Половые хромосомы змей говорят больше о выживании, чем о поле

Половые хромосомы — опасное место для гена. Поскольку у этих хромосом (например, Y-хромосомы у человека) нет парной хромосомы для обмена генетической информацией, они склонны терять несущественные гены в процессе, называемом генетическим распадом.

Новое исследование учёного Дэниела Уинстона Белотта из лаборатории Дэвида Пейджа расширяет наше понимание того, что позволяет гену выжить на половой хромосоме, на примере змей.

Сравнение сохранившихся генов на половых хромосомах змей с утраченными помогает понять эволюционные факторы, сформировавшие половые хромосомы. «Можно подумать: "Это половые хромосомы, значит, выжившие гены должны быть связаны с полом?" Но это не так», — говорит Белотт.

Вместо этого многие из этих генов необходимы для выживания организма и участвуют в ключевых процессах развития. «Оказывается, эти гены-«выжившие» на половых хромосомах могут играть огромную роль в регуляции того, как считываются, интерпретируются и экспрессируются гены на всех хромосомах», — отмечает Пейдж.

Что такое половая хромосома?

В ходе эволюции все половые хромосомы начинались как обычные парные хромосомы — аутосомы. Затем мутация создаёт «переключатель», наличие которого заставляет эмбрион развиваться в определённый пол. «Создать половую хромосому на самом деле легко. В большинстве случаев нужно изменить всего один или два гена», — поясняет Белотт.

Этот процесс происходил многократно. Змеи особенно полезны для изучения, так как их система половых хромосом относительно старая и эволюционировала из других аутосом примерно на 100 миллионов лет позже, чем у человека.

Чтобы изучить эволюцию этих хромосом, исследователи сначала составили список из 1648 «генов-предков», которые, вероятно, находились на хромосоме-прародителе половых хромосом змей. Затем Белотт идентифицировал 103 таких гена, сохранившихся за 90 миллионов лет эволюции на половых хромосомах трёх видов змей: карликового гремучника, горной подвязочной змеи и щитомордника.

Что делает ген «выжившим»?

К удивлению Белотта, сохранившиеся гены не были связаны с определением пола и не экспрессировались чаще в половых тканях или у одного из полов.

Исследование выявило три ключевых свойства, способствовавших выживанию гена на половых хромосомах змей:

1. Дозовая чувствительность: организм зависит от точного количества белкового продукта гена. Любое отклонение ведёт к болезни или смерти.
2. Широкая экспрессия: ген активен во многих тканях тела, а не локализован в одном органе.
3. Сильная очищающая (негативная) селекция: мутация в таком гене резко снижает шансы змеи на выживание или потомство.

Изучив функции этих генов, Белотт обнаружил, что их человеческие аналоги часто участвуют в ключевых процессах развития, например, формировании лица. Мутации в этих генах у людей приводят к неправильному развитию лица и других важных частей тела.

«Мы считаем, что природа отбирает для сохранения на половых хромосомах те гены, доза которых особенно критична на определённых этапах эмбрионального развития», — говорит Пейдж.

Это может в будущем позволить учёным предсказывать гены, чья роль в нарушениях развития ещё не известна.

От змей к людям

Далее исследователи расширили анализ, сравнив гены-предки у трёх видов змей, 38 видов птиц и млекопитающих. Многие выжившие гены у птиц и млекопитающих имели иные функции, чем у змей, но снова большинство из них мало были связаны с определением пола.

«Добавление змей к птицам и млекопитающим дало достаточно данных, чтобы впервые подтвердить давнее предположение: хромосомы, ставшие половыми, изначально не были предрасположены к функциям, связанным с половыми различиями», — объясняет Пейдж.

Затем, по мере утраты генов, эволюционное давление обеспечивало выживание генов одного типа. Эта идея о том, что половые хромосомы (помимо их ключевого «переключателя») мало связаны с определением пола, бросает вызов обычному представлению о них.

В будущем Белотт и Пейдж планируют включить в анализ других животных, чтобы в конечном итоге лучше понять наши собственные половые хромосомы. «Это исследование уточняет наши представления о том, что значит быть геном на X или Y-хромосоме человека, и как нам следует думать о тех генах, что выжили», — заключает Пейдж.