Весной этого года один из выпусков журнала Science вышел с портретом маленького зверька - орегонской полевки Microtus oregoni и заголовком "making male", явно ассоциирующимся с "making man" (см. Ch. Darwin. 1871. The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex). Причина в том, что результаты изучения генома и транскриптома орегонской полевки оказались экстраординарно интересными, они заставляют пересмотреть точку зрения об эволюционной консервативности половых хромосом у млекопитающих.

У человека в норме половые хромосомы в составе XX определяют формирование особенностей, характерных для женского пола, а XY – мужского, отклонения приводят к нарушениям развития. Для других живых организмов известно множество вариантов половых хромосом и механизмов детерминации пола (см. Bachtorg et al., 2014). В последние десятилетия было показано, что их разнообразие велико даже в пределах такой сравнительно небольшой группы животных как млекопитающие. У однопроходных, утконоса и ехидны, половых хромосом 10 или 9, т.е. в 5 раз больше, чем у сумчатых и большей части плацентарных (см. новость от 19.01.2021: Биологи впервые полностью расшифровали геномы ехидн и утконосов – единственных яйцекладущих млекопитающих на Земле. Благодаря этому ученые выяснили, как у этих животных появились уникальных половые хромосомы и некоторые другие необычные черты). Но и у некоторых обезьян, например у ревунов, может быть также несколько X и Y хромосом, известны необычные число половых хромосом у леммингов и бурозубок (Fredga, 1994). Для плацентарных млекопитающих (на примере лабораторных мышей) показано, что для формирования самца не обязательно наличие всей Y хромосомы достаточно присутствия в геноме и функционирования всего двух генов, локализованных на Y хромосоме (Yamauchi et al. 2016). Это ген Sry, который является первым геном каскада детерминации пола у самцов, при его отсутствии почти у всех видов плацентарных развиваются самки (даже при наличии Y хромосомы), и ген Eif2s3y, «стартующий» сперматогенез. Есть лишь две группы грызунов, у которых утрачены Y хромосома и ген Sry, это слепушонки (Just et al., 1995) и колючехвостые мыши (Sutou et al., 2001), при этом Eif2s3y, есть и в геноме самок слепушонок тоже (Mulugeta et al., 2016, Matveevsky et al., 2017). Как мы видим, эволюция детерминации пола весьма непроста даже у млекопитающих.

Полвека назад С. Оно, которому принадлежат несколько прорывных гипотез, перевернувших биологическое мировоззрение, например, такие как роль дупликации генов в эволюции (Ohno, 1970), опубликовал книгу, в которой выдвинул гипотезу о происхождении половых хромосом из пары аутосом вследствие ограничения рекомбинации из-за появления некоего определяющего пол фактора на одной из хромосом (Ohno, 1967). С. Оно обратил внимание, в том числе на орегонскую полевку. Существование странной системы половых хромосом (X0/XY) у этого вида он объяснил нарушением расхождения половых хромосом в мейозе. У самок этих полевок, как полагал С. Оно, из-за нерасхождения хромосом формируются клетки с XX и 00; вариант 00, ожидаемо, элиминируется, из XX в результате редукционного деления образуются гаметы, в которых оказывается по одной X хромосоме. У самцов также из-за нерасхождения хромосом формируются клетки с набором XXY и 0Y, но первые элиминируются, соответственно возникают гаметы 0 и Y. Согласно этой схеме самки имеют генотип X0, а самцы - XY. Двадцать лет назад было высказано предположение, что такая система могла возникнуть вследствие появления мутантной X хромосомы (Charlesworth and Dempsey, 2001), но экспериментальные доказательства представлены не были. И только в этом году были опубликованы данные, в очередной раз перевернувшие устоявшиеся представления о том, что XX/XY - хорошо сбалансированная система детерминации пола у плацентарных млекопитающих, отклонения от которой редки и эволюционно малоперспективны. Статья в Science (Couger et al., 2021) основана на данных, полученных с помощью современных генетических методов: получение и анализ полных геномов, анализ транскриптома. использование биоинформатических методов позволило выделить половые хромосомы, проанализировать локализацию ряда основных генов, характерных для половых хромосом плацентарных млекопитающих.

Анализ полного генома орегонской полевки показал, что комбинацию половых хромосом невозможно объяснить через формирование системы X0 у самок и XY у самцов. Оказалось, что половые хромосомы у этого вида являются "гибридом" X и Y, т.е. часть Y хромосомы перемещена на X. Более того, авторы пришли к заключению о том, что самцы имеют две разнокачественные X хромосомы, а самки – лишь одну. Таким образом, строго говоря, оба пола у данной полевки являются гетерогаметными, в отличие от слепушонок с XX (оба пола гомогаметные, но поведение изоморфных половых хромосом в мейозе различается, см. Kolomiets et al., 2010; Gil-Fernandes et al., 2021), см. также схему.

Авторы проделали колоссальную работу, не только очень тщательно проанализировав полные геномы самцов и самок, но и транскриптомы. В зависимости от происхождения, хромосомы были обозначены как X^m (передается от матери, есть в геномах самок и самцов) и X^p – передается от отца, есть только у самцов. Таким образом, получается, что у самок одна половая хромосома X^m , у самцов – две X^mX^p . При этом та единственная X хромосома, что выявлена у самок (X^m), попадая в геном самца, не подвергается инактивации, в отличие от X^p. Экспрессия гена Xist отмечена только для соматических клеток самцов орегонской полевки, в отличие от подавляющего большинства млекопитающих, у которых инактивация X хромосом наблюдается только в соматических клетках самок (XX), исключение - те же три вида слепушонок, у самцов которых две X хромосомы, и наблюдается инактивация X хромосом (как и у самок). Ген Sry, а также еще 8 Y-linked генов — Ddx3y, Eif2s3y, Kdm5d, Ube1y, Usp9y, Uty, Rbmy и Zfy обнаружены в геномах самцов и самок. Удивительно, но множественные копии Sry присутствуют на X^m. Фактически, та хромосома, которую С. Оно рассматривал как Y, является модифицированной X хромосомой, что возвращает нас к гипотезе о возможной эволюции половых хромосом через возникновение мутантных хромосом (Charlesworth and Dempsey, 2001). Еще одной загадкой оказалось несоответствие пол-специфичности гена Eif2s3y несмотря на то, что функциональная копия присутствует в геномах и самцов, и самок, в их транскриптомах не был детектирован продукт гена Eif2s3y. Возможно, это связано с какими-то техническими сложностями, но есть вероятность, что функция этого гена была делегирована другому гену.

Запутанность эволюции половых хромосом орегонской полевки можно оценить на упрощенной схеме, на которой представлены «стандартные» половые хромосомы млекопитающих, изоморфные половые хромосомы слепушонок и необычные половые хромосомы орегонской полевки.

Данная работа продемонстрировала широкий спектр отклонений от канона детерминации пола у млекопитающих и сопряженным с этим процессов, а именно: отсутствие Y хромосомы и наличие двух разнокачественных и по-разному наследуемых X хромосом, множественность копий Sry, необходимость инактивации X хромосомы у самцов, отсутствие активности гена Eif2s3y. Выявление такого рода отклонений делает еще более острым вопрос о том, когда и как сцепленные с полом регионы становятся половыми хромосомами и подчеркивает эволюционную роль половых хромосом, изменения которых могут вести к геномному конфликту и видообразованию. Анализ полных геномов, получение транскриптомов, наряду с развитием молекулярной цитогенетики существенно обогатило копилку знаний об эволюции генома как системы. При этом анализ исключений из правил, как мы видим на примере орегонской полевки, по-прежнему, обеспечивает наиболее яркие прорывы.

Схема локализации нескольких генов на половых хромосомах млекопитающих:
а) типичная для плацентарных система XX/XY;
б) слепушонки подрода Ellobius имеют изоморфные половые хромосомы у самцов и самок XX/XX;
в) у орегонской полевки X хромосомы различаются, у самок только одна X хромосома: X^m0/X^mX^p

Литература

Bachtrog, D.; Mank, J.E.; Peichel, C.L.; Kirkpatrick, M.; Otto, S.P.; Ashman, T.L.; Hahn, M.W.; Kitano, J.; Mayrose, I.; Ming, R.; et al. Sex determination: Why so many ways of doing it? PLoS Biol. 2014, 12, e1001899.
Bakloushinskaya, I., Matveevsky, S. Unusual ways to lose a y chromosome and survive with changed autosomes: a story of mole voles Ellobius (Mammalia, Rodentia). OBM Genetics. 2018. 2 (3). DOI:10.21926/obm.genet.1803023.
Charlesworth, B., & Dempsey, N. D. A model of the evolution of the unusual sex chromosome system of Microtus oregoni. Heredity. 2001, 86(4), 387-394.
Fredga, K. 1994. Bizarre mammalian sex-determinating mechanisms. Cambridge: Cambridge Univ. Press.
Gil-Fernández, A., Matveevsky, S., Martín-Ruiz, M., Ribagorda, M., Parra... Bakloushinskaya, I. & Page, J. Sex differences in the meiotic behavior of an XX sex chromosome pair in males and females of the mole vole Ellobius tancrei: turning an X into a Y chromosome? Chromosoma, 2021. online first.
Just, W.; Rau, W.; Vogel, W.; Akhverdian, M.; Fredga, K.; Graves, J.A.; Lyapunova, E. Absence of Sry in species of the vole Ellobius. Nat. Genet. 1995, 11, 117–118.
Kolomiets, O.L.; Matveevsky, S.N.; Bakloushinskaya, I.Y. Sexual dimorphism in prophase I of meiosis in the Northern mole vole (Ellobius talpinus Pallas, 1770) with isomorphic (XX) chromosomes in males and females. Comp. Cytogenet. 2010, 4, 55–66.
Matveevsky, S., Kolomiets, O., Bogdanov, A., Hakhverdyan, M., & Bakloushinskaya, I. (). Chromosomal evolution in mole voles Ellobius (Cricetidae, Rodentia): Bizarre sex chromosomes, variable autosomes and meiosis. Genes. 2017, 8(11), 306.
Mulugeta, E.; Wassenaar, E.; Sleddens-Linkels, E.; van Ijcken, W.F.; Heard, E.; Grootegoed, J.A.; Just, W.; Gribnau, J.; Baarends,W.M. Genomes of Ellobius species provide insight into the evolutionary dynamics of mammalian sex chromosomes. Genome Res. 2016, 26, 1202–1210.
Ohno, S. 1967. Sex chromosomes and sex linked genes. Berlin: Springer Verlag.
Ohno, S. 1970. Evolution by Gene Duplication. Berlin: Springer Verlag.
Sutou, S.; Mitsui, Y.; Tsuchiya, K. Sex determination without the Y chromosome in two Japanese rodents Tokudaia osimensis osimensis and Tokudaia osimensis spp. Mamm. Genome 2001, 12, 17–21.
Yamauchi, Y.; Riel, J.M.; Ruthig, V.A.; Ortega, E.A.; Mitchell, M.J.; Ward, M.A. Two genes substitute for the mouse Y chromosome for spermatogenesis and reproduction. Science 2016, 351, 514–516.
Charlesworth, B., & Dempsey, N. D. A model of the evolution of the unusual sex chromosome system of Microtus oregoni. Heredity. 2001, 86(4), 387-394.