Хромосомы - это основные структурные элементы клеточного ядра, являющиеся носителями генов, в которых закодирована наследственная информация. Обладая способностью к самовоспроизведению, хромосомы обеспечивают генетическую связь поколений.
Морфология хромосом связана со степенью их спирализации. Например, если в стадии интерфазы (см. Митоз, Мейоз) хромосомы максимально развернуты, т. е. деспирализованы, то с началом деления хромосомы интенсивно спирализуются и укорачиваются. Максимальной спирализации и укорочения хромосомы достигают в стадии метафазы, когда происходит формирование относительно коротких, плотных, интенсивно окрашивающихся основными красителями структур. Эта стадия наиболее удобна для изучения морфологических характеристик хромосом.
Метафазная хромосома состоит из двух продольных субъединиц - хроматид [ выявляет в строении хромосом элементарные нити (так называемые хромонемы, или хромофибриллы) толщиной 200 Å, каждая из которых состоит из двух субъединиц].
Размеры хромосом растений и животных значительно колеблются: от долей микрона до десятков микрон. Средние длины метафазных хромосом человека лежат в пределах 1,5-10 микрон.
Химической основой строения хромосом являются нуклеопротеиды - комплексы (см.) с основными белками - гистонами и протаминами.
Рис. 1. Строение нормальной хромосомы.
А - внешний вид; Б - внутреннее строение: 1-первичная перетяжка; 2 - вторичная перетяжка; 3 -спутник; 4 - центромера.
Индивидуальные хромосомы (рис. 1) различают по локализации первичной перетяжки, т. е. места расположения центромеры (во время митоза и мейоза к этому месту прикрепляются нити веретена, подтягивая ее при этом к полюсу). При утрате центромеры фрагменты хромосом утрачивают способность расходиться при делении. Первичная перетяжка делит хромосомы на 2 плеча. В зависимости от расположения первичной перетяжки хромосомы подразделяют на метацентрические (оба плеча равной или почти равной длины), субметацентрические (плечи неравной длины) и акроцентрические (центромера смещена на конец хромосомы). Помимо первичной, в хромосомах могут встречаться менее выраженные вторичные перетяжки. Небольшой концевой участок хромосом, отделенный вторичной перетяжкой, называют спутником.
Каждый вид организмов характеризуется своим специфическим (по числу, размерам и форме хромосом) так называемым хромосомным набором. Совокупность двойного, или диплоидного, набора хромосом обозначают как кариотип.
Рис. 2. Нормальный хромосомный набор женщины (в правом нижнем углу две X-хромосомы).
Рис. 3. Нормальный хромосомный набор мужчины (в правом нижнем углу - последовательно Х- и Y-хромосомы).
В зрелых , яйцеклетках и содержится одиночный, или гаплоидный, набор хромосом (n), составляющий половину диплоидного набора (2n), присущего хромосомам всех остальных клеток организма. В диплоидном наборе каждая хромосома представлена парой гомологов, один из которых материнского, а другой отцовского происхождения. В большинстве случаев хромосомы каждой пары идентичны по размерам, форме и генному составу. Исключение составляют половые хромосомы, наличие которых определяет развитие организма в мужском или женском направлении. Нормальный хромосомный набор человека состоит из 22 пар аутосом и одной пары половых хромосом. У человека и других млекопитающих женский определяется наличием двух Х-хромосом, а мужской - одной X-и одной Y-хромосомы (рис. 2 и 3). В женских клетках одна из Х-хромосом генетически неактивна и обнаруживается в интерфазном ядре в виде (см.). Изучение хромосом человека в норме и патологии составляет предмет медицинской цитогенетики. Установлено, что отклонения в числе или структуре хромосом от нормы, возникающие в половых! клетках или на ранних этапах дробления оплодотворенной яйцеклетки, вызывают нарушения нормального развития организма, обусловливая в некоторых случаях возникновение части спонтанных абортов, мертворождений, врожденных уродств и аномалий развития после рождения (хромосомные болезни). Примерами хромосомных болезней могут служить болезнь Дауна (лишняя G-хромосома), синдром Клайнфелтера (лишняя Х-хромосома у мужчин) и (отсутствие в кариотипе Y- или одной из Х-хромосом). В медицинской практике хромосомный анализ проводят или прямым методом (на клетках костного мозга), или после кратковременного культивирования клеток вне организма (периферическая кровь, кожа, эмбриональные ткани).
Хромосомы (от греч. chroma - окраска и soma - тело) - нитевидные, самовоспроизводящиеся структурные элементы клеточного ядра, содержащие в линейном порядке факторы наследственности - гены. Хромосомы отчетливо видны в ядре во время деления соматических клеток (митоза) и во время деления (созревания) половых клеток - мейоза (рис. 1). В том и в другом случае хромосомы интенсивно окрашиваются основными красителями, а также видны на неокрашенных цитологических препаратах в фазовом контрасте. В интерфазном ядре хромосомы деспирализованы и не видны в световой микроскоп, так как их поперечные размеры выходят за пределы разрешающей способности светового микроскопа. В это время отдельные участки хромосом в виде тонких нитей диаметром 100-500 Å можно различить при помощи электронного микроскопа. Отдельные не деспирализовавшиеся участки хромосом в интерфазном ядре видны через световой микроскоп как интенсивно красящиеся (гетеропикнотические) участки (хромоцентры).
