Гены влияют на эволюционную приспособленность организма, определяемую как способность выживать и передавать свои гены потомству. Внутри генома может происходить конкуренция между генами, хотя эту внутреннюю борьбу часто трудно наблюдать напрямую.
Ярким примером такой внутренней генетической конкуренции служит противостояние между генами на X- и Y-хромосомах у млекопитающих. Эта борьба становится видимой, поскольку именно эти хромосомы определяют пол потомства. У мышей эта «гонка вооружений» может приводить к смещению соотношения полов у рождающихся особей – в сторону преобладания самцов или самок.
Исследование, проведенное в Мичиганском университете (U-M) и опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, раскрыло механизм конкуренции между сперматозоидами, несущими X- и Y-хромосомы, у мышей. Мартин Арлт, кандидат наук, научный сотрудник-ассоциат кафедры генетики человека и первый автор исследования, сравнивает этот процесс с космической гонкой: «Сперматозоид, несущий X- или Y-хромосому, который добирается до яйцеклетки первым, успешно ее оплодотворяет».
Несмотря на потенциальную возможность смещения соотношения полов из-за преимуществ генов на X- или Y-хромосомах, в природе наблюдается соотношение, близкое к 50 на 50. Это соотношение является эволюционно оптимальным для вида. Значительные отклонения от него могут потенциально привести к вымиранию вида. Баланс поддерживается благодаря коадаптации генов на X- и Y-хромосомах, которые сдерживают друг друга. «Если бы существовали гены, дающие преимущества X-несущим сперматозоидам, мы бы начали видеть больше женского потомства, и наоборот. Тем не менее, мы наблюдаем соотношение, близкое к 50 на 50... В ходе эволюции соотношение 50 на 50 является оптимальным для вида, а незначительные сдвиги потенциально могут привести к его исчезновению», – поясняет Арлт.
Понимание механизма поддержания этого баланса долгое время оставалось загадкой, отчасти потому, что сперматозоиды нельзя культивировать в лаборатории для прямого изучения. Команда U-M разработала новаторский подход: они перенесли специфические семейства генов мыши в дрожжи. В частности, были перемещены X-сцепленное семейство генов Slxl1/Slx и Y-сцепленное семейство генов Sly. «Мы ввели каждого участника конкуренции в дрожжи, чтобы лучше понять, как они работают. Затем мы объединили их, чтобы увидеть, как они взаимодействуют и конкурируют друг с другом», – описывают методологию исследователи.
Ключевым открытием стало то, что белки, кодируемые семействами генов Slxl1/Slx (с X-хромосомы) и Sly (с Y-хромосомы), напрямую влияют на приспособленность сперматозоидов. Они конкурируют друг с другом за связывание с белками Spindlins, которые, в свою очередь, влияют на экспрессию генов. Относительное количество связавшихся белков от X- или Y-хромосомы определяет преимущество в приспособленности: большее связывание X-белков дает преимущество X-сперматозоидам, и наоборот.
С эволюционной точки зрения, участвующие в этом процессе гены (Slxl1/Slx, Sly) и кодируемые ими белки являются относительно недавними приобретениями – им всего «несколько миллионов лет». Они возникли уже после расхождения эволюционных путей человека и шимпанзе. Джейкоб Мюллер, кандидат наук, доцент кафедры генетики человека и старший автор статьи, отмечает: «Эти белки – относительно новые инновации в эволюционном времени... Сперматогенез (производство спермы) может происходить и прекрасно происходит без Slxl1/Slx и Sly, однако эти гены сохранились у мышей, интегрировавшись в систему, очень важную для вида».
Данные свидетельствуют о том, что подобные «гонки вооружений» между половыми хромосомами возникают неоднократно у разных видов в разное время. «У нас есть доказательства того, что эти гонки вооружений происходят снова и снова у разных видов в разное время», – добавляет Мюллер. Исследовательская группа планирует продолжить использование дрожжевой модели для дальнейшего изучения эволюции этой конкуренции между X- и Y-хромосомами, а также для исследования других конкурирующих генов.
