Геном

Слишком далеко зашли? Ничуть. Именно так и произо­шло в популяции бабочек Acrea encedon, в результате чего женские особи составляют у них 97%. И это только один из многих известных в природе случаев эволюционных конфликтов, называемых изгнанием половой хромосомы. Больше всего таких примеров известно у насекомых, но это потому, что насекомые более изучены. Теперь становится понятно, откуда в статьях, которые я процитировал выше, появились такие слова как «непримиримость», «конфликт» и «антагонизм».

Несколько статистических упражнений: поскольку клет­ки женского организма содержат две хромосомы X, а в клет­ках мужского организма одна хромосома X, а другая— Y,

можно заключить, что три четверти всех половых хромо­сом является хромосомами X, а одна четверть — хромосома­ми Y. Также можно сказать, что две трети всех хромосом X находится в женской части популяции и лишь одна треть — в мужской. Таким образом, шанс, что хромосома X нанесет смертельный удар по хромосоме Y, втрое превышает веро­ятность ответного удара. Продукт любого гена, находящий­ся на хромосоме Y, может стать целью, по которому нане­сет свой удар хромосома X, начав геноцид ненавистной ей хромосомы Y. Не удивительно, что в ходе эволюции хромо­сома Y избавлялась от всех генов, не связанных с половым диморфизмом, а остальные заставила замолчать, чтобы не провоцировать конфликт с хромосомой X. Именно поэтому Уильям Амос (William Amos) сказал о хромосоме Y, что она «убежала и затаилась».

Автор представил наиболее драматическую версию раз­вития событий. Как было отмечено, хромосома Y присут­ствует лишь в мужской половине популяции, в отличие от всех других хромосом, включая хромосому X. Таким образом, любой ген, каким бы полезным он ни был для особи и популяции в целом, если ему «посчастливилось» оказаться на одной хромосоме с «половым террористом» SRY, обречен на прозябание в лучшем случае в половине популяции. Перенос гена на любую другую хромосому бу­дет эволюционно полезным как для самого гена, так и для популяции. Хотя это не исключает дополнительного дав­ления со стороны хромосомы X, эволюционной пользы от перемещения генов с хромосомы Y вполне достаточно, чтобы объяснить ее генетическую вырожденность.

Хромосома Y так старательно освобождалась от всех слу­чайных генов, что большую ее часть сейчас представляет бессмысленная ДНК, не кодирующая никаких белков, ко­торые могли бы стать мишенью для хромосомы X. Помимо наиболее важного гена SRY, который мы упоминали выше, на хромосоме Y найден еще лишь один кодирующий уча­сток ДНК— так называемый псевдоаутосомальный реги­он. Ген SRY кодирует белок, который запускает каскад био­химических реакций, ведущих к формированию мужской особи. Никакой другой ген не удостоен права владеть всей

хромосомой, хотя данный ген играет роль всего лишь пере­ключателя процессов. Щелчок, за которым следует каскад превращений: зачатки половых органов развиваются в пе­нис и семенники, формы и конституция тела меняются с женских на мужские и запускается синтез множества муж­ских гормонов. В журнале Nature как-то была опубликована шуточная карта хромосомы Y, в которой были отмечены гены переключения телевизионных каналов, запоминания и пересказывания анекдотов, интереса к спортивным стра­ницам в газетах, привязанности к кровавым фильмам и не­способности сказать слова любви по телефону. Впрочем, шутки шутками, но все эти стереотипные мужские свойства действительно кодируются генами. В шуточной схеме не­верным было лишь то, что столь специфичные гены лежат на хромосоме Y. Мужской тип мышления кодируется гена­ми опосредованно через мужские гормоны, оказывающие сильное влияние на мозг, прежде всего — через тестосте­рон. Этот гормон заставляет мужчину вести себя в большем или меньшем соответствии со стереотипами мужского по­ведения. Но все эти гормоны начинают синтезироваться только после того, как отмашку даст белок гена SRY.

Продолжим изучение гена SRY. Он довольно своеобра­зен. В данном гене не допускаются никакие мутации. У всех мужчин на Земле в последовательности нуклеотидов нет отличий ни по одной букве. По предположениям ученых, последний раз этот ген изменялся у наших предков при­мерно 200 ООО лет назад. В то же время наш ген SRY силь­но отличается от аналогичного гена шимпанзе и горилл. Межвидовая частота изменений в этом гене в 10 раз пре­вышает среднюю частоту мутаций по всему геному. Этот ген изменялся в ходе эволюции намного быстрее, чем гены других важных белков.

