Загадка второй хромосомы человека
Сложно о сложном
Часть первая. Только факты
Сравнительная цитогенетика показала, что люди имеют 46 хромосом, тогда как у других человекообразных приматов — шимпанзе, горилл и орангутанов — их 48. Такое различие привело к гипотезе, что в предковой человеческой линии две хромосомы слились в одну. Современные геномные исследования подтверждают эту гипотезу: вторая хромосома человека (HSA2) представляет собой результат теломерно‑теломерного слияния двух предковых хромосом, аналогичных 2A и 2B у шимпанзе (IJdo et al., Nature, 1991).
Слияние хромосом — редкое явление. В случае человека оно стало ключевым событием, приведшим к отделению линии Homo от других гоминид и оказавшим влияние на структурную и функциональную организацию генома. Настоящее исследование систематизирует биохимические, эволюционные и сравнительно‑геномные данные о происхождении HSA2, а также рассматривает сходные явления у других животных, поднимая вопросы о вероятных механизмах их фиксации и синхронности подобных событий в эволюции.
1. Цитогенетические доказательства слияния
В 1980‑х годах кареотипирование человека и человекообразных приматов выявило структурное различие: у человека 23 пары хромосом, у других приматов — 24. В 1991 году IJdo и соавторы (Nature, 1991) доказали, что человеческая хромосома 2 возникла в результате теломерно‑теломерного слияния двух предковых аутосом.
1.1. Теломерные следы
В средней области хромосомы 2 обнаружены:
инвертированные и деградированные теломерные повторы (TTAGGG)n, характерные для концов хромосом;
фланкирующие участки, соответствующие концевым последовательностям у шимпанзе 2A и 2B.
Эти данные указывают на вставку «голова к голове», при которой обе теломерные области оказались обращены навстречу друг другу и частично деградировали со временем.
1.2. Остаточный центромер
На длинном плече хромосомы 2 обнаружен второй, нефункциональный центромер, соответствующий центромере предковой хромосомы 2A. Активным остаётся только один центромер — от 2B, что предотвращает хромосомную нестабильность (Ventura et al., Genome Research, 2012).
2. Биохимия процесса теломерного слияния
Теломерное слияние — необычная форма двуцепочечного соединения ДНК, возникающая при нарушении стабильности теломер.
Такие процессы наблюдаются в клетках раковых опухолей (Cell Genomics, 2024), где формируются неотеломеры (neotelomeres) — вновь синтезированные теломерные структуры после разрыва ДНК. Это демонстрирует, что аналогичные механизмы возможны и на эволюционном уровне.
3. Временные оценки происхождения HSA2
3.1. Классическая оценка
Ранние молекулярно‑генетические данные указывали, что слияние произошло вскоре после разделения линий человека и шимпанзе — примерно 4,5–5 млн лет назад (Yunis & Prakash, Science, 1982).
3.2. Современные модели
Алгоритмический пересчёт мутационной дивергенции теломерных повторов (BMC Genomics, 2022) уточнил диапазон: от 0,9 до 1,5 млн лет, что может указывать на позднюю фиксацию мутации — уже после появления рода Homo erectus.
Разброс отражает сложность датировки: древние мутации могли циркулировать в популяции задолго до полной фиксации.
4. Сравнительные данные у других видов
4.1. Лошади и зебры (род Equus)
Род Equus демонстрирует диапазон кареотипов от 2n=32 до 2n=66. Большинство различий связано с робертсоновскими (центромер‑центромерными) слияниями и реформированием центромеров. Это привело к образованию изолированных видов — лошади, осла, зебры — за последние 2–3 млн лет.
4.2. Крупный рогатый скот и мускусный бык (сем. Bovidae)
В Bovidae наблюдаются массовые центромерные и тандемные транслокации, изменяющие число хромосом от 2n=30 до 2n=60. Такие перестройки сопровождались специацией и часто становились причиной снижения фертильности у гибридов.
4.3. Домовые мыши (Mus musculus domesticus)
В естественных популяциях домовых мышей фиксированы десятки линий с различными робертсоновскими транслокациями. Гибриды между формами с разным числом хромосом демонстрируют пониженную плодовитость из‑за мейотических ошибок — аналогичный механизм репродуктивного барьера, который мог закрепить и человеческое слияние.
