Знание-сила, 2005 № 11 (941)

Расшифровка X - хромосомы

В октябре 2004 года Международный консорциум по расшифровке генома человека опубликовал результаты анализа последовательности звеньев ДНК в человеческих хромосомах под номерами 5,6,7,9,10,13,14,19,20,21,22 и Y, где Y означает мужскую половую хромосому.

Не прошло и полугода, как биологам удалось сделать следующий важный шаг — в марте 2005 года в журнале «Nature» были опубликованы результаты расшифровки Х-хромосомы. Это выдающееся достижение молекулярной биологии пролило новый свет на ряд фундаментальных вопросов генетики и эволюции вообще.

Как известно, хромосомы X и Y определяют пол человека и других млекопитающих, а также насекомых и птиц. В частности, у млекопитающих мужские особи имеют пару половых хромосом X-Y, а женские — пару Х-Х. Половые хромосомы отличаются от неполовых, обычных хромосом — аутосом — рядом особенностей.

Начнем с неравного размера. X- хромосома — одна из самых больших во всем наборе 23-х хромосом человека, Y — самая маленькая. Иными словами, хотя все хромосомы человека имеют в клетке свою пару, но в 22 парах аутосом оба партнера одинаковы по размеру, а в паре половых хромосом мужской партнер в 6 раз меньше женского. Далее: во всех парах аутосом набор генов у обоих партнеров одинаков (хотя каждый ген может быть представлен у партнеров в разных вариантах — например, «отцовский» и «материнский», или нормальный и чуть измененный вследствие мутации и т.п.), а у половых хромосом лишь часть набора генов сходна, а все прочие резко различны. И наконец, такая, тоже весьма существенная особенность: во всех парах аутосом оба партнера при делении клетки переплетаются по всей длине и обмениваются кусками ДНК, а половые хромосомы способны переплетаться только самыми кончиками.

Неравенство половых хромосом определяет их особые отношения. Во всех прочих парах оба партнера «сотрудничают» друг с другом, а подовые хромосомы друг с другом воюют. Эта «война» приводит к очень серьезным генетическим и эволюционным последствиям, и потому является предметом давнего научного изучения. Вот ее простейшая иллюстрация. На Y-xpoмосоме есть участок SRY, делающий человека мужчиной, а на Х-хромосоме есть ген DAX, который у некоторых людей может оказаться и на Y- хромосоме — и тогда этот ген «побеждает» мужской участок SRY, и ребенок рождается женщиной (хотя набор хромосом у него мужской: X-Y). С этой же «войной» половых хромосом связана и другая их поразительная особенность - ревнивая борьба партнеров за восстановление «равенства». У самок есть двойной набор Х-генов, а у самцов — одинарный (остальные гены у них — Y). Это «несправедливо»: если у самок будут работать обе хромосомы X, то соответствующих белков у них будет вырабатываться вдвое больше, чем у самцов. Природа уравняла партнеров, но сделала это в разных организмах по-разному. У млекопитающих она выбрала путь инактивации одной из двух Х-хросомом самки: эта хромосома окутывается особой длинной молекулой, свертывается в комочек и перестает работать — такую неработающую хромосому можно видеть на препарате как глыбку окрашенного вещества; а у насекомых та же природа пошла по пути удвоения интенсивности работы единственной Х-хромосомы у самцов.

Поскольку человек — млекопитающее, у него выравнивание производства белков тоже достигается с помощью инактивации. Этот процесс происходит уже в эмбриональном периоде. Каждая клетка женского эмбриона «выбирает», какую Х-хромосому ей инактивировать — пришедшую от отца или пришедшую от матери. Выбор этот случаен, но необратим, так что в результате одни клетки женского эмбриона навсегда остаются с генами материнской Х-хромосомы, а другие — навсегда с генами отцовской. У кошек породы калико это приводит к яркому чередованию окраски шерсти, поскольку (грубо говоря) клетки, в которых инактивирована отцовская X- хромосома, дают один цвет волос, а клетки, в которых инактивирована материнская Х-хромосома — другой. У людей результаты этого выбора куда серьезней: тяжесть человеческих заболеваний, связанных с мутациями в X- генах, определяется процентом клеток, в которых мутантный ген работает или инактивирован.

