Изменчивость — одно из фундаментальных свойств всего живого, заключающееся в том, что один и тот же признак в популяции может проявляться по-разному. Примерами здесь могут служить разнообразие цвета волос или кожи. Иногда это лишь фенотипические изменения наподобие загара, но биологов и генетиков куда сильней интересуют наследственная, то есть генетически обусловленная изменчивость.
В геноме закрепляются все изменения, произошедшие при жизни в клетках, из которых образуются гаметы — яйцеклетки и сперматозоиды, а также все мутации, произошедшие непосредственно при образовании этих половых клеток.
По мере накопления новых вариантов генов важную роль в эволюции начинают играть их сочетания. Исландским ученым удалось уточнить работу механизма, лежащего в основе образования этих сочетаний, и даже найти ключевой ген, регулирующий эту систему. А в процессе работы выяснилась удивительная вещь, во многом определяющая ход эволюции, — работа этого гена у мужских и женских организмов в корне различается.
Множество различных комбинаций позволяет природе «выбрать» наиболее удачное сочетание генов, а значит, сохранить в поколениях самые «полезные» признаки. У человека, как и у большинства видов животных, каждый ген имеется в двух вариантах (аллелях), располагающихся в одинаковых участках (локусах) гомологичных хромосом, но детям передается только один из них.
Конечно, если варианты одинаковы (тогда организм называется гомозиготным по этому аллелю), то никакой разницы нет. Другое дело — гетерозиготный родитель. Иногда очень важно, что и в сочетании с какими генами получит потомок, ведь от этого может зависеть не только его внешний вид, но и здоровье, а нередко — и жизнь.
Если гены располагаются в разных хромосомах, то сочетание определяется абсолютно случайным образом — такие признаки ещё Грегор Мендель назвал независимо наследуемыми.
Но природа придумала способ «перемешивать» гены.
Частный случай такого обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения (рекомбинации) разных молекул ДНК регулярно происходит при образовании половых клеток и носит название кроссинговера.
Сначала гомологичные хромосомы сближаются (недавно была подтверждена одна из возможных причин такого поведения), потом скрепляются в определенных местах, а затем расходятся и разрываются, при этом во вновь образованных хромосомах гены уже «перемешаны». Чем больше таких «горячих точек» на одну хромосому — тем больше разнообразие образующихся гамет. Поскольку происходит смешивание хромосом, переданных от отца и матери, уже во взрослом, половозрелом организме, то ребёнку передаются хромосомы, в которых смешана наследственность его бабушки и дедушки по соответствующей линии, а не только одна из них, как можно было бы наивно подумать.
Если для классических генетических моделей — дрозофилы, круглого червя Caenorhabditis elegans и горошка Arabidopsis — кроссинговер давно изучен, то у человека этот процесс ещё предстоит детализировать.
Исландские ученые работали с геном RNF212, находящимся в коротком сегменте четвёртой хромосомы. Это человеческий аналог гена ZHP-3, ответственного за рекомбинацию у вышеупомянутого C.elegans и ряда других животных. Как выяснилось, два встречающихся у человека варианта (аллеля) RNF212 отличаются друг от друга всего парой нуклеотидов; в духе Менделя назовём их r и R.
Далее исландцы изучили изменчивость других генов у более чем 20 тысяч добровольцев. Обработав данные по множеству генов, общее количество вариантов которых превысило 300 тысяч, учёные пришли к удивительному выводу.
Один из вариантов гена имеет совершенно противоположный эффект на рекомбинацию у разных полов.
Гомозиготные rr-самцы, то есть те, у которых в двух гомологичных хромосомах присутствуют аллели r, имели минимальную частоту рекомбинации. В то же время у rr-самок частота рекомбинации была максимальной. Механизм работы этого гена пока остается неясным.
Учёные отмечают, что в целом мутация достаточно «нейтральна»: возрастание доли одного из вариантов гена неизменно приведет к увеличению частоты рекомбинации у одного пола и уменьшению её у другого, а общая частота останется неизменной. В общей сложности RNF212 оказался ответственным примерно за 22% изменчивости в частоте рекомбинации у мужчин, и лишь 6,5% — у женщин.
Однако в целом женская генная натура куда как более ветрена, чем мужская. И именно женщины внесли наибольший вклад в эволюцию.
Это вывод из исследований другой группы, на этот раз американской, результаты которой были приняты к публикации в Science одновременно с результатами исландцев.
Американцам удалось определить места основных «горячих точек» на наших хромосомах, а точнее — координаты их «гипервариабельных» участков. Оказалось, что их местоположение у людей настолько же стабильно, как и мушек, что упрощает подобные исследования.
Причина половой асимметрии на этот раз — в количестве таких участков. В материнских хромосомах при образовании гамет происходит в среднем около 40 рекомбинаций, в то время как в мужских — почти вдвое меньше, средний показатель составил 26. Кроме того, мужчины и женщины преимущественно используют разные «горячие точки».
Как и предполагалось, число таких перемешиваний растёт с возрастом женщины — чем она старше, тем меньше вероятность, что её дети пойдут «в бабушку» или «в дедушку», поскольку их мать сильнее смешивает хромосомы своих родителей.