«Био/мол/текст»-2016

Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2016.

---

Спонсор номинации — Future Biotech, проект, объединяющий профессионалов и энтузиастов в области биологии и биотехнологий.

---

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».

Немного о механизмах, определяющих формирование пола

В природе существует большое разнообразие механизмов, определяющих пол. Наиболее распространенный способ определения пола у животных и растений — генетический (хромосомный). У большей части видов животных полоопределяющие гены расположены на специальных половых хромосомах. Но есть виды, у которых такие гены сосредоточены на аутосомах, — это более древний вариант детерминации пола.

У подавляющего числа видов млекопитающих половые хромосомы самцов — XY , а самок — XX. Однако встречаются и иные варианты: у лесных леммингов, например, три половых хромосомы — X , X*и Y. При этом организм XY — самец, а XX, X*X и X*Y — самки. Похожая система имеется и у рыб — меченосца (Xiphophorus milleri) и горного меченосца (X. nezahualcoyotl), у которых помимо пары половых хромосом XY есть дополнительная Y-хромосома, обозначаемая как Y’, и самками в итоге могут быть XX- и XY’-содержащие особи, а самцами — YY’- и XY-содержащие. А вот близкий вид, пятнистая пецилия (Xiphophorus maculatus), может похвастаться вообще тремя разными половыми хромосомами: W, X, и Y. Самками, таким образом, могут быть особи с WY, WX или XX, а самцами — с YY или XY. Интересно, что YY-самцы совершенно жизнеспособны и фертильны, а это говорит о том, что Y-хромосома не утеряла существенных генов. Хотя самки WW в природе найдены не были, вполне жизнеспособных рыбок с таким набором получают в лаборатории.

У черного ревуна — флегматичной, но очень громкой южноамериканской обезьяны — были найдены две пары половых хромосом. У утконоса же обнаружили целых 10 (!) половых хромосом: комбинация XXXXXXXXXX дает самку, а XYXYXYXYXY — самца [1]. Исследователи обнаружили у самцов этого животного необычный способ выработки спермы: хромосомы в ней распределяются таким образом, что одни половые клетки содержат цепочку XXXXX, и другие — цепочку YYYYY. Когда сперма XXXXX оплодотворяет яйцеклетку, то получаются утконосы-самки. Сперма YYYYY обеспечивает рождение утконосов-самцов.

Существует и детерминация пола XO. Так, у обыкновенной бурозубки и мышевидных грызунов Tokudaia osimensis и T. tokunoshimensis самки имеют две копии половой хромосомы (XX), а самцы — только одну (X0). То есть самцы вообще лишены второй половой хромосомы. В таких случаях пол определяется количеством экспрессируемых (активных) генов на обеих половых хромосомах самок. Похожие механизмы, в том числе обозначаемые ZO, встречаются и у некоторых насекомых. Так, у одного из видов клопов рода Protenor каждая гамета самки (ХХ) содержит 6 аутосом плюс одну половую хромосому, а вот у самцов (X0) часть гамет такая же (7-хромосомная), а часть по понятным причинам имеет только аутосомы (6-хромосомная). Как же происходит определение пола потомков у этих клопов? Если гамета самки «сливается» с полноценной, тоже 7-хромосомной, гаметой самца, то зигота будет содержать две Х-хромосомы, и сформируется самка, а если с 6-хромосомной, то самец (у Х-хромосомы не будет пары).

Знаменитая нематода Caenorhabditis elegans имеет два пола, правда, не совсем обычных: хромосомный комплект XX характерен для гермафродитов (более 99% популяции), а X0 — для самцов.

У многих видов змей самки имеют хромосомы ZW, а самцы ZZ. Но есть и такие виды, у которых самцы имеют генотип ZZ, а самки — ZW₁W₂, либо самцы — Z₁Z₁Z₂Z₂, а самки —Z₁Z₂W или ZW₁W₂. У гекконов же хорошо известен полиморфизм половых хромосом: у них может быть одна или несколько своеобразных хромосомных рас, различающихся составом хромосом.

У некоторых перепончатокрылых, например, муравьев и пчел, из гаплоидных неоплодотворенных яиц развиваются самцы, а из диплоидных — самки: их пол зависит от количества хромосомных наборов, то есть здесь природа «жонглирует» уже не комплектами половых хромосом, а целыми геномами. Другой интересный (и явно древний) способ замечен у зеленого меченосца: у него нет половых хромосом, и дифференцировка пола запускается работой комплекса аутосомных генов под влиянием факторов внешней среды.

