Женский и мужской набор хромосом. Биологические различия между мужчиной и женщиной. Половые хромосомы XY

В организме каждого мужчины присутствует так называемая «Y-хромосома», которая и делает мужчину мужчиной. Обычно хромосомы в ядре любой клетки располагаются попарно. Вот и для Y-хромосомы есть соответствующая пара – X-хромосома. При зачатии будущий новый организм наследует всю свою генетическую информацию от родителей (половину хромосом от одного родителя, половину – от другого). От матери он может унаследовать только X-хромосому. От отца – либо X, либо Y. Если в плоде собираются две X-хромосомы, родится девочка. Если X и Y вместе – мальчик (две Y-хромосомы в одном организме оказаться не может). В течение долгих лет генетики считали, что никакой другой полезной функции на Y-хромосому природой не возложено. Однако они ошибались.

К зиме генетики надеются полностью расшифровать генетический код, заложенный в Y-хромосоме. Расшифровка Y-хромосомы входит в проект по расшифровке генома человека, который осуществляется международной группой генетиков. Информация о генетической карте этой хромосомы крайне важна, так как именно в ней лежат ответы на вопросы о причинах мужского бесплодия. Однако уже сейчас в ходе исследования стало понятно, что Y-хромосома далеко не так проста, как казалось вначале.

В течение почти ста лет генетики считали, что крохотная хромосома (а Y-хромосома действительно является самой маленькой в человеческом организме, заметно меньше, чем ее пара – X-хромосома) является просто «заглушкой». Первые догадки, что хромосомный набор мужчин отличается от такового у женщин, были выдвинуты в 1920-х годах. Y-хромосома стала первой хромосомой, обнаруженной с помощью микроскопа. Но сопоставить Y-хромосому хоть какую-то наследственную генетическую информацию оказалось невозможным; для X-хромосомы же исследовательские технологии тех времен (изучение нескольких поколений семей на предмет выявления наследственных признаков) вполне подошли.

В середине 20 века генетики имели «на подозрении» несколько весьма специфических генов, которые могли содержаться в Y-хромосоме. Однако в 1957 году, на собрании Американского Общества Человеческой Генетики, все эти теории оказались разрушенными. Y-хромосома была официально признана «пустышкой», не несущей в себе никакой важной наследственной информации. Утвердилась точка зрения, что «да, Y-хромосома несет в себе какой-то ген, определяющий пол человека, но больше на нее не возложено никаких функций».

И только сейчас генетики стали понимать, что Y-хромосома – нечто уникальное в мире генов. Она чрезвычайно узко специализирована: все гены, содержащиеся в ней (а их там оказалось около двух дюжин), либо отвечают за производство спермы организмом мужчины, либо отвечают за «сопутствующие» процессы. И, естественно, самый важный ген в этой хромосоме – SRY, тот самый ген, при наличии которого человеческий зародыш развивается по мужскому пути

Предмет генетических исследований - явления наследственности и изменчивости. Американский ученый Т-Х. Морган создал хромосомную теорию наследственности, доказывающую, что каждый биологический вид можно характеризировать определенным кариотипом, который содержит такие виды хромосом, как соматические и половые. Последние представлены отдельной парой, различающейся по мужской и женской особи. В данной статье мы изучим, какое строение имеют женские и мужские хромосомы и чем они отличаются между собой.

Что такое кариотип?

Каждая клетка, содержащая ядро, характеризуется определенным количеством хромосом. Оно получило название кариотипа. У различных биологических видов наличие структурных единиц наследственности строго специфично, например, кариотип человека составляет 46 хромосом, у шимпанзе - 48, речного рака - 112. Их строение, величина, форма отличаются у особей, относящихся к различным систематическим таксонам.

Число хромосом в клетке тела называется диплоидным набором. Он характерен для соматических органов и тканей. Если в результате мутаций кариотип изменяется (например, у больных синдромом Клайнфельтера количество хромосом 47, 48), то такие особи имеют сниженную фертильность и в большинстве случаев бесплодны. Другое наследственное заболевание, связанное с половыми хромосомами, - синдром Тернера-Шерешевского. Он встречается у женщин, имеющих в кариотипе не 46, а 45 хромосом. Это значит, что в половой паре присутствуют не две х-хромосомы, а только одна. Фенотипически это проявляется в недоразвитии половых желез, слабо выраженных вторичных половых признаках и бесплодии.

Соматические и половые хромосомы

Они отличаются как формой, так и набором генов, входящих в их состав. Мужские хромосомы человека и млекопитающих входят в гетерогаметную половую пару ХУ, обеспечивающую развитие как первичных, так и вторичных мужских половых признаков.

У самцов птиц половая пара содержит две одинаковые ZZ мужские хромосомы и называется гомогаметной. В отличие от хромосом, детерминирующих пол организма, в кариотипе находятся наследственные структуры, идентичные как у мужского, так и у женского пола. Они носят название аутосом. В кариотипе человека их 22 пары. Половые мужские и женские хромосомы образуют 23 пару, поэтому кариотип мужчины можно представить в виде общей формулы: 22 пары аутосом + ХУ, а женщины - 22 пары аутосом + ХХ.

Мейоз

Образование половых клеток - гамет, при слиянии которых формируется зигота, происходит в половых железах: семенниках и яичниках. В их тканях осуществляется мейоз - процесс деления клеток, приводящий к образованию гамет, содержащих гаплоидный набор хромосом.

Овогенез в яичниках приводит к созреванию яйцеклеток только одного вида: 22 аутосомы + Х, а сперматогенез обеспечивает созревание гомет двух видов: 22 аутосомы + Х или 22 аутосомы + У. У человека же пол будущего ребенка определяется в момент слияния ядер яйцеклетки и сперматозоида и зависит от кариотипа сперматозоида.

Хромосомный механизм и определение пола

Мы уже рассмотрели, в какой момент происходит определение пола у человека - в момент оплодотворения, и оно зависит от хромосомного набора сперматозоида. У других животных представители разного пола отличаются количеством хромосом. Например, у морских червей, насекомых, кузнечиков в диплоидном наборе самцов присутствует лишь одна хромосома из половой пары, а у самок - обе. Так, гаплоидный набор хромосом самца морского червя ацирокантуса можно выразить формулами: 5 хромосом + 0 или 5 хромосом + х, а самки имеют в яйцеклетках только один набор 5 хромосом + х.