4.4. Дрожжи (Saccharomyces cerevisiae)
После древнего удвоения генома (~100 млн лет назад) у дрожжей происходили многократные теломерно‑теломерные слияния — по крайней мере восемь раз, что снизило число хромосом с 16 до 8. Это служит моделью «нисходящей дислоидии» — постепенного уменьшения числа хромосом при сохранении геномной целостности.
4.5. Растения
У цветковых растений описаны многочисленные случаи дислоидии — слияния и утраты хромосом с формированием новых центромеров. Механизмы включают эпигенетическое «замолкание» старого центромера и образование нового на соседнем участке.
5. Генетические следствия для человека
5.1. Структурная перестройка и регуляция генов
Хромосома 2 включает несколько крупных человеческих специфических дупликаций:
SRGAP2C — дуплицированная версия гена SRGAP2, возникшая около 3,4 млн лет назад (Cell, 2012). Она замедляет созревание нейронов, продлевая период нейропластичности — важный фактор когнитивного развития.
ARHGAP11B — дупликация с точечной мутацией (C→G), возникшая ~5 млн лет назад (Science Advances, 2016). Продукт усиливает пролиферацию базальных нейронных предшественников, что приводит к расширению неокортекса.
Обе дупликации расположены в пределах или рядом с областями, изменёнными вследствие хромосомного слияния. Это позволяет предположить регуляторную связь между структурной перестройкой и активацией нейрональных инноваций.
6. Вопросы эволюционной фиксации
Почему столь крупная мутация не была элиминирована естественным отбором?
Репродуктивный барьер
Индивиды с 46 хромосомами могли скрещиваться с носителями 48‑хромосомного набора, но часть потомков получала непарные хромосомы и была бесплодна. Это создавало частичную репродуктивную изоляцию, ускоряя формирование отдельной популяции — вероятного предка Australopithecus и ранних Homo.
7. Уникальность и синхронность подобных событий
Феномен хромосомных слияний встречается в разных линиях млекопитающих, растений и грибов, и во многих случаях — в течение последних 2–5 млн лет. Это заставляет задать вопрос: почему столь редкие события происходили почти синхронно у разных видов в плиоцене–плейстоцене?
Возможные объяснения (предложения в литературе):
изменение радиационного фона и мутагенных факторов в конце миоцена;
активизация транспозонов и перестроек ДНК;
глобальные климатические колебания, ведущие к демографическим «бутылочным горлышкам», ускоряющим фиксацию мутаций.
8. Эволюционное значение
Теломерное слияние, породившее хромосому 2, стало уникальным примером макромутации, повлиявшей на родовую эволюцию. Оно, вероятно, обеспечило:
стабилизацию генома Homo, уменьшив общее число хромосом;
новые регуляторные связи между ранее раздельными генными блоками;
платформу для возникновения человеческих специфических генов (SRGAP2C, ARHGAP11B);
изоляцию популяции и зарождение нового вида.
Сводная таблица: крупные теломерные и центромерные слияния
Homo (человек)
Теломерно‑теломерное (концевое); один центромер инакт.
0.9–5 млн лет назад
Образование HSA2; уменьшение числа хромосом с 48 до 46; возможное влияние на гены SRGAP2 и ARHGAP11B
IJdo et al., 1991; BMC Genomics, 2022
Equus (лошади, зебры)
Робертсоновские и центромерные слияния
1–3 млн лет
Разнообразие 2n от 32 до 66; специaция
BMC Evol. Biol., 2020
Bovidae (коровы, овцы)
Тандемные и центромерные транслокации
2–5 млн лет
Изменение 2n от 30 до 60; частичная репродуктивная изоляция
Genes, 2019
Mus (домовые мыши)
Робертсоновские транслокации
<1 млн лет
Снижение фертильности гибридов; изоляция
Heredity, 2005
Yeast (дрожжи)
Теломер‑теломерные слияния после WGD
~100 млн лет
Уменьшение числа хромосом с 16 до 8
PLOS Genet., 2011
Plants (цветковые)
Нисходящая дислоидия, центромерная инактивация
—
Эпигенетическая перестройка кариотипа
PNAS, 2020
Раковые клетки человека
Неотеломеры, химерные фьюжены
Современные
Геномная нестабильность; аналогия с древними процессами
Cell Genomics, 2024
9. Заключение
Хромосома 2 человека — фундаментальное свидетельство макроэволюционного шага, зафиксированного на молекулярном уровне. Она соединяет в себе теломерные и центромерные следы древней перестройки, а её появление совпадает с ключевыми этапами в развитии человеческой когнитивности.
