Файл: УМК по вет. генетике.doc

Контрольные вопросы: 1. Что такое группа сцепления? 2. Что такое полное и неполное сцепление? 3. Какие причины могут изменить ожидаемое соотношение генотипов? 4. Всегда ли кроссинговер приводит к генетической рекомбинации? 5. Как определяется и в каких единицах измеряется расстояние между генами в хромосоме? 6. На основании каких данных составляются генетические карты хромосом? 7. Перечислите основные положения хромосомной теории Т. Моргана.

Лекция 6.

Тема: Генетика пола.

Вопросы: 1. Теории ( типы) определения пола. Патология по половым хромосомам. 2. Проблема регулирования и раннего определения пола. 3. Наследование признаков сцепленных и обусловленных полом и их практическое использование.

1. Теории (типы) определения пола. Пол – совокупность морфологических и физиологических особенностей организма, обеспечивающих половое размножение, сущность которого сводится к оплодотворению, т.е. слиянию мужских и женских половых клеток (гамет) в зиготу, из которой развивается новый организм. В изучении полового размножения есть еще много не решенных вопросов. В частности, до сих пор обсуждаются преимущества и недостатки полового размножения. Предполагается , что асексуальные системы менее приспособлены к изменяющимся условиям внешней среды, неспособны эффективно элиминировать вредные мутации и относительно недолговечны.

Детерминация пола может происходить на разных стадиях цикла размножения, Пол зиготы может предопределяется ещё в процессе созревания женских гамет. Такой тип детерминации пола называют прогамным (коловратки, тли, эрисема). Яйцеклетки этих животных в результате неравномерного распределения цитоплазмы в процессе оогенеза становятся различнывми по размеру ещё до оплодотворения. Из крупных яиц после оплодотворения развиваются только самки, из мелких – самцы.

Если пол нового организма определяется при оплодотворении, то такой тип детерминации пола называют сингамным.

В некоторых случаях детерминация пола происходит после оплодотворения под влиянием условий внешней среды, такой тип детерминации принято называть эпигамным (морской червь –бонеллия).

Отмечено, что соотношение полов у животных при рождении близко 1:1, т. е. данное соотношение совпадает с расщеплением при анализирующем скрещивании, когда одна особь гетерозиготна, а вторая гомозиготна по рецессивному гену. При изучении кариотипа самцов клопа, было установлено, что в одних сперматоцитах второго порядка семь хромосом, а в других -6, следовательно, одна хромосома оказалась непарной, её назвали X –хромосомой, а все остальные хромосомы в клетке – аутосомами. В последствии были обнаружены организмы, у которых в сперматогониях одна из пар хромосом представлена неодинаковыми по размеру и форме хромосомами, за одной,сходной с парными хромосомами женского пола осталось название « X – хромосома» , другую- иной формы и размера назвали « Y хромосома». Эти хромосомы назвали –половыми. Пол, образующий гаметы одного сорта по половым хромосомам ( X и X ), назвали гомогаметным; образующий два сорта гамет ( X и Y или X и 0 )- гетерогаметным.

Хромосомная теория определения пола. Различают дифференциацию пола ( фенотипический пол),т.е. появление внешних гениталиев, вторичных половых признаков и первичное определение пола, под которым понимают появление гонады ( репродуктивного органа соматической природы ) самки или самца _ яичника или тестиса. Считается, что принципиальная схема этого процесса консервативна. У раздельнополых пол в основном детерминируется хромосомным механизмом, но факторы внешней среды могут регулировать и видоизменять половой фенотип. Выделяют несколько типов определения пола в зависимости от числа и состава половых хромосом. У млекопитающих, рыб, двукрылых насекомых, а так же двудомных растений гетерогаметный пол ( XY) мужской. У птиц, рептилий, некоторых бабочек, рыб, земноводных, цветковых растений, наоборот, гетерогаметный пол - женский. У водяного клопа (Protenor), у некоторых бабочек и червей пол связан с наличием у самцов одной X хромосомы( набор половых хромосом –XO ), а у самок – двух. Умоли самки имеют одну X хромосому ( XO), а самцы – две. У перепончатокрылых ( в том числе и у медоносной пчелы ), пол определяется иным путем. В этой группе самки диплоидны, а самцы первично гаплоидны, однако, гаплоидность у самцов присуща клеткам зародышевого пути (клеткам из которых развиваются гаметы), во всех остальных частях тела ( за счёт вторичного удвоения хромосом) диплоидный набор хромосом. В результате самцы имеют нормальные размеры тела и жизнеспособны. У самок мейоз протекает нормально, а у самцов не происходит редукции хромосом. Первичная гаплоидность самцов связана с тем, что они развиваются из неоплодотворённых яиц, что присуще только перепончатокрылым. Совершенно очевидно, что колоссальные и легко фиксируемые различия в организации и физиологии особей разных полов развиваются на фоне полностью идентичных у самцов и самок наборов генов, расположенных в аутосомах, которые не связаны с половыми различиями, а определяются, сравнительно небольшим числом генов, заключённых в половых хромосомах.

Балансовая теория определения пола К. Бриджеса.

