Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

В историях с половыми хромосомами страусов и уток разбирался – и продолжает разбираться – китайский биолог доктор Ци Чжоу из Чжэцзянского университета, что неподалеку от Шанхая. Тот же доктор Чжоу, кстати, внес вклад и в проблему утконоса… ох, опять я забегаю вперед. Сперва немного о млекопитающих, то есть о нас с вами.
Видов млекопитающих примерно в полтора раз меньше, чем птиц, хотя эволюционная история нашего класса, видимо, чуть длиннее. Если все без исключения птицы пользуются для определения пола системой ZW, то мы, звери, почти так же неотступно придерживаемся системы XY. История этих хромосом также началась с инверсии в одной аутосомной паре, а потом последовали другие хромосомные перестройки, в результате которых в одной из эволюционных линий – в нашей – мы имеем то, что описано в семнадцатой главе нашего повествования. Хромосома X большая и полна жизни (на ней, к примеру, есть ген рецептора АСЕ-2, к которому цепляется зловредный ковидный вирус). Хромосома Y маленькая, и на ней почти ничего нет, а из важного – вообще только ген SRY1. О том, как Y-хромосома дошла до жизни такой – как один из невинных регуляторных генов семейства SOX остался без пары для рекомбинации, стал изгоем, с горя взял на себя руководство процессом изготовления самца и тем самым обрек свою хромосому на неизбежный распад, – мы особо распространяться не будем, потому что полной ясности тут пока нет. Кроме того, не терпится поговорить об утконосе.
Утконос и его родственница ехидна – подкласс однопроходные, то есть опять же «сестринский таксон» для всех остальных млекопитающих, как эму – для птиц, то есть, возможно, реликт ранних стадий эволюции. Утконос так прекрасен в своей оригинальности, что про него можно вспоминать в статьях на самые разные темы, а то и вообще писать книги, посвященные только ему. Чего стоит способность выделять молоко всей поверхностью брюха, уникальное для млекопитающих умение производить яд, утиный клюв, привычка нести яйца…
Но если кто-то надеялся, что половые хромосомы «примитивного» утконоса сохранили в себе древние черты прообраза всех млекопитающих, он будет страшно разочарован. У утконоса и здесь все шиворот-навыворот. Если угодно, он тоже придерживается системы определения пола XY, только этих X и Y у него не две, а целых десять. Биологам, впервые понявшим это и остолбеневшим в недоумении, оставалось только занумеровать эти хромосомы: Х1, Х2, Х3, Х4, Х5, а также Y1, Y2, Y3, Y4 и Y5. Причина недоумения вот в чем: у самца утконоса всегда присутствуют все пять Y-хромосом, а у самки нет ни одной. Но хромосомы эти вроде бы совершенно отдельны, и, казалось бы, ничто не мешает им перемешиваться во время мейоза в любых комбинациях, создавая целую радугу утконосьих гендеров. Между тем странный зверь с утиным клювом в половых вопросах вполне традиционен и бинарен: он бывает или самцом, или самкой, без всяких промежуточных причуд. Чтобы запутать все еще сильнее, хромосомы утконоса совсем не похожи на X и Y остальных млекопитающих, зато местами напоминают половые хромосомы птиц.
Фрэнк Грюцнер из Университета Аделаиды в Австралии посвятил утконосьим половым хромосомам два десятилетия своей научной карьеры и в недавней статье, написанной в соавторстве с Ци Чжоу и другими коллегами из разных стран, подвел итог этим исканиям, полностью расшифровав геном утконоса. Именно Грюцнер первым понял, как утконосу удается не путаться в своих многочисленных хромосомах. Как и у других зверей и птиц, половые хромосомы утконоса местами похожи друг на друга. Однако районы сходства не разбросаны случайным образом, а расположены на концах. Да так хитро, что во время мейоза эти хромосомы выстраиваются в упорядоченную цепочку – X1Y1X2Y2X3Y3X4Y4X5Y5, зацепляясь концами друг за друга. После этого рассортировать все это по дочерним клеткам, чтобы все Y попали в одну, а Х – в другую, уже дело техники.