Хромосомы непрерывно существуют в клеточном ядре, претерпевая цикл обратимой спирализации: митоз-интерфаза-митоз. Основные закономерности строения и поведения хромосом в митозе, мейозе и при оплодотворении одинаковы у всех организмов.
Хромосомная теория наследственности . Впервые хромосомы описали И. Д. Чистяков в 1874 г. и Страсбургер (Е. Strasburger) в 1879 г. В 1901 г. Уилсон (Е. В. Wilson), а в 1902 г. Саттон (W. S. Sutton) обратили внимание на параллелизм в поведении хромосом и менделевских факторов наследственности - генов - в мейозе и при оплодотворении и пришли к выводу, что гены находятся в хромосомах. В 1915-1920 гг. Морган (Т. Н. Morgan) и его сотрудники доказали это положение, локализовали в хромосомах дрозофилы несколько сот генов и создали генетические карты хромосом. Данные о хромосомах, полученные в первой четверти 20 века, легли в основу хромосомной теории наследственности, согласно которой преемственность признаков клеток и организмов в ряду их поколений обеспечивается преемственностью их хромосомах.
Химический состав и ауторепродукция хромосом . В результате цитохимических и биохимических исследований хромосом в 30 и 50-х годах 20 века установлено, что они состоят из постоянных компонентов [ДНК (см. Нуклеиновые кислоты), основных белков (гистонов или протаминов), негистонных белков] и переменных компонентов (РНК и связанного с ней кислого белка). Основу хромосом составляют дезоксирибонуклеопротеидные нити диаметром около 200 Å (рис. 2), которые могут соединяться в пучки диаметром 500 А.
Открытие Уотсоном и Криком (J. D. Watson, F. Н. Crick) в 1953 г. строения молекулы ДНК, механизма ее авторепродукции (редупликации) и нуклеинового кода ДНК и развитие возникшей после этого молекулярной генетики привело к представлению о генах как участках молекулы ДНК. (см. Генетика). Вскрыты закономерности авторепродукции хромосом [Тейлор (J. Н. Taylor) и др., 1957], оказавшиеся аналогичными закономерностям авторепродукции молекул ДНК (полуконсервативная редупликация).
Хромосомный набор - совокупность всех хромосом в клетке. Каждый биологический вид обладает характерным и постоянным набором хромосом, закрепленным в эволюции данного вида. Различают два основных типа наборов хромосом: одиночный, или гаплоидный (в половых клетках животных), обозначаемый n, и двойной, или диплоидный (в соматических клетках, содержащий пары сходных, гомологичных хромосом от матери и отца), обозначаемый 2n.
Наборы хромосом отдельных биологических видов значительно различаются по числу хромосом: от 2 (лошадиная аскарида) до сотен и тысяч (некоторые споровые растения и простейшие). Диплоидные числа хромосом некоторых организмов таковы: человека - 46, гориллы - 48, кошки - 60, крысы - 42, дрозофилы - 8.
Размеры хромосом у разных видов также различны. Длина хромосом (в метафазе митоза) варьирует от 0,2 мк у одних видов до 50 мк у других, а диаметр от 0,2 до 3 мк.
Морфология хромосом хорошо выражена в метафазе митоза. Именно метафазные хромосомы используют для идентификации хромосом. В таких хромосомах хорошо видны обе хроматиды, на которые продольно расщеплена каждая хромосома и центромер (кинетохор, первичная перетяжка), соединяющий хроматиды (рис. 3). Центромер виден как суженный участок, не содержащий хроматина (см.); к нему крепятся нити ахроматинового веретена, благодаря чему центромер определяет движение хромосом к полюсам в митозе и мейозе (рис. 4).
Потеря центромера, например при разрыве хромосомы ионизирующими излучениями или другими мутагенами, приводит к потере способности куска хромосомы, лишенного центромера (ацентрический фрагмент), участвовать в митозе и мейозе и к потере его из ядра. Это может привести к тяжелому повреждению клетки.
Центромер делит тело хромосомы на два плеча. Расположение центромера строго постоянно для каждой хромосомы и определяет три типа хромосом: 1) акроцентрические, или палочкообразные, хромосомы с одним длинным и вторым очень коротким плечом, напоминающим головку; 2) субметацентрические хромосомы с длинными плечами неравной длины; 3) метацентрические хромосомы с плечами одинаковой или почти одинаковой длины (рис. 3, 4, 5 и 7).
Рис. 4. Схема строения хромосом в метафазе митоза после продольного расщепления центромера: А и А1 - сестринские хроматиды; 1 - длинное плечо; 2 - короткое плечо; 3 - вторичная перетяжка; 4- центромер; 5 - волокна веретена.
Характерными чертами морфологии определенных хромосом являются вторичные перетяжки (не обладающие функцией центромера), а также спутники - маленькие участки хромосом, соединенные с остальным ее телом тонкой нитью (рис. 5). Спутничные нити обладают способностью формировать ядрышки. Характерная структура в хромосоме (хромомеры) - утолщения или более плотно спирализованные участки хромосомной нити (хромонемы). Рисунок хромомер специфичен для каждой пары хромосом.
