Как промените в Y хромозомата могат да направят видовете репродуктивно несъвместими

Когато близкородствени видове се чифтосват, потомството им понякога оцелява, но не може да се размножава. Този модел често засяга първо мъжките, като хибридните мъжки често не успяват да произведат функционални сперматозоиди, дори когато хибридните женски остават плодовити.

В ново проучване, публикувано в Molecular Biology and Evolution, Юкико Ямашита (Yukiko Yamashita), докторантка от Института Уайтхед и старшият учен Ромен Лан () са идентифицирали клетъчен дефект, който допринася за това явление при плодовите мушици. Това откритие може да помогне за обяснение как дивергентните видове стават репродуктивно несъвместими.

Хибридно мъжко безплодие при плодови мушици

Екипът установява, че при хибридните мъжки индивиди, няколко гена, необходими за производството на сперматозоиди, се провалят по време на ранен етап от генната експресия. Тъй като тези гени не могат да бъдат обработени правилно, клетките не са в състояние да произвеждат протеините, необходими за образуването на сперматозоиди.

Изследователите са проучвали хибриди, получени от два тясно свързани вида плодови мушици, които са се отклонили от общ прародител преди около 250 000 години. Въпреки че тези видове все още могат да се чифтосват в лабораторни условия, техните хибридни мъжки екземпляри не могат да произвеждат функционални сперматозоиди.

За да проучат защо, изследователите се фокусирали върху гени, разположени на Y хромозомата, които са от съществено значение за развитието на сперматозоидите.

"Тези гени на Y хромозомата са необходими за производството на сперматозоиди", отбелязва съавторът и старши учен Ромен Лан. "Те са много големи и трудни за обработка от клетката, а при хибрида това е пълен провал – хибридът не може да ги произвежда."

Как се обърква генната обработка

Както всички гени, тези Y-свързани гени работят, като първо произвеждат РНК копие на своите ДНК инструкции. Преди РНК да може да се използва за производство на протеини, клетките трябва да премахнат сегменти, които не съдържат кодираща информация, и да съединят останалите части заедно.

При хибридните мухи този процес често се проваля.

Вместо да сглобява парчетата РНК в правилния ред, клетката понякога обръща реда им. Получената молекула не може да произведе функционален протеин. Тъй като засегнатите гени са необходими за развитието на сперматозоидите, дефектът пречи на хибридните мъжки индивиди да произвеждат сперматозоиди.

Изследователите проследяват проблема до отличителна черта на тези гени: техния необичаен размер.

Голяма част от дължината им се състои от повтаряща се ДНК, вградена в гена. Тези повтарящи се последователности, наречени "сателитна ДНК", се състоят от къси ДНК последователности, повтарящи се многократно.

"Сателитната ДНК е изградена от кратки повтарящи се последователности, които могат да се простират в много дълги участъци", разказва Ямашита, който е и професор по биология в MIT и изследовател в HHMI. "Тъй като те не кодират протеини и са трудни за анализ със стандартни генетични инструменти, хората досега не са ги изучавали много."

Повтаряща се ДНК и бърза еволюция

Едно забележително свойство на сателитната ДНК е, че тя се променя бързо с течение на еволюционното време. Дори тясно свързани видове могат да носят много различни версии на тези последователности.

Изследователите подозират, че тези разлики допринасят за наблюдавания от тях дефект. Всеки вид може да развие клетъчни системи, адаптирани да обработва собствената си повтаряща се ДНК. Когато ДНК от два вида се комбинира в хибрид, тези системи може вече да не функционират правилно.

Големите гени вече представляват предизвикателства за механизма за обработка на гени в клетката, обясни Ямашита. При хибридите тези предизвикателства изглежда стават по-трудни за преодоляване.

"Дори при чист вид, тези големи гени са трудни за обработка", обяснява Ямашита. "Но този вид е еволюирал начини да се справи с това предизвикателство. Когато се комбинират два вида в хибрид, тази система може да се счупи."

Защо Y хромозомата е уязвима

Констатациите също така дават представа за широко наблюдаван модел в еволюционната биология: когато хибридите между видовете са стерилни, полът с две различни полови хромозоми често е засегнатият. При плодовите мушици и хората мъжките носят X и Y хромозома, докато женските носят две X хромозоми.

Тъй като Y хромозомата еволюира бързо и съдържа много повтарящи се последователности, тя може да е особено чувствителна към несъвместимости, които възникват при кръстосване на видовете.

Изследователите казват, че плодовите мушици предоставят полезен модел за изследване на тези въпроси, защото се размножават бързо и са лесни за изучаване в лаборатория. Двата вида, използвани в изследването, са се разделили сравнително наскоро, което позволява на учените да изследват ранните етапи на репродуктивна изолация между видовете.

По-широки последици отвъд плодовите мушици

Въпреки че работата е фокусирана върху мушици, изследователите смятат, че подобни процеси могат да се наблюдават и при други организми. Бързи промени в Y хромозомата се наблюдават при много видове, включително бозайници.

"Интересува ме да разбера защо видовете се разделят и стават несъвместими", заявява Ямашита.

Екипът сега проучва дали изчислителните подходи, разработени в това проучване, биха могли да помогнат за изследване на човешки заболявания, включващи изключително големи гени. Някои човешки гени обхващат милиони ДНК бази и може да са трудни за правилна обработка от клетките, включително гени, замесени в мускулни и неврологични заболявания.

Чрез идентифициране на специфичен провал в обработката на гени, изследването предоставя по-ясна картина за това как генетичните различия между видовете могат да нарушат репродукцията.

Справка: Adrienne Fontan et al, Defective splicing of Y-chromosome-linked gigantic genes contributes to hybrid male sterility in Drosophila, Molecular Biology and Evolution (2026). DOI: 10.1093/molbev/msag045

Източник: How changes on the Y chromosome may make species reproductively incompatible, MacKenzie White, Whitehead Institute for Biomedical Research

Още по темата

27/02/2026

Човекът

Нашите праисторически майки са си падали по неандерталци според генетичните доказателства

01/08/2024

Медицина

Повече жени от очакваното са генетично мъже

24/08/2023

Човекът

Мъжката Y хромозома най-сетне е напълно секвенирана, 20 години след първата чернова

01/12/2022

Животът

Бъдещето без Y хромозомата е възможно, казват учени