Y-хромосома быка эволюционировала, чтобы агрессивно попадать в гаметы
В новом исследовании, опубликованном 18 ноября в журнале Genome Research, учёные из лаборатории Дэвида Пейджа представили первую полную высокоразрешающую последовательность Y-хромосомы быка герефордской породы. Более чем десятилетняя работа показывает, что Y-хромосомы быков эволюционировали, создав десятки копий одних и тех же генов в эгоистичной попытке производить больше самцов — эту стратегию пытается уравновесить X-хромосома.
«Когда у вас есть X- и Y-хромосома, это предпосылка для конфликта», — сказал Дэвид Пейдж. — «Наблюдая эту полномасштабную конкуренцию между X и Y у крупного рогатого скота, мы должны рассматривать такой конфликт как постоянную и общую черту половых хромосом у млекопитающих».
Мыши, люди и крупный рогатый скот
Половые хромосомы — X и Y — эволюционировали из обычной пары симметричных хромосом около 200 миллионов лет назад. Лаборатория Пейджа успешно секвенировала человеческую Y-хромосому в 2003 году, после чего учёные решили сравнить её последовательность с Y-хромосомами других животных, чтобы понять их эволюцию.
Для сравнения исследователи выбрали несколько млекопитающих, включая шимпанзе, опоссумов и мышей, занимающих разные ветви эволюционного древа. Они использовали метод высокоразрешающего секвенирования SHIMS (Single-Haplotype Iterative Mapping and Sequencing), который позволил наблюдать особенность Y-хромосом: у некоторых видов почти весь их генетический материал состоит из последовательностей ДНК, амплифицированных десятки или сотни раз — «как зал зеркал».
У мышей, например, повторы всего нескольких генов, специфичных для семенников, составляют почти 98% Y-хромосомы. У человека — только около 45%. «Мы хотели узнать, является ли это особенностью грызунов, или другие Y-хромосомы могут быть похожи», — сказал Пейдж.
Так в исследовании появился бык. «Следующая ветвь эволюционного древа млекопитающих после приматов и грызунов включает быка», — сказала Дженнифер Хьюз, первый автор статьи. — «Мы не знали, будет ли Y-хромосома быка похожа на мышиную, человеческую или будет чем-то совершенно иным».
Анализ последовательности Y-хромосомы быка
Потребовалось более десяти лет совместной работы нескольких институтов, чтобы разобраться в сложностях Y-хромосомы быка. Оказалось, что это самая геноплотная из всех когда-либо картированных Y-хромосом — во многом из-за того, что 96% её генетического материала состоит из повторяющихся последовательностей.
Как и у мыши, большинство этих «зеркальных» повторов у быка экспрессировались в семенниках. Но вопрос «зачем?» оставался. «Для производства большего количества сперматозоидов не нужны сотни копий гена», — отметила Хьюз.
Подсказку исследователи нашли, внимательно изучив X-хромосому быка: в женской половой хромосоме также было несколько копий этих специфичных для семенников генов. «Мы не знаем точный механизм у быка, но считается, что амплификация этих генов на Y как-то помогает Y-хромосоме передаваться по наследству — а копии на X амплифицированы, чтобы конкурировать с этой тенденцией и помогать X-хромосоме», — пояснила Хьюз.
Эгоистичная гонка вооружений
Такая гонка вооружений между X и Y доказана для мышей: каким-то образом повторяющиеся гены на Y-хромосоме дают ей преимущество в попадании в сперматозоиды при образовании гамет. В исследовании 2012 года учёные «выключили» повторы на Y-хромосоме. Без дополнительных генов в сперматозоиды попадало больше X-хромосом, чем Y, и соотношение полов потомства смещалось в сторону самок. За миллионы лет эволюции X-хромосома также развила повторы — свой способ получить преимущество в гонке.
Конкуренция между X и Y эгоистична, сказала Хьюз, потому что перекос в соотношении полов не полезен для вида. Таким образом, эти изменения выгодны только той хромосоме, которая оказывается в оплодотворённой яйцеклетке. Тот факт, что этот эгоистичный и даже вредный механизм сохранялся миллионы лет на разных ветвях эволюционного древа, предполагает, что такие конфликты могут быть неизбежным побочным эффектом наличия пары асимметричных половых хромосом. «Эти гонки вооружений между X и Y, вероятно, существуют столько же, сколько и сами млекопитающие», — сказал Пейдж.
Помимо эволюционной теории, понимание механизмов, контролирующих соотношение полов у крупного рогатого скота, может иметь практическое применение. «Это может представлять большой интерес для селекционеров, потому что они хотели бы иметь возможность управлять полом потомства», — сказала Хьюз. — «Например, молочные фермеры предпочли бы больше самок, а мясные — больше самцов».
Y-хромосома быка стала седьмой половой хромосомой, полностью секвенированной с помощью метода SHIMS. Лаборатория также рассматривает возможность изучения представителей других групп животных, включая рептилий.
«Наша лаборатория сосредоточена на изучении половых различий в организме человека, и вся эта работа вдохновлена уроками, которые мы извлекли, сравнивая Y-хромосомы разных животных с нашей собственной», — сказал Пейдж. — «Теперь мы можем добавить быка в нашу галерею».