Трагедия лишней хромосомы: ущербность мужчины и сложность женщины

Предыдущую главу читайте здесь: Творец и ехидна: как изготовить половые хромосомы из праха земного

Глава восемнадцатая, в которой вымирание мужчин временно откладывается

Честно говоря, хотелось бы уже подвести черту под темой половых хромосом, тем более что, как мы видели, главная развилка в выборе гендерной идентичности связана с ними довольно опосредованно и самое интересное происходит на хромосоме 17. Однако половые хромосомы выстроили себе такое паблисити 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 мы обязаны откликаться на любую дичь, появляющуюся в научно-популярных ресурсах, 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. Уважаемые читатели могли заметить, что те времена прошли: рот по-прежнему кривится, но уже не в улыбку. Поэтому шутить мы не станем, а просто скажем: и X, и Y-хромосомы 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 догадывались, только для того, чтобы организмы могли перемешивать свои гены и за счет этого избавляться от мутационного груза. И вот надо же, 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 о роли секса действительно недалеки от истины, потому что ровно это и наблюдается: на Y-хромосомах разных существ действительно 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 еще меньше.

Итак, за Y-хромосому впору начать беспокоиться. Впрочем, у нее есть и другие проблемы, кроме накопления вредных мутаций. Например, при мейозе 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, в мейоз вас не пустят. Чтобы договориться с клеточным контролером, существует особый белок, кодируемый у человека опять же Y-хромосомой. Он умеет обманывать контроль, создавая видимость, что в хромосоме все нормально и она готова к редукционному делению.

В Y-хромосоме есть и еще один фокус, также призванный, видимо, имитировать секс (то есть конъюгацию 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, то червяка, 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: начитывают короткие кусочки, а потом ищут в них совпадающие части, и с их помощью объединяют кусочки постепенно, добавляя один за одним, пока не получится целая хромосома. Так, например, можно восстановить из фрагментов стихотворение 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» — она 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. Здесь тоже компьютерная программа бессильна, потому что раз ДНК читается в обе стороны одинаково, то правую половину палиндрома от левой отличить не удастся. 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 это позволило 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 попсового «расшифровывать») последовательности ДНК. В упрощенном виде, вся Y-хромосома состоит из трех порций. Во-первых, это то, что осталось в ней общего 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 миллионов 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 всех «мужских» генов.

Зачем они там? Видимо, они как-то скрашивают Y-хромосоме ее генетическое одиночество. А именно, если у обычной хромосомы всегда есть шанс сверить свою последовательность со своим гомологом во время мейоза и исправить мутации, то Y-хромосома сверяется сама с собой — рекомбинация происходит между половинками палиндрома. Не так давно группа итальянских исследователей убедилась, что это так и есть, расшифровав сразу много человеческих Y-хромосом. Выяснилось, что в палиндромной области мутации накапливаются куда медленнее, чем в уникальных последовательностях. Если Y-хромосома занята во время мейоза именно этим, клеточному механизму контроля вполне простительно решить, что дело сделано, и допустить бедную одинокую хромосомку к последующим стадиям процесса.

Я, наверное, немного запутал добрых читателей этими сложностями, но они здесь ровно затем, чтобы проиллюстрировать тезис «Все сложно». В начале 2000-х английский генетик Брайан Сайкс выпустил книжку «Проклятие Адама», где содержится интересный расчет: если принять во внимание скорость потери генов, расположенных на Y-хромосоме, то всего через 125 тысяч лет (то есть пять тысяч поколений) эта хромосома станет полностью бесполезной. Это значит, что мужской род прекратит свое существование. Ну так вот, дальнейшее развитие молекулярной биологии сильно подорвало базу для подобных расчетов. 

Как оказалось, в жизни типичной Y-хромосомы бывают разные периоды. Когда она только-только образуется из аутосомы, процесс потери генов и правда стремителен и неостановим. Одну такую новую Y-хромосому генетики недавно нашли у родственницы славных лабораторных дрозофил, плодовой мушки Drosophila miranda. Видимо, этот процесс идет ровно до тех пор, пока все гены, которым не обязательно быть на половой хромосоме, ее не покинут или не испортятся из-за мутаций. Но есть в этой хромосоме и гены, — те, что связаны с определением пола, — которые вынуждены оставаться на Y и потому изо всех сил сопротивляются мутациям. К примеру, вот интересный факт: со времен общего предка человека и шимпанзе, то есть за 6 миллионов лет, в нашей человеческой линии Y-хромосома не утратила ни одного гена. Очевидно, это полностью опровергает простенькие расчеты Брайана Сайкса. Наконец, есть гены, которые вовсе не бегут с Y-хромосомы, а наоборот, перебираются на нее с других хромосом — видимо, это дает организму мужского пола какие-то преимущества. В общем, хоронить нас пока не следует, посмотрим, как дело пойдет дальше.