Рис. 5. Схема морфологии хромосомы в анафазе митоза (хроматида. отходящая к полюсу). А - внешний вид хромосомы; Б - внутреннее строение той же хромосомы с двумя составляющими ее хромонемами (полухроматидами): 1 - первичная перетяжка с хромомерами, составляющими центромер; 2 - вторичная перетяжка; 3 - спутник; 4 - нить спутника.
Число хромосом, их размеры и форма на стадии метафазы характерны для каждого вида организмов. Совокупность этих признаков набора хромосом называется кариотипом. Кариотип можно представить в виде схемы, называемой идиограммой (см. ниже хромосомы человека).
Половые хромосомы . Гены, детерминирующие пол, локализованы в специальной паре хромосом - половых хромосомах (млекопитающие, человек); в других случаях иол определяется соотношением числа половых хромосом и всех остальных, называемых аутосомами (дрозофила). У человека, как и у других млекопитающих, женский пол определяется двумя одинаковыми хромосомами, обозначаемыми как Х-хромосомы, мужской пол определяется парой гетероморфных хромосом: Х и Y. В результате редукционного деления (мейоза) при созревании ооцитов (см. Овогенез) у женщин все яйца содержат по одной Х-хромосоме. У мужчин в результате редукционного деления (созревания) сперматоцитов половина спермиев содержит Х-хромосому, а другая половина Y-хромосому. Пол ребенка определяется случайным оплодотворением яйцеклетки спермием, несущим Х- или Y-хромосому. В результате возникает зародыш женского (XX) или мужского (XY) пола. В интерфазном ядре у женщин одна из Х-хромосом видна как глыбка компактного полового хроматина.
Функционирование хромосом и метаболизм ядра . Хромосомная ДНК является матрицей для синтеза специфических молекул информационной РНК. Этот синтез происходит тогда, когда данный участок хромосомы деспирализован. Примерами локальной активации хромосом служат: образование деспирализованных петель хромосом в ооцитах птиц, амфибий, рыб (так называемые Х-ламповые щетки) и вздутий (пуффов) определенных локусов хромосом в многонитчатых (политенных) хромосомах слюнных желез и других секреторных органов двукрылых насекомых (рис. 6). Примером инактивации целой хромосомы, т. е. выключения ее из метаболизма данной клетки, является образование одной из Х-хромосом компактного тела полового хроматина.
Рис. 6. Политенные хромосомы двукрылого насекомого Acriscotopus lucidus: А и Б - участок, ограниченный пунктирными линиями, в состоянии интенсивного функционирования (пуфф); В - тот же участок в нефункционирующем состоянии. Цифрами обозначены отдельные локусы хромосом (хромомеры).
Рис. 7. Хромосомный набор в культуре лейкоцитов периферической крови мужчины (2n=46).
Вскрытие механизмов функционирования политенных хромосом типа ламповых щеток и других типов спирализации и деспирализации хромосом имеет решающее значение для понимания обратимой дифференциальной активации генов.
Хромосомы человека . В 1922 г. Пейнтер (Т. S. Painter) установил диплоидное число хромосом человека (в сперматогониях), равное 48. В 1956 г. Тио и Леван (Н. J. Tjio, A. Levan) использовали комплекс новых методов исследования хромосом человека: культуру клеток; исследование хромосом без гистологических срезов на тотальных препаратах клеток; колхицин, приводящий к остановке митозов на стадии метафазы и накоплению таких метафаз; фитогемагглютинин, стимулирующий вступление клеток в митоз; обработку метафазных клеток гипотоническим солевым раствором. Все это позволило уточнить диплоидное число хромосом у человека (оно оказалось равным 46) и дать описание кариотипа человека. В 1960 г. в Денвере (США) международная комиссия разработала номенклатуру хромосом человека. Согласно предложениям комиссии, термин «кариотип» следует применять к систематизированному набору хромосом единичной клетки (рис. 7 и 8). Термин «идиотрамма» сохраняется для представления о наборе хромосом в виде диаграммы, построенной на основании измерений и описания морфологии хромосом нескольких клеток.
Хромосомы человека пронумерованы (отчасти серийно) от 1 до 22 в соответствии с особенностями морфологии, допускающими их идентификацию. Половые хромосомы не имеют номеров и обозначаются как Х и Y (рис. 8).
Обнаружена связь ряда заболеваний и врожденных дефектов в развитии человека с изменениями в числе и структуре его хромосом. (см. Наследственность).
См. также Цитогенетические исследования.
Все эти достижения создали прочную базу для развития цитогенетики человека.
Рис. 1. Хромосомы: А - на стадии анафазы митоза в микроспороцитах трилистника; Б - на стадии метафазы первого деления мейоза в материнских клетках пыльцы у традесканции. В обоих случаях видно спиральное строение хромосом.
Рис. 2. Элементарные хромосомные нити с диаметром 100 Å (ДНК + гистон) из интерфазных ядер вилочковой железы теленка (электронная микроскопия): А - изолированные из ядер нити; Б - тонкий срез через пленку того же препарата.
Рис. 3. Хромосомный набор Vicia faba (конские бобы) в стадии метафазы.
Рис. 8. Хромосомы того же, что на рис. 7, набора, систематизированные согласно денверовской номенклатуре в пары гомологов (кариотип).