Но есть виды, пол у которых определяется не генетически, а исключительно внешними условиями. Часто «выбор» пола бывает температурозависимым. Так определяется пол у значительного количества пресмыкающихся: всех видов крокодилов, большей части видов черепах, некоторых ящериц, а также гаттерий. В этом случае всё зависит от температуры инкубации яиц в определенный период эмбриогенеза. Как правило, при относительно низких температурах формируются особи одного пола, при относительно высоких — другого, а при средних — и те, и другие. Так, у черепах при температуре инкубации яиц ниже 27 °С появляются только самцы, а выше 30 °С — самки, у крокодилов же всё наоборот. Возможны и другие ситуации. Например, у некоторых видов агамовых ящериц при средних температурах из яиц вылупляются преимущественно самцы, а при высоких или низких — самки [2]. Однако и сама температура инкубации зависит от целого ряда факторов: в частности, от местоположения гнезда и глубины залегания конкретного яйца в гнезде.

Интересно, что у некоторых видов сцинковых и агамовых есть половые хромосомы, определяющие пол, но он может меняться при воздействии на яйца определенных температур. Видимо, это переходная форма от исключительно температурозависимого определения пола к хромосомному, промежуточный этап эволюции: половые хромосомы уже появились, но сохранилась регуляция их работы внешними факторами.

Разнообразие механизмов определения пола можно свести к схеме, представленной на рисунке 1. По этой схеме видно, что пол может определяться как плоидностью хромосомных наборов, так и специфическими генами, расположенными на аутосомах или (это более прогрессивный способ) половых хромосомах. При этом половые хромосомы могут быть одинаковыми по размерам и форме — гомоморфными. Однако в процессе эволюции Y- и W-хромосомы теряли активные гены, становились меньше, и в результате половые хромосомы у многих видов существенно различаются и называются гетероморфными. Полная утрата Y- или W-хромосомы приводит к типам XO или ZO.

Приближаясь к главной теме нашего повествования, особо отметим, что у птиц пол детерминируют хромосомы Z и W. Половые хромосомы и птиц, и млекопитающих произошли от аутосом. Сначала они были гомоморфными, а затем W-хромосома птиц и Y-хромосома млекопитающих деградировали (рис. 2). Новейшие генетические исследования показали, что механизмы определения пола у птиц ближе к таковым рептилий, чем млеко­­питающих. У птиц так же, как у рептилий и некоторых других низших позвоночных, развитием самцов руководит ген DMRT1, находящийся на Z-хромосоме, в то время как у млекопитающих за «мужественность» отвечает ген SRY.

Изучение соотношения полов и механизмов, определяющих формирование пола, чрезвычайно важно не только для понимания эволюционных процессов, но и для преодоления множества препятствий , связанных с разведением животных в неволе и природных условиях: ведь ненароком можно загубить целые популяции, нуждающиеся в особых условиях для балансирования полового состава.

Понимание механизмов формирования пола у человека тоже важно для преодоления всяческих препятствий, и прежде всего препятствий в общении, развитии личности, получении образования и карьерном росте. Поэтому «биомолекула» рекомендует познакомиться с материалами, рассказывающими о многостадийном процессе обретения биологического и социального полов («Что такое пол?» [22]), о закладывании различий в строении мозга и связанных с ними поведенческих особенностях мужчин, женщин и людей, не принимающих навязанную эмбриональными коллизиями оболочку («Мальчик или девочка» [23]), а также о том, что на самом деле «пол» — нет, не социальный (гендер), а самый что ни на есть биологический и даже хромосомный — понятие не столь однозначное, как многим хотелось бы думать: «Мальчики налево, девочки направо... А остальные?» [24]. — Ред.

А вот теперь о птицах...

Каково соотношение полов у птенцов в природе?

У пернатых, в отличие от людей и других млекопитающих, гетерогаметны самки: их половые хромосомы сильно отличаются друг от друга и называются ZW. Самцы же гомогаметны и обладают комбинацией ZZ. Правда, это верно только для килевых птиц. Долгое время считали, что у бескилевых (страусов, эму, нанду, казуаров) вообще нет половых хромосом, а гены, определяющие пол, разбросаны по аутосомам, но затем половые хромосомы всё же нашли, отметив, что они не отличаются друг от друга по размерам. У большинства же птичьих самок половая хромосома W значительно меньше Z (рис. 3).

