Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии

Matthey R., van Brink J. M. Sex Chromosomes in Amniota. Evolution. 1957. 11(2): 163–165.
Young E. Genes Versus Heat – a Reptile Sex Trigger.  https://www.newscientist.com/article/dn11669genes-versus-heat-a-reptile-sex-trigger
Zhou Y., Shearwin-Whyatt L., Li J., et al. Platypus and Echidna Genomes Reveal Mammalian Biology and Evolution. Nature. 2021. 592(7856): 756–762.
  
Глава двадцатая, в которой вымирание мужчин временно откладывается
 
Деградация половых хромосом
 
Хотелось бы уже подвести черту под темой половых хромосом, тем более что, как мы уже узнали, главная развилка в выборе гендерной идентичности связана с ними довольно опосредованно, а самое интересное происходит на хромосоме 17. Однако половые хромосомы выстроили себе такую репутацию в научно-популярной прессе, что отмахнуться от них не получается. Например, время от времени, примерно раз в год, появляется новость, что человеческая Y-хромосома обречена на исчезновение, а значит, исчезнет и сам мужской пол. Эту чепуху так или иначе придется обсудить. Дело не в том, что следует откликаться на любую нелепость, появляющуюся в научно-популярных медиа, а просто это неплохой повод, чтобы еще раз cказать, что половые хромосомы и правда особенные. Их проблема – в их одиночестве.
Некоторое время назад было принято смеяться над известной цитатой про «лишнюю хромосому» русского народа. Увы, многое из того, что когда-то выглядело смешным, оказалось грустным. Поэтому обойдемся как-нибудь без этой шутки, а просто скажем: и X-, и Y-хромосома именно лишние, каждая в своем собственном смысле.
Начнем с Y, с ней все проще: ее проблема в том, что она никогда, ни в какой клетке не встречает свою пару. То есть формально ее пара – Х-хромосома, и когда-то они были очень похожи, потому что они были просто парой аутосом (видимо, с этого начинались эволюционные истории всех X и Y, а также Z и W у всех земных тварей). Но потом с ними случилось то самое событие, которое превратило их в половые хромосомы, – инверсия или другая крупная перестройка, не позволяющая им прижиматься друг к другу в мейозе и обмениваться участками. Это важно для половых хромосом, потому что признаки полов не должны перемешиваться друг с другом. И если у Х-хромосом еще был шанс заняться рекомбинацией с себе подобными в женских клетках, то для Y-хромосомы все было кончено.
Вообразите, какая ирония: вся эта история с сексом нужна, как мы предполагали, только для того, чтобы организмы могли перемешивать свои гены и за счет этого избавляться от мутационного груза. И вот надо же, что именно та хромосома, которая непосредственно отвечает за этот самый секс, такой привилегии лишена. А это значит, что все те ужасы, которые, как думали многие биологи, сопряжены с отказом от секса, – вроде храповика Мёллера и тому подобных вещей – должны неумолимо вступить в действие. Если наши гипотезы о роли секса верны, то в Y-хромосоме должны стремительно накапливаться вредные мутации и те гены, которым выпала судьба оказаться на этой хромосоме, обречены на уничтожение. Возможно, эти гипотезы действительно недалеки от истины, потому что ровно это и наблюдается: на Y-хромосомах разных существ часто остается не так уж много генов. На человеческой, к примеру, всего несколько десятков против полутора тысяч на ее бывшей паре Х. А у лабораторной дрозофилы и того меньше.
Итак, за Y-хромосому впору начать беспокоиться. Впрочем, у нее есть и другие проблемы, кроме накопления вредных мутаций. Например, при мейозе (о котором речь пойдет в третьей части) каждая хромосома должна найти свою пару и образовать с ней, как говорят цитологи, бивалент. За тем, чтобы этот процесс прошел без сбоев, следит особый клеточный механизм. Чтобы Y и X не потеряли друг друга окончательно в клеточных пучинах, у них есть небольшие участки сходства (псевдоаутосомные области), которыми они кое-как могут зацепиться друг за друга, но клетку подобная дешевая имитация не устраивает: если вы не сделали все как полагается, а только обозначили контакт, через мейоз вас не пропустят. Чтобы договориться с клеточным контроллером, существует особый белок, кодируемый у человека опять же Y-хромосомой. Он умеет обманывать контроль, создавая видимость, что у хромосомы все нормально и она готова к редукционному делению.
 