Как известно, в клетках мужчин содержится пара половых хромосом — женская Х-хромосома и мужская Y-хромосома. Впрочем если Y-хромосома действительно мужская, то Х-хромосома скорее общая: ведь она есть у представителей обоих полов, но у мужчин, получающих её от матери, она только в одном экземпляре. Х-хромосома содержит множество генов, необходимых для жизнедеятельности любого организма, независимо от пола. В том числе она содержит гены, мутации в которых приводят к серьезным заболеваниям, таким как гемофилия, мышечная дистрофия Дюшена, дальтонизм. Эти заболевания, ассоциированные с Х-хромосомой, в подавляющем большинстве случаев проявляются у мужчин, поскольку те имеют только одну Х-хромосому.
У женщин дефектный ген компенсируется здоровым геном на парной Х-хромосоме, а у мужчин его компенсировать нечем. Поэтому гемофилией или дальтонизмом чаще всего болеют мужчины, хотя получают они эти заболевания от своих матерей.
Оказывается, эта женская половая хромосома имеет участок с совершенно неожиданной функцией: он несет гены, специализированные для производства сперматозоидов.
Наряду с открытием неизвестной функции Х-хромосомы ученые выяснили еще одно ее свойство. До сих пор считалось, что, в отличие от Y-хромосомы, Х-хромосома стабильна. Теперь же биологи выяснили, что она претерпевала довольно быстрые эволюционные изменения. Взятые вместе, эти результаты заставляют пересмотреть ее биологическое и медицинское значение.
Х-хромосома считалась очень хорошо изученной — в том числе потому, что она ассоциирована с перечисленными выше заболеваниями. Однако, когда ученые взялись за тщательный анализ нуклеотидной последовательности Х-хромосомы, они обнаружили детали, ранее ускользавшие от внимания. Лаборатория профессора Дэвида Пэйджа , где произошло открытие, была известна своими работами в области изучения Y-хромосомы. И вот они взялись за другую половую хромосому, поставив задачу сравнить ее нуклеотидную последовательность у человека и мыши. Цель работы состояла в том, чтобы проверить устоявшееся среди специалистов мнение, что Х-хромосома консервативна и поэтому практически одинакова у всех млекопитающих.
Для проведения точного сравнения группа заново секвенировала человеческую Х-хромосому, применив оригинальный метод Пэйджа, разработанный в сотрудничестве со специалистами Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Они повысили точность секвенирования, что позволило им заполнить имевшиеся ранее пропуски в нуклеотидной последовательности. Кроме того, исследователи обнаружили так называемые палиндромы — участки, в которых нуклеотидная последовательность повторяется в перевернутом виде, как в зеркале. Стандартный подход игнорировал эти участки. Уточненную структуру Х-хромосомы биологи выложили в общий доступ для использования в научном сообществе.
Проведя сравнение, ученые выяснили, что Х-хромосомы человека и мыши имеют примерно 95% общих генов, причем практически все эти гены экспрессируются у обоих полов. Наряду с этим они обнаружили 340 генов, которые отличают человека от мыши. Очевидно, они сформировались в течение 80 млн лет, которые прошли со времени общего предка мыши и человека.
Анализ их экспрессии выявил, что эти гены активны почти исключительно в клетках семенников, где они принимают участие в продукции сперматозоидов.
Для более точного понимания их работы необходимы дальнейшие исследования.
«Эта группа генов крайне важна для медицинской генетики, — считает Якоб Мюллер, первый автор статьи. - Поскольку они расположены на Х-хромосоме, то наследуются не по законам Менделя . Теперь, когда мы нашли их расположение, мы можем начать анализировать их биологическое значение».
Ученые считают, что эти гены, вероятно, играют важную роль в болезнях, связанных с мужской репродукцией, бесплодием, а возможно, и с раком семенников.
«Х-хромосома считалась наиболее изученной в человеческом геноме, — подчеркнул Дэвид Пэйдж. — Но ее неизвестная до сих пор сторона состоит в том, что она быстро эволюционирует и, по-видимому, участвует в репродуктивной функции мужчин. Наши результаты продемонстрировали двойную роль Х-хромосомы. Эта новая книга, которую еще предстоит написать».
- Скажите, профессор! Вы рассказали, что через 5 миллионов лет Солнце достигнет таких размеров, что поглотит Землю. Это правда?
- Нет. Это произойдет только через 5 миллиардов лет.
- А! Ну, слава Богу!
Сегодня в прессе распространены известия о том, что скоро «мир останется без мужчин », что «мужская Y-хромосома — а вместе с нею и весь мужской род — находятся под угрозой вымирания », что «мужчины исчезнут как динозавры », «исчезнут с лица Земли », «исчезнут как биологический вид ». Можно ли верить этим сенсациям? Что такое Y-хромосома и для чего она нужна? Что происходит с ней на самом деле? Правда ли существует угроза для мужского населения? Об этом — данная статья.
Наследственный материал человека организован в 22 пары неполовых хромосом (аутосом) и в две половые хромосомы. Половина хромосом достается нам от отца, половина — от матери. У женщин имеется две X-хромосомы, а у мужчин одна Х- и одна Y-хромосома. На самом деле, картина несколько более сложная. Примерно каждый пятисотый мужчина имеет две X- и одну Y-хромосому (XXY), а каждый тысячный имеет одну X и две Y (XYY). Каждая тысячная женщина имеет три Х (ХХХ).