Подобные события — редчайшие, но повторяющиеся в истории Жизни — указывают, что эволюция способна использовать крупные структурные изменения генома как механизм адаптации и видообразования. Возникает вопрос: случайно ли, что многие линии млекопитающих, включая человека, прошли через аналогичные перестройки почти одновременно? Или это отражение скрытого ритма биосферной и геномной эволюции, где изменение структуры ДНК становится откликом на глобальные геофизические и экологические циклы?
Часть вторая. "Простыми" словами
Сравнение человеческого генома с геномами наших ближайших родственников показало, что у шимпанзе, горилл и орангутанов на одну пару хромосом больше. Открытие, что вторая хромосома человека возникла из двух древних хромосом предков, изменило взгляд на эволюцию Homo. В этом событии сошлись теломерные повторы, оставив внутри хромосомы мозаичный «шов» с деградированными последовательностями (Ventura et al., 2012). На первый взгляд уменьшение количества хромосом — лишь числовое изменение, но на деле оно оказалось одним из самых глубоких структурных сдвигов в истории нашего вида.
Слияние, преобразившее геном
Фузия двух хромосом сформировала новую архитектуру хроматина. Рядом с теломерными повторами располагаются блоки субтеломерных элементов и остатки древнего центромера, которые уже не функционируют, но по‑прежнему служат маркерами древней перестройки. Эти участки демонстрируют значительную деградацию: только около половины повторов остались идеальными, остальные накопили мутации. Соединение концов «голова к голове» привело к тому, что многие сегменты ДНК, ранее находившиеся на расстоянии миллионов пар оснований, оказались рядом. Такое сближение могло привести к появлению новых регуляторных связей между генами и их контролирующими элементами, влияя на экспрессию генов, участвующих в развитии, иммунных реакциях и работе мозга.
Временные рамки и совпадения
Первоначальные оценки относили событие слияния к времени расхождения человека и шимпанзе (~4–6 млн лет назад). Однако анализ замен в участке слияния показал более позднюю дату: около 0.9 млн лет назад (Poszewiecka et al., 2022). Это значит, что мутация могла закрепиться уже в популяциях после появления ранних представителей рода Homo. Тот факт, что неандертальцы, денисовцы и современные люди несут одинаковую структуру второй хромосомы, указывает на фиксацию до разделения этих линий.
Репродуктивная изоляция и видообразование
Слияние создало потенциальный барьер между носителями новой конфигурации и особями с ancestral набором. Гибриды с различным числом хромосом часто формируют несбалансированные гаметы и имеют низкую плодовитость; естественный отбор и дрейф при этом способствуют накоплению хромосомных перестроек в отдельных популяциях. Для предка человека это означало, что группа с 46 хромосомами постепенно становилась генетически изолированной. Как только образовались гомозиготы по слитой хромосоме, их потомство стало полностью жизнеспособным, и новая кариотипная форма распространилась.
Когнитивные последствия и рост мозга
Интригующая сторона слияния — его возможная связь с эволюцией мозга. Само слияние не создало новых генов, но могло изменить хромосомный ландшафт, что сделало возможным всплеск дупликаций генов, связанных с нейрогенезом. Примеры:
SRGAP2C — человеческий специфический паралог, который замедляет созревание нейронов и увеличивает количество дендритных шипиков, продлевая период пластичности коры.
ARHGAP11B — частичная дупликация ARHGAP11A с точечной заменой, усиливающая пролиферацию базальных нейрональных предшественников и способствующая расширению неокортекса.
Оба примера возникли на фоне структурных перестроек и присутствовали у неандертальцев и денисовцев.
Регуляторные сети и экспрессия генов
Хромосомное слияние изменяет пространственную организацию генома: новые соседства могут приносить промоторы и энхансеры в ранее недосягаемые области, изменяя скорость и время включения генов. На участке слияния обнаружены теломерные следы и массивные сегментарные дупликации, представляющие резервуар регуляторных элементов. При слиянии они оказались в другом контексте, что могло привести к перестройкам экспрессии.