Таким образом, пол потомства у птиц определяет самка. Теоретически в результате гаметогенеза половина гамет должна нести W-хромосому, а половина — Z, и значит, в потомстве птиц должно быть примерно равное количество самцов и самок. Но когда с помощью ДНК-анализа изучили реальное соотношение полов у птенцов в природе и в неволе, оказалось, что у ряда видов может наблюдаться отклонение от фишеровского равновесия. Раньше, до развития молекулярно-генетических методов определения пола, заметить это было невозможно, потому что около 60% видов птиц не имеют во взрослом состоянии выраженного полового диморфизма. Да и разнополые птенцы у всех видов практически не отличаются друг от друга.

В ряде случаев смогли отследить связь смещения соотношения полов в ту или иную сторону с определенными окружающими условиями. Иногда это объяснялось большей смертностью птенцов какого-то одного пола при неблагоприятных условиях. Но преобладание того или иного пола в потомстве может наблюдаться еще при вылуплении птенцов и даже в эмбриональном периоде. Следует уточнить, что в зависимости от стадии онтогенеза различают первичное, вторичное и третичное соотношение полов. Первичное можно наблюдать в зиготах после оплодотворения, вторичное — при рождении, третичное — у зрелых, способных размножаться, особей популяции. Понятно, что самое труднообъяснимое — это отклонение в первичном половом соотношении, ну и иногда во вторичном — так как во многих случаях доказали, что отклонение во вторичном соотношении не связано с большей эмбриональной смертностью одного из полов.

Исследования последних лет выявили отклонения от равного соотношения полов при вылуплении в природных условиях у птенцов большой синицы, лазоревки, обыкновенной пустельги и др. У большой синицы в конце сезона размножения в потомстве преобладают самцы, а у обыкновенной пустельги, наоборот, количество вылупляющихся самцов уменьшается [3].

Иногда удавалось установить связь преобладания в потомстве определенного пола с условиями жизни родителей. Так, в годы обилия полевок серая неясыть производит больше самок. Это своеобразная адаптация, так как самки неясыти крупнее самцов и потому нуждаются в большем количестве корма [4].

Можно ли, меняя условия жизни родителей, повлиять на пол птенцов?

Изучая это явление экспериментально, ученые смогли добиться смещения пропорции полов у птенцов некоторых видов в ту или иную сторону в зависимости от внешних условий. Так, у зебровой амадины, если родители получали много разнообразной пищи, в потомстве наблюдался перевес в пользу самок. У этих птиц самки в неблагоприятные годы больше страдают от плохих условий, чем самцы. Поэтому «перепроизводство» самок в хорошие, обильные годы может быть выгодно для сохранения вида в природе [5–7].

У какапо (редкого вида попугаев, охраной которого занимается международная группа ученых) наблюдается обратная связь — при обильном кормлении птиц вылупляется больше самцов. Самцы какапо гораздо крупнее самок, для развития им требуется больше пищи. Ученые, изучающие какапо, обнаружили, что самки этого попугая, весящие менее полутора килограммов, не участвуют в размножении. Для того чтобы обеспечить размножение всех самок, их стали подкармливать. Но в результате такой подкормки в потомстве какапо стали преобладать самцы. Какапо — полигамный вид: птицы не образуют пары, и один самец вступает во временные связи с несколькими самками. Значит, большое количество самцов в потомстве невыгодно для сохранения этого вида. Тогда разработали специальный режим подкормки, при котором все самки участвуют в размножении, но не производят сыновей больше, чем дочерей: подкармливали только тех самок, чей декабрьский вес не превышал 1,5 килограмма, а вот после спаривания дополнительное питание получали все самки. В результате преобладание сыновей в потомстве нивелировалось [8–12].

Изучаем соотношение полов в потомстве журавлей. И почему мы изучаем журавлей

В течение многих лет Московский зоопарк сотрудничает с питомником редких видов журавлей Окского государственного биосферного заповедника в работе по изучению и охране редких журавлей. Московский зоопарк является одним из инициаторов создания комплексной международной научно-производственной программы Евроазиатской региональной ассоциации зоопарков и аквариумов «Сохранение журавлей Евразии», стартовавшей в 2005 году. Так как почти все виды журавлей в мире стали редкими, их охрана и разведение в неволе — задача неотложная. Основные причины уменьшения численности журавлей — это низкая плодовитость (самки откладывают только два яйца), деградация мест обитания, беспокойство птиц в местах гнездования из-за освоения человеком новых территорий, пожары.