Изображение носит иллюстративный характер
Ярким примером такой внутренней генетической конкуренции служит противостояние между генами на X- и Y-хромосомах у млекопитающих. Эта борьба становится видимой, поскольку именно эти хромосомы определяют пол потомства. У мышей эта «гонка вооружений» может приводить к смещению соотношения полов у рождающихся особей – в сторону преобладания самцов или самок.
Исследование, проведенное в Мичиганском университете (U-M) и опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, раскрыло механизм конкуренции между сперматозоидами, несущими X- и Y-хромосомы, у мышей. Мартин Арлт, кандидат наук, научный сотрудник-ассоциат кафедры генетики человека и первый автор исследования, сравнивает этот процесс с космической гонкой: «Сперматозоид, несущий X- или Y-хромосому, который добирается до яйцеклетки первым, успешно ее оплодотворяет».
Несмотря на потенциальную возможность смещения соотношения полов из-за преимуществ генов на X- или Y-хромосомах, в природе наблюдается соотношение, близкое к 50 на 50. Это соотношение является эволюционно оптимальным для вида. Значительные отклонения от него могут потенциально привести к вымиранию вида. Баланс поддерживается благодаря коадаптации генов на X- и Y-хромосомах, которые сдерживают друг друга. «Если бы существовали гены, дающие преимущества X-несущим сперматозоидам, мы бы начали видеть больше женского потомства, и наоборот. Тем не менее, мы наблюдаем соотношение, близкое к 50 на 50... В ходе эволюции соотношение 50 на 50 является оптимальным для вида, а незначительные сдвиги потенциально могут привести к его исчезновению», – поясняет Арлт.
Понимание механизма поддержания этого баланса долгое время оставалось загадкой, отчасти потому, что сперматозоиды нельзя культивировать в лаборатории для прямого изучения. Команда U-M разработала новаторский подход: они перенесли специфические семейства генов мыши в дрожжи. В частности, были перемещены X-сцепленное семейство генов Slxl1/Slx и Y-сцепленное семейство генов Sly. «Мы ввели каждого участника конкуренции в дрожжи, чтобы лучше понять, как они работают. Затем мы объединили их, чтобы увидеть, как они взаимодействуют и конкурируют друг с другом», – описывают методологию исследователи.
Ключевым открытием стало то, что белки, кодируемые семействами генов Slxl1/Slx (с X-хромосомы) и Sly (с Y-хромосомы), напрямую влияют на приспособленность сперматозоидов. Они конкурируют друг с другом за связывание с белками Spindlins, которые, в свою очередь, влияют на экспрессию генов. Относительное количество связавшихся белков от X- или Y-хромосомы определяет преимущество в приспособленности: большее связывание X-белков дает преимущество X-сперматозоидам, и наоборот.
С эволюционной точки зрения, участвующие в этом процессе гены (Slxl1/Slx, Sly) и кодируемые ими белки являются относительно недавними приобретениями – им всего «несколько миллионов лет». Они возникли уже после расхождения эволюционных путей человека и шимпанзе. Джейкоб Мюллер, кандидат наук, доцент кафедры генетики человека и старший автор статьи, отмечает: «Эти белки – относительно новые инновации в эволюционном времени... Сперматогенез (производство спермы) может происходить и прекрасно происходит без Slxl1/Slx и Sly, однако эти гены сохранились у мышей, интегрировавшись в систему, очень важную для вида».
Данные свидетельствуют о том, что подобные «гонки вооружений» между половыми хромосомами возникают неоднократно у разных видов в разное время. «У нас есть доказательства того, что эти гонки вооружений происходят снова и снова у разных видов в разное время», – добавляет Мюллер. Исследовательская группа планирует продолжить использование дрожжевой модели для дальнейшего изучения эволюции этой конкуренции между X- и Y-хромосомами, а также для исследования других конкурирующих генов.