С тех пор как Грюцнер в 2004 году наблюдал этот хоровод половых хромосом утконоса, аналогичные танцы были обнаружены и у других организмов: по нескольку половых хромосом есть у некоторых растений и у амфибий. Южноамериканская лягушка пятипалый свистун поставила абсолютный рекорд: у нее половых хромосом даже не десять, а двенадцать, притом что аутосом всего десять (у утконоса при его избыточности Х и Y обычных хромосом все-таки больше – целых сорок две). Кстати, тут надо упомянуть и ехидну, у которой своя причуда: Х-хромосом пять, как и у утконоса, а вот «игреков» всего четыре. Право слово, сил нет распространяться о том, как она с этим живет, но поверьте: справляется нормально.
 
В начале этой главы были упомянуты твари, которых праотец Ной взял на свой ковчег во время потопа: это были гады, то есть рептилии, а также млекопитающие и птицы, которые, как выяснилось позже, от них произошли. Наверное, пора сказать, что на сегодняшний день история половых хромосом на этой эволюционной ветке в общих чертах начала проясняться. Что касается птиц, наши с ними пути разошлись примерно 310 млн лет назад. В родословной птиц с половыми хромосомами никаких роковых пертурбаций не произошло: все птичьи хромосомы Z и W родственны друг другу. Более того, вполне возможно, что подобная конструкция работала и у общих предков млекопитающих. Почему об этом можно судить? Потому что все десять половых хромосом утконоса сохранили сходство именно с птичьими половыми хромосомами. При этом млекопитающим показалось уместным сразу же изменить систему с ZW на XY и больше не отступать от этого правила. Общий предок ехидны и автора этой книги жил на Земле около 160 млн лет назад.
А в следующие 15 млн лет у наших предков случилась небольшая революция: последовательности ДНК из птичьих половых хромосом утратили свой статус и стали обычными аутосомами. Мы, люди, сохранили их у себя на пятой и, как было упомянуто выше, девятой паре хромосом. Высокая миссия определения пола перешла к другой паре хромосом – той, что у современных нам цыплят-бройлеров называется четвертой. Именно из четвертой куриной хромосомы сделаны X и Y у кенгуру. Наша человеческая хромосома Y тоже хранит память о четвертой хромосоме курицы. Что касается X, в линии плацентарных млекопитающих, которые отделились от сумчатых примерно 148 млн лет назад, эта хромосома с тех пор получила еще один дополнительный кусок – он сильно напоминает первую аутосому курицы. Можно только догадываться, какими милыми половыми причудами сопровождалась у наших предков эта передача функций от одной хромосомы к другой. Возможно, там все было куда драматичнее, чем у сегодняшних воробьиных овсянок. И кто-то, наверное, тоже бубнил, что из этой затеи ничего не получится.
Ах ну да, 150 млн лет назад еще не было скептически настроенных зоологов. Никто не говорил под руку, вот и закончилось все удачно.
БИБЛИОГРАФИЯ
Abbott J. K., Nordén A. K., Hansson B. Sex Chromosome Evolution: Historical Insights and Future Perspectives. Proceedings. Biological Sciences. 2017. 284(1854): 20162806.
Deakin J. E., Ezaz T. Understanding the Evolution of Reptile Chromosomes through Applications of Combined Cytogenetics and Genomics Approaches. Cytogenetic and Genome Research. 2019. 157(1–2): 7–20.
Li J., Zhang J., Liu J., et al. A New Duck Genome Reveals Conserved and Convergently Evolved Chromosome Architectures of Birds and Mammals. GigaScience. 2021. 10(1): giaa142.
Liu J., Wang Z., Li J., et al. A New Emu Genome Illuminates the Evolution of Genome Configuration and Nuclear Architecture of Avian Chromosomes. Genome Research. 2021. 31(3): 497–511.
Livernois A., Graves J., Waters P. The Origin and Evolution of Vertebrate Sex Chromosomes and Dosage Compensation. Heredity. 2012. 108(1): 50–58.
Long J. Hung Like an Argentine Duck: A Journey Back in Time to the Origins of Sexual Intimacy. Sidney: Harper Collins AU, 2011. (Лонг Дж. Утки тоже делают это / Пер. З. Зарифовой. – М.: Центрполиграф, 2015.)