Генетика пола и сцепленных с полом признаков

Генетика пола и сцепленных с полом признаков

Хромосомная гипотеза наследственности n Сразу же после переоткрытия законов Менделя ученые обратили внимание на факт удивительного сходства в поведении менделеевских наследственных факторов с закономерностями распределения хромосом в процессе деления клетки. Уже в 1902 году Уильям Сеттон и Теодор Бовери, опираясь на этот факт, обосновали хромосомную гипотезу наследственности

Хромосомная теория наследственности n Основные экспериментальные доказательства того, что гены находятся в хромосомах, были получены в исследованиях Т. Г. Моргана и его учеников, выполненных на плодовой мушке дрозофиле. Таким образом хромосомная гипотеза была трансформирована в хромосомную теорию наследственности. n Т. Морган смог впервые объяснить результаты некоторых несоответствий в расщеплении признаков в отдельных вариантах скрещиваний дрозофил. Эти несоответствия стандартному менделеевскому расщеплению оказались характерны для т. н. признаков сцепленных с полом, т. е. для признаков, определяемых генами, локализованными в половых хромосомах.

n В биологии понятие «Пол» принято определять как совокупность признаков и свойств организма, обеспечивающих функцию воспроизводства потомства и передачу наследственной информации за счет образования гамет

В онтогенезе пол особи может определяться: а) до оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом (прогамное) определение пола; б) в момент оплодотворения (сингамное) определение пола; в) после оплодотворения (эпигамное) определение пола.

примеры n До оплодотворения (прогамно) пол определяется у некоторых организмов в результате разделения яйцеклеток на быстро и медленно растущие. Первые (более крупные) после слияния с мужской гаметой дают самок, а вторые (мелкие) — самцов. У коловраток, способных размножаться помимо обычного полового размножения с оплодотворением, партеногенетически, часть партеногенетических яйцеклеток во время развития лишается половины хромосом. Из таких яиц развиваются самцы, а остальная часть дает начало самкам. n (эпигамно) У морского кольчатого червя бонеллия определение пола происходит в процессе онтогенеза: если личинка садится на дно, из нее развивается самка, а если прикрепляется к хоботку взрослой самки, то самец.

n Известно, что диплоидный набор хромосом возникает в зиготе в результате слияния двух гаплоидных гамет в процессе оплодотворения. Гаплоидные наборы хромосом гамет оказываются настолько соответствующими другу, что каждая из хромосом зиготы оказывается в составе пары (гомологичные хромосомы).

n Из этого следует принцип аллельного (парного) состояния гена у диплоидных организмов, который не соблюдается лишь для некоторых генов, локализованных в половых хромосомах при наличии т. н. гетерогаметного пола.

Гетерогаметность пола достигается цитологической и генетической неравноценностью пары половых хромосом

Половая дискриминация? Нет – компенсация дозы активных генов! n Чтобы сбалансировать действие генов Х хромосомы у мужчин (где Х-хромосома одна) и у женщин (где Х-хромосомы две) природа предусмотрела инактивацию одной из Ххромосом в каждой клетке женского организма. У женщин одна Х-хромосома инактивирована, то есть гены в ней не работают, а работают только в другой хромосоме – не инактивированной. Инактивиация вызвана компактизацией хромосомы даже в интерфазе. Поэтому компактизированная хромосома видна при окрашивании – в виде так называемого тельца Барра

Типы хромосомного определения пола Набор половых хромосом Самцы Самки ХY ХХ ZZ ZW Х 0 ХХ ZZ Z 0 Типичные представители Млекопитающие, многие насекомые (Ligaeus, drosophila) и часть растений. Птицы, бабочки, некоторые виды рыб, земноводных, покрытосемянные растения. Некоторые насекомые: водяной клоп (Protenor), кузнечики, наездники. Отдельные виды пресмыкающихся, насекомых (Fumea)

Гапло-диплоидия n Помимо этого у некоторых видов насекомых (пчелы, осы, муравьи) существует особый т. н. гаплодиплоидный тип определения пола, при котором половые хромосомы отсутствуют вообще. У этих видов при сперматогенезе число хромосом не редуцируется, т. о. самки оказываются диплоидны, а самцы – гаплоидны. Матка, рабочая пчела и трутень

Функции половых хромосом n Помимо основной своей задачи определения пола Х и У хромосомы выполняют и другие функции. Природа экономна: кроме генов влияющих на пол, в них расположены и обычные гены. Признаки, развитие которых определяют эти гены называются сцепленными с полом.