Наличие более двух половых хромосом не смертельно, но может приводить к нарушениям развития. У XYY-мужчин нарушения выражены незначительно: наблюдаются небольшие ухудшения умственного развития, увеличенный рост, но при этом сохраняется фертильность (способность оставлять потомство). XXY-мужчины, как правило, бесплодны, у них меньше мужского полового гормона — тестостерона, менее развиты гениталии. ХХХ-женщины, как правило, фертильны, в некоторых случаях с отставанием в развитии. Изменение числа копий аутосом значительно более опасно: три копии 21-й хромосомы являются причиной развития синдрома Дауна, утроение любой из остальных хромосом несовместимо с жизнью.
Получается, что пол людей определяется наличием или отсутствием Y-хромосомы: если Y-хромосома есть, получается мужчина, если ее нет — женщина. Такая система определения пола не единственная возможная в мире животных. Например, у плодовой мушки дрозофилы пол определяется числом Х-хромосом и не зависит от наличия Y-хромосомы. У птиц, в отличие от людей, две одинаковые половые хромосомы наблюдаются у самцов, а у самок половые хромосомы разные. У утконоса (уникального яйцекладущего млекопитающего с клювом) имеется целых 10 половых хромосом, которые сцеплены в цепочки по пять: бывают ХХХХХХХХХХ-самки и XYXYXYXYXY-самцы. Более того, одна часть цепочки половых хромосом утконоса имеет сходство с половыми хромосомами птиц, а другая — с половыми хромосомами других млекопитающих.
В очень редких случаях среди людей, грызунов и некоторых других видов млекопитающих можно встретить самца без Y-хромосомы, а так же самку с Y-хромосомой. Было показано, что для определения пола необходима не вся Y-хромосома, а только малая ее часть, всего лишь один ген. Ген SRY, расположенный на Y-хромосоме, отвечает за развитие семенников. Если этот ген «перескочит» на другую хромосому, то может получиться XX-самец. Если в результате мутации ген SRY будет выведен из строя на Y-хромосоме, может быть получена XY-самка.
1991 году в научном журнале Nature была опубликована работа молекулярного биолога Питера Купмана, которому удалось встроить ген SRY c Y-хромосомы мышей в мышиные эмбрионы с двумя Х-хромосомами. Такие трансгенные мыши внешне оказались самцами. Так было подтверждено, что ключевое генетическое отличие между мужчиной и женщиной кроется в одном-единственном гене.
Но как один ген может так сильно повлиять на развитие человека? Оказалось, что ген SRY может активировать другие гены, отвечающие за развитие мужских половых признаков. У самки эти гены выключены, но появление гена SRY может привести к их включению. Иными словами, в геноме каждой женщины есть почти все необходимые инструкции для развития мужчины, но эти инструкции хранятся под замком. Ген SRY — ключ к этому замку.
Хотя работы Купмана показали, что одного гена достаточно, чтобы получить ХХ-мышей со всеми внешними признаками самцов, полученные самцы оказались бесплодны. Это означает, что для полноценного развития самца одного гена все-таки недостаточно. Тем не менее многие ученые склоняются к мнению, что количество генов, важных для развития полноценных мужчин, на Y-хромосоме невелико.
Последние данные свидетельствуют о том, что Y-хромосома стала половой хромосомой примерно 150 миллионов лет назад. Тогда Х- и Y-хромосомы были очень похожи, так же как современные неполовые хромосомы. С тех пор Y-хромосома неуклонно уменьшалась в размерах и утратила около 97% своих генов. Став половой хромосомой, она начала накапливать гены, полезные для мужчин, но вредные для женщин, и постепенно избавляться от всего остального.
Кроме того, Y-хромосома мутирует почти в 5 раз быстрее, чем остальные хромосомы. Считается, что это связано с тем, что появлению мужских половых клеток предшествует большое количество делений. Дело в том, что при каждом делении клеток необходимо копировать хромосомы, чтобы каждой новой клетке достался полноценный набор генетического материала. Но система копирования ДНК не идеальна: при каждом копировании возникают ошибки, своеобразные опечатки, мутации. Y-хромосома в каждом поколении проходит через большое количество копирований, потому что наследуется только через мужские половые клетки, а значит, накапливает больше ошибок, связанных с копированием. Аутосомы наследуются как от мужчин, так и от женщин, а значит, в половине поколений наследуются через женские половые клетки. Вследствие этого они в среднем проходят через меньшее число делений на одно поколение и накапливают меньше мутаций.
