В новом исследовании, опубликованном 18 ноября в журнале Genome Research, ученые представили первую в истории полную последовательность Y-хромосомы герефордского быка с высоким разрешением. Исследование, которое проводилось более десяти лет, предполагает, что Y-хромосома быков эволюционировала десятками копий одних и тех же генов в эгоистичной попытке создать больше самцов — шаг, которому противодействует X-хромосома, определяющая самку.
«Когда у вас есть X- и Y-хромосомы, возникает конфликт, — сказал Пейдж, профессор биологии Массачусетского технологического института и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Видя это полномасштабное соревнование между X и Y-хромосомами у рогатого скота, мы должны более глубоко задуматься об этом конфликте как о постоянной и общей особенности половых хромосом у млекопитающих».
Это понимание сил, которые управляют поведением и эволюцией половых хромосом, поможет ученым в лаборатории Пейджа изучить генетические различия между мужчинами и женщинами, а также их влияние на здоровье и болезни во всех частях тела, добавил Пейдж.
Половые хромосомы — X и Y — произошли от правильной пары симметричных хромосом около 200 миллионов лет назад. У рожденных биологически женщинами есть две Х-хромосомы. У тех, кто родился биологически мужчиной, есть один X и один Y.
Лаборатория Пейджа успешно секвенировала Y-хромосому человека в 2003 году, и впоследствии исследователи захотели иметь возможность сравнить последовательность с ее аналогами у других животных, чтобы помочь понять, как они развивались и расходились с течением времени.
Чтобы провести эти сравнения, исследователи в лаборатории Пейджа составили список из нескольких млекопитающих, включая шимпанзе, опоссумов и мышей, которые занимали разные ветви генеалогического древа млекопитающих. Один за другим ученые начали секвенировать Y этих существ, используя метод секвенирования с высоким разрешением под названием SHIMS (сокращение от Single-Haplotype Iterative Mapping and Sequencing).
Эта мощная технология секвенирования позволила исследователям наблюдать странную особенность Y-хромосом: у некоторых видов почти весь генетический материал на Y состоит из последовательностей ДНК, которые были усилены в десятки или сотни раз — «Похоже на комнату с зеркалами», — сказал Пейдж.
У мышей, например, повторы всего нескольких генов, специфичных для семенников, составляют почти 98 процентов Y-хромосомы. Однако у людей количество повторов составляет всего около 45 процентов. «Мы хотели знать, было ли это просто особенностью грызунов, или другие Y-хромосомы могут приблизиться», — сказал Пейдж.
Вот где появился бык. «Помимо приматов и грызунов, следующая ветвь от дерева млекопитающих включает быка», — сказала Дженнифер Хьюз, исследователь лаборатории Пейджа и первый автор статьи. «Мы не знали, будет ли Y-хромосома быка выглядеть как мышиная, человеческая или другие Y-хромосомы».
Лаборатории Пейдж, Центру секвенирования генома человека Медицинского колледжа Бейлора, Института генома Макдоннелла Вашингтонского университета, Техасского университета A&M и других учреждений потребовалось более десяти лет, чтобы разобраться в сложности Y-хромосомы быка. Фактически, это оказалась самая генная из всех когда-либо картированных Y-хромосом — в основном из-за того, что 96 процентов ее генетического материала состояло из повторяющихся последовательностей.
Как и у мыши, большинство повторов «зеркального зала» быка, по-видимому, выражалось в яичках. Но оставался вопрос: почему? «То, что движет этим, не может быть просто производством большего количества спермы, потому что это просто перебор, верно?» — сказал Хьюз. «Вам действительно не нужны сотни копий гена для выполнения этой задачи».
Исследователи нашли ключ к разгадке, когда внимательно изучили Х-хромосому крупного рогатого скота: половая хромосома, определяющая самку, также имела несколько копий этих генов, специфичных для семенников. «Мы на самом деле не знаем механизма быка, но мы думаем, что каким-то образом усиление этих генов в Y связано с попыткой конкурировать с X-хромосомами», — сказал Хьюз.
Доказано, что эта гонка вооружений XY происходит у мышей: каким-то образом повторяющиеся гены на Y-хромосоме дают ей дополнительное преимущество, когда дело доходит до попадания в сперматозоиды во время формирования гамет. В исследовании 2012 года ученые выбили повторы Y-хромосомы. Без дополнительных генов в сперматозоидах оказалось больше X-хромосом, чем Y, и соотношение полов у потомства перевесило в женскую сторону. За годы эволюции X также разработал повторы — его собственный способ стать лидером в гонках.
По словам Хьюза, конкуренция между X- и Y-хромосомами эгоистична, потому что асимметричное соотношение полов нехорошо для вида. Таким образом, эти изменения приносят пользу только счастливой хромосоме, которая оказывается в оплодотворенной яйцеклетке. Тот факт, что эгоистичный — и даже пагубный — механизм будет существовать миллионы лет в разрозненных ветвях эволюционного древа, предполагает, что эти конфликты могут быть неизбежным побочным эффектом наличия пары асимметричных половых хромосом. «Эта гонка вооружений XY, вероятно, существует с тех пор, как появились млекопитающие», — сказал Пейдж.
Если оставить в стороне эволюционную теорию, знание механизмов, контролирующих соотношение полов крупного рогатого скота, может быть полезно в ближайшие годы на практике. «Это могло бы представлять большой интерес для заводчиков, потому что они хотели бы иметь возможность манипулировать полом потомства крупного рогатого скота», — сказал Хьюз. «Например, молочные фермеры предпочли бы больше женщин, а фермеры, выращивающие мясо, предпочли бы больше мужчин».
Прямо сейчас лаборатория работает над распечаткой ветвей эволюционного древа Y-хромосомы. Бык — седьмая половая хромосома, которая была полностью секвенирована с помощью метода SHIMS. Хьюз, Пейдж и лаборатория также наблюдают за членами других групп животных, включая рептилий.
«Наша лаборатория сосредоточена на половых различиях в человеческом теле, и вся эта работа действительно основана на уроках, которые мы извлекли, сравнивая Y-хромосомы разных животных с нашими», — сказал Пейдж. «Это похоже на то, когда вы идете в художественную галерею и просто сидите на скамейке и выглядите и чувствуете вдохновение — эти последовательности являются бесконечным источником вдохновения в работе, которую мы делаем. И теперь мы можем добавить быка в нашу галерею».
