«Когда у вас есть X- и Y-хромосомы, возникает конфликт», – сказал Пейдж, который также является профессором биологии Массачусетского технологического института и исследователем в Медицинском институте Говарда Хьюза. "Видя это полномасштабное соревнование между рогатым скотом X и Y, 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 и их влияние на здоровье и болезнь во всех частях тела, добавил Пейдж.
Мышей, людей и крупного рогатого скота
Половые хромосомы – X и Y – произошли от правильной пары симметричных хромосом около 200 миллионов лет назад.
Те, кто родился биологически женским организмом, имеют две Х-хромосомы. У рожденных биологически мужчин есть один X и один Y.
Лаборатория Пейджа успешно секвенировала Y-хромосому человека в 2003 году, и впоследствии исследователи хотели иметь возможность сравнить последовательность с ее аналогами у других животных, чтобы помочь понять, как они развивались и расходились с течением времени.
Чтобы сделать 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), чтобы получить уровень детализации, который могут быть достигнуты другими методами, такими как секвенирование дробовика. т.
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 – «например, зал зеркал ", сказал Пейдж.
У мышей, например, повторы всего нескольких генов, специфичных для семенников, составляют почти 98 процентов Y-хромосомы. Однако у людей повторы составляют лишь около 45 процентов. «Мы хотели знать, было ли это просто особенностью грызунов, или другие Y-хромосомы могут быть близки», – сказал Пейдж.
Вот где появился бык. «Помимо приматов и грызунов, следующая ветвь древа млекопитающих включает быков», – сказала Дженнифер Хьюз, исследователь лаборатории Пейджа и первый автор статьи. "Мы не знали, будет ли Y-хромосома быка выглядеть как мышь Y, человеческая Y или что-то совсем другое."
Бег быка (данные секвенирования)
Лаборатории Пейдж и ее сотрудникам из Центра 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 сложностях Y-хромосомы быка. Фактически, она оказалась наиболее генной 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 бычьего "зеркального зала", по-видимому, выражалось в яичках. Но оставался вопрос: почему? "Что движет этим, не может быть просто производство большего количества спермы, потому что это просто перебор, верно?"Хьюз сказал. "На самом деле вам не нужны сотни копий гена для выполнения этой задачи."
Исследователи нашли ключ к разгадке, когда они 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 передачей Y – и копии X усиливаются, чтобы конкурировать с этой тенденцией. и помогите X ", – сказал Хьюз.
Эгоистичное стремление
Доказано, что эта гонка вооружений X-Y 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 изменилось. За годы эволюции X также разработал повторы – свой собственный способ стать лидером в гонке.
По словам Хьюза, конкуренция между X- и Y-хромосомами эгоистична, потому что для вида нехорошо иметь асимметричное соотношение полов. 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 X-Y, 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 использовано на практике в ближайшие годы. «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 раскрыванием ветвей своего эволюционного древа Y-хромосомы. Бык – седьмая половая хромосома, полностью секвенированная 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, 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."