В лаборатории Московского зоопарка пол журавлей определяли сначала по хромосомным препаратам, а с 2001 года перешли на молекулярную диагностику. Эта процедура позволяет правильно формировать пары. Хотя в питомнике разводят многие виды журавлей, больше всего птенцов было получено от стерхов и японских журавлей, что дало нам возможность накопить данные о соотношении полов у птенцов этих видов.

Так кого же мы всё-таки исследуем? Японский журавль — самый крупный из семи видов журавлей фауны России: его рост составляет около 150 см, масса — 6–9 кг (рис. 4а). По праву его можно отнести к наиболее эффектным журавлям Евразии. Японские журавли формируют две популяции: мигрирующую — на континентальном Дальнем Востоке — и оседлую — в Японии. Стерхи, или белые сибирские журавли, — эндемики России, обитающие только в тундрах и лесотундрах нашей страны (рис. 4б). Известны две изолированные тысячами километров друг от друга популяции: западносибирская — на территории Ямало-Ненецкого, Ханты-Мансийского АО и Тюменской области — и восточносибирская — в Якутии. Особое беспокойство вызывает состояние западносибирской популяции, общая численность которой составляет не более 20 птиц. Именно для разведения стерхов и последующей реинтродукции полученного потомства в природу в 1979 году в составе Окского заповедника создали питомник редких видов журавлей. Но сейчас в питомнике содержат и разводят представителей всех видов журавлей, обитающих на территории нашей страны.

Анализ полового состава потомства японских журавлей выявил преобладание в нём самок. За период с 1984 по 2009 год от семи пар японских журавлей получили 61 самца и 105 самок. В то же время стерхи произвели потомство в соотношении примерно 1:1 — от 15 пар стерхов за 21 год получили 126 самцов и 129 самок. Эти данные по двум видам журавлей включают и результаты анализа пола некоторых погибших эмбрионов. Соотношение полов птенцов японских журавлей, выраженное десятичной дробью (отношение числа самцов к числу всех особей исследуемой группы), — 0,3, в то время как у стерхов оно равняется 0,49 — то есть количество самцов и самок практически одинаковое.

Мы попробовали объяснить преобладание самок у японских журавлей, исходя из гипотезы Триверса и Виларда об адаптивном соотношении полов потомства [13]. Эту гипотезу можно сформулировать так: при хороших условиях самки продуцируют больше потомства того пола, который больше страдает при плохих условиях. Продукция яиц и выращивание птенцов — это очень большие затраты для организма родителей. Поэтому для выживания вида более выгодно вкладывать силы в производство потомства того пола, который при данных условиях имеет больше шансов выжить и в свою очередь оставить потомство. Эта гипотеза, как мы уже видели, находит подтверждение в экспериментах по изменению соотношения полов у амадин и какапо.

Мы проанализировали особенности развития птенцов стерха и японского журавля. Есть ли отличия в развитии птенцов самцов и самок, которые делают птенцов какого-то одного пола более уязвимыми в неблагоприятных условиях? Действительно, многолетние наблюдения в питомнике показали, что птенцы-самки японских журавлей медленнее растут, менее активны и в целом слабее птенцов-самцов [14]. Поэтому мы предположили, что у этих птиц в природе в неблагоприятные годы смертность птенцов-самок выше. Значит, в целях выживания вида японским журавлям нужно это компенсировать — в благоприятные годы производить больше самок. Но почему такого смещения в соотношении полов не наблюдалось у стерхов? Возможно, потому что у птенцов этого вида ярко выражена внутривидовая агрессивность. Вылупляются стерхи с разницей в два дня, и за время до вылупления второго птенца старший становится достаточно окрепшим и активным, что делает его лидером в конкуренции за корм, получаемый от родителей. Таким образом, чаще всего выживает старший птенец — независимо от пола. Если в природе в благоприятные годы нередко можно увидеть японских журавлей с двумя птенцами, то стерхи обычно встречаются с одним подросшим птенцом [15].

Таким образом, можно предположить, что японские журавли имеют физиологические, цитологические и генетические механизмы, приводящие в благоприятные годы к смещению полового баланса у потомства в сторону самок. Конечно, этот вопрос требует дальнейшего изучения, и особенно — изучения соотношения полов у птенцов журавлей в природе.

