Эта система определения пола развивалась независимо несколько раз, и поразительной особенностью ее эволюции является то, что Y-хромосомы генетически дегенерировали, теряя со временем многие гены. Однако не совсем понятно, что происходит с Y-хромосомой на самых ранних стадиях этой эволюции или во временных масштабах, в течение которых происходит дегенерация.Теперь исследователи из Университета Торонто (штат Калифорния) нашли способ пролить свет на ранние стадии дегенерации, исследуя процесс у растений.
«У людей Y-хромосома претерпела обширную потерю генов за свою примерно 200-миллионную эволюционную историю и теперь сохраняет только около трех процентов своих предковых генов. Однако мы очень мало знаем о ранних стадиях этого процесса, потому что это случилось так давно ", — сказал Департамент экологии УТ.
Профессор эволюционной биологии (EEB) Спенсер Барретт, соисследователь исследования, опубликованного сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences. «Наиболее хорошо изученные Y-хромосомы, в том числе у людей и других видов животных, начали дегенерировать сотни миллионов лет назад. Не так с растениями».
«Появление отдельных полов у растений — относительно недавнее эволюционное нововведение, что делает их идеальными для этого исследования», — сказал Баррет. «Только около шести процентов цветковых растений имеют самцов и самок. Остальные — гермафродиты».
Ученые использовали виды растений с разными полами, чьи X- и Y-хромосомы, вероятно, впервые появились не более 15 миллионов лет назад, что сделало их относительно молодыми по сравнению с таковыми у животных.«Мы проверили дегенерацию Y-хромосомы у Rumex hastatulus, однолетнего растения из южных США, широко известного как щавель Heartwing.
Мы обнаружили, что гены на Y-хромосоме уже начали подвергаться генетической дегенерации, несмотря на их относительно недавнее происхождение», — сказал Джош. Хаф, докторант кафедры экологии Университета штата Калифорния. Эволюционная биология и ведущий автор исследования. «Важно отметить, что наши результаты показывают, что степень этой дегенерации зависит от того, как давно гены половых хромосом перестали рекомбинировать друг с другом».
Теория эволюции половых хромосом утверждает, что дегенерация Y-хромосомы происходит в результате того, что X- и Y-хромосомы не могут рекомбинировать свои гены во время репродукции. Рекомбинация — это ключевой генетический процесс, в котором хромосомы спариваются и обмениваются последовательностями ДНК, и он происходит между всеми другими хромосомами в геноме, включая Х-хромосому, которая рекомбинирует у женщин.
Однако это генетическое смешение между X- и Y-хромосомами подавлено, вероятно, потому, что они содержат гены, влияющие на «женственность» и «мужественность», и объединение этих генов в одну хромосому может вызвать проблемы с бесплодием.«Подавление рекомбинации между X и Y имеет смысл, потому что оно предотвращает появление генов, определяющих женские особенности, на Y-хромосоме», — сказал Хаф. Но без рекомбинации естественный отбор становится менее эффективным, и вредные мутации невозможно удалить из Y-хромосомы.
В результате гены на Y-хромосоме в конечном итоге становятся нарушенными в функции или полностью утрачиваются ».Исследователи скрестили несколько мужских и женских растений, а затем проследили наследование генов, секвенировав ДНК родителей и их потомков.
Это позволило им определить, какие гены были расположены на половых хромосомах, потому что они разделяются иначе, чем гены на других хромосомах. Компьютерный анализ генетических последовательностей позволил ученым затем проверить потерю генов, потерю функции генов, накопление мутаций и другие вредные изменения в половых хромосомах.
Подавленная рекомбинация между X- и Y-хромосомами произошла гораздо позже у растений, чем у животных, поэтому ученые смогли получить уникальное представление о том, что происходит на самых ранних стадиях дегенерации Y-хромосомы.«Помимо того, что половые хромосомы Rumex hastatulus намного моложе, чем у животных, они особенно интересны из-за недавнего появления новой системы половых хромосом, в которой некоторые самцы несут вторую, даже более молодую, Y-хромосому», — говорит Хаф. «Это позволило нам сравнить две Y-хромосомы и оценить временные рамки, в течение которых гены ухудшаются».
«Гены на второй Y-хромосоме появились совсем недавно, они возникли в пределах одного вида», — говорит профессор EEB Стивен Райт, другой исследователь исследования. «Это дало нам ключевой момент времени для понимания хронологии эволюции Y-хромосомы. Примечательно, что даже эти гены уже проявляли ранние признаки дегенерации».