Если грубо посчитать скорость исчезновения генов с Y-хромосомы и количество оставшихся на ней генов, можно представить, что Y-хромосома утратит все свои гены примерно через десять миллионов лет. Сегодня ведется дискуссия о том, грозит ли Y-хромосоме полное исчезновение в будущем. Во-первых, опыты Купмана показывают, что Y-хромосома не так уж нужна: если пара-тройка важных для определения пола генов перескочат с Y-хромосомы на аутосому, мы получим новую систему определения пола. В такой системе от Y-хромосомы можно будет избавиться без особых последствий. Действительно, у некоторых видов грызунов в ходе эволюции Y-хромосома была полностью утрачена, что указывает на то, что описанный выше сценарий, действительно, возможен. Другая точка зрения гласит, что ничего с Y-хромосомой не случится. Сегодня показано, что существует ряд эволюционных механизмов, активно сохраняющих оставшиеся на Y-хромосоме гены. Совершено не обязательно, что Y-хромосома продолжит утрачивать оставшиеся на ней гены с той же скоростью, с которой она утрачивала их раньше. Несмотря на наличие разных точек зрения, ученые сходятся во мнении, что уменьшение Y не приведет к катастрофическим последствиям для человечества. Мужчины останутся.
В организме каждого мужчины присутствует так называемая «Y-хромосома», которая и делает мужчину мужчиной. Обычно хромосомы в ядре любой клетки располагаются попарно. Вот и для Y-хромосомы есть соответствующая пара – X-хромосома. При зачатии будущий новый организм наследует всю свою генетическую информацию от родителей (половину хромосом от одного родителя, половину – от другого). От матери он может унаследовать только X-хромосому. От отца – либо X, либо Y. Если в плоде собираются две X-хромосомы, родится девочка. Если X и Y вместе – мальчик (две Y-хромосомы в одном организме оказаться не может). В течение долгих лет генетики считали, что никакой другой полезной функции на Y-хромосому природой не возложено. Однако они ошибались.
К зиме генетики надеются полностью расшифровать генетический код, заложенный в Y-хромосоме. Расшифровка Y-хромосомы входит в проект по расшифровке генома человека, который осуществляется международной группой генетиков. Информация о генетической карте этой хромосомы крайне важна, так как именно в ней лежат ответы на вопросы о причинах мужского бесплодия. Однако уже сейчас в ходе исследования стало понятно, что Y-хромосома далеко не так проста, как казалось вначале.
В течение почти ста лет генетики считали, что крохотная хромосома (а Y-хромосома действительно является самой маленькой в человеческом организме, заметно меньше, чем ее пара – X-хромосома) является просто «заглушкой». Первые догадки, что хромосомный набор мужчин отличается от такового у женщин, были выдвинуты в 1920-х годах. Y-хромосома стала первой хромосомой, обнаруженной с помощью микроскопа. Но сопоставить Y-хромосому хоть какую-то наследственную генетическую информацию оказалось невозможным; для X-хромосомы же исследовательские технологии тех времен (изучение нескольких поколений семей на предмет выявления наследственных признаков) вполне подошли.
В середине 20 века генетики имели «на подозрении» несколько весьма специфических генов, которые могли содержаться в Y-хромосоме. Однако в 1957 году, на собрании Американского Общества Человеческой Генетики, все эти теории оказались разрушенными. Y-хромосома была официально признана «пустышкой», не несущей в себе никакой важной наследственной информации. Утвердилась точка зрения, что «да, Y-хромосома несет в себе какой-то ген, определяющий пол человека, но больше на нее не возложено никаких функций».
И только сейчас генетики стали понимать, что Y-хромосома – нечто уникальное в мире генов. Она чрезвычайно узко специализирована: все гены, содержащиеся в ней (а их там оказалось около двух дюжин), либо отвечают за производство спермы организмом мужчины, либо отвечают за «сопутствующие» процессы. И, естественно, самый важный ген в этой хромосоме – SRY, тот самый ген, при наличии которого человеческий зародыш развивается по мужскому пути
Как известно, в подавляющем большинстве стран мужчины живут существенно меньше, чем женщины. Разнообразные отчеты медицинских учреждений свидетельствуют: повышенная заболеваемость и смертность наблюдается у мужчин почти по всем известным болезням, кроме разве что некоторых гонококковых инфекций и коклюша. Более того, по данным зоологов, этот дисбаланс здоровья у самцов и самок не ограничивается человеческой популяцией. Так, согласно одному из недавно проведенных масштабных исследований, в 62 из 70 видов (89%), подвергшихся сравнительному анализу (были изучены нематоды, моллюски, ракообразные, насекомые, паукообразные, птицы, рептилии, рыбы и, разумеется, млекопитающие), самцы живут меньше, чем самки.
Из всего сказанного напрашивается вывод: повышенная смертность мужского пола, по-видимому, - универсальное явление в земной фауне. Каковы же причины подобной нелюбви матери-природы к самцам-производителям? Научных теорий, пытающихся так или иначе обосновать этот биологический феномен, к настоящему времени накопилось уже немало. В качестве возможных объяснений предлагались чрезмерно крупные размеры особей мужского пола и/или их слишком яркая расцветка, а также повышенная травмоопасность - самцы подвергаются большему риску из-за того, что на них лежит ответственность за добычу пищи, охрану территории и проч.; свою роль играет и метаболический фактор.
Однако во многом благодаря бурному развитию в последние несколько десятилетий генетики сегодня на первый план вышла так называемая теория дисбаланса генов. Как полагают сторонники этой теории, основная причина высокой смертности самцов-животных - их гетерогаметная конституция, или отсутствие второй Х-хромосомы в генетическом наборе мужского организма (подробнее см. "XY и ХХ").