Впервые найдена ее точная длина — она составляет 155 миллионов химических звеньев ДНК. Это примерно 5 процентов от общей длины генома (то есть от общей длины ДНК во всех хромосомах суммарно). На этой длине найдено 1098 участков, которые кодируют те или иные белки (управляют их производством). Иными словами, в Х-хромосоме оказалось 1098 белок-кодирующих генов. Это на 1020 генов больше, чем у Y-хромосомы (у таких генов всего 78). Из этих генов только 56 в той или иной мере сходны с генами Y. Такое вот колоссальное неравенство половых хромосом. Неудивительно, что, хотя Х-хромосома и называется «женской», часть генов на ней оказалась имеющей отношение к мужчинам — слишком уж мало генов на мужской хромосоме; в частности, один из этих генов кодирует белок, который участвует в реакции организма на мужской половой гормон (тестостерон). Любопытно, что почти 10 процентов всех генов Х-хромосомы относятся к загадочному семейству, которое кодирует белки, обычно производимые в мужских яичках, но также появляющиеся в раковых опухолях. Исследователи уже наметили эти гены для изучения возможного воздействия на них с помощью иммунотерапии.

Такая колоссальная разница между половыми хромосомами была не всегда. Вдоль своей длины Х-хромосома содержит 5 различных областей, каждая из которых имеет гены, когда-то общие для X и Y, а теперь сохранившиеся только на X. Каждая из этих 5 областей появилась в результате произошедшего в ходе эволюции скачка, при котором Y-хромосома теряла очередную часть сходных с X генов. Иными словами, эти участки отражают скачкообразный процесс постепенной утраты былого сходства двух половых хромосом за те (примерно) 300 миллионов лет, которые прошли со времени их появления. Это позволяет думать, что первоначально они были практически подобны, как это имеет место в любой паре обычных аутосом. Сейчас почти все их сходные гены сохранились на хромосоме Y только на самых кончиках — тех самых, которыми он еще может переплетаться с Х-хромосомой в процессе деления клетки.

На этот вопрос ответило сравнение этой хромосомы у разных млекопитающих, включая собаку, крысу, мышь и курицу. У человека и собаки как сами гены на Х-хромосоме, так и их порядок оказались практически одинаковыми. Сравнение человека с мышами и крысами выявило, что гены на Х-хромосоме у них тоже одинаковы, но в некоторых случаях их порядок изменен. А вот сравнение с курицей показало, что большинство генов человеческой Х-хромосомы находятся у курицы либо на аутосоме 2, либо на аутосоме 4. Этот факт говорит в пользу того, что обе половые хромосомы действительно произошли из пары обычных аутосом. Можно представить себе, что поначалу у млекопитающих все пары хромосом были обычными, а затем (около 300 миллионов лет назад) в одной из этих пар у одной хромосомы каким-то случайным образом появился признак, определяющий мужской пол (этот признак, или «мужской половой участок» SRY, находится на Y-хромосоме) и позволяющий потомку тоже иметь мужской пол (а потомку, получившему не эту хромосому, а ее партнера, быть, «по умолчанию», женского пола) и с этого началось постепенное расхождение этой хромосомы с партнером X. Сама же X, как говорят сравнения с другими млекопитающими, осталась практически неизменной, видимо, потому, что по мере дальнейшего «мужания» Y утратила возможность переплетаться с ней и меняться генами.