«Гены находятся в хромосомах» n Изучение механизма наследования признаков сцепленных с полом явилось экспериментальным доказательством хромосомной теории наследственности

Вернемся к опытам Т. Моргана, выполненным на дрозофиле В Х-хромосоме этого вида известно более 500 структурных генов. Для самцов дрозофилы, имеющих в норме половые хромосомы Х и У, состояние большинства генов, локализованных в Х-хромосоме нельзя отнести ни к гомозиготному, ни к гетерозиготному. Такое состояние гена в Х-хромосоме у организма с гетерогаметным полом, при котором гены не имеют аллельных гомологов, называется гемизиготным. Наследование гемизиготных генов происходит своеобразно, в чем и убедился в свое время Т. Морган (1909 г. )

n В частности, Морган заметил, что наследование окраски глаз у дрозофилы зависит от пола родительских особей, несущих альтернативные аллели. Красная окраска глаз (доминантный ген w+) доминирует над белой (рецессивный ген w). При скрещивании белоглазых мух с мухами, имеющими дикий тип по окраске глаз, были получены различия в результатах реципрокных по полу скрещиваний. n (Два скрещивания, различающиеся по тому, кто из родителей вносит в зиготу доминантную или рецессивную аллель, называются реципрокными).

Мутации глаз у Drozophila melanogaster n Мутации окраски и формы глаз у плодовой мушки дрозофилы 1 - дикий тип тускло красные глаза (w+); мутантные формы: 2 - розовые глаза; 3 - белые глаза (w); 4 - уменьшенные «плосковидные» (Вar).

Так, при скрещивании белоглазого самца с красноглазой самкой в F 1 были получены в равном числе красноглазые самцы и самки. Во втором поколении наблюдалось расщепление по фенотипу 3/1 (3 части красноглазых особей и 1 часть – белоглазых). Р Хw+ x Хw У гаметы P Хw+ Хw, У F 1 Хw+ Хw х Хw+У гаметы F 1 Хw+, У F 2 Хw+, Хw+Хw, Хw+ У, Хw У красноглазая красноглазый белоглазый самка самец

В реципрокном скрещивании красноглазого самца с белоглазой самкой в F 1 наблюдалось расщепление 1: 1, причем белыми глазами обладали только самцы, а красными – лишь самки. Т. о. , в этом случае имело место т. н. крисс-кросс (или крест-накрест) наследование, при котором сыновья наследуют признак матери, а дочери - признак отца. Р Хw Хw x Хw+ У гаметы P Хw+, У F 1 Хw+Хw х Хw. У гаметы F 1 Хw+, Хw, У F 2 Хw+ Хw, Хw. Хw, Хw+ У, Хw У красноглазая белоглазая красноглазый самка самец 1 1 1 белоглазый самец 1 При дальнейшем скрещивании мух F 1, между собой было получено поколение F 2, в котором с равной вероятностью встречались красноглазые и белоглазые самцы и самки.

n Объяснить полученные результаты наблюдаемого расщепления по окраске глаз Т. Морган смог, только предположив, что ген, отвечающий за окраску глаз, локализован в Ххромосоме, а Y-хромосома таких генов не содержит.

Сцепленное с полом наследование при нерасхождении Х-хромосом Продолжая эксперименты по скрещиванию дрозофил, аспирант Т. Моргана Кальвин Бриджес в 1913 г. обнаружил явление, которое нарушало схему наследования «крест-накрест» . С частотой 0, 0010, 1% в потомстве появлялись т. н. «исключительные» мухи – красноглазые самцы и белоглазые самки. Бриджес предположил, что во время мейоза в направительное тело могут отходить две Х-хромосомы, а в яйцеклетку – ни одной. Второй возможный вариант возникает когда в направительное тело Х-хромосомы не отходят, а обе поступают в яйцеклетку. Это явление получило название первичное нерасхождение хромосом

Сцепленное с полом наследование при нерасхождении Х-хромосом Р Хw Хw x Хw+ У Гаметы: самка/самец Хw+ У Хw Хw+ Хw красноглазая самка Хw У белоглазый самец Хw Хw Хw+Хw Хw трисомия по Х- хромосоме (гибнут) Хw Хw У белоглазая самка - Хw+ красноглазый самец У (гибнут)

Балансовая теория определения пола у дрозофилы n В 1921 году К. Бриджес обнаружил несколько фертильных самок, имевших триплоидный набор хромосом (3 X + 3 A). В результате скрещивания этих самок с нормальными самцами (2 A + XY) в потомстве среди нормальных самок и самцов были обнаружены особи с промежуточным или необычным проявлением половых признаков. Все потомство распалось на восемь классов в зависимости от соотношения половых хромосом и аутосом.

Балансовая теория определения пола у дрозофилы Р 3 X + 3 A х ХУ + 2 А Гаметы: самка/самец Х +А У + А 2 Х +2 А 3 Х +3 А самка 2 ХУ +3 А интерсекс 2 Х + А 3 Х +2 А сверхсамка 2 ХУ + 2 А самка Х +2 А 2 Х +3 А интерсекс ХУ +3 А сверхсамец Х + А 2 Х + 2 А самка ХУ + 2 А самец

К. Бриджес пришел к выводу, что пол определяется балансом числа половых хромосом и набором аутосом, а Y-хромосома у дрозофилы вообще не играет роли в определении пола.

n Балансовая теория оказалась неприменимой к человеку и высшим растениям. У человека Y-хромосома играет другую роль. Известно, что XX и XY – соотношения половых хромосом у человека приводят к образованию нормальных женской и мужской особей соответственно. Однако при отсутствии Y-хромосомы формируется особь женского пола при любом числе Xхромосом.