Иными словами, поскольку в хромосомном наборе самцов, в отличие от самок, вооруженных парой Х-хромосом, имеется только одна половая хромосома - Х (вторая же, исключительно мужская половая хромосома, Y, как следует из многочисленных исследований, за многие миллионы лет эволюции постепенно выродилась, сохранив в своем составе, по сути, лишь минимально необходимую для продолжения рода генную коллекцию), различные повреждения или случайные мутации генов в этой мужской Х-хромосоме с гораздо большей вероятностью остаются безнаказанными и наследуются потомками мужского пола по признаку сцепленности с полом.
Что же касается пресловутой специфической мужской хромосомы, американские биологи предположили, что она, по всей видимости, является сильно усеченной версией описанной незадолго до этого другой половой хромосомы, условно названной Х. Усеченная мужская хромосома получила буквенную приставку Y, мужские особи обзавелись альтернативным обозначением XY (поскольку в их половых клетках было выявлено по одному экземпляру Х и Y хромосом), тогда как женские, обладающие двойным набором Х-хромосом, получили аббревиатуру ХХ.
За многие десятилетия, прошедшие с момента этого важнейшего открытия, генетики не слишком преуспели в пополнении своих скудных знаний о внутренней структуре и особенностях работы хромосом, и лишь к концу прошлого века кропотливый поиск информации стал приносить заметные результаты. Поставленный на поток процесс секвенирования (черновой расшифровки) геномов различных живых организмов позволил ученым за очень короткое время значительно продвинуться в понимании базовых биологических процессов, важнейшим из которых, безусловно, является механизм передачи наследственной информации.
Первый черновой вариант половой Х-хромосомы человека, в котором, впрочем, присутствовали значительные прорехи, был получен генетиками еще в 2001 году. Два года назад группой специалистов под руководством американца Дэвида Пейджа из Массачусетсского технологического университета была впервые расписана полная генетическая последовательность человеческой Y-хромосомы. Уже к концу 2004 года ученые располагали подробной информацией о структуре "обычных" (неполовых) хромосом 5, 6, 7, 9, 10, 13, 14, 19, 20, 21, 22 (все неполовые хромосомы называются аутосомами и формально различаются только номерами.
18 марта 2005 года коллектив ученых, ядро которого составили исследователи из британского Wellcome Trust Sanger Institute (Кембридж), опубликовал в журнале Nature самый подробный на сегодняшний день анализ Х-хромосомы, базирующийся на дешифровке 99,3% ее общего генетического кода. Разложение на первичные составляющие самой большой хромосомы человеческого генома (ее общий размер составляет 155 млн пар оснований) - задача, для решения которой потребовались титанические усилия многих тысяч ученых, а также самые мощные компьютеры и прикладные программы.
Судя по публикации, уже объявленной рядом мировых СМИ сенсационной, "теория дисбаланса" переходит в разряд общепринятых в современной науке. Из 1098 генов, обнаруженных в Х-хромосоме (а это примерно 4% от общего числа всех человеческих генов), более трехсот имеют прямое или косвенное отношение к различным наследственным заболеваниям, что, в свою очередь, составляет более 10% от всех известных науке генных болезней.
Как отмечает руководитель исследовательской группы британского Института Сэнджера д-р Марк Росс, "нарушения генов в Х-хромосоме проявляются в основном у мужчин, поскольку у последних отсутствует "запасная" (здоровая) копия этой хромосомы, тогда как у женских особей негативные последствия генных мутаций в одной Х-хромосоме, как правило, нивелируются благодаря эффективной компенсационной деятельности второй Х-хромосомы".
Пока генетикам удалось четко опознать 168 таких "плохих генов" в Х-хромосоме. Наиболее характерные примеры сугубо мужских заболеваний, виновником которых являются эти гены, - гемофилия, дистрофия Дюшенна, при которой происходит атрофия мышц, синдром Данкана (болезнь иммунной системы), синдром Альпорта (заболевание почек) и т. д.
Кроме того, мутации генов Х-хромосомы - причина различных форм умственной отсталости, которым также более подвержены мужчины. Так, по словам академика РАМН директора медико-генетического научного центра Евгения Гинтера, к настоящему времени в Х-хромосоме уже выявлено более трех десятков генов, в той или иной степени имеющих отношение к этой болезни, и, скорее всего, черный список еще пополнится.
И наконец, одно из самых неприятных открытий: около 10% генов Х-хромосомы принадлежат к особому семейству, представители которого подозреваются в причастности к онкологическим заболеваниям. Впрочем, сведения, которыми располагает современная медицина об этих генах, пока крайне скудны, поэтому делать далеко идущие выводы на сей счет ученые не торопятся.
Из не слишком большого объема позитивной информации, представленной авторами расшифровки Х-хромосомы, самыми растиражированными, безусловно, следует считать уточненные данные о функционировании в женском организме второй Х-хромосомы. Ученых долгое время озадачивал тот факт, что у женщин две Х-хромосомы, содержащие двойной набор одинаковых генов, тогда как мужчины вынуждены обходиться куцым Y-огрызком, в котором насчитывается на порядок меньшее число генов (по данным на 2003 год, в Y-хромосоме найдено всего 78 генов, причем 54 имеют функциональные соответствия в Х-наборе). Иными словами, получается, что у всякой женщины в целом на 4-5% больше генов, чем у любого мужчины.
