Учёные заглянули в раннюю эволюцию половых хромосом

Два новых исследования дают представление об эволюции половых хромосом на примере папайи — ценной сельскохозяйственной культуры со сложной половой системой и прошлым. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследования показывают, что половые хромосомы папайи претерпели драматические изменения за свою короткую эволюционную историю (им около 7 млн лет; для сравнения, эволюция половых хромосом человека началась более 167 млн лет назад). Одно из исследований сравнивает X-хромосому папайи с гомологичной неполовой хромосомой (аутосомой) у родственного вида. Другое изучает различия между X- и Y-хромосомами.

Результаты показывают, что половые хромосомы папайи увеличиваются в размере — в основном за счёт накопления повторяющихся последовательностей — одновременно реорганизуясь и теряя некоторые гены, унаследованные от предковых аутосом. Некоторые гены исчезли бесследно, а остатки других нефункциональных генов — «псевдогены» — всё ещё присутствуют. Y-хромосома папайи также независимо приобрела некоторые гены от аутосом.

Потеря генов в Y-хромосоме хорошо известна для древних хромосом, но потеря генов в X-хромосоме, особенно на такой ранней стадии, неожиданна, как и её увеличение, — сказал профессор Рэй Минг, руководивший обоими исследованиями.

«Однако темп накопления повторов и потери генов выше у Y-хромосомы, чем у X», — добавил он.

«Это первый взгляд на раннюю стадию эволюции половых хромосом», — отметила Андреа Гшвенд. — «Обычно учёные фокусируются на древних хромосомах, как наиболее релевантных для человека. Это первое прямое и полное изучение более молодой системы половых хромосом».

Анализ X-хромосомы важен для понимания эволюции пола. Новые данные по папайе предполагают, что человеческая X-хромосома также претерпела многочисленные изменения с момента обособления от аутосом, но эти изменения невозможно обнаружить, так как предковые аутосомы уже недоступны для сравнения.

Молодые половые хромосомы папайи, которые можно сравнить с близкородственными аутосомами, дают уникальный взгляд на ранние события эволюции как X-, так и Y-хромосом.

Изучение осложнено половой системой папайи: существуют мужские, женские и гермафродитные растения с двумя типами Y-хромосом (Y_m и модифицированная Y^h). Это создаёт проблемы для производителей, так как гермафродиты дают лучший урожай, но не производят стабильно гермафродитное потомство. Цель исследователей — создать «чистопородный» гермафродитный сорт.

Сравнение X- и Y^h-хромосом выявило две крупные инверсии последовательностей в полоопределяющих регионах Y^h. Первая произошла около 7 млн лет назад и направила половые хромосомы и аутосомы по разным эволюционным путям. Вторая случилась около 1,9 млн лет назад и усилила их дифференциацию. Каждая инверсия также сопровождалась многочисленными перестройками последовательностей.

«Эти исследования меняют наше представление об эволюции половых хромосом, особенно X-хромосомы», — заключил Минг. — «Теперь мы знаем, что на ранних стадиях эволюции динамичны обе хромосомы, а не только Y, как считалось ранее».