Исследователи из Гавайского университета продемонстрировали, что половые клетки самцов мышей, имеющих лишь два гена из всей Y-хромосомы, можно успешно использовать для искусственного оплодотворения. При этом получается здоровое потомство, которое также способно размножаться.
Y-хромосома млекопитающих определяет развитие организма по типу самца: зародыш, у которого есть хотя бы одна Y-хромосома, разовьется в самца, а зародыш, не имеющий Y-хромосом, — в самку. В норме самец обладает одной X-хромосомой и одной Y-хромосомой, а самка — двумя X-хромосомами; прочие же хромосомы у самцов и самок не отличаются. Y-хромосома млекопитающих содержит намного меньше генов, чем X-хромосома (например, у человека в Y-хромосоме только 86 генов — в 17 раз меньше, чем в X-хромосоме). И, как показали в своей работе американские исследователи, лишь два из них абсолютно необходимы для развития семенников и производства мужских половых клеток, которые после слияния с яйцеклеткой могут дать вполне здоровое потомство.
Ген Sry требуется для развития эмбриональных зачатков половых желез в семенники и, таким образом, абсолютно необходим для образования мужских половых клеток. Однако было показано, что мыши, не имеющие Y-хромосомы, но имеющие лишь один ее ген, Sry, хотя и имеют семенники, но не способны производить функциональных половых клеток, так как их деление и развитие в семенниках блокируется на ранних стадиях. Тогда исследователи продолжили поиск минимального набора генов, необходимого для производства мужских половых клеток, и выявили, что дополнить работу гена Sry необходимо лишь геном Eif2s3y. Этот ген обеспечивает размножение клеток-предшественников сперматозоидов. Вместе пара генов Sry и Eif2s3y способна обеспечить развитие функциональных мужских половых клеток.
Препараты семенников мышей, имеющих лишь два гена из Y-хромосомы. На рисунке А стрелочками отмечены нормально развивающиеся предшественники половых клеток, которые, тем не менее, останавливаются в развитии, дойдя максимум до 9-й стадии развития из 12. На рисунке В стрелочками показаны патологии семенников у таких мышей — многоядерные, отмирающие и мертвые клетки
Мыши, имеющие лишь два гена из Y-хромосомы, конечно, не обладают нормально функционирующим половым аппаратом. Семенники у них существенно меньше, чем в норме, и в них наблюдаются множественные патологии — клетки с большим количеством ядер, отмирающие и мертвые клетки. К тому же, самих половых клеток у них намного меньше, чем в норме, и все они не развиваются в нормальные сперматозоиды, останавливаясь на более ранних стадиях развития. Тем не менее, благодаря развитию технологий искусственного оплодотворения, для получения нормального потомства сейчас можно использовать даже недоразвитые сперматозоиды, не имеющие хвостов и потому неподвижные. Но поскольку сперматозоид вводят в яйцеклетку при помощи специальной микроиглы, его подвижность не важна для успеха оплодотворения. Этим способом исследователям удалось слить недоразвитые половые клетки самцов с яйцеклетками самок. В результате сформировались нормально развивающиеся зародыши, которые были вживлены мышам — «суррогатным матерям» — и рождены на свет вполне здоровыми. Полученные таким методом самки успешно размножались, а самцы, поскольку, как и их отцы, не имели нормальной Y-хромосомы, могли размножаться только с помощью искусственного оплодотворения.
Конечно, регуляция процессов, происходящих на ранних стадия развития зародышей млекопитающих, очень сложна, и в ней обязательно должен принимать участие отцовский геном, внесенный сперматозоидом. Именно поэтому невозможно, например, получение нормально развивающихся зародышей при слиянии двух яйцеклеток. Тем удивительнее, что лишь двух генов Y-хромосомы достаточно, чтобы процесс развития нового организма прошел успешно.
Кроме того, исследователи выявили 6 генов (в число которых входили и два вышеупомянутых), которых достаточно для созревания нормальных сперматозоидов. Правда, когда из всего набора Y-хромосомы присутствуют лишь эти гены, сперматозоиды редко проходят все стадии развития и намного чаще останавливаются на более ранних стадиях. Тем не менее выявленные 6 генов образуют минимальный набор, необходимый для конструирования полностью зрелых мужских половых клеток. Интересно, что у особей с 6 генами из Y-хромосомы, семенники были более похожи на нормальные, чем у особей, имевших лишь два гена: они были больше по размеру, в них было меньше мертвых клеток и больше клеток развивалось нормально.
Что касается людей (и других обезьянообразных), то в их Y-хромосомах вообще нет копии гена Eif2s3, поэтому для них минимальный набор генов Y-хромосомы, необходимый для производства функциональных мужских половых клеток, не такой, как для мышей. Но в Y-хромосоме людей присутствует ген EIF1A, чей продукт так же важен для процесса инициации синтеза белка, как и продукт гена Eif2s3. Известно, что уменьшение активности его работы может приводить к азооспермии — патологическому состоянию, при котором в эякуляте отсутствуют нормальные сперматозоиды. Таким образом, возможно, что у людей ген EIF1A — один из генов, входящих в минимальный набор для производства функциональных половых клеток. Входит ли в этот набор лишь два гена, как у мышей, сказать пока нельзя.
Стадии развития сперматозоидов у мышей. У мышей, имеющих из всех генов Y-хромосомы лишь гены Sry и Eif2s3, сперматозоиды никогда не развиваются дальше стадии 9, но, тем не менее, могут быть использованы для искусственного оплодотворения
Известно, что Y-хромосома человека за время своего существования потеряла подавляющее большинство генов, в связи с чем некоторые исследователи даже предсказывают полную утрату ее функциональности в ближайшие несколько миллионов лет. Действительно, генам Y-хромосомы свойственна особенно высокая скорость мутирования, а поскольку большая часть Y-хромосомы не способна к рекомбинации (обмену участками хромосом, в ходе которого в них могут возникать новые комбинации генов), то большинство мутаций, возникших в Y-хромосоме и не «залеченных» особыми системами починки клеточной ДНК, остаются в ней и передаются дальше всем потомкам мужского пола. Поэтому можно сказать, что «хранить гены на Y–хромосоме» — рискованно, и можно ожидать, что и в дальнейшем число генов на Y-хромосомах млекопитающих будет уменьшаться.
С другой стороны, Y-хромосома человека со времени разделения нашего вида и макак-резусов, которое произошло 25 миллионов лет назад, потеряла всего один ген, что не позволяет предсказать дальнейшее уменьшение числа ее генов, а тем более полное их исчезновение в ближайшем будущем. Гены, оставшиеся в Y-хромосоме, важны для формирования зрелых сперматозоидов и нормального оплодотворения. Однако искусственное оплодотворение позволило выявить гены, абсолютно необходимые для формирования функциональных мужских половых клеток у мышей, и их оказалось только два.