В начале 60-х годов прошлого века британский генетик Мэри Лайон, изучавшая генетические факторы, влияющие на специфику окраски шерсти у самок мышей, пришла к весьма неожиданному выводу: в каждой клетке организма самок работает только одна Х-хромосома, а вторая молчит, будучи практически полностью инактивированной. Причем, как выяснилось позднее, это отключение второй Х-хромосомы в клетках женских особей, срабатывающее практически у всех млекопитающих (в том числе и homo sapiens), происходит еще в процессе эмбрионального развития.
Конкретные генетические механизмы, обеспечивающие отключение запасных Х-хромосом в женских клетках, пока изучены лишь в самых общих чертах. Так, лишь в середине 90-х годов генетиками было установлено, что главный контролер этого процесса - особый ген Xist, расположенный в самой Х-хромосоме. Этот ген продуцирует очень крупные молекулы специфической РНК (также называемой XIST, только большими буквами), действующей лишь на ту Х-хромосому, которая его и произвела. Расползаясь вдоль по хромосоме от места синтеза, молекулы XIST окутывают ее, подобно кокону и тем самым лишают работоспособности.
Однако, согласно новейшим исследованиям генетиков, подтвержденным в том числе и авторами публикации в Nature, на самом деле весь этот процесс инактивации вторых Х-хромосом в женских клетках далеко не так совершенен: многие гены вроде бы неактивной Х-хромосомы каким-то образом ускользают от Xist и как ни в чем ни бывало продолжают производить белки, дублирующие продукцию их аналогов в нормальной Х-хромосоме.
Один из авторов статьи в Nature профессор Duke University (США) Хантингтон Уиллард полагает, что, "возможно, именно в несовпадении уровня генной экспрессии между полами и кроется причина их различий как в гендерном плане (социальных моделях поведения мужчин и женщин), так и в базовых механизмах защиты организма от наследственных заболеваний".
Доля таких "невыключенных" генов в запасных женских Х-хромосомах, по утверждению специалистов из Института Сэнджера, составляет от 15 до 25% (15% - это нижняя планка; у многих обследованных женщин наблюдалась более высокая генная активность). Опять-таки причины и механизмы этого генного разнобоя в работе женских Х-хромосом пока остаются невыясненными. Комментируя очередную загадку природы, академик Гинтер лишь недоуменно пожал плечами: "Исходя из полученных результатов, можно говорить, что в целом уровень экспрессии генов у женщин больше, чем у мужчин, и у разных женщин эта доза также сильно разнится, но вроде живут-то они – одинаково".
Еще одна важнейшая тема, внимание к которой было в очередной раз привлечено последними исследованиями генной структуры Х-хромосомы, - особенности исторической эволюции половых хромосом человека. По мнению Евгения Гинтера, именно эволюционный блок мартовской публикации представляет наибольший интерес для большой науки.
Согласно наиболее популярной сегодня теории происхождения полов, изначально, то бишь с момента зарождения жизни на нашей планете, и, скорее всего, примерно до середины периода господства динозавров (300 млн лет до н. э.) специального генетического механизма разделения полов на Земле не было в принципе. У тех же рептилий (в том числе и современных) пол потомства определяется исключительно температурой внешней среды, в которой созревает оплодотворенное яйцо: при одной температуре из яйца вылупляется самка, при другой - самец.
В какой-то до сих пор не вполне понятный для науки момент у ряда наиболее прогрессивных видов, к числу которых следует отнести блох, бабочек, птиц и, разумеется, новых героев эволюции - млекопитающих, из общего стандартного набора хромосом по также не вполне понятным причинам выделились половые хромосомы.
В частности, как полагают генетики, хромосомными предками современных человеческих половых хромосом X и Y были неспециализированные аутосомы N1 и N4 курицы. Причем вначале эти новые половые хромосомы ничем друг от друга не отличались, кроме того, что Y несла ген детерминации мужского пола, а X - нет. Об этой же изначальной аналогичности свидетельствует и то, что более половины из немногих сохранившихся сегодня на Y-хромосоме генов имеет пару на хромосоме Х.
Однако в ходе последующей эволюции в изначально практически идентичных генах этих хромосом начали накапливаться мутации, и генетические структуры X и Y стали все больше и больше отличаться друг от друга.
Многие генетики полагают, что печальная судьба непарной Y-хромосомы была предрешена сразу же после разделения хромосом на половые и соматические. Не имея, в отличие от Х-хромосомы, эффективных механизмов для ремонта и восстановления поврежденных генов, Y-хромосома стала постепенно терять один за другим эти "единицы наследственности" и, по прогнозам фаталистов, в ближайшие пару сотен тысяч лет должна будет превратиться либо в генетическую пустышку, не несущую никакой наследственной информации, либо вообще полностью исчезнуть из генома.
Если исходить из формальных соображений, теория скорой гибели мужского пола, безусловно, выглядит вполне логичной. Действительно, если взять за основу человеческий геном, то, по сути, в Y-хромосоме почти не осталось "осмысленных записей", тогда как изначально на ней, так же как и на Х-хромосоме, располагалось около 1000 генов. Большинство же из оставшихся сегодня 78 генов Y-хромосомы имеют крайне узкую специализацию и отвечают за образование сперматозоидов и развитие семенников.
