در مطالعه جدیدی که در 18 نوامبر در مجله Genome Research منتشر شد، دانشمندان در آزمایشگاه دیوید پیج عضو موسسه Whitehead اولین توالی کامل و با وضوح بالا از کروموزوم Y یک گاو نر هرفورد را ارائه کردند. این تحقیق که بیش از یک دهه در حال انجام است، نشان می‌دهد که کروموزوم‌های Y گاو نر ده‌ها نسخه از ژن‌های مشابه را در تلاشی خودخواهانه برای ایجاد مردان بیشتر تکامل داده‌اند - حرکتی که در کروموزوم X تعیین‌کننده ماده با آن مقابله می‌شود.
پیج که همچنین استاد زیست شناسی در مؤسسه فناوری ماساچوست و محقق مؤسسه پزشکی هاوارد هیوز است، می گوید: «وقتی یک کروموزوم X و Y دارید، این یک تنظیم برای درگیری است."دیدن این رقابت تمام عیار بین گاو X و Y به این معنی است که ما باید عمیق تر در مورد این تضاد به عنوان یک ویژگی ثابت و کلی کروموزوم های جنسی در پستانداران فکر کنیم."
پیج اضافه کرد: این بینش در مورد نیروهای حاکم بر رفتار و تکامل کروموزوم های جنسی به دانشمندان در آزمایشگاه پیج کمک می کند تا تفاوت های ژنتیکی بین زن و مرد و نحوه عملکرد آنها در سلامت و بیماری در هر قسمت از بدن را بررسی کنند.
موش، مردان و گاو
کروموزوم های جنسی - X و Y - از یک جفت منظم کروموزوم متقارن حدود 200 میلیون سال پیش تکامل یافته اند. آنهایی که از نظر بیولوژیکی زن متولد می شوند دارای دو کروموزوم X هستند. آنهایی که از نظر بیولوژیکی مرد به دنیا می آیند یک X و یک Y دارند.
آزمایشگاه پیج با موفقیت کروموزوم Y انسان را در سال 2003 توالی یابی کرد و پس از آن محققان می خواستند بتوانند این توالی را با همتایان آن در حیوانات دیگر مقایسه کنند تا به درک چگونگی تکامل و واگرایی آنها در طول زمان کمک کنند.
برای انجام این مقایسه‌ها، محققان در آزمایشگاه پیج فهرستی از چندین پستاندار - از جمله شامپانزه‌ها، اپوسوم‌ها و موش‌ها - که شاخه‌های مختلف درخت خانوادگی پستانداران را اشغال می‌کردند، تهیه کردند. دانشمندان یکی پس از دیگری با استفاده از روش توالی یابی با وضوح بالا به نام SHIMS - مخفف Single-Haplotype Iterative Mapping and Sequencing - شروع به توالی یابی Y های این موجودات کردند تا سطحی از جزئیات را به دست آورند که سایر تکنیک ها مانند توالی یابی با تفنگ ساچمه ای نمی توانند آن را انجام دهند..
این فناوری توالی یابی قدرتمند به محققان اجازه داد تا ویژگی عجیبی از کروموزوم های Y را مشاهده کنند: در برخی گونه ها، تقریباً تمام مواد ژنتیکی روی Y از توالی هایی از DNA تشکیل شده است که ده ها یا صدها بار تقویت شده اند. پیج گفت: "مانند یک سالن آینه".
برای مثال در موش ها، تکرار تنها چند ژن خاص بیضه تقریباً ۹۸ درصد از کروموزوم Y را تشکیل می دهد. با این حال، در انسان، تکرار تنها حدود 45 درصد را تشکیل می دهد.پیج گفت: «ما می‌خواستیم بدانیم که آیا این فقط یک ویژگی خاص جوندگان است یا ممکن است سایر کروموزوم‌های Y نزدیک شوند.»
این جایی بود که گاو نر وارد شد. جنیفر هیوز، محقق آزمایشگاه پیج و اولین نویسنده مقاله، گفت: "در خارج از پستانداران و جوندگان، شاخه بعدی درخت پستانداران شامل گاو نر است." ما نمی‌دانستیم که کروموزوم Y گاو نر شبیه Y موش است یا Y انسان یا کاملاً چیز دیگری.»