Что влияет на половой диморфизм?

Кроме хромосомного есть еще и другие способы определения пола. У некоторых беспозвоночных - коловраток, - пол определяется еще до момента слияния гамет - оплодотворения, в результате которого мужские и женские хромосомы образуют гомологичные пары. Самки морской полихеты - динофилюса в процессе овогенеза образуют яйцеклетки двух видов. Первые - мелкие, обедненные желтком, - из них развиваются самцы. Другие - крупные, с огромным запасом питательных веществ - служат для развития самок. У медоносных пчел - насекомых ряда Перепончатокрылых - самки продуцируют два вида яйцеклеток: диплоидные и гаплоидные. Из неоплодотворенных яиц развиваются самцы - трутни, а из оплодотворенных - самки, являющиеся рабочими пчелами.

Гормоны и их воздействие на формирование пола

У человека мужские железы - семенники - продуцируют половые гормоны ряда тестостерона. Они влияют как на развитие (анатомическое строение наружных и внутренних половых органов), так и на особенности физиологии. Под воздействием тестостерона формируются вторичные половые признаки - строение скелета, особенности фигуры, оволосение тела, тембр голоса, В организме женщины яичники вырабатывают не только половые клетки, но и гормоны, являясь Половые гормоны, такие как эстрадиол, прогестерон, эстроген, способствуют развитию наружных и внутренних половых органов, оволосению тела по женскому типу, регулируют менструальный цикл и протекание беременности.

У некоторых позвоночных животных, рыб, и земноводных биологически активные вещества, продуцируемые гонадами, сильно влияют на развитие первичных и вторичных половых признаков, а виды хромосом при этом не оказывают настолько большого воздействия на формирование пола. Например, личинки морских полихет - бонеллии - под влиянием женских половых гормонов прекращают свой рост (размеры 1-3 мм) и становятся карликовыми самцами. Они обитают в половых путях самок, которые имеют длину тела до 1 метра. У рыб-чистильщиков самцы содержат гаремы из нескольких самок. Женские особи, кроме яичников, имеют зачатки семенников. Как только самец гибнет, одна из гаремных самок берет на себя его функцию (в её теле начинают активно развиваться мужские гонады, вырабатывающие половые гормоны).

Регуляция пола

В она осуществляется двумя правилами: первое определяет зависимость развития зачаточных половых желез от секреции тестостерона и гормона MIS. Второе правило указывает на исключительную роль, которую играет У-хромосома. Мужской пол и все соответствующие ему анатомические и физиологические признаки развиваются под воздействием генов, находящихся в У-хромосоме. Взаимосвязь и зависимость обоих правил в генетике человека называется принципом роста: у эмбриона, являющегося бисексуальным (то есть имеющим зачатки женских желез - мюллерова протока и мужских гонад - вольфова канала) дифференцировка эмбриональной половой железы зависит от наличия или отсутствия в кариотипе У-хромосомы.

Генетическая информация в У-хромосоме

Исследованиями ученых-генетиков, в частности Т-Х. Моргана, было установлено, что у человека и млекопитающих генный состав Х- и У-хромосом неодинаков. Мужские хромосомы у человека не имеют некоторых аллелей, присутствующих в Х-хромосоме. Однако в их генофонде представлен ген SRY, контролирующий сперматогенез, приводящий к формированию мужского пола. Наследственные нарушения этого гена в эмбрионе приводит к развитию генетического заболевания - синдрома Суайра. В результате женская особь, развивающаяся из такого эмбриона, содержит в кариотипе ХУ половую пару или только участок У-хромосомы, содержащий генный локус. Он активизирует развитие гонад. У больных женщин не дифференцируются вторичные половые признаки, и они бесплодны.

У-хромосома и наследственные заболевания

Как отмечалось ранее, мужская хромосома отличается от Х-хромосомы как размерами (она меньше), так и формой (имеет вид крючка). Также для нее специфичен и набор генов. Так, мутация одного из генов У-хромосомы фенотипически проявляется появлением пучка жестких волос на мочке уха. Этот признак характерен только для мужчин. Известно такое наследственное заболевание, вызванное как синдром Клайнфельтера. Больной мужчина имеет в кариотипе лишние женские или мужские хромосомы: ХХУ или ХХУУ.

Основными диагностическими признаками является патологический рост молочных желез, остеопороз, бесплодие. Заболевание достаточно распространено: на каждых 500 новорожденных мальчиков приходится 1 больной.

Подводя итог, отметим, что у человека, как и у других млекопитающих, пол будущего организма определяется в момент оплодотворения, вследствие определенной комбинации в зиготе половых Х- и У-хромосом.

Как известно, в подавляющем большинстве стран мужчины живут существенно меньше, чем женщины. Разнообразные отчеты медицинских учреждений свидетельствуют: повышенная заболеваемость и смертность наблюдается у мужчин почти по всем известным болезням, кроме разве что некоторых гонококковых инфекций и коклюша. Более того, по данным зоологов, этот дисбаланс здоровья у самцов и самок не ограничивается человеческой популяцией. Так, согласно одному из недавно проведенных масштабных исследований, в 62 из 70 видов (89%), подвергшихся сравнительному анализу (были изучены нематоды, моллюски, ракообразные, насекомые, паукообразные, птицы, рептилии, рыбы и, разумеется, млекопитающие), самцы живут меньше, чем самки.

Из всего сказанного напрашивается вывод: повышенная смертность мужского пола, по-видимому, - универсальное явление в земной фауне. Каковы же причины подобной нелюбви матери-природы к самцам-производителям? Научных теорий, пытающихся так или иначе обосновать этот биологический феномен, к настоящему времени накопилось уже немало. В качестве возможных объяснений предлагались чрезмерно крупные размеры особей мужского пола и/или их слишком яркая расцветка, а также повышенная травмоопасность - самцы подвергаются большему риску из-за того, что на них лежит ответственность за добычу пищи, охрану территории и проч.; свою роль играет и метаболический фактор.

