9 Minutės
Žmogaus Y chromosomos ateitis ilgus dešimtmečius sukėlė karštas diskusijas. Kadaise beveik identiška X chromosomai, Y prarado didžiąją dalį savo protėvių genų turinio — kai kurie tyrėjai perspėja, kad ji gali būti pakeista ar radikaliai pertvarkyta. Kiti teigia, jog tai, kas liko, yra stabili ir būtina. Šiame straipsnyje išsamiai apžvelgiama mokslo aplinka, pagrindiniai atradimai ir realios pasekmės žmogaus biologijai bei medicinai.
Kodėl Y iš pradžių atrodė pažeidžiama
Ankstyvoje žinduolių evoliucijos stadijoje dvi lyties chromosomos — X ir Y — buvo praktiškai identiškos kopijos, turėjusios šimtus genų. Per maždaug 200 milijonų metų Y specializavosi vyriškumą lemiantiems vaidmenims ir nustojo rekombinuotis su X per vyriškąją mejozę. Rekombinacijos slopinimas yra pagrindinis evoliucinis mechanizmas, vedantis prie Y degeneracijos: be įprasto genų mainų, kurie gali pašalinti žalingas mutacijas, Y genai tampa pažeidžiami atsitiktinio dreifo ir mutacijų kaupimosi.
Evoliucijos biologai apskaičiavo, jog protėvių pora galėjo turėti maždaug 800 genų. Šiandien žmogaus Y išsaugo tik apie 3 procentus šio pirminio skaičiaus. Tačiau šis nuostolis nevyko nuosekliai per visą laiką. Vietoj linijinio mažėjimo genų nykimas Y chromosomoje, atrodo, vyko sparčiai ankstyvoje stadijoje, o vėliau daugelyje atšakų procesas sulėtėjo. Tokia dinamika rodo, kad evoliuciniai veiksniai — selekcija, genetinis dreifas ir retai pasitaikantys genominiai įvykiai — veikia skirtingais laikotarpiais nevienodai.
Pamokos iš kitų rūšių: pakeitimai ir atsparumas
Palyginamoji genomika atskleidžia kelis galimus lyties chromosomų likimus. Daugelyje žuvų ir varliagyvių Y (ar Z/W sistemų) gali degraduoti palaipsniui ir kartais būti pakeista nauja sistema. Graužikų tarpe mokslininkai aptiko įspūdingas gamtos eksperimentų variacijas, kurios iliustruoja, kaip skirtingai gali vystytis lyties nustatymo mechanizmai.
- Trys kurmio pelės rūšys — Ellobius talpinus, Ellobius tancrei ir Ellobius alaicus — visiškai neturi Y chromosomos ir gyvena tik su X chromosomomis. Šiuose atvejuose vyriškumą lemiantys vaidmenys perkelti į kitas genomo vietas, demonstruojant genominio funkcijų perskirstymo galimybes evoliucijos eigoje.
- Kai kurios spyglėtos pelės (Tokudaia osimensis), panašu, pakeitė ar stipriai modifikavo protėvių Y, ir naujas genominis elementas perėmė lyties nustatymo funkcijas. Tai rodo, kad, atsiradus veiksmingesniam variantui, jis gali greitai paplisti populiacijoje.
Šie pavyzdžiai parodo, kad jei atsiranda naujas, funkcionaliai pranašesnis lytį nustatantis variantas, jis gali plisti per populiaciją gana greitai. Iš evoliucinio požiūrio Y dingimas nereiškia vyrų ar lytinio dauginimosi pabaigos — tai reiškia, kad pasikeitė lytį nustatantis mechanizmas. Tokios permainos priklauso nuo ekologinių sąlygų, atrankos stiprumo ir atsitiktinių genominių įvykių, todėl jas galima stebėti tik platesniuose palyginamuosiuose tyrimuose.
Tipinis genetinis paveldėjimas žmonėms
Diskusija: pasmerkta ar patvari?
Diskusija dažnai pateikiama kaip pasirinkimas: ar Y chromosoma yra trupantis reliktas, pasmerktas išnykti, ar atspari chromosoma su esminiais genais, kurie išliks? Dvi žinomos balsai šiame ginče — evoliuciniai biologai Jenny Graves ir Jennifer (Jenn) Hughes — interpretavo tuos pačius genominius modelius skirtingai, pabrėždamos skirtingus evoliucinius procesus.
