Секс с учеными: Половое размножение и другие загадки биологии - Алексенко Алексей

Gibbons A. Y-Chromosome Evolving Rapidly. Science, News, 13.01.2010.

Hughes J. F., Skaletsky H., Pyntikova T., et al. Chimpanzee and Human Y Chromosomes Are Remarkably Divergent in Structure and Gene Content. Nature. 2010. 463(7280): 536–539.

Lahn B. T., Page D. C. Four Evolutionary Strata on the Human X–Chromosome. Science. 1999. 286(5441): 964–967.

Miko I. Sex Chromosomes and Sex Determination. Nature Education. 2008. 1(1): 108.

Samata M., Akhtar A. Dosage Compensation of the X–Chromosome: A Complex Epigenetic Assignment Involving Chromatin Regulators and Long Noncoding RNAs. Annual Review of Biochemistry. 2018. 87(1): 323–350.

Sykes B. Adam's Curse. A future without Men. New York: W. W. Norton & Company, 2004.

Глава двадцать первая, в которой не хватает мальчиков

Мейотический драйв

Люди постарше еще помнят песню «Стоят девчонки», которую в 1960–1970-х годах исполняла прекрасная певица Мария Пахоменко. Речь в ней шла о том, как на танцах бедным девушкам трудно найти кавалера: «Потому что на десять девчонок / По статистике девять ребят».

Однако описанная статистика верна и сейчас: в прошлом году в России на тысячу женщин приходилось 867 мужчин. Конечно, женщин может быть больше просто потому, что они дольше живут, притом что мальчиков рождается даже чуть больше, чем девочек. Но из этого можно понять, что природе не так уж легко обеспечить равное соотношение полов, даже если этого требует неумолимый принцип Фишера.

Напомним про этот принцип: Рональд Фишер первым сообразил, что в каждом поколении ровно половина генов получена от отцов, а другая половина – от матерей. Это значит, что если самцов в популяции меньше самок, то те, кто родит самцов, в следующем поколении получат генетический выигрыш. Этот баланс интересов и приводит к точному соотношению полов 1: 1. И именно такое соотношение обеспечено хромосомным механизмом определения пола XY (или ZW, если вы случайно птица). На протяжении нескольких глав мы копались в этом механизме и имели много возможностей восхититься его совершенством. Однако все это хорошо работает только в первом приближении, а в реальной жизни всегда возникают проблемы.

Вот, например, одна сложность. Мы говорим, что соотношение 1: 1 – продукт баланса интересов генов. Каких именно? Ответ: ансамблей генов, заключенных в хромосомах родителей. Именно добытое в борьбе равенство материнского и отцовского вкладов в следующее поколение требует, чтобы в репродуктивный период вступило равное число самцов и самок. При таком соотношении все эти ансамбли генов получат равные шансы независимо от того, попали ли они в самца или в самку. Однако некоторые участники ансамблей имеют и собственный интерес: если ген находится на половой хромосоме, ему равное соотношение полов, вообще говоря, ни к чему, потому что для половых хромосом никакого равного вклада нет – все Y происходят от отцов, а ⅔ X от матерей. А ведь именно гены этих хромосом как раз и заняты больше других определением пола. Так отчего бы им не взбунтоваться против остальных генов, которые лишь пользуются плодами их работы?

В самом простом варианте этот бунт выглядит довольно бессмысленно. Если вы, будучи геном, сидите на Y-хромосоме и решили обеспечить свое будущее, наделав побольше спермиев с Y-хромосомой, то, конечно, в первом поколении потомков-носителей ваших копий получится много. Но затем этим потомкам надо будет с кем-то скрещиваться, а такому количеству самцов нелегко будет найти себе партнеров. Разумеется, остальным генам организма такое придется не по душе, и уж они найдут способ с вами справиться (а если не найдут, популяция вскоре потеряет всех самок и вымрет). Таким образом, вы, как это порой бывает с оппозиционерами, либо отправитесь на свалку истории, либо будете жить в непрерывной борьбе с большинством, что глупо и обременительно.

Тем не менее этот глупый вариант действительно наблюдается в природе. Он получил название мейотический драйв. В частности, в 2007 году взбунтовавшийся ген – его назвали Dox, Distorter on the X – был обнаружен на Х-хромосоме одного из видов дрозофилы. Он не дает мухе производить спермии с Y-хромосомой, смещая равновесие в сторону самок. Дай ему волю, он сместил бы его окончательно и привел бедняжку муху к вымиранию, но, как и следовало ожидать, один из аутосомных генов (Nmy) противостал бунтовщику: он подавляет его активность, возвращая соотношение полов к норме.

Небезынтересно, откуда взялся этот ген-реакционер, подавивший протест свободолюбивой Х-хромосомы. Как ни странно, Nmy произошел от самого Dox. Когда-то копия Dox перескочила с Х-хромосомы на обычную аутосому, да еще и по дороге претерпела перестройку: кусочек гена удвоился, и одна копия перевернулась задом наперед. Теперь с этого нового гена стала считываться РНК-палиндром, способная спариваться – то есть образовывать двойную цепочку – сама с собой. А надо сказать, что наши клетки терпеть не могут двойных цепочек РНК, потому что это верная примета зловредных вирусов. Поэтому у клеток есть правило, которое называется РНК-интерференцией: если какая-то РНК замечена в виде двойной цепочки, все подобные РНК следует уничтожать. И вот именно этот механизм подавил бунт гена Dox.

Это, конечно, была чистая случайность: не перескочила бы копия Dox на аутосому, да еще и с подходящей дупликацией, и Dox бы победил. Он наверняка и победил у всех мух, кроме той, у которой все это случилось, потому-то они и вымерли, а от той выжившей произошел нынешний вид Drosophila simulans. Более того, не так давно было обнаружено, что это далеко не единственное подобное событие. Битва между мейотическими драйверами и их супрессорами (то есть подавителями) идет у этого вида мух постоянно – на Х-хромосоме поднимаются всё новые диссиденты, а на аутосомах им противостоят целые когорты генов-охранителей. В результате дрозофила-симулянс и похожие на нее виды кое-как умудряются поддерживать соотношение полов в пределах допустимого.

Но это получается не у всех, и тут мы от непонятных докучливых плодовых мушек переходим к нашим братьям-млекопитающим. А именно к леммингам. Еще в середине прошлого века было обнаружено, что у леммингов самок рождается гораздо больше – иногда вдвое-втрое, – чем самцов. Скоро был найден виновник такого безобразия. Им оказалась мутантная Х-хромосома. Она действует куда хитрее, чем гены мейотического драйва: вообще отменяет действие Y-хромосомы, так что любой лемминг, несущий хотя бы одну копию хромосомы-мутанта, оказывается самкой. Эту хромосому иногда называют Х*, но ее вполне можно называть и W, как у птиц или бабочек: у них ведь тоже самки – это просто те, у кого есть хромосома W.

Зачем хромосоме W этот фокус? Хитрость начинает работать, когда W, то есть мутантная Х, оказывается в паре с Y, а значит, вместо ожидаемого самца получается самка. И вот эта самка спаривается с нормальным самцом XY. Их дети таковы: WX, WY, XY и несчастные YY, которые вообще не рождаются и даже не начинают развиваться, так что их как бы и нет. Что мы видим? У ⅔ потомства есть мутантная хромосома W! Это огромный эволюционный выигрыш, ради этого стоило устроить бунт. Потом, по мере распространения W, этот выигрыш, конечно, уменьшается: в браках WW и XY (а также WX и XY) мятежная хромосома не получает никакой выгоды – ее сколько было, столько и осталось. Однако поскольку от всех браков с участием W рождается сколько-то WY-самок, то прибыль не обращается в ноль.

А побочный результат восстания – искаженное соотношение полов. В браке WY с XY будет ⅔ самок. А если мама была WX – дети будут WX, XX, WY и XY, то есть девочек будет ¾.

Как природа такое допустила? Вроде бы, по Фишеру, отбор должен упрямо возвращать соотношение полов к норме – и в случае мейотического драйва, как мы видели, он каждый раз находит способ сделать это. В пятнадцатой главе мы сетовали на печальную судьбу самцов морского слона: лишь каждый 25-й имеет нормальную интимную жизнь, а остальные вообще непонятно зачем родились, лишь впустую тратят ресурсы стада и портят всем настроение своей экзистенциальной тоской. Тогда мы сказали, что природе на это наплевать, потому что результат отбора определяется не всеобщей пользой и гармонией, а балансом интересов генов: есть равновесие Нэша, и с него так просто не слезешь. А это равновесие наступает, когда самцов и самок поровну. И все рассуждения о том, как полезно было бы для общества подсократить самцов (или, напротив, наделать их побольше, если идет война), никуда не ведут.