Барьер для скрещивания и стабилизация кариотипа
После образования хромосомы 2 популяция, несущая её, столкнулась с вопросом — сохранится ли мутация? В отличие от многих других животных, где слияния остаются внутривидовой вариацией, у человека новая форма быстро закрепилась. Это может объясняться как селекцией, так и случайными процессами: гетерозиготы испытывали пониженное число жизнеспособных гаметоцитов, что уменьшало поток генов между группами. В таких условиях нейтральная мутация могла закрепиться дрейфом, особенно если группа существовала в изоляции во время климатических кризисов.
Вопросы о синхронности событий
Многие крупные хромосомные перестройки у млекопитающих произошли примерно в одно время (2–5 млн лет назад). Это может указывать на общие драйверы: климатические изменения, сокращение популяций, стрессоры, влияющие на ДНК. Прямых доказательств единой внешней причины нет, но синхронность показывает, что важные структурные перестройки генома могут происходить быстрее и чаще, чем предполагалось.
Долгосрочные последствия для рода Homo
Закрепление HSA2 стало основой новой эволюционной программы: на его фоне возникали новые гены, изменялись карты кроссинговера, возможно удлинялся период детства и обучения. Это совпадение с ростом мозга и освоением сложных орудий позволяет предположить, что изменения в геномной архитектуре были одной из предпосылок когнитивной революции.
Уникальность события и уроки для генетики
Слияние второй хромосомы выделяется среди известных перестроек: нигде в мире не существует людей с 48‑хромосомным набором, тогда как в природе встречаются популяции мышей и коров с различным числом хромосом. HSA2 — не просто случайная мутация, а ключевой фактор, отделивший нашу ветвь; она стала фундаментом для последующих генетических инноваций.
Список источников (из текста)
IJdo, J.W.; Baldini, A.; Ward, D.C.; Reeders, S.T.; Wells, R.A. (1991). Origin of human chromosome 2: An ancestral telomere–telomere fusion. Nature, 353, 537–540. Доступ: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC52649/
Ventura, M. et al. (2012). Genomic structure and evolution of human chromosome 2. Genome Research, 22(2): 231–240. PDF: https://eichlerlab.gs.washington.edu/eichler/pdfs/Ventura_GenRes_2012.pdf
Poszewiecka, B. et al. (2022). Revised time estimation of the ancestral human chromosome 2 fusion. BMC Genomics, 23(S6): 616. https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-022-08828-7
Mayrose, I.; Lysak, M.A. (2020). The evolution of chromosome numbers: mechanistic models and experimental approaches. Genome Biology and Evolution, 13(2): ev aa220. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7875004/
Tan, K.-T.; Slevin, M.K.; Leibowitz, M.L.; et al. (2024 preprint). Neotelomeres and telomere‑spanning fusions in cancer genomes revealed by long‑read sequencing. Cell Genomics (preprint). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10705422/
Gordon, J.L.; Byrne, K.P.; Wolfe, K.H. (2011). Mechanisms of chromosome number evolution in yeast. PLOS Genetics, 7(7): e1002190. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3141009/
Cappelletti, E.; Piras, F.M.; Biundo, M.; et al. (2025). CENP‑A and centromere evolution in equids. Chromosome Research, 33(1): 13. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12208984/
Proskuryakova, A.A.; Kulemzina, A.I.; Perelman, P.L.; et al. (2019). Comparative chromosome mapping of musk ox and the X chromosome among some Bovidae species. Genes, 10(11): 857. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6896007/
Capilla, L.; Medarde, N.; Alemany‑Schmidt, A.; et al. (2014). Genetic recombination variation in wild Robertsonian mice... Proceedings of the Royal Society B. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4046406/
Charrier, C.; et al. (2012). Inhibition of SRGAP2 function by its human‑specific paralog SRGAP2C increases neuronal spine density. Cell, 149(4): 923–935. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3357949/
Florio, M.; Namba, T.; Pääbo, S.; Hiller, M.; Huttner, W.B. (2016). A single splice‑site mutation in human‑specific ARHGAP11B causes basal progenitor amplification. Science Advances, 2(12): e1601941. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5142801/
Другие ссылки и материалы перечислены в основном тексте (см. полный список источников в оригинале).
Иван Фёдоров
Last updated