Graves XX a. pabaigoje ir XX a. pradžioje išpopuliarino dramatišką skaičiavimo pavyzdį, siūlydama, kad jei genų netekimas tęstųsi tuo pačiu stebimu tempu, Y gali išnykti per kelis milijonus metų. Jos skaičiavimas buvo labiau iliustracinio pobūdžio — tai buvo paprasta prognozė, skirta atkreipti dėmesį į tendenciją — tačiau žiniasklaida tai perdavė kaip sensacingą pranašystę apie „vyrų pabaigą“. Graves pabrėžė, kad DNR nykimas gali vykti nereguliariais etapais ir kad Y chromosomos dublikatai dažnai yra nefunkcionalūs reliktai, supainioti su tikrais, išlikusiais genais.
Tuo tarpu Hughes ir jos kolegos teigia, kad po pradinio masinio genų netekimo Y chromosomos genų turinys stabilizavosi. Hughes komandos darbai parodė, jog per paskutinius maždaug 25 milijonus metų primatų linijoje prarasta labai mažai pagrindinių Y genų. Šie išlikę genai dažnai yra jautrūs dozei (dosage-sensitive) ir dalyvauja esminėse funkcijose įvairiuose audiniuose, neapsiribojant tik sėklidėmis; dėl to tenka stipri neigiamojo (purifying) atrinkimo jėga, sauganti šias sekas.
Kuris požiūris teisingas? Abi perspektyvos atspindi tam tikrą tiesą. Y patyrė staigų ankstyvą nuosmukį; kas bus toliau, priklauso nuo selektyvių spaudimų, likusių genų funkcinio svarbumo ir retų genominių įvykių, kurie gali perkelti lyties nustatymą į kitą genominio regioną. Taip pat svarbu atsižvelgti į populiacinius veiksnius ir genominės struktūros savybes, tokias kaip palindrominės sekos ir dublikatai, kurie lemia genų išsaugojimą ar sunaikinimą.
Mechanizmai, saugantys arba pavergiantys Y genus
Kai rekombinacija tarp X ir Y nutrūko, Y chromosoma atrado alternatyvius molekulinio remonto mechanizmus, leidžiančius išlaikyti savo integritetą. Viena svarbi strategija yra palindrominė DNR architektūra: Y turi ilgus inversinius pasikartojimus, leidžiančius daliai pažeidimų būti ištaisytiems intra-chromosominio genų konversijos būdu. Šis mechanizmas padeda išsaugoti esmines genų kopijas net ir neturint homologinio X partnerio.
Tačiau genų dublikacija — kita dažna Y taktikos dalis — yra dviprasmiškas sprendimas. Daugelio genų kopijų kūrimas padidina tikimybę, kad bent viena kopija išliks funkcionali, bet tuo pat metu padidėja nefunkcinių reliakų kaupimosi tikimybė. Graves šiame kontekste Y yra palyginama su „DNR laužyne“ — mišiniu, kuriame gyvena tiek kritiškai svarbūs išlikusieji genai, tiek evoliucinės šiukšlės.
Kaip Y chromosoma taisosi be antros kopijos, kurios yra su dviem X chromosomomis.
Kaip aptikti lyties nustatymo poslinkį — paslėgtas iššūkis
Jeigu žmogaus populiacijoje kada nors evoliucionuotų nauja lyties nustatymo sistema, pakeičianti Y, tai galėtų būti sunkiai pastebima. Genomų apžvalgos retai surenka duomenis specialiai apie lytį lemiantčias variacijas, o perkelta determinanta (lytį nustatantis elementas) gali duoti tą patį išorinį rezultatą: dvi lyties, normali reprodukcinė funkcija ir akivaizdžių fenotipinių skirtumų nebuvimas. Todėl tokią permainą atskleistų tik kruopščios genominės ir populiacinės analizės, įskaitant ilgųjų skaitymų sekvenavimą ir plačias gyventojų imtis.
Tai kelia tiek techninių, tiek filosofinių klausimų genominei stebėsenai: ką tyrėjai turėtų sekti? Kaip medicinos genetika prisitaikytų, jeigu populiacijoje atsirastų alternatyvus lyties nustatymo alelis? Kaip vertinti pavojus ir naudą, susijusią su tokiais genominių sistemų perėjimais? Kol kas tokie scenarijai žmonėms išlieka daugiausia hipotetiniai, nors jie yra realūs ir gerai dokumentuoti kitose taksonominėse grupėse.