Однако во многом благодаря бурному развитию в последние несколько десятилетий генетики сегодня на первый план вышла так называемая теория дисбаланса генов. Как полагают сторонники этой теории, основная причина высокой смертности самцов-животных - их гетерогаметная конституция, или отсутствие второй Х-хромосомы в генетическом наборе мужского организма (подробнее см. "XY и ХХ").

Иными словами, поскольку в хромосомном наборе самцов, в отличие от самок, вооруженных парой Х-хромосом, имеется только одна половая хромосома - Х (вторая же, исключительно мужская половая хромосома, Y, как следует из многочисленных исследований, за многие миллионы лет эволюции постепенно выродилась, сохранив в своем составе, по сути, лишь минимально необходимую для продолжения рода генную коллекцию), различные повреждения или случайные мутации генов в этой мужской Х-хромосоме с гораздо большей вероятностью остаются безнаказанными и наследуются потомками мужского пола по признаку сцепленности с полом.

Что же касается пресловутой специфической мужской хромосомы, американские биологи предположили, что она, по всей видимости, является сильно усеченной версией описанной незадолго до этого другой половой хромосомы, условно названной Х. Усеченная мужская хромосома получила буквенную приставку Y, мужские особи обзавелись альтернативным обозначением XY (поскольку в их половых клетках было выявлено по одному экземпляру Х и Y хромосом), тогда как женские, обладающие двойным набором Х-хромосом, получили аббревиатуру ХХ.

За многие десятилетия, прошедшие с момента этого важнейшего открытия, генетики не слишком преуспели в пополнении своих скудных знаний о внутренней структуре и особенностях работы хромосом, и лишь к концу прошлого века кропотливый поиск информации стал приносить заметные результаты. Поставленный на поток процесс секвенирования (черновой расшифровки) геномов различных живых организмов позволил ученым за очень короткое время значительно продвинуться в понимании базовых биологических процессов, важнейшим из которых, безусловно, является механизм передачи наследственной информации.

Первый черновой вариант половой Х-хромосомы человека, в котором, впрочем, присутствовали значительные прорехи, был получен генетиками еще в 2001 году. Два года назад группой специалистов под руководством американца Дэвида Пейджа из Массачусетсского технологического университета была впервые расписана полная генетическая последовательность человеческой Y-хромосомы. Уже к концу 2004 года ученые располагали подробной информацией о структуре "обычных" (неполовых) хромосом 5, 6, 7, 9, 10, 13, 14, 19, 20, 21, 22 (все неполовые хромосомы называются аутосомами и формально различаются только номерами.

18 марта 2005 года коллектив ученых, ядро которого составили исследователи из британского Wellcome Trust Sanger Institute (Кембридж), опубликовал в журнале Nature самый подробный на сегодняшний день анализ Х-хромосомы, базирующийся на дешифровке 99,3% ее общего генетического кода. Разложение на первичные составляющие самой большой хромосомы человеческого генома (ее общий размер составляет 155 млн пар оснований) - задача, для решения которой потребовались титанические усилия многих тысяч ученых, а также самые мощные компьютеры и прикладные программы.

Судя по публикации, уже объявленной рядом мировых СМИ сенсационной, "теория дисбаланса" переходит в разряд общепринятых в современной науке. Из 1098 генов, обнаруженных в Х-хромосоме (а это примерно 4% от общего числа всех человеческих генов), более трехсот имеют прямое или косвенное отношение к различным наследственным заболеваниям, что, в свою очередь, составляет более 10% от всех известных науке генных болезней.

Как отмечает руководитель исследовательской группы британского Института Сэнджера д-р Марк Росс, "нарушения генов в Х-хромосоме проявляются в основном у мужчин, поскольку у последних отсутствует "запасная" (здоровая) копия этой хромосомы, тогда как у женских особей негативные последствия генных мутаций в одной Х-хромосоме, как правило, нивелируются благодаря эффективной компенсационной деятельности второй Х-хромосомы".

Пока генетикам удалось четко опознать 168 таких "плохих генов" в Х-хромосоме. Наиболее характерные примеры сугубо мужских заболеваний, виновником которых являются эти гены, - гемофилия, дистрофия Дюшенна, при которой происходит атрофия мышц, синдром Данкана (болезнь иммунной системы), синдром Альпорта (заболевание почек) и т. д.

Кроме того, мутации генов Х-хромосомы - причина различных форм умственной отсталости, которым также более подвержены мужчины. Так, по словам академика РАМН директора медико-генетического научного центра Евгения Гинтера, к настоящему времени в Х-хромосоме уже выявлено более трех десятков генов, в той или иной степени имеющих отношение к этой болезни, и, скорее всего, черный список еще пополнится.

И наконец, одно из самых неприятных открытий: около 10% генов Х-хромосомы принадлежат к особому семейству, представители которого подозреваются в причастности к онкологическим заболеваниям. Впрочем, сведения, которыми располагает современная медицина об этих генах, пока крайне скудны, поэтому делать далеко идущие выводы на сей счет ученые не торопятся.

Из не слишком большого объема позитивной информации, представленной авторами расшифровки Х-хромосомы, самыми растиражированными, безусловно, следует считать уточненные данные о функционировании в женском организме второй Х-хромосомы. Ученых долгое время озадачивал тот факт, что у женщин две Х-хромосомы, содержащие двойной набор одинаковых генов, тогда как мужчины вынуждены обходиться куцым Y-огрызком, в котором насчитывается на порядок меньшее число генов (по данным на 2003 год, в Y-хромосоме найдено всего 78 генов, причем 54 имеют функциональные соответствия в Х-наборе). Иными словами, получается, что у всякой женщины в целом на 4-5% больше генов, чем у любого мужчины.