В Y-хромосоме есть и еще один фокус, также призванный, видимо, имитировать секс (то есть в данном случае соединение гомологичных хромосом) при полном отсутствии партнера. Это выяснилось, когда были расшифрованы первые полные последовательности Y-хромосомы. Расшифровать их, кстати, было совсем не просто, и, когда звучали первые триумфальные сообщения о полной расшифровке генома то человека, то мухи, в них была доля лукавства: на самом деле большая часть Y-хромосомы в этих данных отсутствовала. Дело вот в чем: значительная часть Y-хромосомы состоит из повторяющихся последовательностей. А перед такими последовательностями традиционный инструментарий расшифровщиков бессилен. Наверное, тут придется сделать отступление и кратко объяснить, почему это так.
Геномы расшифровывают следующим образом: сперва читают короткие кусочки, потом с помощью компьютера ищут в них совпадающие части и таким образом объединяют кусочки постепенно, добавляя один за одним, пока не получится целая хромосома. Так, например, можно восстановить из фрагментов стихотворение Николая Заболоцкого «Искушение»:
 
 
…по избам спят, у них много есть котят. (1)
 
Ветер в поле улетел, месяц в небе… (2)
 
…в небе побелел, мужики по избам спят… (3)
 
 
Компьютер проанализирует эти отрывки и легко соберет полный текст: сперва кусочек № 2, потом № 3 и, наконец, № 1 («Ветер в поле улетел, месяц в небе побелел, мужики по избам спят, у них много есть котят»). Это просто, потому что у Заболоцкого каждое слово в стихотворении уникально. А вот, например, известная народная песня с припевом «И кое-что еще, и кое-что такое, о чем не говорят, чему не учат в школе» таким свойством не обладает. Припев повторяется много раз, после каждого куплета, и, если наш фрагмент обрывается именно на припеве, невозможно восстановить, какой именно неприличный куплет будет следующим. Поэтому повторяющиеся последовательности – бич расшифровщиков геномов.
А еще один бич – это палиндромы вроде известного от Германа Лукомникова:
«– Ад у нас, отче…
– Что-с? А, ну да…»
Чтобы было яснее: палиндром читается одинаково что справа налево, что слева направо. Такие последовательности бывают и в ДНК [12]. Здесь тоже компьютерная программа бессильна, потому что раз ДНК читается в обе стороны одинаково, то и непонятно, в какую сторону продолжать текст. Эту проблему научились решать всего десятилетие назад, когда появились методы, позволяющие прочитывать за один раз очень длинный кусок генетического текста, включающий и сам палиндром, и его уникальные окрестности. Это гораздо дороже, чем традиционное чтение геномов, но именно так удалось разобраться со структурой Y-хромосомы.
Ну так вот, оказалось, что в ней есть и повторы, причем немало, и особенно палиндромы. И они там, похоже, не только для того, чтобы мешать биологам секвенировать (этот глагол обычно употребляют серьезные люди вместо простонародного «расшифровывать») последовательности ДНК. В упрощенном виде вся Y-хромосома состоит из трех порций. Во-первых, это то, что осталось в ней от предковой хромосомы, от которой произошли и Y, и X. Эта часть в Y-хромосоме сильно испорчена мутациями, как и следовало ожидать. Во-вторых, это кусочек Х-хромосомы, который прицепился (правильно говорить – транслоцировался) к человеческой Y сравнительно поздно, менее 5 млн лет назад. И наконец, самая главная часть – те самые «мужские» гены, составляющие так называемую ампликонную часть хромосомы. Именно они-то и устроены как восемь больших палиндромов, которые вместе покрывают целую четверть всей «мужской» ее части.