Синдром Шерешевского-Тернера Особь X 0 развивается главным образом по женскому типу, но имеет отличия от нормы, известные под названием "синдром Тернера « (45, Х 0). Такие особи возникают с частотой 1/5000 новорожденных

Синдром Клайнфельтера встречается у одного из 400600 новорождённых мальчиков и проявляется в недоразвитии первичных и вторичных половых признаков, искажении пропорций тела. Клинические проявления значительно варьируют: большинство мужчин 47 ХХУ внешне нормальны, обладают нормальным интеллектом, но стерильны.

Гинандроморфизм n Еще одно доказательство того, что гены находятся в хромосомах, было получено на мухах дрозофилах, называемых латеральными (боковыми, «сторонними» ) гинандроморфами. У таких мух после первого деления яйцеклетки в одной из клеток была утрачена Х-хромосома. Эта клетка при последующих делениях дала клетки с генотипом Х 0, поэтому половина тела таких мух сформирована как у самца и во ее всех клетках цитологически наблюдается утрата одной из Х-хромосом. Левая половина тела, происходящая из клеток с нормальным генотипом ХХ, формируется как самка.

Гинандроморфизм В представленном на рисунке случае муха была гетерозиготна по гену окраски глаз и по гену, влияющему на форму крыла. Эти гены расположены в Х-хромосоме. Поэтому правый глаз мухи неокрашен: проявилась рецессивная мутация white, присутствующая в одной из Ххромосом. Крыло изменено по форме. Левый глаз окрашен и крыло нормальной формы, поскольку в нем остались обе Х-хромосомы, в одной из которых присутствует рецессивный ген white, а в другой – доминантный ген w+.

Признаки сцепленные с полом у человека n К настоящему времени в Х-хромосоме у человека идентифицировано немногим более 1000 структурных генов, большинство из которых детерминирует формирование нормальных и патологических признаков. Генетический состав Ухромосомы значительно меньше - 78 генов, причем 54 из них имеют гомологию с генами Х-хромосомы. Признаки, определяемые генами, находящимися в Х и У- хромосомах сцеплены с полом и наследуются отлично от аутосомных признаков.

Признаки сцепленные с полом у человека n В зависимости от природы гена и его локализации можно выделить 3 основных типа наследования признаков сцепленных с полом у человека: 1. Х-сцепленный рецессивный тип наследования; 2. Х-сцепленный доминантный тип наследования; 3. Голандрический (У-сцепленный) тип наследования

Х-сцепленный рецессивный тип наследования n Х-сцепленный рецессивный тип наследования характеризуется следующими признаками: 1) больные появляются не в каждом поколении; 2) больной ребенок рождается у здоровых родителей; 3) болеют преимущественно мужчины; 4) проявление признака (болезни) наблюдается преимущественно по горизонтали; 5) вероятность наследования — у 25 % всех детей, в том числе у 50 % мальчиков; 6) здоровые мужчины не передают болезни. Так наследуются у человека гемофилия, дальтонизм, умственная отсталость с ломкой Х-хромосомой, мышечная дистрофия Дюшенна, синдром Леша-Найхана и др.

Дальтонизм частичная цветовая слепота, один из видов нарушения цветового зрения. Д. впервые описан в 1794 Дж. Дальтоном, который сам страдал этим недостатком. Д. встречается у 8% мужчин и у 0, 5% женщин. Предполагается, что в сетчатой оболочке глаза существуют три элемента, каждый из которых воспринимает только один из трёх основных цветов (красный, зелёный, фиолетовый), смешением которых получаются все воспринимаемые нормальным глазом оттенки. Это - нормальное, т. н. трихроматическое цветоощущение. При выпадении одного из этих элементов наступает частичная цветовая слепота — дихромазия.

Гемофилия А - тяжелое заболевание, обусловленное дефектом фактора VIII свертывания крови. Встречается с частотой 1: 2500 новорожденных мальчиков. Ген расположен в длинном плече Х-хромосомы (Xq 28), структура его установлена. Заболевание распознается обычно на 2 -3 -м году жизни. Для него характерны множественные гематомы. Преобладают кровоизлияния в крупные суставы конечностей, подкожные, внутри- и межмышечные гематомы, кровотечения при травмах и хирургических вмешательствах, наличие крови в моче. Кровоизлияния в полость суставов приводят к развитию стойкой их тугоподвижности из-за остеоартрозов (развитие соединительной ткани в суставах).

Механизм наследования гемофилии

Х-сцепленный доминантный тип наследования сходен с аутосомно-доминантным, за исключением того, что мужчина передает этот признак только дочерям (сыновья получают от отца Y-хромосому). Примером такого заболевания является, устойчивая к лечению витамином D особая форма рахита.

Голандрический тип наследования характеризуется следующими признаками: 1) больные во всех поколениях; 2) болеют только мужчины; 3) у больного отца больны все его сыновья; 4) вероятность наследования у мальчиков 100 %. Так наследуются у человека некоторые формы ихтиоза, гипертрихоз наружных слуховых проходов и средних фаланг пальцев, некоторые формы синдактилии (перепонки между пальцами ног) и др.