В начале 60-х годов прошлого века британский генетик Мэри Лайон, изучавшая генетические факторы, влияющие на специфику окраски шерсти у самок мышей, пришла к весьма неожиданному выводу: в каждой клетке организма самок работает только одна Х-хромосома, а вторая молчит, будучи практически полностью инактивированной. Причем, как выяснилось позднее, это отключение второй Х-хромосомы в клетках женских особей, срабатывающее практически у всех млекопитающих (в том числе и homo sapiens), происходит еще в процессе эмбрионального развития.

Конкретные генетические механизмы, обеспечивающие отключение запасных Х-хромосом в женских клетках, пока изучены лишь в самых общих чертах. Так, лишь в середине 90-х годов генетиками было установлено, что главный контролер этого процесса - особый ген Xist, расположенный в самой Х-хромосоме. Этот ген продуцирует очень крупные молекулы специфической РНК (также называемой XIST, только большими буквами), действующей лишь на ту Х-хромосому, которая его и произвела. Расползаясь вдоль по хромосоме от места синтеза, молекулы XIST окутывают ее, подобно кокону и тем самым лишают работоспособности.

Однако, согласно новейшим исследованиям генетиков, подтвержденным в том числе и авторами публикации в Nature, на самом деле весь этот процесс инактивации вторых Х-хромосом в женских клетках далеко не так совершенен: многие гены вроде бы неактивной Х-хромосомы каким-то образом ускользают от Xist и как ни в чем ни бывало продолжают производить белки, дублирующие продукцию их аналогов в нормальной Х-хромосоме.

Один из авторов статьи в Nature профессор Duke University (США) Хантингтон Уиллард полагает, что, "возможно, именно в несовпадении уровня генной экспрессии между полами и кроется причина их различий как в гендерном плане (социальных моделях поведения мужчин и женщин), так и в базовых механизмах защиты организма от наследственных заболеваний".

Доля таких "невыключенных" генов в запасных женских Х-хромосомах, по утверждению специалистов из Института Сэнджера, составляет от 15 до 25% (15% - это нижняя планка; у многих обследованных женщин наблюдалась более высокая генная активность). Опять-таки причины и механизмы этого генного разнобоя в работе женских Х-хромосом пока остаются невыясненными. Комментируя очередную загадку природы, академик Гинтер лишь недоуменно пожал плечами: "Исходя из полученных результатов, можно говорить, что в целом уровень экспрессии генов у женщин больше, чем у мужчин, и у разных женщин эта доза также сильно разнится, но вроде живут-то они – одинаково".

Еще одна важнейшая тема, внимание к которой было в очередной раз привлечено последними исследованиями генной структуры Х-хромосомы, - особенности исторической эволюции половых хромосом человека. По мнению Евгения Гинтера, именно эволюционный блок мартовской публикации представляет наибольший интерес для большой науки.

Согласно наиболее популярной сегодня теории происхождения полов, изначально, то бишь с момента зарождения жизни на нашей планете, и, скорее всего, примерно до середины периода господства динозавров (300 млн лет до н. э.) специального генетического механизма разделения полов на Земле не было в принципе. У тех же рептилий (в том числе и современных) пол потомства определяется исключительно температурой внешней среды, в которой созревает оплодотворенное яйцо: при одной температуре из яйца вылупляется самка, при другой - самец.

В какой-то до сих пор не вполне понятный для науки момент у ряда наиболее прогрессивных видов, к числу которых следует отнести блох, бабочек, птиц и, разумеется, новых героев эволюции - млекопитающих, из общего стандартного набора хромосом по также не вполне понятным причинам выделились половые хромосомы.

В частности, как полагают генетики, хромосомными предками современных человеческих половых хромосом X и Y были неспециализированные аутосомы N1 и N4 курицы. Причем вначале эти новые половые хромосомы ничем друг от друга не отличались, кроме того, что Y несла ген детерминации мужского пола, а X - нет. Об этой же изначальной аналогичности свидетельствует и то, что более половины из немногих сохранившихся сегодня на Y-хромосоме генов имеет пару на хромосоме Х.

Однако в ходе последующей эволюции в изначально практически идентичных генах этих хромосом начали накапливаться мутации, и генетические структуры X и Y стали все больше и больше отличаться друг от друга.

Многие генетики полагают, что печальная судьба непарной Y-хромосомы была предрешена сразу же после разделения хромосом на половые и соматические. Не имея, в отличие от Х-хромосомы, эффективных механизмов для ремонта и восстановления поврежденных генов, Y-хромосома стала постепенно терять один за другим эти "единицы наследственности" и, по прогнозам фаталистов, в ближайшие пару сотен тысяч лет должна будет превратиться либо в генетическую пустышку, не несущую никакой наследственной информации, либо вообще полностью исчезнуть из генома.

Если исходить из формальных соображений, теория скорой гибели мужского пола, безусловно, выглядит вполне логичной. Действительно, если взять за основу человеческий геном, то, по сути, в Y-хромосоме почти не осталось "осмысленных записей", тогда как изначально на ней, так же как и на Х-хромосоме, располагалось около 1000 генов. Большинство же из оставшихся сегодня 78 генов Y-хромосомы имеют крайне узкую специализацию и отвечают за образование сперматозоидов и развитие семенников.

Мысль достаточно тривиальная: чем больше мы узнаем о предмете, тем больше проблем возникает и тем шире становится круг нашего незнания.

Когда мы не знали, что такое наследственность, круг нашего незнания об этом предмете был очень узок, и самой важной проблемой казалось-правы ли анималькулисты, которые считали, что в каждом сперматозоиде содержится маленький человечек, или овисты, которые помещали этого человечка в яйцеклетку. Круг нашего незнания значительно расширился, когда мы узнали, что наследственный материал находится в хромосомах. Еще шире он стал, когда оказалось, что хромосомы разные. Выделили группу аутосом — хромосом, которые присутствуют в клетках мужчин и женщин, и пару половых хромосом. У женщин эта пара представлена двумя хромосомами X , а у мужчин одна X, а другая Y.

Буквой X в математике обозначается неизвестная величина. Что же, X — самая неизвестная хромосома ? Это как на нее посмотреть. Из всех хромосом человека и других животных она — самая изученная. И поэтому круг нашего незнания о ней наиболее широк. Вернее, их несколько, этих кругов.

