Самцы без мужских генов
Чтобы произвести потомство, мышам не нужна Y-хромосома
Елена Наймарк, «Элементы»
Группа ученых из Гавайского университета, работая с трансгенными мышами, получила потомство от линии, не имеющей Y-хромосомы. Более того, у самцов этой линии не осталось ни одного гена, которые содержит Y-хромосома, а потомство от таких самцов получилось вполне жизнеспособное и плодовитое. Вместо генов Y-хромосомы сперматогенез контролировался некоторыми встроенными аутосомными и X-хромосомными вариантами. Однако, судя по уровню экспрессии Y- и X-хромосомных аллелей, Y-хромосомный ген работает несравненно эффективнее. Ученые подчеркивают ключевую роль количества, дозы регуляторных факторов, необходимой для нормального сперматогенеза.
Вернемся на несколько лет назад. Группа под руководством Моники Уорд (Monika A. Ward) из Института исследований биогенеза Медицинской школы имени Джона Бёрнса при Гавайском университете в Маноа публикует результаты искусственного оплодотворения мышей с дефектной Y-хромосомой. Результаты впечатлили: если убрать большое плечо Y-хромосомы, оставив всего 7 генов, то самцы всё равно способны производить нормальные половые клетки, которые способны к оплодотворению и производству жизнеспособного потомства (Y. Yamauchi et al., 2009. Live Offspring from Mice Lacking the Y Chromosome Long Arm Gene Complement).
Два года назад та же группа выдает новое исследование: число генов, необходимых для нормального сперматогенеза, можно сократить всего до двух. Это гены Sry и Eif2s3y. Первый из них экспрессируется у эмбрионов и обеспечивает развитие семенников из гонад, а второй контролирует начало сперматогенеза, запуская мейоз в половых клетках семенников. При искусственном оплодотворении яйцеклеток спермиями, произведенными в таких генетически урезанных семенниках, из них, тем не менее, развиваются вполне нормальные мыши.
То есть ученые как бы подводили нас к заключению, что Y-хромосома – вообще лишняя.
Так выглядит напечатанный на бумаге геном человека в лондонском музее Wellcome Collection: шкаф примерно в два человеческих роста; на полках тома, каждый в несколько тысяч страниц тончайшей папиросной бумаги; на каждой странице – строчки последовательности нуклеотидов АТГЦ, напечатанных кеглем 3–4; последний том – это Y-хромосома. Там на всех тысячах страниц кроме нескольких последних напечатаны буковки «n» (на врезке видны), что означает «бессмысленные повторы». Глядя на бесконечные строчки «nnnnnn....» неизбежно задаешься вопросом: зачем вообще сохранилась эта странная хромосома?
И вот новые результаты всё той же группы: даже эти два гена в Y-хромосоме, оказывается, не обязательны!
Ученые работали с трансгенными мышами, у которых вообще отсутствовала Y-хромосома. Мыши в этой линии несли либо две X-хромосомы (это нормальные самки), либо одну X-хромосому. А необходимые для сперматогенеза гены Y-хромосомы – Sry и Eif2s3y – были перенесены на аутосомы (не половые хромосомы). Самцы X0 могли генерировать недоразвитые спермии, круглые по форме и без хвостов, но которые тем не менее вполне годились для нормального оплодотворения. Такие линии оказались весьма удобными для исследования: можно, манипулируя двумя встроенными в аутосомы генами, проверить их функции и потенциальные возможности. Взять, например, ген Sry. Его функция – запустить каскад реакций, приводящих к образованию семенников. Но роль переключателя, в принципе, может выполнить и другой ген – и вот, по решению ученых, эту роль передали гену Sox9, который является непосредственной мишенью Sry. У трансгенных мышей убрали вообще Sry, активировав вместо него Sox9.
У мышей с генотипом X0 и Sox9 в результате сформировались семенники с круглыми бесхвостыми спермиями. Второй ген тоже, если подумать, не столь уж незаменимый игрок – у него на Х-хромосоме имеется аналог Eif2s3x. Добавив в трансгенной линии в аутосомы еще пять копий этого гена, получили самцов X0. Большинство из них – 35 из 48 – имели дефектные семенники, в которых никаких половых клеток не оказалось. Зато у 13 самцов в семенниках, хоть и маленьких по размеру, продуцировались уже известные круглые бесхвостые половые клетки. Эти половые клетки оказались вполне пригодны для искусственного оплодотворения (см. видео с заснятым процессом искусственного оплодотворения яйцеклеток круглыми спермиями. В результате соответствующих манипуляций появились на свет жизнеспособные мышата. И они оказались сами способными давать потомство: ученые получили сыновей, внуков и правнуков в линии X0 и без генов Sry и Eif2s3y.
Результат искусственного оплодотворения яйцеклеток круглыми недозрелыми спермиями (Round spermatid injection, ROSI), полученными от самцов X0-Sox9,Eif2s3x: A – пипетка, которой будут отбирать спермии; B – 6 часов после инъекции, видны два ядра в яйцеклетке (короткие стрелки) и второе полярное тельце (стрелка); C – оплодотворенные яйцеклетки начали деление, через 24 часа видны двухклеточные эмбрионы (длина масштабного отрезка 50 мкм); D – три поколения самцов X0-Sox9,Eif2s3x, полученных в результате искусственного оплодотворения инъекцией спермиев ROSI яйцеклеток X0; первый самец X0-Sox9,Eif2s3x альбинос, остальные поколения – с темной шерсткой, указывающей на материнский генотип X-хромосомы. У всех самцов нет Y-хромосомы, зато работают аутосомальные X0-Sox9 и Eif2s3x. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science.
Это означает, что дефицит функций даже и эти двух генов, признанных минимальной необходимой базой сперматогенеза, не является стопроцентной гарантией бесплодия. Казалось бы, избыточность Y-хромосомы и в самом деле подтверждается. Но ученые обращают внимание на одну важную сторону своего исследования, которая выяснилась при измерении экспрессии генов Eif2s3y и Eif2s3x в линиях X0. Обнаружилось, что у линий X0-Eif2s3x спермии получаются только при очень высокой экспрессии Eif2s3x, если включены сразу 4 копии этого гена. А вариант Eif2s3y справляется со сперматогенезом даже в единственном экземпляре. Он работает в 5-7 раз эффективнее, чем его X-хромосомный аналог.
Так что, имея в принципе запасной X-хромосомный вариант, не стоит в горячке избавляться от Y-хромосомного. Ведь именно на него работал миллионы лет естественный отбор. Ученые подчеркивают, что X- и Y-варианты аллелей вместе дают тонко сбалансированную дозировку необходимых регуляторных факторов. И утверждать, что Y-хромосома так уж бессодержательна, по-видимому, не стоит.
Источник: Yamauchi et al., Two genes substitute for the mouse Y chromosome for spermatogenesis and reproduction // Science. 2016. V. 351. P. 514–516.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
04.02.2015