Что делает мышиную Y-хромосому могучей? Её огромный размер и гонка вооружений с X-хромосомой
Полная последовательность мышиной Y-хромосомы, полученная в результате 12-летней работы, показала её неожиданно крупные размеры и сложную структуру, а также пролила свет на эволюционную «гонку вооружений» между половыми хромосомами млекопитающих.
Технический подвиг и структура хромосомы
Для секвенирования мышиной Y-хромосомы, которое директор Института Уайтхеда Дэвид Пейдж назвал «самой технически сложной и структурно впечатляющей из когда-либо секвенированных вещей», использовался метод SHIMS (single-haplotype iterative mapping and sequencing). Этот же метод ранее позволил расшифровать человеческую Y-хромосому.
Главная отличительная черта мышиной Y — её огромный размер, результат «беспрецедентной амплификации генов». Один сегмент длинного плеча хромосомы содержит единицу ДНК длиной 500 000 пар оснований, амплифицированную почти 200 раз. Также обнаружены две пары прямых повторов рекордной длины: 7 мегабаз (Mb) и 4.5 Mb. Для сравнения, предыдущий рекордсмен — палиндромный регион на человеческой Y-хромосоме — имеет длину всего 1.45 Mb.
Эволюция генного содержания
Гены на мышиной Y-хромосоме делятся на две категории:
- Предковые — сохранившиеся с тех пор, когда половые хромосомы были обычными аутосомами (200–300 млн лет назад).
- Приобретённые — полученные Y-хромосомой в процессе специализации.
Мышиная Y-хромосома потеряла почти все предковые гены, сохранив лишь 9 из 639. Человеческая Y сохранила 19 из более чем 600. Однако мышиная Y с лихвой компенсировала эти потери массовым приобретением и амплификацией новых генов.
Итоговый результат:
- Могучая мышиная Y-хромосома содержит 700 генов.
- Для сравнения: человеческая Y-хромосома содержит 78 генов.
- Приобретённые и амплифицированные гены занимают почти 97% всей мышиной Y-хромосомы.
- Y-хромосома составляет 3% всего мышиного генома.
Механизм и причина амплификации: конфликт X и Y
Почти все 700 генов мышиной Y принадлежат к трём приобретённым и сильно амплифицированным семействам генов. У этих семейств есть гомологи (схожие копии) на X-хромосоме. Исследователи пришли к выводу, что X и Y обменивались генами не друг с другом, а сами с собой, в процессе внутрихромосомной рекомбинации.
Объяснением такой экстремальной конвергентной амплификации служит явление мейотического драйва, сцепленного с полом. В этой теории:
- На одной хромосоме (например, X) возникает «драйвер», дающий сперматозоидам, несущим эту хромосому, преимущество в оплодотворении. Это нарушает естественное соотношение полов 50:50.
- В ответ противоположная хромосома (Y) приобретает «супрессор», чтобы восстановить баланс.
Поскольку три амплифицированных генных семейства на Y и их гомологи на X экспрессируются в зародышевых клетках семенников, Пейдж предполагает сценарий эскалации: X приобрёл драйвер для успеха X-несущих сперматозоидов, а Y в ответ приобрёл супрессоры для усиления Y-несущих сперматозоидов. Эксперименты других лабораторий подтверждают эту модель: подавление Y-версии одного из семейств генов увеличивает число женского потомства, а подавление X-версии — мужского.
«Мы видим убедительные доказательства того, что мышиные Y и X вступили в рукопашную схватку в битве за преимущественную передачу следующему поколению», — говорит Дэвид Пейдж.
Значение и перспективы
Хотя эта экстремальная «гонка вооружений» характерна для мышей и грызунов, межхромосомный конфликт X-Y может широко встречаться у млекопитающих. Например, Y-хромосомы кошки и лошади также содержат сильно амплифицированные генные семейства.
Высококачественная референсная последовательность мышиной Y-хромосомы критически важна для научного сообщества, так как открывает двери для изучения функции половых хромосом на главном генетически манипулируемом модельном организме млекопитающих. Это знаменует начало новой эры в биологии Y-хромосомы.