Svarbūs atradimai ir pasekmės žmogaus sveikatai
Y evoliucijos supratimas nėra vien akademinis. Somatinio Y praradimas (angl. mLOY — mosaic loss of Y) susijęs su senėjimu ir padidėjusia ligų rizika vyrams, įskaitant tam tikras vėžio formas ir širdies bei kraujagyslių ligas. Šis ryšys pabrėžia, kad Y biologijos pokyčiai gali turėti tiesioginį poveikį sveikatai, net jei chromosoma išlieka populiacijos lygiu.
Iš evoliucinio požiūrio ilgalaikis tam tikrų Y genų išsaugojimas rodo, kad jie atlieka funkcijas neapsiribojančias vien vyrišku reprodukciniu vystymusi — funkcijas, kurios paveikia viso organizmo homeostazę ir todėl patiria stipresnį gryninantįjį atrankos spaudimą. Tai sumažina tikimybę, kad Y visiškai išnyks netrumpalaikėje perspektyvoje, tačiau neatmeta retų ir greitų pokyčių per evoliucinius laikotarpius. Be to, moksliniai duomenys apie susijusią ligų riziką skatina tolesnius tyrimus, siekiant suprasti mechanistinius ryšius tarp somatinio Y praradimo ir patologijų.
Eksperto įžvalga
"Y chromosomos istorija yra tiek pažeidžiamumo, tiek inovacijos istorija," sako dr. Amelia Hart, genetikė ir mokslo komunikatorė. "Ankstyvas genų praradimas atkreipia dėmesį, kaip genominė architektūra formuoja evoliucines trajektorijas, tačiau kertinių genų išlikimas parodo natūralios atrankos atsvarą. Žmonėms artimiausi pavojai labiau susiję su somatinio praradimo pasekmėmis ir ligomis nei su masine chromosomos išnykimu — pastarajam reikėtų retų, populiacijos mastu vykstančių genominių perversmų."
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Progresas ilgųjų skaitymų sekvenavimo technologijose, vienaląstelinėje genomikoje ir palyginamojoje genomikoje ženkliai aiškina mūsų supratimą apie Y struktūrą ir funkciją. Ilgieji skaitymai (pvz., PacBio HiFi ir Oxford Nanopore) geriau išsprendžia palindromines pasikartojančias sritis ir sudėtingas dublikacijas Y chromosomoje, o populiacinių imčių duomenys gali atskleisti mažos dažnos lytį nustatančias variacijas, jei jų yra. Vienaląstelinės technologijos leidžia tyrinėti somatinį mozaiką ir suprasti, kaip mLOY atsiranda skirtinguose audiniuose su amžiumi susijusiu kontekstu.
Genų redagavimo įrankiai, tokie kaip CRISPR, suteikia eksperimentinius būdus patikrinti genų funkcijas, tačiau etiniai ir saugumo aspektai riboja tiesioginį taikymą žmonėms. Ateities tyrimų prioritetai apima sisteminius lytį nustatančių variantų skenavimus įvairiose populiacijose, funkcinius konservuotų Y genų bandymus modeliniuose organizmuose, ir gilesnę somatinio Y praradimo sąsajų su amžiumi bei ligomis analizę. Tarpdisciplininis bendradarbiavimas — jungiantis evoliucijos biologus, medicinos genetikus, epigenetikus ir bioinformatikus — bus būtinas kompleksiškų klausimų sprendimui.
Išvados
Y chromosoma nėra nei pasmerkta artefaktinė struktūra, nei nekintama genetiškai tvirta salelė. Ji prarado didžiąją dalį protėvių genų rinkinio, tačiau likę genai dažnai yra kritiški ir konservuoti. Palyginamoji genomika parodo, kad gamtoje lyties chromosomos gali būti pakeistos kai kuriose linijose, tačiau tokie įvykiai yra reti ir priklausomi nuo konteksto. Žmonėms artimiausi praktiniai rūpesčiai susiję su Y variacijų ir somatinio praradimo sveikatos pasekmėmis bei tęstiniu chromosomos žemėlapio tikslinimu naudojant pažangias sekvenavimo technologijas. Per evoliucinius laikotarpius netikėtumai išlieka galimi — ir ši nenuspėjamumo dalis palaiko diskusiją gyvą.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą