем самым помогают безболезненно пройти сложный процесс мейотического деления.

Вообще, во время мейоза любые хромосомы должны пройти через своего рода ритуал — определенную последовательность стадий и требований, в которые входит «найти себе пару, на какое-то время связаться с ней и рекомбинировать». Zfy и ряд других генов позволяет игреку этого избежать — проскочить образование полноценной пары, лишь небольшим своим участком связавшись с иксом, и остаться незамеченным для веществ, которые проверяют порядок выполнения «мейотического ритуала».

Поскольку единственная хромосома, с которой Y хоть как-то «спаривается», — это X, соответствующие гены-мейотические спасатели игрека могут перейти разве что на нее. Теоретически это вполне вероятный процесс, особенно в том случае, если Y-хромосома постоянно теряет гены. Однако «переезд» Zfy и прочих за сотни миллионов лет существования Y-хромосомы млекопитающих не произошел ни у кого кроме нескольких видов грызунов из упомянутых выше. Значит, их что-то держит на игреке. Вероятно, перемещение не случится и позже, и человеческая мужская хромосома поддерживает собственное существование за счет этих генов.

Инактивация X- и Y-хромосом во время мейоза (MSCI, meiotic sex chromosome inactivation) при образовании сперматозоидов. PAR — псевдоаутосомная область, место, которое по составу генов у половых хромосом совпадает, и поэтому в нем у половых хромосом может идти рекомбинация во время мейоза

Paul D. Waters, Aurora Ruiz-Herrera / Trends in Genetics, 2020

Наконец, говорят сторонники сохранения Y-хромосомы, скорость потери генов этой ДНК в представлении ряда ученых завышена. За те шесть миллионов лет, что прошли с момента разделения ветвей людей и шимпанзе, наша Y-хромосома не потеряла ни одного гена (а у шимпанзе за это время утратила шесть!). Более того, она приобрела по меньшей мере восемь новых генов, а некоторые старые гены наплодили на хромосоме новых копий.

Варианты того, как согласно разным моделям менялось число активных генов на Y-хромосоме человека и его предшественников с момента расхождения общих предков млекопитающих и рептилий. Сценарий B, видимо, ближе к реальности: гены не только исчезали, появлялись и новые. Цифра 14 дана потому, что, по ряду расчетов, если Y-хромосома теряет гены с постоянной скоростью, люди утратят ее через 14 миллионов лет

Jennifer A. Marshall Graves / Cell, 2006

Есть и другие рецепты мужчин

Итак, выходит, что Y-хромосоме вовсе не обязательно суждено исчезнуть. Но если это все-таки произойдет, какая участь постигнет людей?

Начнем с того, что часть современных мужчин уже живет без этой хромосомы. С возрастом клетки крови ее теряют. И хотя порой это связывают с повышением риска различных видов рака, в целом некоторые мужчины вполне спокойно существуют без «игрека» в отдельных местах. Люди в этом не одиноки: нечто подобное имеет место и у большого бандикута.

Даже если (когда) от Y-хромосомы почти не останется генов, она наверняка все равно будет функционировать. В «Автостопом по галактике» Дугласа Адамса умные мыши предлагали извлечь мозг у главного героя и заменить его простенькой схемой, которая позволит подопытному говорить пару-тройку фраз. Не так давно уже реальные люди сделали нечто подобное с мужской половой хромосомой мышей: инактивировали все ее гены, кроме Sox9 и Eif2s3x. Некоторые такие животные сохранили способность образовывать сперматозоиды и давать потомство, хотя оплодотворение яйцеклеток их спермой пришлось проводить искусственно.

Теоретически возможно, что при исчезновении или инактивации одних генов их роль возьмут на себя другие. Либо, к примеру, в одном из «подчиненных» SRY может возникнуть какая-нибудь мутация, которая сделает его, а не SRY, главным переключателем пола. Нечто подобное случилось с лесными леммингами: у них X главенствует над Y и в случаях, когда имеет участок определенного состава (назовем такую X-хромосому X*), подавляет развитие по мужскому типу.

Кроме того, «включающим мужчину» генам пропажа специальной хромосомы не обязательно грозит исчезновением: они могут переехать на другие хромосомы. Так вышло у рюкийских мышей: фрагмент Y с генами Zfy и Tspy, определяющий пол, у них переместился на X, а вот Sry они потеряли.

Быть может, человеческая Y-хромосома и обречена, но высчитать, когда она погибнет, вряд ли получится: она теряет гены с непостоянной скоростью, а кроме того, порой приобретает новые. Участки ДНК, нужные для образования различных мужских атрибутов, могут сменить дислокацию — кстати, для этого не обязательно терять Y-хромосому. Одни гены в состоянии перехватить функции других, а кроме того, может возникнуть и принципиально новый механизм определения пола — как уже не раз случалось в биологии. Так что если хромосомное «проклятие Адама» и впрямь существует, оно нас вряд ли погубит.

Светлана Ястребова

Источник