Круг 1: Определение пола

В школьном учебнике написано, что все клетки тела женщины имеют две Х-хромосомы, а мужчины — одну X и одну Y. При образовании половых клеток парные хромосомы расходятся в разные клетки так, что каждая яйцеклетка получает по одной X-хромосоме. Среди сперматозоидов половина несет Х-хромосому, половина — Y. В результате при оплодотворении получается половина девочек, XX, и половина мальчиков, XY. А кем будет новорожденный с хромосомам и XXY ? Мальчиком. А с одной X без Y? Девочкой. Отсюда следует, что ключевую роль в определении пола играет Y-хромосома. Именно на Y-хромосоме находится ген-регулятор SRY. Он запускает дифференцировку XY эмбрионов по мужскому типу.

Ранние стадии эмбрионального развития XX- и XY-зародышей абсолютно идентичны. У тех и других в свое время образуются зачатки и мужского, и женского репродуктивного тракта, а зачатки половых желез -гонад и вовсе одинаковы. На определенном этапе эмбриогенеза у XY-зародышей недифференцированный зачаток гонад начинает развиваться по мужскому типу. После этого мужские гонады выделяют два гормона: один стимулирует развитие мужского полового тракта, другой — инволюцию женского. Иными словами, чтобы получить мальчика, надо кое-что сделать. Если не делать ничего — получится девочка.

Ген (или гены), которые делают это кое-что-запускают дифференцировку гонад по мужскому типу со всеми вытекающими последствиями, — находятся в Y-хромосоме. В редких случаях этот ген перемещается с Y на X, и тогда мы получаем XX особей мужского пола и соответственно XY особей женского пола.

Этот ген SRY (Sex reversal Y) сейчас выделен и расшифрован. Его роль в детерминации мужского пола была показана в прямом опыте. ДНК этого гена ввели в оплодотворенную ХХ-яйцеклетку мыши и получили ХХ-самца.

Итак, мы теперь имеем в руках ген мужского пола и знаем, что он работает. Мы также знаем, где, когда и как долго он работает. Где? В зачатке еще не дифференцированных по полу половых желез. Когда? Когда зачаток уже есть, но еще не дифференцирован. Как долго? У мыши день-полтора. Когда дифференцировка гонады завершается, он уже не нужен. Что он делает? Синтезирует белок, который связывается с другим геном, находящимся в девятой хромосоме человека, и активирует его к производству белка, который в свою очередь или непосредственно запускает дифференцировку гонад по мужскому типу, или опять же связывается с третьим геном, который неизвестно где находится и что делает.

Круг 2. Компенсация дозы

Интересно заметить: Х-хромосома млекопитающих содержит 5% от общего числа генов, a Y — такую малость, что и говорить не о чем. Но тогда получается, что у всякой женщины на 5% больше генов, чем у любого сколь угодно красивого и умного мужчины.

Есть несколько способов преодоления этого дисбаланса, или компенсации избыточной дозы генов у самок. У самцов насекомых единственная X-хромосома работает вдвое активнее, на уровне двух Х-хромосом насекомых-самок. У гермафродитов нематод, выполняющих самочьи функции, каждая из двух Х-хромосом работает вполсилы по сравнению с единственной Х-хромосомой самцов.

Млекопитающие выбрали третий путь. В каждой клетке организма самки работает только одна Х-хромосома, а вторая молчит: она практически полностью инактивирована и очень плотно упакована.

Инактивация происходит довольно рано в ходе эмбрионального развития. На самых ранних стадиях работают обе Х-хромосомы. Затем часть клеток специализируется на выполнении питающей функции. (Позднее эти клетки войдут в состав плаценты.) И в этих клетках необратимо «выходит из игры» — инактивируется одна из Х-хромосом, и именно та, что была получена от отца. Остальные клетки некоторое время остаются неспециализированными и при этом пользуются услугами обеих Х-хромосом. Они называются клетками внутренней массы эмбриона, и далее, в результате процесса дифференцировки, из них формируется собственно эмбрион. Этот процесс как раз и сопровождается выключением одной из Х-хромосом. Однако выбор хромосомы, подлежащей инактивации, происходит случайно: в одной клетке инактивируется отцовская Х-хромосома , в другой — материнская. (Так этот процесс идет у всех млекопитающих, включая человека и исключая сумчатых. У сумчатых во всех клетках инактивируется Х-хромосома, полученная от отца. Не спрашивайте меня почему. Так получилось.) При этом единожды сделанный выбор не пересматривается. Если в некой клетке-прародительнице отключилась материнская Х-хромосома, то во всех дочерних, внучатых и т. д. клетках она же останется выключенной.

Рассмотрим этот процесс на кошках. Ген рыжей окраски находится у них вХ-хромосоме. Если мы скрестим рыжую кошку с черным котом, то все их сыновья будут рыжими (X от матери, У от отца), а дочери — черепаховыми. В момент дифференцировки пигментных клеток у самок-эмбрионов в одних клетках инактивируется отцовская Х-хромсосома с черным геном, а в других материнская с рыжим геном. И те и другие производят клоны клеток, в которых сохраняется и воспроизводится неактивное состояние соответствующих Х-хромосом. Поскольку дочерние клетки обычно располагаются рядом, то мы и видим на шкурке у черепаховых кошек рыжие и черные пятна. В первых инактивирована X-хромосома с черным геном, во вторых-с рыжим.

Я уже сказал, что инактивированное состояние сохраняется стабильно в ряду клеточных поколений во всех клетках тела. Половые клетки — исключение из этого правила. В их предшественниках инактивация происходит, но при образовании самих половых клеток молчавшая несколько клеточных поколений Х-хромосома реактивируется. Это у самок. У самцов, наоборот, инактивируется единственная Х-хромосома . Но об этом мы поговорим подробнее в третьем круге, а пока вернемся к нашим самкам.

Наши предки имели недифференцированные половые хромосомы (1). Затем на одной из них возник ген-регулятор мужского пола — SRY (2). Для того, чтобы предотвратить перенос этого гена с Y-хромосомы на X, возник запрет на спаривание между большими частями этих хромосом (3). Часть Y-хромосомы, исключенная из спаривания, постепенно деградировала (4).

