Половые секреты 17-й хромосомы

Предыдущую главу читайте здесь: X, Y и сексизм в науке

Глава пятнадцатая, в которой выясняется, как все работает

Есть два способа рассказывать о молекулярной биологии — увлекательный и скучный. Первого способа придерживался мой преподаватель Юрий Павлович Винецкий. Он считал, что студент должен быстренько пройти тот самый путь познания, который до него прошла большая наука, и дойти собственным умом до того, как постепенно из простых опытов возникает знание. Студенты получали оттиски настоящих научных работ и, высунув от напряжения языки, разбирались, как в середине ХХ века Сеймур Бензер проникал в структуру генов, просто подсчитывая прозрачные пятнышки на чашках Петри. Сам же Юрий Павлович в своих светлых брюках, поражавших воображение студенток, выходил в коридор курить одну за одной папиросы «Север» (тогда еще можно было). А мы имели шанс постичь, как придумываются эксперименты и что значат их результаты.

К сожалению, увлекательный способ не универсален: во времена Бензера во всем мире существовало, наверное, около сотни исследовательских групп по молекулярной генетике, сейчас их сотни тысяч, и в каждой своя интрига и драматургия, своя романтика гениальных идей, глупых ошибок, тупиковых направлений и блестящих открытий. Общая картина складывается из совсем мелких кусочков, и на все кусочки времени ни у кого не хватит. Поэтому, чтобы хоть как-то приоткрыть читателям современное положение вещей, приходится прибегать к скучному способу, который выглядит примерно так: «Белок SF1 с помощью своего цинкового пальца связывается с регуляторной областью гена SRY, активируя его транскрипцию…» Сейчас нам придется прибегнуть к этому способу, потому что наша задача именно такова: прежде чем рассказывать дальше о всяких занимательных казусах, связанных с половыми хромосомами, придется разобраться, как на самом деле они работают и как из их наличия или отсутствия следует превращение бессмысленного комка клеток в мальчика или девочку. Лемминги, воробьи и утконосы подождут до следующих глав, а сейчас речь о человеке.

Итак, в 1983 году, через три года после того, как Юрий Павлович шармировал моих сокурсниц своими штанами, был открыт цинковый палец. Это такая интересная часть некоторых белковых молекул: выступающая петля из нескольких аминокислот, с которыми связан ион цинка. Этот молекулярный орган умеет нащупывать определенные места в молекуле ДНК или РНК, и, если у белка есть такой палец, он почти наверняка делает что-то важное с нашим драгоценным носителем наследственности. Молекулярные биологи умеют распознавать эту структуру еще на уровне гена, кодирующего белок: определенные мотивы кодирующей последовательности четко указывают, что палец должен быть тут. Видимо, цинковый палец — реликт каких-то совсем дремучих эпох в становлении жизни на Земле, одно из первых изобретений природы, благодаря которым белки и нуклеиновые кислоты учились делать общее дело. С тех пор идея триумфально распространилась по древу жизни: в человеческом геноме около 3% всех генов кодируют нечто, обладающее такими пальцами, — то есть белки, взаимодействующие с ДНК вот этим конкретным способом.

Один такой ген есть у нас на 9-й хромосоме. Хромосома обычная, не половая (такие еще называют аутосомами), однако местами она подозрительно напоминает половые Z-хромосомы птиц, чем приоткрывает какую-то тайну своей эволюционной истории. Этот ген кодирует белок под названием SF1. Расшифровывается как «стероидогенный фактор 1» — то есть от этого белка как-то зависит производство гормонов-стероидов, в том числе — и главным образом — половых. В самом начале развития зародыша — человеческого или даже мышиного — этот белок появляется в той части зародыша, который называется генитальный (или гонадный) гребень. Из гребня потом развиваются семенники или яичники и прочие половые органы. А если белка SF1 нету, то и не развиваются, да и все остальное тоже идет кувырком, и мышонок умирает сразу после рождения.