Как же можно объяснить этот парадокс: абсолютный консерватизм внутри вида и высокая изменчивость между видами? Уильям Амос и Джон Харвуд (John Harwood) объяс­няют этот феномен проявлением антагонизма хромосомы X в отношении хромосомы Y, что заставляет последнюю «убегать и прятаться». Время от времени на хромосоме X возникает ген-преследователь, нацеливающий свою актив­ность на белок, кодируемый геном SRY. С этого момента селективное преимущество получают те редкие мутации в гене SRY, которые делают его белок неузнаваемым для бел­ка-преследователя. На фоне стремительно сокращающейся популяции мужчин, обладатели такого измененного гена по­лучают широчайшие возможности передать новый ген сле­дующим поколениям. В скором времени распространение новой версии гена SRY позволяет выровнять баланс между полами в популяции. В конце концов, новая форма SRYcra- новится единственной у всех мужских особей. В результате серии таких эволюционных прорывов, которые могут про­исходить очень быстро, не оставляя следа для археологов, дивергенция гена между видами стремительно нарастает, тогда как внутри вида ген сохраняет постоянство. Если тео­рия Амоса и Харвуда верна, то такие события в эволюции человека должны были происходить несколько раз после того момента, когда 5-10 млн лет назад разделились предки шимпанзе и человека. Причем последний раз такая «эво­люционная чистка» произошла примерно 200 ООО лет назад (Amos W., Harwood J. 1998. Factors affecting levels of genetic diversity in natural populations. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series В 353: 177-186).

Возможно, вы почувствовали разочарование. Все те дра­матические страсти и конфликты, которые я обещал в на­чале главы, вылились в соревнование и маленькие подло­сти отдельных молекул. Вам не страшно? Подождите, ведь я еще не закончил свой рассказ и как раз сейчас собираюсь связать молекулярные конфликты с реальными проблема­ми людей.

Ведущий исследователь проблемы полового антагониз­ма Уильям Райе (William Rice) из Калифорнийского универ­ситета в Санта-Круз не так давно провел серию блестящих экспериментов. Но сначала давайте возвратимся на время к нашим далеким предкам, когда только появилась половая хромосома Y и начался процесс освобождения ее от ненуж­ных генов, которые могут послужить мишенью для хромосо­мы X. Зарождающаяся хромосома Y, по выражению Райса, стала прибежищем мужских генов. Поскольку хромосома Y никогда не встречается в женском организме, на ней могли без ущерба для популяции собираться гены бесполезные или даже вредные для женского организма, лишь бы они могли принести хоть какую-то пользу мужской особи. Но если вы до сих пор думали, что эволюция хромосом всег­да идет на пользу развитию вида, забудьте об этом сейчас. У плодовых мушек, так же, как и у человека, сперма пред­ставляет собой множество сперматозоидов, находящихся в богатой белками семенной жидкости. Белки семенной жидкости — это такие же продукты генов, как и все осталь­ные белки. Назначение этих белков до конца не известно, но у Райса зародилась интересная догадка: после полового акта у плодовых мушек (удобный объект для эксперимен­тов) эти белки попадают в гемолимфу самки и достигают нервных центров. Здесь они выступают в роли гормонов: угнетают половую страсть самки и стимулируют овуляцию. Тридцать лет назад мы бы рассматривали такой эффект как результат естественного отбора признаков, полезных для вида. Действительно, настало время для самки перестать искать половых партнеров и позаботиться о потомстве. «Удачный половой акт с самцом направил поведение самки в нужное русло», — слышим мы слова комментатора канала «Дискавери». Но сейчас ученым этот пример представля­ется в ином, более печальном свете. Самец пытается мани­пулировать самкой и заставить ее прекратить связи с дру­гими самцами и отложить яйца, оплодотворенные только его семенем. Причем такое поведение самца объясняется не его волей, а эгоистичными приказами генов полового антагонизма, сосредоточенных на его хромосоме Y (или запущенных белками, синтезированными под контролем генов хромосомы Y). Гены полового антагонизма самки развиваются в направлении противодействия чуждым им генам и белкам самца, делая самку все более устойчивой к манипуляциям. Результат полового противостояния обыч­но остается ничейным.