Но возможно ли существование таких механизмов в принципе? Ведь мы знаем даже из школьного курса биологии, что при мейотическом делении при образовании гамет гомологичные хромосомы и половые хромосомы расходятся в разные стороны, а затем и в разные клетки равномерно. Какие процессы могут нарушить «образцовое» расхождение хромосом в процессе мейоза?

Углубляемся в механизмы, нарушающие равномерное расхождение половых хромосом при гаметообразовании

Процессы, приводящие к нарушению сегрегации (то есть расхождения во время клеточного деления) половых хромосом, еще не до конца изучены, но за последние годы получено много интересных данных, а неравная передача половых хромосом у гетерогаметных видов даже получила собственное название — драйв половых хромосом.

Для начала разберемся, как протекает нормальный мейоз (деление клетки, проходящее с уменьшением числа хромосом в два раза). Основные этапы мейоза отражены на рисунке 5, и если не получить о них хотя бы минимальное представление, будет трудно понять механизмы, управляющие смещением соотношения полов у потомства.

Мейоз включает два последовательных деления: первое и второе. В каждом мейотическом делении выделяют четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. В результате первого деления происходит двукратное уменьшение количества хромосом, поэтому это деление называют редукционным. Самая сложная и длительная стадия — профаза. Ее условно подразделяют на пять стадий, но для простоты мы просто опишем основные процессы, происходящие в профазе. Итак, cначала хромосомы представляют собой длинные тонкие нити, каждая хромосома состоит из двух хроматид (рис 6). Начинается спирализация хромосом, их утолщение и укорочение. Гомологичные (парные) хромосомы сближаются и конъюгируют: центромера одной из них точно прилегает к центромере другой, и каждая хроматида прилегает к гомологичной хроматиде другой.

Центромера — участок хромосомы со специфической последовательностью нуклеотидов (богатой повторами) и структурой (компактной, типичной для гетерохроматина). Именно центромерами соединены гомологичные хромосомы в профазе и метафазе первого деления мейоза. Кроме того, центромеры необходимы для образования веретена деления в анафазе и телофазе митоза и мейоза. Участвуют они и в контроле экспрессии генов.

Такие сдвоенные хромосомы называют бивалентами. Каждый бивалент состоит из четверки (тетрады) хроматид. Число бивалентов равно гаплоидному набору хромосом. Происходит дальнейшая конденсация хроматина. Хромосомы соединены между собой в нескольких точках, называемых хиазмами (от греч. chiasma — перекрест). В этих местах происходит кроссинговер — обмен идентичными участками несестринских хроматид гомологичных хромосом, протекающий по механизму гомологичной рекомбинации. Затем хромосомы немного ослабляют «объятия», хроматин слегка и ненадолго деконденсируется, и в это время успевает экспрессироваться часть генов. К концу профазы хромосомы еще больше спирализуются, ядерная оболочка растворяется, к полюсам клетки расходятся центриоли, и начинается формирование веретена деления.

Таким образом, основные процессы, происходящие на стадии профазы, это:

1. конъюгация гомологичных хромосом;
2. образование бивалентов хромосом (или тетрад хроматид);
3. кроссинговер.

На следующей стадии, то есть в метафазе, биваленты хромосом располагаются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку. К ним прикрепляются нити веретена деления: между двумя полюсами клетки образуется веретенообразная система микротрубочек, микротрубочки присоединяются к кинетохорам в области центромер и обеспечивают движение бивалентов к полюсам клетки (рис. 7).

Кинетохоры — специальные белковые структуры, расположенные в области центромер мейотических и митотических хромосом. Каждая хроматида в тетраде имеет собственный кинетохор, но в мейозе кинетохоры сестринских хроматид сливаются и работают как единый кинетохор, с которым связывается отдельный пучок микротрубочек. Далее кинетохоры, подобно двигателям, обеспечивают отталкивание своей хромосомы (пары сестринских хроматид) от гомологичной и ее движение, напоминающее движение поезда по рельсам, к одному из полюсов. Кстати, сестринские хроматиды с самого своего «рождения» — репликации ДНК в интерфазе — во избежание путаницы склеены друг с другом специальным белковым комплексом под названием когезин, который частично сохраняется в цетромерной области аж до анафазы второго деления мейоза, когда сестринским хроматидам наконец понадобится расстаться и разойтись к противоположным полюсам. Когезин, помимо прочих функций, облегчает взаимодействие микротрубочек с кинетохорами. Таким образом, функциональная роль кинетохоров заключается в удержании вместе сестринских хроматид, закреплении микротрубочек, регуляции разъединения гомологичных хромосом и их движения к противоположным полюсам клетки.