У белка SF1 есть цинковый палец. Этим пальцем он прощупывает большую бороздку на спирали ДНК — ищет характерные последовательности тех генов, которые должен активировать, нечто вроде «АГГТЦА». И если в клетке есть Y-хромосома, белок находит на ней то, что искал. Эта штука расположена прямо перед геном SRY. Про SRY мы уже упоминали — это sex-determining region on Y, «район Y-хромосомы, определяющий пол». На человеческой Y-хромосоме настоящих генов не так много, в основном она состоит из всяких мусорных последовательностей, однако и в этой хромосоме есть своя иерархия. Часть длинного плеча — те самые торчащие палочки буквы V или Λ — присоединились к ней, видимо, позже, а вот у самой вершины, или перекрестия, или центромеры, находится древняя и важная часть, оставшаяся от предковой половой хромосомы. Именно там, на коротком плече, сидит ген SRY.

Найдя его, белок SF1 запускает его работу — чуть-чуть подраспускает спираль, так что на нее может сесть белок РНК-полимераза. Тогда с гена начинает считываться РНК, а потом, уже в цитоплазме, по этой РНК производится белок. Иногда бывает так, что ген называется одним именем, а белок другим, будто специально, чтобы устроить путаницу. Так и здесь: белок, кодируемый геном SRY, называется TDF, testis-determining factor, то есть «фактор, определяющий тестикулы».

В принципе, название это честное: с некоторой натяжкой можно сказать, что этот белок и определяет пол человека. Если, например, в гене SRY произойдет нехорошая мутация, то ребенок, даже имеющий X- и Y-хромосомы, станет девочкой. Это называется синдромом Свайера. А если кусочек короткого плеча с Y прицепится к хромосоме Х — тогда, наоборот, может получиться мальчик с кариотипом ХХ (синдром ля Шапеля).

Как и SF1, белок TDF умеет запускать разные гены, но цинкового пальца у него нет. Зато у него есть «группа высокой подвижности», или HMG — выступающий из молекулы кусок, который тоже умеет находить нужные места на ДНК, но уже не на большой, а на малой бороздке спирали. Именно мутации в этой самой «группе» и приводят к синдрому Свайера, то есть нарушают всю дальнейшую последовательность событий, которая в норме должна вести к появлению существа мужского пола со всеми причиндалами вплоть до импозантных светлых брюк и папирос «Север».

Какие же места находит на хромосомах белок TDF со своей болтающейся «группой высокой подвижности»? Таких мест несколько, но одно из них — определенно самое важное. Этот ген — уже не на половой хромосоме и даже не на 9-й, которая, возможно, таит какое-то родство с половыми, а на совершенно невинной 17-й. Он называется SOX9.

На самом деле SOX — это большое семейство генов, причем их общее название расшифровывается примерно как «родственный SRY, с группой высокой подвижности». Это потому, что и сам SRY относится к этому же семейству, и все они произошли от одного предкового гена. Все они кодируют белки с той самой болтающейся частью, которая умеет связываться с малой бороздкой ДНК и запускать работу разных других генов. Сам ген SOX9 не сидит без дела уже на самых ранних стадиях развития зародыша: он начинает тихонько работать под действием SF1. Но самое важное событие наступает, когда его находит белок TDF. Вместе с SF1 этот белок включает SOX9 уже по-настоящему. Как он это делает?

Разобраться в этом удалось только в 2018 году, и сделал это вместе со своими коллегами тот самый британец Робин Ловелл-Бадж из Института Фрэнсиса Крика, который в 1990-х первым описал ген SRY, получил за это престижную премию Луи-Жанте и потом десятилетиями копался в интригующих деталях развития пола у зародыша. Сложность тут вот в чем: большинство генов животных заняты тем, что включают, выключают, усиливают или ослабляют друг друга. Когда в начале 1960-х биологи-теоретики пытались оценить число генов человека, у них получалось, что генов должно быть где-то под миллион: чтобы обслуживать всю нашу сложность, меньшим числом не обойтись. Потом оказалось, что всё гораздо скромнее: генов у нас никак не больше 30 тысяч. Однако «миллион» вскоре тоже появился. Именно такой величиной оценивается число энхансеров — кусочков генома, через которые происходит управление работой генов. На один ген человека приходится в среднем полсотни энхансеров, которые обычно располагаются, как говорят биологи, «выше по течению», то есть перед началом самого генетического текста, однако порой довольно далеко от этого самого начала. Таким образом, один наш ген может участвовать в полусотне разных механизмов регуляции. Поэтому-то мы такие сложные.