До сих пор мы находились в пределе круга знаний школьного учебника. А сейчас вступаем на круги незнания.
Оказывается, клетки умеют считать свои Х-хромосомы. Посчитав, они поступают по правилу: только одна Х-хро-мосома должна быть активна в диплоидной клетке (имеющей нормальный двойной набор аутосом). Все, что сверх этого, -должно быть инактивировано. То есть если клетка диплоидная, но имеет четыре Х-хромосомы, то три из них молчат. Если же клетка тетраплоидная (четверной набор аутосом) и те же четыре Х-хромосомы, то две молчат, две работают. Как клетки производят эту калькуляцию — никто не знает, хотя это очень любопытно. Ни одна из аутосом на такое не способна. Может быть, клетка учитывает объем ядра, который пропорционален плоидности?

Следующий вопрос: что-то (так и хочется сказать: кто-то) заставляет одну из Х-хромосом инактивироваться или она это делает сама и добровольно? Пока неясно. Мы можем подозревать, что сигнал приходит извне от загадочного счетного устройства. Далее опять пробел в наших знаниях, заполненный самыми правдоподобными фантазиями, которые ограничены (наконец-то!) некоторыми фактами. На Х-хромосоме существует ген, который активно работает на инактивированной Х-хромосоме. Продуктами данного гена являются очень большие молекулы специфической РНК, названой XIST — X-inactive specific transcript. Эти молекулы не используются в качестве матриц для синтеза белков, а работают сами по себе. Они, несомненно, принимают участие в установлении неактивного состояния, так как Х-хромосома, у которой отсутствует район гена XIST, никогда не инактивируется. Если же ген XIST искусственно перенести на аутосому, то она инактивируется. Ген XIST был выделен и проанализирован. Его активные участки оказались очень сходными у человека, мыши и других млекопитающих.

XIST действует только на ту хромосому, которая его произвела, а не инактивирует все подряд. Создается впечатление, что молекулы XIST действуют строго локально, как бы расползаясь вдоль по хромосоме от места синтеза. Молекулы XIST окутывают Х-хромосому, словно кокон и очень хочется написать — тем самым выключают ее из активной работы. Но увы. Строгих доказательств тому нет, а даже наоборот. Существуют данные, что удаление района гена XIST из уже инактивированной Х-хромосомы не приводит к восстановлению ее активного состояния. А как же тогда происходит поддержание неактивного состояния Х-хромосомы в ряду клеточных поколений, при чем тут XIST? Видимо, в момент установления инактивированного статуса, активный ген XIST жизненно необходим, а потом в нормальных инактивированных Х-хромосомах XIST синтезируется постоянно. Зачем? Кто его знает. Наверное, на всякий случай.

Я все время говорил, что одна из Х-хромосом у самок инактивируется. Но до сих пор умалчивал о том, что инактивация никогда не бывает полной. Ряд генов неактивной Х-хромосомы ускользает от инактивации. Понятно, почему (но непонятно как) избегает инактивации район спаривания с Y-хромосомой. Дело в том, что в данном районе находятся гены, присутствующие и на Х- и на Y-хромосомах: то есть и у XY-самцов таких генов по паре, и у XX-самок их столько же — этим генам не нужна компенсация дозы. Но откуда механизм Х-инактивации знает, что их трогать не надо, — остается загадкой.

И уж, казалось бы, совсем незачем инактивировать единственную Х-хромосому у самцов. Тем не менее это регулярно происходит. Но тут начинается уже третий круг незнания.

Круг З: Х-хромосома у самцов

Инактивация единственной Х-хромосомы у самцов происходит в предшественниках сперматозоидов. Они, клетки-предшественники, как и все клетки тела самцов, содержат двойной (диплоидный)набор аутосом и пару половых хромосом X и Y. В сперматозоидах же (как и в яйцеклетках) количество хромосом должно быть вдвое меньше — каждая хромосома в одном экземпляре. Тогда после оплодотворения двойной набор восстановится, и все начнется сначала. Как верно говорил В.И.Ленин, обращаясь не то к меньшевикам, не то к ликвидаторам, а может, и к отзовистам: «Прежде чем объединиться, необходимо размежеваться».

Процесс клеточного деления, при котором происходит редукция числа хромосом в половых клетках, называется мейозом. И в ходе этого процесса хромосомам, прежде чем размежеваться, приходится объединиться. На начальных стадиях мейоза каждая хромосома находит свою пару (не спрашивайте меня, как она это делает — это отдельная и преобширнейшая область незнания) и сливается с ней по всей длине. При этом хромосомы могут обмениваться участками. Когда спариваются две Х-хромосомы в мейозе у самок, проблем не возникает.

Хотя нет, проблема возникает, но заблаговременно устраняется. Проблема в том, что до вступления в мейоз одна из Х-хромосом находится в инактивированном и, следовательно, в плотно упакованном состоянии. Ее ДНК закрыта не только для транскрипции (синтеза РНК), но и для узнавания своей активной парой. Поэтому, а вернее, для этого она реактивируется непосредственно перед вступлением в мейоз (Понятно для чего, но непонятно как.)

У самцов в мейозе проблема прямо противоположного свойства. Х-хромосома одна и Y — одна, и они должны объединиться, чтобы потом размежеваться. А у них всего-то и общего друг с другом, что небольшой район спаривания. По сходству этих районов они друг друга и опознают, и в этом районе (простите за тавтологию) спариваются и обмениваются участками.

А что же те части, которые различны у Х- и Y-хромосом? Они остаются неспаренными. И, надо вам сказать, в половых клетках на этой стадии действует суровый закон — клетки, содержащие неспаренные хромосомы, на следующую стадию не пропускаются и подлежат уничтожению. Как тогда быть с неспаренными частями Х- и Y-хромосом? Правильно, надо их упаковать так, чтобы не нашли клеточные контролеры, то есть — инактивировать. Благо механизм такой инактивации уже есть и успешно используется в клетках тела самок — XIST. Так оной происходит, и XIST действительно принимает в этом участие. В мужском мейозе молекулы XIST плотно окутывают Х- и Y-хромосомы и делают их недоступными для контролеров неспаренности. Но можно ли сказать, что самцы используют механизм, открытый самками? Нет, нельзя.
Теперь мы должны войти в четвертый круг и поговорить о том, как много мы не знаем об эволюции половых хромосом.

Круг 4: Эволюция половых хромосом

Когда-то давным-давно во времена динозавров у наших очень далеких предков Х- и Y-хромосомы были одинаковыми. Отличия заключались в том, что Y несла ген мужского пола, а X — нет. Они до сих пор остались почти одинаковыми у однопроходных млекопитающих — ехидны и утконоса. У сумчатых и плацентарных млекопитающих Х- и Y-хромосомы далеко и безнадежно разошлись.

Как и почему это произошло, мы не знаем и не узнаем уже никогда. Можем только строить гипотезы. Вот этим-то мы с вами сейчас и займемся. Итак, на Y-хромосоме находились гены детерминации мужского пола. Для того чтобы соблюдалось стабильное соотношение полов 1:1 (почему нужно именно 1:1 — это отдельная история), они должны были находиться там постоянно, а не скакать с Y на X и обратно. Наиболее простой способ предотвратить эти переходы — не давать спариваться в мейозе той части npото-Y-хромосомы, где были гены мужского пола, с той частью прото-Х-хромосомы, где таких генов не было. Если они не спариваются, то не могут обмениваться участками. Но неспаренные участки следовало спрятать от контролеров спаренности. Здесь-то и мог возникнуть и зафиксироваться механизм временной упаковки половых хромосом. Уже потом, гораздо позже, этот
механизм пригодился для постоянной инактивации избыточной дозы Х-хро-мосомных генов у самок.

Но как только прекратился обмен генами между Х- и Y-хромосомами , Y-хромосома начала катастрофически деградировать, терять активные гены и становиться все более отличной от X. Почему прекращение обмена вызвало деградацию? Дело в том, что спаривание парных хромосом выполняет очень важную функцию сверки генного состава.

Вновь возникающие дефекты при этом быстро и эффективно устраняются (как это происходит — еще один, и очень широкий, круг незнания). Прекращение спаривания делает очистку от дефектов невозможной. Дефекты накапливаются, гены разрушаются, и хромосома деградирует. Это процесс был воспроизведен в прямом эксперименте. В одну из аутосом дрозофилы ввели генетический фактор, который блокировал ее спаривание в мейозе. За считанные поколения эта хромосома деградировала. Можно предположить, что Y-хромосома после частичного развода с X прошла именно этот путь. Гены, необходимые для детерминации мужского пола, поддерживались в рабочем состоянии естественным отбором, все прочие гены накапливали дефекты и постепенно деградировали. С Х-хромосомами этого не произошло. Встречаясь при очередной смене поколений в клетках женщины, они спаривались друг с другом, сверяли свой генный состав и тем самим поддерживали все гены в рабочем состоянии.

Но Х-хромосоме тоже пришлось платить за развод с Y-хромосомой. Утрата активных генов на Y и возникновение дисбаланса между дозой генов у самцов и самок привели к необходимости компенсации избыточной дозы генов Х-хромосомы у самок. Для решения этой проблемы, по-видимому, и был использован ранее открытый самцами механизм.

Это в свою очередь наложило жесткий запрет на любые переходы генов с аутосом на половые хромосомы и обратно. Действительно, многие — если не все — аутосомные гены привыкли работать в паре, поэтому отключение одного из членов пары в X-хромосоме имело бы роковые последствия для носителей такой генной комбинации. К неблагоприятным последствиям может привести и перенос генов с Х-хромосомы на аутосому: такие гены не будут инактивироваться и вместо предусмотренной одной копии генов в клетках самок будут работах обе копии.

В результате генный состав Х-хромосом у плацентарных млекопитающих законсервировался. Все они имеют практически одинаковые по набору генов Х-хромосомы, в то время как их аутосомы претерпели значительные изменения в ходе эволюции.

Эволюция половых хромосом, таким образом, была сопряжена с паллиативными решениями возникающих проблем и противоречий. Эти решения создавали новые проблемы, которые тоже решались паллиативно, и так до бесконечности. Нашему творческому уму такой процесс кажется абсолютно бессмысленным и нецелесообразным. Результаты, достигнутые в ходе этого процесса (механизмы определения пола, дозовой компенсации, характер поведения хромосом в мужском и женском мейозе), также представляются неоправданно усложненными и нецелесообразными. Если взяться с умом и четко сформулировать цель, все это можно было бы организовать гораздо проще, надежней и экономичней. Но в том-то все и дело, что эволюция ни в коем случае не есть целенаправленный процесс. Эволюции в самом существе своем — это постоянный поиск мелких решений сиюминутных задач. Чаще всего решения находятся не самые лучшие из возможных. Более того, они порождают новые проблемы, которые требуют решений. И эти решения опять же оказываются паллиативами — и так до бесконечности.
А нам остается восхитительная задача: распутывать эти нескончаемые клубки проблем, все более и более расширяя круги нашего незнания.

- Скажите, профессор! Вы рассказали, что через 5 миллионов лет Солнце достигнет таких размеров, что поглотит Землю. Это правда?
- Нет. Это произойдет только через 5 миллиардов лет.
- А! Ну, слава Богу!

Сегодня в прессе распространены известия о том, что скоро «мир останется без мужчин », что «мужская Y-хромосома — а вместе с нею и весь мужской род — находятся под угрозой вымирания », что «мужчины исчезнут как динозавры », «исчезнут с лица Земли », «исчезнут как биологический вид ». Можно ли верить этим сенсациям? Что такое Y-хромосома и для чего она нужна? Что происходит с ней на самом деле? Правда ли существует угроза для мужского населения? Об этом — данная статья.

