Конкурс «Био/Мол/Текст»-2022/2023

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2022/2023.

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Часто при упоминании Y-хромосомы на первый план выходят пол и половое развитие. Однако не все так просто. Как выяснилось недавно, маленькая по размеру хромосома, на которой расположены более 70 белок-кодирующих генов, может с возрастом исчезать из клеток [1]. Кроме того, ее отсутствие, возможно, приводит не только к бесплодию и дефектам полового развития у мужчин, но и к заболеваниям сердца [2].

Гены, расположенные на Y-хромосоме, преимущественно связаны с проявлением и развитием мужских половых признаков. При этом соматические клетки способны делиться и функционировать и при утрате этой хромосомы [3]. Таким образом, у мужчин в разных органах и тканях в течение жизни увеличивается количество клеток, имеющих кариотип 45,X. При описании хромосомного набора используют следующую структуру: сначала записывают общее количество хромосом, а через запятую указывают половые, в соответствии с этим мужской кариотип в норме обозначают как 46,XY. Явление, при котором в тканях присутствуют клетки с разным набором хромосом, называется «мозаицизм» («Биомолекула» уже писала о мозаицизме в статье «Геномная головоломка: открой в себе мозаика» [4]).

Как происходит потеря Y-хромосомы?

Исследования данного процесса еще продолжаются. Предполагается, что потеря Y-хромосомы происходит в процессе митоза соматических клеток. В этом случае отдельные клетки будут иметь кариотип 45,X. Укорочение теломерных участков и другие явления, влияющие на микроархитектуру хромосом, могут приводить к неправильному расхождению Y-хромосомы при делении клеток [1].

Кроме того, Y-хромосома человека обогащена палиндромными последовательностями [5]. Палиндромные последовательности — это участки ДНК, в которых последовательность нуклеотидов при чтении от 5’-конца к 3’-концу совпадает с последовательностью в комплементарной цепи. Высокая частота данных последовательностей является причиной образования изодицентрических хромосом — хромосом, состоящих из идентичных плеч и содержащих два близко расположенных центромерных региона, что приводит к нарушениям сегрегации хромосом во время митоза (рис. 1) [6].

Последующая клональная экспансия одной или нескольких стволовых клеток с кариотипом 45,X приводит к клиническим проявлениям мозаичной потери Y хромосомы (mosaic loss of Y, mLOY) в различных органах и тканях [1].

Это явление преимущественно характерно для людей пожилого возраста. Исследования показывают, что мозаичная потеря Y-хромосомы (mLOY) ассоциирована с болезнями сердца, онкопатологией, синдромом Альцгеймера и другими «возрастными» заболеваниями. Более того, mLOY может являться одной из возможных причин более короткой продолжительности жизни у мужчин по сравнению с женщинами. У мужчин молодого возраста случаи mLOY встречаются реже и проявляются нарушениями сперматогенеза, а также дефектами развития половой системы (рис. 2) [7–9].

При чем тут сердце?

На 38 мышах было проведено исследование, в ходе которого с помощью технологии CRISPR-Cas9 из клеток красного костного мозга была удалена Y-хромосома [2]. Как известно, в процессе митоза к центромерным районам хромосом прикрепляются нити веретена деления, благодаря чему происходит сегрегация хромосом к полюсам клетки. После воздействия CRISPR-Cas9 на центромерные области происходит их фрагментация, а впоследствии нарушается расхождение хромосом во время деления, из-за чего возможна частичная утрата хромосом [10]. Для таргетного воздействия CRISPR-Cas9 на нужные участки генома необходимо участие направляющих РНК (gRNA). В рамках проведенного эксперимента были использованы gRNA, которые нацелены на повторяющиеся последовательности в центромерных районах Y-хромосомы. Доставку комплекса gRNA и Cas9 осуществляли с помощью лентивирусных векторов (подробнее можно прочитать в статье «Лентивирусные векторы: как они стали лучшими векторами для терапии ex vivo» [11]). После этого клетки, модифицированные подобным образом, подсадили молодым самцам мышей, у которых был удален костный мозг. В результате данной процедуры было обнаружено, что в крови реципиентов 49–81% лейкоцитов не имеют хромосому Y. В контрольной группе 37 мышей также подвергли трансплантации костного мозга, но потеря Y-хромосомы у них отмечена не была [2].