И даже если Y-хромосома будет утрачена, это вовсе не значит, что исчезнет и мужской пол. У той же D. melanogaster Y-хромосома потеряла практически все гены, связанные с полом, и за главный рубильник теперь отвечает Х-хромосома: пол мухи зависит от того, одна она или две. А в качестве совсем уж крайнего случая остается система определения пола ХО, где Y-хромосома отсутствует физически, однако самцы получаются ничуть не хуже, чем с ней. Кстати, два эти типа определения пола — XY и XO — когда-то получили свои названия по двум родам клопиков из отряда полужесткокрылых, Lygaeus и Protenor. Если сравнить этих клопиков, ни за что не скажешь, что один из них лучше другого. И те и эти — просто клопики, да простят нас энтомологи. Может быть, эволюция готовит нас к переходу на «тип протенор», то есть ХО, как у таракана.

А возможно, что Y, а заодно и Х-хромосома просто передадут в один прекрасный день свои функции другой хромосомной паре, как это не раз уже случалось в эволюции и как сейчас это, возможно, происходит у воробьиной овсянки (см. главу 16) или недавно произошло у дрозофилы миранды. И вся эта история — транслокация или инверсия, потеря генов, специализация — повторится еще раз.

Теперь, когда за судьбу мужского пола мы спокойны, перейдем к Х-хромосоме. Парадоксально, но и она тоже может чувствовать себя лишней, хотя и совсем по-другому. Дело в том, что, в отличие от остальных хромосом, которых в каждой клетке ровно по две копии, Х-хромосомы у мужчин присутствуют в единственном экземпляре, а у женщин их две. И ладно бы это была маленькая захудалая хромосомка, как Y, — но Х велика и полна жизни, на ней больше тысячи генов, многие из которых с полом вообще никак не связаны. Все мы знаем, как печально бывает, когда рождается ребенок с тремя копиями 21-й хромосомы вместо двух — это называется синдром Дауна. А ведь 21-я куда меньше, чем Х, и у больных детей ее «доза» всего в полтора раза выше, чем у здоровых, а у женщин хромосомы Х ровно вдвое больше, чем у мужчин. 

Вот это настоящая проблема лишней хромосомы, и природа нашла для нее специальное решение. Биологи, точнее Мюррей Барр и Эварт Бертрам, случайно наткнулись на это решение в 1949 году, когда обнаружили в ядрах нервных клеток женщин характерные сгустки хроматина (то есть ДНК и белков). В нейронах мужчин ничего такого обычно не было. Сгустки назвали тельцами Барра, и вскоре оказалось, что это и есть лишние Х-хромосомы. А именно, в каждой клетке женского организма одна из Х-хромосом полностью инактивируется, сворачиваясь в плотный комок (так называемый гетерохроматин) а другая остается живой и действенной. Тем самым «доза» активных генов Х-хромосомы оказывается такой же, как и у мужчин.

Одна проблема решена, но возникает другая: если в разных клетках женщины активна то одна, то другая из Х-хромосом, значит, эти клетки генетически различны? Значит, женщина — как бы мозаика из двух разных типов клеток?! Так оно и есть, и женщин это нисколько не портит. 

Каков размер фрагментов этой мозаики? Тельца Барра закладываются довольно рано в процессе развития зародыша, а потом клетки продолжают делиться, но судьбы Х-хромосом уже решены раз и навсегда. В результате у взрослого организма довольно большие участки тканей оказываются генетически идентичны (в них инактивирована одна и та же Х-хромосома, или папина, или мамина). О размере таких областей можно судить, рассматривая кошек черепахового окраса. Такой окрас бывает почти исключительно у кошек женского пола, и это потому, что он связан именно с компактизацией одной из Х-хромосом с образованием телец Барра. Черепаховые кошки гетерозиготны по одному из генов окраски, расположенному на Х-хромосоме. Рыжие и черные пятна на шкуре — наглядное изображение участков ткани, где та или другая Х-хромосома превратилась в гетерохроматин.

Одна такая черепаховая кошка — полосатая, но с чередованием рыжих и серых участков — прямо сейчас пытается залезть на клавиатуру моего компьютера, потому что она, видите ли, очень голодна. Это хороший повод прервать наш рассказ до следующего раза.

Продолжение: Бунт женских хромосом: трансгендерные лемминги и консервативные мухи