Наследственный материал человека организован в 22 пары неполовых хромосом (аутосом) и в две половые хромосомы. Половина хромосом достается нам от отца, половина — от матери. У женщин имеется две X-хромосомы, а у мужчин одна Х- и одна Y-хромосома. На самом деле, картина несколько более сложная. Примерно каждый пятисотый мужчина имеет две X- и одну Y-хромосому (XXY), а каждый тысячный имеет одну X и две Y (XYY). Каждая тысячная женщина имеет три Х (ХХХ).

Наличие более двух половых хромосом не смертельно, но может приводить к нарушениям развития. У XYY-мужчин нарушения выражены незначительно: наблюдаются небольшие ухудшения умственного развития, увеличенный рост, но при этом сохраняется фертильность (способность оставлять потомство). XXY-мужчины, как правило, бесплодны, у них меньше мужского полового гормона — тестостерона, менее развиты гениталии. ХХХ-женщины, как правило, фертильны, в некоторых случаях с отставанием в развитии. Изменение числа копий аутосом значительно более опасно: три копии 21-й хромосомы являются причиной развития синдрома Дауна, утроение любой из остальных хромосом несовместимо с жизнью.

Получается, что пол людей определяется наличием или отсутствием Y-хромосомы: если Y-хромосома есть, получается мужчина, если ее нет — женщина. Такая система определения пола не единственная возможная в мире животных. Например, у плодовой мушки дрозофилы пол определяется числом Х-хромосом и не зависит от наличия Y-хромосомы. У птиц, в отличие от людей, две одинаковые половые хромосомы наблюдаются у самцов, а у самок половые хромосомы разные. У утконоса (уникального яйцекладущего млекопитающего с клювом) имеется целых 10 половых хромосом, которые сцеплены в цепочки по пять: бывают ХХХХХХХХХХ-самки и XYXYXYXYXY-самцы. Более того, одна часть цепочки половых хромосом утконоса имеет сходство с половыми хромосомами птиц, а другая — с половыми хромосомами других млекопитающих.

В очень редких случаях среди людей, грызунов и некоторых других видов млекопитающих можно встретить самца без Y-хромосомы, а так же самку с Y-хромосомой. Было показано, что для определения пола необходима не вся Y-хромосома, а только малая ее часть, всего лишь один ген. Ген SRY, расположенный на Y-хромосоме, отвечает за развитие семенников. Если этот ген «перескочит» на другую хромосому, то может получиться XX-самец. Если в результате мутации ген SRY будет выведен из строя на Y-хромосоме, может быть получена XY-самка.

1991 году в научном журнале Nature была опубликована работа молекулярного биолога Питера Купмана, которому удалось встроить ген SRY c Y-хромосомы мышей в мышиные эмбрионы с двумя Х-хромосомами. Такие трансгенные мыши внешне оказались самцами. Так было подтверждено, что ключевое генетическое отличие между мужчиной и женщиной кроется в одном-единственном гене.

Но как один ген может так сильно повлиять на развитие человека? Оказалось, что ген SRY может активировать другие гены, отвечающие за развитие мужских половых признаков. У самки эти гены выключены, но появление гена SRY может привести к их включению. Иными словами, в геноме каждой женщины есть почти все необходимые инструкции для развития мужчины, но эти инструкции хранятся под замком. Ген SRY — ключ к этому замку.

Хотя работы Купмана показали, что одного гена достаточно, чтобы получить ХХ-мышей со всеми внешними признаками самцов, полученные самцы оказались бесплодны. Это означает, что для полноценного развития самца одного гена все-таки недостаточно. Тем не менее многие ученые склоняются к мнению, что количество генов, важных для развития полноценных мужчин, на Y-хромосоме невелико.

Последние данные свидетельствуют о том, что Y-хромосома стала половой хромосомой примерно 150 миллионов лет назад. Тогда Х- и Y-хромосомы были очень похожи, так же как современные неполовые хромосомы. С тех пор Y-хромосома неуклонно уменьшалась в размерах и утратила около 97% своих генов. Став половой хромосомой, она начала накапливать гены, полезные для мужчин, но вредные для женщин, и постепенно избавляться от всего остального.

Кроме того, Y-хромосома мутирует почти в 5 раз быстрее, чем остальные хромосомы. Считается, что это связано с тем, что появлению мужских половых клеток предшествует большое количество делений. Дело в том, что при каждом делении клеток необходимо копировать хромосомы, чтобы каждой новой клетке достался полноценный набор генетического материала. Но система копирования ДНК не идеальна: при каждом копировании возникают ошибки, своеобразные опечатки, мутации. Y-хромосома в каждом поколении проходит через большое количество копирований, потому что наследуется только через мужские половые клетки, а значит, накапливает больше ошибок, связанных с копированием. Аутосомы наследуются как от мужчин, так и от женщин, а значит, в половине поколений наследуются через женские половые клетки. Вследствие этого они в среднем проходят через меньшее число делений на одно поколение и накапливают меньше мутаций.

Если грубо посчитать скорость исчезновения генов с Y-хромосомы и количество оставшихся на ней генов, можно представить, что Y-хромосома утратит все свои гены примерно через десять миллионов лет. Сегодня ведется дискуссия о том, грозит ли Y-хромосоме полное исчезновение в будущем. Во-первых, опыты Купмана показывают, что Y-хромосома не так уж нужна: если пара-тройка важных для определения пола генов перескочат с Y-хромосомы на аутосому, мы получим новую систему определения пола. В такой системе от Y-хромосомы можно будет избавиться без особых последствий. Действительно, у некоторых видов грызунов в ходе эволюции Y-хромосома была полностью утрачена, что указывает на то, что описанный выше сценарий, действительно, возможен. Другая точка зрения гласит, что ничего с Y-хромосомой не случится. Сегодня показано, что существует ряд эволюционных механизмов, активно сохраняющих оставшиеся на Y-хромосоме гены. Совершено не обязательно, что Y-хромосома продолжит утрачивать оставшиеся на ней гены с той же скоростью, с которой она утрачивала их раньше. Несмотря на наличие разных точек зрения, ученые сходятся во мнении, что уменьшение Y не приведет к катастрофическим последствиям для человечества. Мужчины останутся.