Период наблюдения за грызунами составил 2 года. Выяснилось, что 40% мышей с удаленной Y-хромосомой выжили в течение 600 дней после трансплантации. В то время как в контрольной группе этот показатель составил 60% [2].

Также были отмечены заболевания сердца у мышей с отсутствующей Y-хромосомой. Примерно через 15 месяцев после начала исследования у мышей в экспериментальной группе сила сокращения сердца снижалась на 20%. Кроме этого, начинался фиброз сердечной мышцы [2].

Помимо опытов с мышами, исследователи провели анализ образцов от более 15 000 мужчин, полученных в UK Biobank. Было выявлено, что мужчины, как минимум 40% лейкоцитов которых были лишены Y-хромосомы, на 30% чаще умирали от заболеваний системы кровообращения, чем те, у которых количество клеток с нормальным кариотипом было больше [2].

Заключение

Анализируя полученные данные, пока рано делать однозначные выводы относительно связи сердечных патологий и mLOY. Однако данное явление необходимо учитывать в клинической практике и продолжать исследования не только механизмов потери Y-хромосомы клетками, но и влияния mLOY на другие органы и системы организма.

Литература

1. Maki Fukami, Mami Miyado. (2022). Mosaic loss of the Y chromosome and men's health. Reprod Medicine & Biology. 21;
2. Soichi Sano, Keita Horitani, Hayato Ogawa, Jonatan Halvardson, Nicholas W. Chavkin, et. al.. (2022). Hematopoietic loss of Y chromosome leads to cardiac fibrosis and heart failure mortality. Science. 377, 292-297;
3. Xihan Guo, Xueqin Dai, Tao Zhou, Han Wang, Juan Ni, et. al.. (2020). Mosaic loss of human Y chromosome: what, how and why. Hum Genet. 139, 421-446;
4. Геномная головоломка: открой в себе мозаика;
5. Patricia Balaresque, Turi E. King, Emma J. Parkin, Evelyne Heyer, Denise Carvalho‐Silva, et. al.. (2014). Gene Conversion Violates the Stepwise Mutation Model for Microsatellites inY‐Chromosomal Palindromic Repeats. Human Mutation. 35, 609-617;
6. Lauren E. Hipp, Lauren H. Mohnach, Sainan Wei, Inas H. Thomas, Maha E. Elhassan, et. al.. (2016). Isodicentric Y mosaicism involving a 46, XX cell line: Implications for management. Am. J. Med. Genet.. 170, 233-238;
7. Mark A. Jobling, Chris Tyler-Smith. (2017). Human Y-chromosome variation in the genome-sequencing era. Nat Rev Genet. 18, 485-497;
8. Lars A Forsberg, Chiara Rasi, Niklas Malmqvist, Hanna Davies, Saichand Pasupulati, et. al.. (2014). Mosaic loss of chromosome Y in peripheral blood is associated with shorter survival and higher risk of cancer. Nat Genet. 46, 624-628;
9. Mami Miyado, Maki Fukami. (2019). Losing maleness: Somatic Y chromosome loss at every stage of a man's life. FASEB BioAdvances;
10. Fatwa Adikusuma, Nicole Williams, Frank Grutzner, James Hughes, Paul Thomas. (2017). Targeted Deletion of an Entire Chromosome Using CRISPR/Cas9. Molecular Therapy. 25, 1736-1738;
11. Лентивирусные векторы: как они стали лучшими векторами для терапии ex vivo.