На протяжении последних лет исследования инактивации Х-хромосомы позволили проникнуть в фундаментальные эпигенетические механизмы сайленсинга генов и в то, каким образом паттерны экспрессии генов регулируются в ходе развития. Можно с уверенностью предсказать, что так будет и дальше.
1. Введение
1.1. Преимущества полового воспроизведения
Половое воспроизведение обычно у эукариот. Даже растения, которые вполне могут размножаться отводками или побегами, часто обладают альтернативным половым способом воспроизведения. Как нередко бывает, эволюция дает возможное объяснение этого, показывая, что половое воспроизведение дает огромное увеличение генетической изменчивости, с которой может работать естественный отбор, создавая эволюционные изменения. Перетасовка аллелей, происходящая в каждом половом поколении, могла бы таким образом создавать популяцию, способную справляться со сдвигами во внешней среде более эффективно, чем относительно гомогенная популяция, возникающая в результате бесполых способов воспроизедения. Однако у высших эукариот пол усложнен, поскольку нуждается в развитии, ведущем к образованию мужских и женских половых органов, а также физиологического и биохимического аппарата, необходимого для мейоза, созревания зародышевых клеток, привлечения партнеров и спаривания (дальнейшее обсуждение этих тем см.: Marshall Graves and Shetty, 2001 и помещенные там ссылки). Критический момент и определенная мера эволюционного успеха заключаются в том, что изменчивые популяции способны лучше избегать конечной катастрофы, связанной с вымиранием.
1.2. Способы определения пола
Генетические механизмы определения пола варьируют в значительной степени от одного организма к другому. Простейшая система включает один локус, который гомозиготен у одного пола (гомогаметныи пол) и гетерозиготен у другого (гетерогаметный пол) (рис. 17.1). Эта простая система развивалась различными путями, достигнув разной степени сложности у разных организмов. У некоторых из них возникли механизмы, подавляющие мейотическую рекомбинацию (кроссинговер) определяющих пол аллелей у гетерогаметного пола (рис. 17.1) — шаг, помогающий предотвратить возникновение смесей аллелей, ведущих к интерсексуальным состояниям. Во многих случаях неспособность к рекомбинации распространилась на часть или даже на всю хромосому, что сопровождалось утратой генетической информации. Эволюционное давление, обусловившее эту дегенерацию хромосомы, все еще остается непонятным, но конечный результат у многих видов заключается в том, что два пола обнаруживают различия не просто по аллелям в одном или нескольких локусов, но по целым хромосомам. Это изображено в виде простой диаграммы на рис. 17.1. У большинства видов, включая наш собственный, такую дегенерировавшую хромосому несут самцы, хотя бывают и исключения.
Рис. 17.1. Эволюция Y-хромосомы
На ранних этапах эволюции два пола могли различаться лишь по одному, аутосомному локусу, когда один пол (обозначаемый как протомужской) гетерозиготен по этому локусу, а другой пол (протоженский) гомозиготен. «Аллель, детерминирующая мужской пол», показана желтым цветом. Если для спаривания необходима одна особь каждого пола, тогда особи, гомозиготные по аллели, детерминирующей мужской пол, не могут возникать. На этой ранней стадии физиологические различия между полами будут еще слабыми, сравнимыми с различиями между двумя типами спаривания у дрожжей. Для предотвращения образования интерсексуальных состояний кроссинговер в локусе, определяющем мужской пол, и вокруг него будет подавлен (эти подавленные области показаны темным цветом) В пределах этого района будут накапливаться мутации, потому что подавление кроссинговера уменьшит их способность распространяться по популяции и, отсюда, давление отбора против них. Район дегенерации, в котором кроссинговер подавлен, будет постепенно расширяться («храповик Меллера»), пока эта хромосома не утратит большую часть своих активных, функциональных генов. Должен остаться небольшой, активный участок, гомологичный Х-хромосоме, для того, чтобы разрешить спаривание и кроссинговер при мейозе. Это псевдоаутосомный район (PAR, pseudoautosomal region). Аутосома, первоначально гомологичная будущей Y («А» на диаграмме), будет сама эволюировать в основном путем транслокаций с других аутосом. в конечном счете формируя отличающуюся Х-хромосому. Эта Х-хромосома, подобно другим хромосомам, представляет собой мозаику из фрагментов ДНК, помещенных на место в разные периоды на протяжении эволюции; некоторые из них являются древними, а некоторые относительно недавние. Это иллюстрируется по-разному расположенными пэтчами на прото-Х- и Х-хромосомах На Х-хромосоме человека более недавние участки обогащены генами, избежавшими инактивации X