اجرای گاو (داده های توالی)
بیش از یک دهه طول کشید تا آزمایشگاه پیج و همکارانش در مرکز توالی ژنوم انسانی کالج پزشکی بیلور، مؤسسه ژنوم مک دانل در دانشگاه واشنگتن، دانشگاه A&M تگزاس و سایر موسسات، پیچیدگی های گاو Y را از هم جدا کنند. کروموزوم در واقع، مشخص شد که این کروموزوم از همه کروموزوم‌های Y که تا به حال نقشه‌برداری شده است از نظر ژنی چگال‌تر بوده است - تا حد زیادی به این دلیل که ۹۶ درصد از ماده ژنتیکی آن از توالی‌های تکراری تشکیل شده است.
همانطور که در موش، بیشتر تکرارهای "تالار آینه" گاو نر در بیضه بیان می شود. اما این سوال باقی ماند: چرا؟ "چه چیزی باعث می شود که صرفاً تولید اسپرم بیشتر نباشد، زیرا این کار بیش از حد است، درست است؟" هیوز گفت. "شما واقعاً برای انجام این کار به صدها نسخه از یک ژن نیاز ندارید."
محققان با نگاهی دقیق تر به کروموزوم X گاو به سرنخی دست یافتند: کروموزوم جنسی تعیین کننده زن نیز دارای چند نسخه از این ژن های مخصوص بیضه بود. ما واقعاً مکانیسم موجود در گاو نر را نمی‌دانیم، اما تصور این است که تقویت این ژن‌ها در Y به نوعی با کمک به انتقال Y مرتبط است - و نسخه‌های X برای رقابت در برابر این تمایل تقویت می‌شوند. هیوز گفت، به X کمک کنید.
یک تعقیب خودخواهانه
ثابت شده است که این مسابقه تسلیحاتی X-Y در موش‌ها اتفاق می‌افتد: به نوعی، ژن‌های تکراری روی کروموزوم Y در هنگام تشکیل گامت به آن برتری بیشتری می‌دهند.در یک مطالعه در سال 2012، محققان تکرارهای کروموزوم Y را حذف کردند. بدون ژن‌های اضافی، کروموزوم‌های X بیشتر از Ys به سلول‌های اسپرم می‌رسند و نسبت جنسی فرزندان ماده را کج می‌کند. در طول سال‌ها تکامل، X تکرارهایی را نیز توسعه داده است - روشی خاص برای بالا بردن پا در مسابقه.
هیوز گفت:رقابت بین کروموزوم های X و Y خودخواهانه است، زیرا برای گونه ها داشتن نسبت جنسی ناهنجار چیز خوبی نیست. بنابراین، این تغییرات تنها به نفع کروموزوم خوش شانسی است که به تخمک بارور شده ختم می شود. این واقعیت که یک مکانیسم خودخواهانه - و حتی مضر - برای میلیون‌ها سال در شاخه‌های متفاوت درخت تکاملی ادامه خواهد داشت، نشان می‌دهد که این درگیری‌ها ممکن است یک عارضه جانبی اجتناب‌ناپذیر داشتن یک جفت کروموزوم جنسی نامتقارن باشد. پیج گفت: "این مسابقات تسلیحاتی X-Y احتمالا از زمانی که پستانداران وجود داشته اند، وجود داشته اند."
تئوری تکاملی به کنار، دانستن مکانیسم‌های کنترل نسبت جنسی گاوها می‌تواند در سال‌های آینده کاربرد عملی داشته باشد.هیوز گفت: "این می تواند برای پرورش دهندگان بسیار جالب باشد، زیرا آنها دوست دارند بتوانند جنسیت فرزندان گاو را دستکاری کنند." به عنوان مثال، کشاورزان لبنیات زنان بیشتری را ترجیح می دهند و کشاورزان گوشتی مردان بیشتری را ترجیح می دهند.»
در حال حاضر، آزمایشگاه در حال کار بر روی شاخه های درخت تکاملی کروموزوم Y است. گاو نر هفتمین کروموزوم جنسی است که با استفاده از روش SHIMS به طور کامل توالی یابی می شود. هیوز، پیج و آزمایشگاه نیز به اعضای دیگر گروه‌های جانوری، از جمله خزندگان نگاه می‌کنند.
پیج گفت: «آزمایشگاه ما بر تفاوت‌های جنسی در بدن انسان متمرکز است، و همه این کارها واقعاً از درس‌هایی الهام گرفته شده است که ما از مقایسه کروموزوم‌های Y حیوانات مختلف با کروموزوم‌های خود آموخته‌ایم. "مثل زمانی است که به یک گالری هنری می روید و فقط روی یک نیمکت می نشینید و نگاه می کنید و الهام می گیرید - این سکانس ها منبع بی نهایت الهام در کاری است که ما انجام می دهیم. و اکنون می توانیم گاو نر را به گالری خود اضافه کنیم."