Райе провел очень сложный и хорошо продуманный экс­перимент, чтобы проверить свою идею эгоистичности по­лового противостояния. Он вывел линию плодовых мушек, в которой в результате близкородственного скрещивания на протяжении 29 поколений эффективность спермы сам­цов и устойчивость к ней самок стремительно развивались. В другой группе мушек Райе сделал все возможное, чтобы ослабить развитие устойчивости у самок. Когда, наконец, Райе скрестил самцов из первой группы с самками из вто­рой группы, эффективность спермы была такой, что про­сто убила самок (Rice W. R. 1992. Sexually antagonistic genes: experimental evidence. Science 256: 1436-1439).

Райе убежден, что половой антагонизм был двигателем эволюции видов. Гены, которые попадали в эпицентр по­лового антагонизма, отличаются чрезвычайной межвидо­вой изменчивостью. Например, высокая частота мутаций была выявлена у медуз «морское ушко» (Haliotis sp.) в гене лизирующего фермента, который используют сперматозо­иды для пробуравливания гликопротеинового (состоящего из углеводов и белков — примеч. ред.) покрова яйцеклетки. Это можно объяснить постоянным соревнованием между ферментом и все более усложняющимся покровом яйце­клеток. (Скорее всего, аналогичный ген также быстро эво­люционирует и у других организмов, в том числе и у чело­века.) Легкая проницаемость удобна для сперматозоидов, но вредна для яйцеклетки, поскольку в этом случае проско­чить могут сразу два сперматозоида, что нарушит развитие организма. Другой пример быстро изменяющихся генов (уже ближе к человеку) — это гены белков плаценты. Сейчас многие ученые с подачи Дэвида Хейга (David Haig) полага­ют, что взаимоотношения организма матери и плаценты, которая развивается исключительно под контролем генов, унаследованных эмбрионом от отца, лучше всего описыва­ет модель взаимоотношения паразита и хозяина. Плацента пытается преодолеть сопротивление материнского орга­низма и навязать свои требования к содержанию сахара в крови и кровяному давлению, которые больше устраивают эмбрион, чем мать (Haig D. 1993. Genetic conflicts in human pregnancy. Quarterly Review of Biology 68: 495-531). Более под­робно эти взаимоотношения мы рассмотрим позже, когда подойдем к хромосоме 15.

Ну а как же объяснить ухаживание? Классическим счита­ется пример отращивания павлином хвоста для соблазне­ния самок, или, точнее, пристрастие самок к длинным хво­стам вело к тому, что у предков павлина хвост становился все длиннее и длиннее. Коллега Райса Бретт Холланд (Brett Holland) предложил другое объяснение. Хвост у павлинов действительно для привлечения самок, но он становился все длиннее, поскольку самки становились все менее чув­ствительными к ухаживанию самцов. Самцы прибегают к ухаживанию как к альтернативному способу принуждения самки к спариванию, в то время как самки постоянно повы­шают порог чувствительности к ухаживанию, чтобы сохра­нить контроль над частотой и временем спаривания. Это может служить объяснением интересного поведенческого феномена, обнаруженного у двух видов тарантулов (Lyeosa). У самцов одного вида на передних лапках есть пучки ще­тинок, которые используются для ухаживания за самками. Паук размахивает перед самкой своими лапками, наблю­дая, приводит ли это ее в возбуждение. В эксперименте удаление пучков щетинок с лапок мало влияло на их успех или неудачу у самок. Но у другого вида родственных пауков, у самцов которых нет щетинок на лапках, искусственное добавление щетинок почти вдвое повышало успех самца у самки данного вида. Таким образом, щетинки у пауков от­росли. когда самки перестали на них реагировать. Другими словами, в ходе эволюции самок постепенно развивается их бесчувственность, а не чувствительность к ухаживанию самцов. Поведение ухаживания развивается у видов в ре­зультате антагонизма между генами самцов, нацеленными на сексуальное закрепощение самок, и генами самок, на­правленными на сопротивление такому закрепощению (Holland В., Rice W. R. 1998. Chase-away sexual selection: an­tagonistic seduction versus resistance. Evolution 52: 1-7).