Птицы нашли изящный выход из древней генетической головоломки, связанной с полом. У самцов есть особый механизм, который позволяет им выжить, несмотря на двойную дозу некоторых генов. Разгадкой стал крошечный участок генома — микроРНК, который действует как точный регулятор.

Все начинается с половых хромосом, которые определяют, кто родится — самец или самка. У млекопитающих, включая нас с вами, у самок две X-хромосомы, а у самцов — X и Y. У птиц же все наоборот: самцы носят два экземпляра Z-хромосомы, а самки — одну Z и одну W. За миллионы лет эволюции Y-хромосома у млекопитающих и W-хромосома у птиц растеряли большинство своих генов. Это создает дисбаланс: один пол имеет две рабочие копии многих генов, а другой — только одну.

Млекопитающие решили эту проблему так: они усилили активность единственной X-хромосомы у самцов, а у самок «выключают» одну из двух X-хромосом. У птиц же все иначе. Исследователи из Гейдельбергского и Эдинбургского университетов на примере кур выяснили, как работает их система. У самок птиц потеря генов на W-хромосоме компенсируется тем, что ключевые гены на их единственной Z-хромосоме работают интенсивнее. Это спасает самок, но создает проблему для самцов: у них две Z-хромосомы, и если их активность не обуздать, это приведет к переизбытку генетической информации и порокам развития.

Ученые под руководством профессора Хенрика Кессмана и доктора Майка МакГрю обнаружили, что у самцов есть специальная микроРНК, которая и спасает положение.

Подробности опубликованы в издании Nature.

Эта микроРНК в основном активна у самцов, что навело нас на мысль, что она помогает сбалансировать активность Z-хромосомы, — говорит профессор Кессман.

Они проверили гипотезу, удалив этот ген у куриных эмбрионов. Результат был поразительным: самцы без этой микроРНК погибали, в то время как развитие самок шло совершенно нормально. Этот крошечный ген есть у всех изученных видов птиц, но отсутствует у других животных.

Это единственная известная микроРНК, которая необходима для выживания одного пола, но не другого, — отмечает доктор Амир Фаллашахруди.

Доктор МакГрю сравнивает действие этой микроРНК с диммером — она не выключает гены, а мягко «приглушает» их активность на двух Z-хромосомах самцов. Это открытие показывает, что эволюция может находить совершенно разные пути решения одной и той же биологической задачи.

Теперь нам предстоит выяснить, используют ли другие виды животных микроРНК для регуляции половых хромосом или полагаются на иные системы, — добавляет профессор Кессман.

Польза этого фундаментального исследования не лежит на поверхности, но она потенциально огромна. Понимание тонких механизмов регуляции генов, особенно тех, что критически важны для развития организма, — это ключ к решению множества прикладных задач.

• Сельское хозяйство и птицеводство: Прямое применение — возможность селекционного контроля пола у сельскохозяйственных птиц. В промышленном птицеводстве часто нужны особи только одного пола (например, несушки-куры или бройлерные петушки). Если мы научимся управлять этим механизмом, это может революционизировать отрасль, сделав ее более эффективной и этичной (избавив от необходимости уничтожать суточных птенцов ненужного пола).
• Медицина и генетика: Многие генетические заболевания у человека связаны с дисбалансом в работе хромосом (например, синдром Дауна — трисомия по 21-й хромосоме). Изучение того, как природа научилась «настраивать» уровень экспрессии целых хромосом с помощью таких малых молекул, как микроРНК, открывает новые пути для разработки будущих therapies. Мы можем создать технологии, которые будут не редактировать мутировавший ген (как CRISPR), а точечно регулировать активность его копий, что может быть безопаснее.
• Эволюционная биология: Это исследование — еще один пазл в понимании великого разнообразия жизни. Оно показывает, что не существует одного «правильного» пути эволюции. Понимание альтернативных генетических решений расширяет наши представления о возможном.

Основное замечание лежит в плоскости переносимости результатов с модельного объекта (курицы) на других птиц и тем более на иные классы животных. Исследование убедительно показывает, что данный механизм работает у кур и что этот ген есть у всех изученных птиц. Однако чтобы утверждать, что это универсальный механизм для всего класса Aves, выборку необходимо значительно расширить, включив в нее птиц с разными типами половых хромосом и эволюционной историей (например, страусов, попугаев, хищных птиц). Кроме того, работа focuses на самой ранней, эмбриональной стадии развития. Критически важно понять, продолжает ли эта микроРНК играть столь же живительную роль в поддержании баланса на протяжении всей жизни взрослой особи или ее функция ограничена только критическим периодом эмбриогенеза. Без ответа на эти вопросы говорить о полном понимании механизма преждевременно.

Ранее российские ученые открыли секрет появления цыпленка.