Далее в анафазе биваленты (хромосомы) расходятся к различным полюсам клетки, благодаря чему в дочерние клетки попадет только одна из пары гомологичных хромосом. В телофазе первого мейотического деления полярно расположенные хромосомы, как и прежде, состоят из двух сестринских хроматид; веретено деления разрушается, вокруг каждого из наборов хромосом формируется ядерная оболочка, затем разделяется цитоплазма, и образуются две дочерние клетки. При этом хромосомы постепенно деспирализуются, но репликации ДНК не происходит.

Второе мейотическое деление, эквационное, проходит по типу митоза, и разбирать его подробно мы здесь не будем. Главное, что завершается оно расхождением к полюсам, а затем по разным клеткам сестринских хроматид. Таким образом, в результате мейоза из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидных.

А теперь перейдем к нарушению сегрегации. Драйв половых хромосом встречается у самых разных живых существ, принадлежащих к разнообразным таксономическим группам. Современные исследования показали, что к драйву половых хромосом могут приводить как генетические, так и эпигенетические и цитологические механизмы. Так вот к генетическим механизмам как раз относится нарушение сегрегации, а приводят к нему особые аллели (варианты какого-то гена). Если эти «нарушители сегрегации» находятся на половой хромосоме, то они смещают соотношение полов в потомстве [16], [17]. Такие гены-нарушители, находящиеся на одной хромосоме, мешают производству жизнеспособных гамет, несущих другие половые хромосомы [16].

Ричард Докинз в своей книге «Расширенный фенотип: длинная рука гена» называет подобных нарушителей генами, обманывающими систему. Он пишет о них так: «О факторах, нарушающих сегрегацию, я буду говорить, по большей части пересказывая Кроу, чей язык по духу вполне соответствует этой книге. Его статья называется «Гены, которые преступают законы Менделя», и заканчивается она так: «Менделевская система предельно эффективна, только будучи безукоризненно честной для всех генов. Однако ее благополучию постоянно угрожает опасность со стороны генов, подчиняющих мейоз своим собственным интересам. В процессе мейоза и формирования сперматозоидов имеется множество тонкостей, очевидная цель которых — уменьшить вероятность подобного мошенничества. И всё же некоторым генам удалось перехитрить систему».

Нарушители сегрегации были изучены у некоторых видов млекопитающих. У этих видов нарушение расхождения половых хромосом происходит во время сперматогенеза, в результате нерасхождения Y—хроматид или повреждения Х-хромосомы, что приводит к неспособности развития сперматид, несущих хромосомы Y или X. У некоторых видов леммингов (и бабочек, кстати, тоже) был отмечен драйв половых хромосом у самок во время оогенеза [16], [18]. Хотя соматические клетки X*Y самок лесных леммингов несут как X*-, так и Y-хромосомы, их ооциты содержат только X* — предположительно, в результате нерасхождения и уничтожения Y-хромосомы. Значит, всё потомство таких леммингов будет состоять исключительно из самок, так как сочетание половых хромосом XX* X*Y формирует самок [16].

Молодая наука эпигенетика также описывает возможные механизмы драйва половых хромосом. Она изучает закономерности наследования, не связанные с изменениями последовательности ДНК. Эпигенетические процессы — например, метилирование ДНК и деацетилирование гистонов — приводят к изменению экспрессии генов [18]. Экспрессия гена — это процесс «считывания информации», закодированной в нём, реализуемый системами транскрипции и, как правило, трансляции. Проще говоря, подавление экспрессии гена означает, что он не работает. То есть гены можно «включать» и «выключать» или же добиваться их большей или меньшей экспрессии (активности), меняя внешние условия. Можно сказать, что эпигенетические модификации хроматина опосредуют влияние внешних факторов на активность генов. Метилирование определенных участков ДНК — один из механизмов подавления экспрессии генов: в гиперметилированных локусах транскрипция обычно «выключается». Для нас же сейчас важно то, что эпигенетическая маркировка половых хромосом может влиять на их движение в ходе сегрегации и приводить к драйву половых хромосом [19], [20]. Один из возможных механизмов этого — метилирование центромеры одной из половых хромосом [20]. А так как центромера принимает участие в соединении сестринских хроматид, формировании кинетохора и конъюгации гомологичных хромосом, это эпигенетическое событие может приводить к нарушению сегрегации. Показано, что гиперметилирование Z-хромосомы тоже может способствовать нарушению расхождения половых хромосом [20].

Существуют и различные цитологические механизмы, приводящие к драйву половых хромосом, — те, что задействованы в регуляции мейоза.

Рутковска и Бадяев сделали подробное описание возможных цитологических и эпигенетических механизмов смещения соотношения полов в потомстве птиц [20]. Они отметили, что механизмы, приводящие к такому смещению, у птиц развиты лучше, чем у млекопитающих, за счет таких особенностей, как: большая разница в размерах, составе и форме половых хромосом, разница в размерах их белковых тел (комплексов) и др. Рассмотрим несколько примеров. Поскольку W-хромосома меньше Z, группа белков, отвечающая за захват микротрубочек, тоже меньше, и это может способствовать нарушению сегрегации половых хромосом. Разница в форме половых хромосом птиц, а именно — в положении центромеры, также может приводить к нарушению расхождения. По крайней мере, такое влияние положения центромеры на сегрегацию известно в других таксонах. Например, у дрозофил в гаметы предпочтительнее поступают хромосомы с более центральным положением центромеры, в то время как у обыкновенный полевки, наоборот, в гаметы чаще уходят хромосомы с акроцентрически расположенной центромерой. Но поскольку у птиц разница в положении центромер половых хромосом очень велика, то и возможности для смещения баланса полов у потомков должны быть выдающимися.

Смещение облегчает и то, что полоопределяющее мейотическое деление ооцитов у птиц происходит перед овуляцией и оплодотворением. Напомним, что мейоз завершается образованием четырех гаплоидных клеток. Однако при оогенезе (а именно — при созревании ооцита) в результате мейоза из одного ооцита образуется только одна зрелая яйцеклетка; другие три клетки, называемые полярными тельцами, из-за неравномерных мейотических делений недополучают львиную долю цитоплазмы и обычно позже погибают (рис. 8). Цитологическая регуляция сегрегации хромосом происходит в процессе мейоза ооцитов, в ходе которого различные вещества, содержащиеся в материнских клетках, могут влиять на драйв половых хромосом.

Тонкие механизмы регуляции мейоза могут влиять на то, куда попадут те или иные половые хромосомы — в яйцеклетку или в полярные тельца. Рассмотрим некоторые такие механизмы.

Положение хромосом в зародышевом пузырьке (диплоидном ядре первичного ооцита) перед разрушением его оболочки может сказаться на дальнейшей их сегрегации. А на движение половых хромосом в ядре и их положение в зародышевом пузырьке может влиять как разница в строении теломер (концевых участков хромосом), так и разница в длине половых хромосом. Работа же фермента теломеразы, достраивающего теломеры и в норме очень активного в делящихся клетках [21], сильно зависит от гормональной сигнализации. Известно, например, что активность теломеразы падает под воздействием стрессовых гормонов. Таким образом, материнское влияние может приводить к нарушениям сегрегации половых хромосом.

Разница в размерах половых хромосом и белковых тел на Z- и W-хромосомах может влиять на прикрепление микротрубочек к кинетохору, а значит, и на их движение к полюсам клетки. Движение хромосом происходит с помощью цитоскелета клетки, а активность его компонентов (актиновых филаментов и микротрубочек) находится под сильным влиянием половых гормонов, что тоже дает возможность внешним факторам корректировать сегрегацию хромосом [20].

Еще один возможный механизм, направляющий хромосомы в полярное тельце (то есть «мимо цели»), — это поворот веретена деления после прикрепления к нему хромосом. Такой механизм описан у других таксонов. Поскольку поворот веретена регулируется цитоскелетом, на этот процесс сильно влияет градиент материнских гормонов, а также разница в размерах и эпигенетической маркировке половых хромосом. Всё это вместе дает возможность манипулировать соотношением полов потомства [20].

Размышляем над причудами формирования пола у пернатых и перспективами их изучения

А вообще, исследования генетиков, эпигенетиков и цитологов еще только начали открывать нам разнообразные механизмы, управляющие сегрегацией хромосом и зависящие от материнской физиологии как «проводника» внешних влияний. И нам предстоит пройти еще долгий путь к окончательному уяснению механизмов управления соотношением полов.

Конечно, необходимо интенсивнее изучать половой состав природных популяций птиц, оценивать соотношение полов птенцов в природе и в неволе, определяя при этом факторы, влияющие на смещение полового баланса. Уже есть исследования (правда, противоречивые), связывающие смещение соотношения полов у потомства с яркостью оперения самца или другими его качествами. Например, у гульдовых амадин заподозрили существование связи между полом птенцов и... окраской головы самца: черноголовая самка, спариваясь с черноголовым самцом, производит почти равные количества сыновей и дочерей, а при спаривании с красноголовым доля сыновей в потомстве может достигать 70%. Однако подобные данные требуют проверки.

Установление механизмов, регулирующих соотношение полов, а также родительских особенностей и внешних факторов, влияющих на эти механизмы, поможет разобраться в тайнах тонкой организации наследования пола. Следовательно, в будущем может появиться возможность управлять этим процессом для более эффективного разведения редких видов в неволе — чтобы затем пополнять угасающие природные популяции.

Статья написана совместно с Кашенцевой Т.А.

Литература

1. Warren W.C., Hillier L.W., Marshall Graves J.A., Birney E., Ponting C.P., Grützner F. et al. (2008). Genome analysis of the platypus reveals unique signatures of evolution. Nature. 453 (7192), 175–183;
2. Crews D. and Bull J.J. (2008). Sex determination: some like it hot (and some don’t). Nature. 451 (7178), 527–528;
3. Komdeur J. and Pen I. (2002). Adaptive sex allocation in birds: the complexities of linking theory and practice. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 357, 373–380;
4. Appleby B.M., Petty S.J., Blakey J.K., Rainey P., Macdonald D.W. (1997). Does variation of sex ratio enchance reproductive succtss of offspring in tawny owls (Strix aluco)? Proc. Biol. Sci. 264, 1111–1116;
5. Kilner R. (1998). Primary and secondary sex ratio manipulation by zebra finches. Anim. Behav. 56, 155–164;
6. Martins T.L.F. (2004). Sex-specific growth rates in zebra finch nestlings:a possible mechanism for sex ratio adjustment. Behav. Ecol. 15, 174–180;
7. Rutstein A.N., Slater P.J.B., Graves J.A. (2004). Diet quality and resource allocation in zebra finch. Proc. Biol. Sci. 271 Suppl 5, S286—S289;
8. Clout M.N., Elliott G.P., Robertson B.C. (2002). Effects of supplementary feeding on the offspring sex ratio of kakapo: a dilemma for the conservation of a polygynous parrot. Biol. Conserv. 107, 13–18;
9. Elliott G.P., Merton D.V., Jansen P.W. (2001). Intensive management of a critically endanged species: the kakapo. Biol. Conserv. 99, 121–133;
10. Merton D.V. (2006). The Kakapo: some highlights and lessons from five decades of applied conservation. J. Ornithol. XXIV International Ornithological Congress;
11. Robertson B.C., Elliott G.P., Eason D.K., Clout M.N., Gemmell N.J. (2006). Sex allocation theory aids species conservation. Biol. Lett. 2, 229–231;
12. Sutherland W.J. (2002). Conservation biology: science, sex and the kakapo. Nature. 419, 265–266;
13. Trivers R.L. and Willard D.E. (1973). Natural selection of parental ability to vary sex ratio of offsprings. Science. 179, 90–92;
14. Постельных К.А. и Кашенцева Т.А. Рост японского журавля в постэмбриогенезе. Сб. труд. науч. практ. конф., посвященной 70-летию Окского заповедника. Рязань, 2005. — С. 259–272;
15. Нестеренко О.Н. и Кашенцева Т.А. (2015). Преобладание самок в потомстве японских журавлей и его возможный адаптивный характер. Труды Окского гос. природн. биосферн. заповедника. 34, 250–254;
16. Jaenike J. (2001). Sex chromosome meiotic drive. Annu. Rev. Ecol. Syst. 32, 25–49;
17. Kozielska M., Weissing F.J., Beukeboom L.W., Pen I. (2010). Segregation distortion and the evolution of sex-determining mechanisms. Heredity (Edinb). 104, 100–112;
18. Развитие и эпигенетика, или История о Минотавре;
19. Тагиров М.Т. (2013). Механизмы контроля и детерминации пола у птиц. Biotech. Acta. 6, 62–72;
20. Rutkowska J. and Badyaev A.V. (2008). Meiotic drive and sex determination: molecular and cytological mechanisms of sex ratio adjustment in birds. Phil. Trans. R. Soc. B. 363, 1675–1686;
21. Старение — плата за подавление раковых опухолей?;
22. Что такое пол?;
23. Мальчик или девочка;
24. Мальчики налево, девочки направо... А остальные?.