В генном составе X есть и другие загадки. Плотность генов в этой хромосоме (то есть количество генов на единицу ее длины) — самая низкая среди всех хромосом человека. И это естественно, потому что огромную ее часть занимают не гены, а так называемый генетический «мусор». Это, прежде всего, бывшие гены, теперь изуродованные мутациями почти до неузнаваемости и уже неактивные (их называют псевдогенами), а также совсем не работающие (то есть не способные кодировать белки) участки ДНК, которые повторяются подлине хромосомы сотни и тысячи раз. Такие «повторы» занимают 56 процентов длины Х-хромосомы; еще 29 процентов ее длины занимают длинные участки ДНК, способные сами себя вырезать из ее цепи и затем встраиваться в нее назад в любом другом месте (зачастую с опасностью для генов). Они называются ретротранспозонами, и самые распространенные среди них образуют семьи ALU и LIN Е-транспозонов, часть которых (подсемейство L1) порой достигает огромной длины в несколько миллионов звеньев ДНК. Чем объяснить такую замусоренность человеческой Х-хромосомы, непонятно, как непонятно и то, почему в ней такая низкая плотность генов. Возможно, эта низкая плотность была характерна уже для той исходной аугосомы, которая превратилась в Х-хромосому, а возможно, что самые важные гены (те, которые кодируют белки, жизненно необходимые женщине в удвоенном количестве) перешли с Х-хрососомы на другие, обычные хромосомы, чтобы иметь себе пару. Ведь у женщин, как уже сказано, вторая хромосома X инактивирована — именно для того, чтобы количество кодируемых Х-генами белков не превышало количество этих же белков у мужчины. Ясно, что все гены, необходимые женщине в удвоенном количестве, нужно было поэтому убрать с Х-хромосомы туда, где у них была бы активная пара, и вот природа путем случайных мутаций могла перевести их на аутосомы.

Та длинная молекула, которая выполняет эту задачу, обволакивая вторую Х-хромосому женщины, называется H1ST-RNA и кодируется специальным геном этой второй Х-хромосомы, который сидит в ее центре. Оказалось, что по обе стороны от этого гена HIST располагается особенно густое скопление транспозонов L1, и возможно, что это не случайно. Не исключено, что именно они играют роль своеобразных «бустеров» этой инактивации. Еще одна новость в этом плане касается меры инактивации. Ученые давно уже подозревали, что она неполна, и сейчас, используя данные расшифровки, американцы Вилард и Карелль показали, что у женщин действительно инактивируется не вся вторая Х-хромосома, а лишь примерно 75 процентов ее генов. 15 процентов оставшихся генов второй Х-хромосомы всегда работают (что может вести к дополнительным различиям между женщинами и мужчинами), а еще 10 процентов ее генов выборочно работают у разных женщин (исследование проводилось на Х-хромосомах, взятых из одной и той же клетки у 40 женoин). Иначе говоря, у одной женщины могут работать одни гены из этих 10 процентов, а у другой — другие. Соответственно, у одной женщины вырабатывается удвоенное количество одних белков, а у другой — других. Это может объяснить, почему женщины как группа больше отличаются друг от друга, чем мужчины.

Третья группа результатов, полученных при расшифровке Х-хромосомы, напрямую связана с медицинской практикой.

Несмотря на малую плотность ее генов, Х-хромосома чрезвычайно нагружена «болезнетворными» генами. Влияние этих генов чаше всего проявляется на мужчинах, и такие, существенно более распространенные среди мужчин, заболевания, как цветная слепота, гемофилия, некоторые формы мышечной дистрофии и многие виды умственной отсталости, вызваны как раз мутантными генами той Х-хромосомы, что имеется в клетках мужчин. Причина такой «вредности» Х-хромосомы именно для мужчин понятна. Поскольку в мужских клетках эта хромосома представлена в единичном экземпляре, то действие ее мутантных генов не компенсируется ничем, тогда как у женщин его может нейтрализовать работа того же, но здорового гена на второй Х-хромосоме. Цифры, характеризующие эту особенность, удручающи. Всего на Х-хромосоме обнаружено 307 одиночных генов, мутации которых приводят к заболеваниям. Это составляет около 10 процентов всех известных наследственных болезней, связанных с одиночными генами, при том, что все Х-гены составляют лишь 4 процента генома. В целом, по своей болезнетворности Х-хромосома занимает первое место среди всех человеческих хромосом. (И это понятно, поскольку она не рекомбинируется с хромосомой Y и не может, как другие пары хромосом, хотя бы частично отделаться от всех накопившихся на ней болезнетворных мутаций.). Последующее изучение соответствующих Х-генов, основанное на завершенной теперь расшифровке, может принести данные, важные для понимания и лечения многих болезней.