Открытие «певчей» хромосомы⁠⁠

Фото Е. Шнайдер

Почему певчие птицы так разнообразны, а их песни – прекрасны и удивительны? Может быть, этими эволюционными достижениями они обязаны одной необычной особенности своего генома? История открытия, рассказанная в новом выпуске журнала «НАУКА из первых рук», началась с курьеза. Два десятилетия назад у бразильской зебровой амадины, птицы из отряда воробьинообразных, в половых клетках была обнаружена «лишняя» хромосома. Сегодня, благодаря работам российских генетиков, это исключение превратилось в правило – для певчих птиц

Хромосомы представляют собой структуры из ДНК и белков, служащие для хранения, реализации и передачи наследственной информации. В обычных (соматических) клетках организма они обязательно встречаются парами – одну из них мы получаем от матери, другую от отца. А мужские и женские гаметы несут, соответственно, половинное число все тех же хромосом.

Однако у небольшой певчей птицы – аргентинской зебровой амадины, в 1998 г. в половых клетках была найдена лишняя крупная макрохромосома, которая отсутствовала в соматических клетках. Эту хромосому так и назвали: хромосома половых клеток (ХПК). Она присутствовала в клеточных предшественниках яйцеклеток и сперматозоидов, но в при последующем клеточном делении самцы ее теряли. В 2014 г. эта «исключительная» хромосома была найдена у японской амадины, близкой родственницы зебровой, что не помешало ей остаться в длинном списке биологических исключений.

В 2015 г. новосибирские генетики случайно обнаружили ХПК еще у одной певчей птицы – ласточки-береговушки. А затем, уже в результате целенаправленного поиска – у бледной береговушки, деревенской ласточки, мухоловки, щегла… ХПК была обнаружена у 16 видов птиц из 9 семейств подотряда певчих птиц, включая амадин. При этом исследователи не нашли ХПК ни у одного из 10 других видов, принадлежащим 5 другим отрядам. Следовательно, ХПК уже была у общего предка певчих птиц около 35 млн лет назад, либо около 50 млн лет назад у общего предка всех воробьиноообразных. Но что с ней происходило в течение этого времени?

Используя молекулярные ДНК-зонды к ХПК и «расшифровав» последовательности ХПК, выброшенные из мужских половых клеток, генетики смогли сравнить их генетическое содержания у разных видов и реконструировать примерный сценарий возникновения и эволюции этой исключительной хромосомы. Предположительно, она впервые появилась у предка певчих птиц в результате «удвоения» дупликации одной из микрохромосом. При этом в ней случайно оказались гены, полезные для развития и функции половых клеток, и эта мутация была подхвачена естественным отбором. Затем в ХПК переносились копии различных генов и повторов ДНК c других хромосом и самой ХПК. Процесс этот в разных «родословных» линиях птиц происходил по-разному: в некоторых хромосома увеличивалась в размерах, а в некоторых, напротив, укорачивалась.

Сегодня остается открытым вопрос: как повлияла ХПК на видообразование у певчих птиц? Как известно, драйверами эволюции у животных являются мобильные генетические элементы, которые и новые гены формируют, и регуляцию старых меняют, и хромосомы перестраивают. В этом смысле по сравнению с млекопитающими геном птиц достаточно консервативен: чтобы научиться летать, им пришлось пожертвовать большей частью мобильных генетических элементов. Может быть, большое разнообразие ХПК у разных видов певчих птиц говорит о том, что именно она стала «точкой приложения» генетической изменчивости, не затрагивая основной геном. Но даже если ХПК и стала основой стремительного видообразования среди певчих воробьинообразных птиц и каким-то образом оказалась причастна к эволюции их певческой способности, то как она это сделала, пока неизвестно.

Примечательно, что к заключению о том, что ХПК широко распространена среди певчих птиц, практически одновременно пришли три независимые исследовательские группы, работавшие на разном материале. Но российские генетики оказались первыми: в июне 2019 г., ровно через 4 года после «первой ласточки» их статья была напечатана в одном из ведущих международных журналов Proceedings of the National Academy of Sciences, а ее анонс вместе с фотографией красногрудой певчей птицы – снегиря, украсил его обложку.

Фото снегирей Е. Шнайдер. Опубликовано на обложке журнала Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). Публикуется с согласия издателя