Энхансеры гена SOX9 рассеяны на участке хромосомы длиной почти 2 миллиона букв. Это примерно три средних романа Агаты Кристи. Тот единственный энхансер, с которым связывается белок TDF, как потом выяснилось, имеет длину 557 букв. Это длина короткого абзаца, в котором скрывается ключ к разгадке, кто же там убийца. Вот и представьте себе, каково будет искать этот единственный абзац в трех детективных романах сразу. Но Ловелл-Бадж его нашел — в полумиллионе букв-нуклеотидов от начала самого гена. Если этот кусочек удалить из генома (разумеется, у мышей, а не у человека), вся предыдущая кухня с SF1 и SRY оказывается тщетной: мальчики не получаются. Получаются только девочки. Вся огромная (сравнительно) Y-хромосома, о которой так любят рассуждать научные журналисты, оказывается бессильной перед 557 буквами на 17-й, которые и предопределяют появление мужчины. Примерно столько букв в стихотворении Ларисы Рубальской «Мне приснился ласковый мужик». Если вы знаете эти стихи, то поймете, о чем я, а нет — так и не надо.

Итак, ключевое событие в цепочке, приводящей к рождению человека определенного пола, происходит на 17-й хромосоме примерно на пятой неделе развития зародыша. В один судьбоносный день белок TDF вместе с SF1 связывается с «энхансером номер 13» — он же TESCO, или «специфичный для тестикул энхансер ядра SOX». После этого 17-я хромосома изгибается хитрой петлей, так что этот энхансер оказывается точно напротив начала самого гена. И тогда SOX9 включается на полную, запуская процесс изготовления самца.

Белок, кодируемый SOX9, включает разные другие гены, нужные для правильного выращивания разных мужских органов. А чтобы уж точно не передумать, этот белок активирует еще и свой собственный ген. Это называется положительной обратной связью, и природа часто прибегает к такому фокусу, когда нужно сделать бинарный выбор — или так, или этак, а всякая половинчатость или остановка на полпути смерти подобна. Когда нужно отрегулировать что-то точно, чтобы было не много и не мало, годится другой вариант — отрицательная обратная связь, и тогда природа часто устраивается так, чтобы белковый продукт гена заглушал этот самый ген. А когда кодируемый геном белок сам же усиливает работу собственного гена — это ситуация бинарного выбора. Такая идея применяется в природе повсюду: в моем любимом плесневом грибе аспергилле, например, положительная обратная связь используется при запуске спороношения. Или мы продолжаем расти горизонтально и кушать субстрат, или мы растем вверх и делаем споры, но решить надо сейчас, на берегу, и потом не колебаться.

Теперь, наверное, стало понятнее, как в разных ветках жизни совершенно разные последовательности ДНК брали на себя функцию половых хромосом, а кое-кто, например крокодилы, научился и вовсе обходиться без них. Изогнуть свою хромосому так, чтобы запустился SOX9, можно разными способами, и независимо от внешнего сигнала результат будет один — принятие решения о том, кем быть, мальчиком или девочкой. Кстати, если в этом механизме что-то поломается, наступают печальные последствия: рождается ребенок с нарушениями полового развития. Такое, увы, случается у одного из примерно 5 тысяч младенцев, и работы Ловелла-Баджа помогут разобраться, что в таком случае можно сделать.

Вот мы и рассказали о том, как в человеческих клетках, в генитальном гребне зародыша, принимается решение о том, кем станет этот зародыш, мужчиной или женщиной. Теперь, когда читатель на пробу окунулся в пучину биологической сложности, можно вернуться на поверхность, к предметам более легковесным и занимательным. Например, к вопросу об эволюции половых хромосом.

Продолжение: Распутство и добродетель в эволюции половых хромосом