Балансовую теорию определения пола у дрозофилы разработал американский генетик К. Бриджес в 1921 г. ( к настоящему времени известно, что в Y хромосоме у дрозофилы открыто 11 генов, влияющих на формирование сперматозоидов, но не влияющих на формирование половых признаков, характеризующих взрослых самцов. Особь XO ( Y – хромосома утрачена) является самцом. Первичный сигнал, возникающий из соотношения Х- хромосом и аутосом контролирует все аспекты половой дифференцировки через действие ключевого гена Sxl. У самок, имеющих отношение Х : А равное 1, Sxl активен, у самцов, с отношением 0,5 не активен. Состояние активности гена Sxl регулирует процессы дозовой компенсции, развития половых признаков в соматических и зародышевых клетках).

Бриджес, скрещивая триплоидных самок ( 3Х : 3А) с нормальными самцами ( XY + 2А), обнаружил в потомстве среди нормальных самок и самцов особей с промежуточным или необычным проявлением половых признаков. Всё потомство распалось на 8 классов в зависимости от соотношения половых хромосом и аутосом: 1. 3Х : 3А- триплоидные самки; 2. 2Х : 2А-диплоидные самки; 3. ( 2Х + Y) : 2А – самки; В этих случаях отношение Х –хромосом к аутосомам составляет единицу. Наличие мужской Y- хромосомы не влияет на нормальное развитие самки.

4. Особи, имеющие хромосомную конституцию ХY : 2А, для которых отношение половых хромосом к аутосомам равно 0,5, по фенотипу нормальные самцы.

5 и 6. Особи 2Х : 3А и ( 2Х+ Y) : 3А, у которых отношение Х хромосом к аутосомам варьировало между 0,5 и 1 имели смешанное проявление мужских и женских половых признаков ( интерсексы). У них полностью отсутствовали секторы тела, детерминированные по полу, либо в ходе развития до определенного момента формировались органы, присущие одному полу, затем органы другого пола.

7 и 8. если число наборов хромосом увеличивалось до 3 при наличии 1 Х-хромосомы ( Х : 3А), развивался « сверхсамец» - организм с гипертрофированными признаками самца, но стерильный. Увеличение числа Х хромосом при диплоидном наборе аутосом ( 3Х : 2А), напротив, ведет к формированию « сверхсамки» с ненормально развитыми яичниками и другими нарушениями признаков пола. Полученные данные позволили Бриджесу заключить, что пол у дрозофилы определяется балансом числа Х –хромосом и аутосом, т. е. Y- хромосома вообще не играет роли в определении пола.

Генетическая теория определения пола.

Классическими эмбриогенетическими исследованиями установлены два правила определения пола у млекопитающих. Первое, сфориулированное А. Жостом в 60 –х гг. « Специализация развивающихся гонад в тестис или яичник опеделяет последующую дифференциацию эмбриона». Примерно до 1959 г. считали, что число Х- хромосом является важнейшим фактором контроля пола у млекопитающих. Однако, наличие особей с одной Х – хромосомой развивающихся как самки, и особей с Y- хромосомой и несколькими Х – хромосомами, развивающихся как самцы, заставило отказаться от таких представлений. Было сформулировано второе правило определения пола у млекопитающих: « Y- хромосома несёт генетическую информацию требуемую для терминации пола у самцов». Совокупность этих двух правил называют принципом Жоста: «Хромосомный пол, связанный с присутствием или отсутствием Y-хромосомы, определяет дифференциацию эмбриональной гонады, которая, в свою очередь, контролирует фенотипический пол организма». Пордобный механизм определения пола называют генетическим и противопоставляют теориям, основаны на контролирующей роли внешней среды или соотношению половых хромосом и аутосом.

Биологической основой генетического механизма определения пола является бисексуальность эмбриональных гонад млекопитающих, которые формируются из клеток целомического эпителия, мезенхимы и первичных половых клеток гоноцитов. В таких прогонадах одновременно присутствуют мюллеровы и вольфовы протоки – зачатки половых путей самок и самцов. Мюллеров проток прогонады является предшественником матки, яйцеводов и верхней части влагалища. Вольфов проток - семя проводящих протоков эпидидимиса, семенных пузырьков. Первичная детерминация пола начинается с появления в прогонадах специализированных клеточных линий- клеток Сертоли в которых проявляет свою деятельность ген MIS « Mullerian Jnhibitiny Substance) или AMH « anti Mullerian Hormone» ответственный за прямое и опосредованное развитие мюллерова протока, развитие внутренних и наружных гениталий по мужскому типу, который находится в коротком плече 19 хромосомы со временем экспрессии от 10 до 12 недели эмбрионального развития. Морфологически вначале прогонада с ХХ и ХY хромосомами в кариотипе эмбрионов неразличима. Первые половые различия между гонадами наблюдаются у человека через 6 недель, у мышей через 12 дней после зачатия. Установлено что для нормального функционирования клеток Сертоли необходим ХY кариотип. Присутствие в геноме Y- хромосомы всегда приводит к формированию мужской гонады, независимо от числа Х- хромосом.Доминирующее влияние Y- хромосомы рассматривают как первичный сигнал, направляющий дифференцировку пола по мужскому типу. При отсутствии гонад или при нарушении их развития пол формируется по женскому типу независимо от хромосомного набора.

Мужским полоопределяющим геном является SRY « sex determining region Y», локализованный в коротком плече Y – хромосомы. Особи, у которых Y-хромосома представлена коротким плечом – мужские, длинным – женские. Ген SRY находится только в Y- хромосоме. Это небольшой ген, лишенный интронов, с промотором 310 п.н.,богатый Г Ц парами с рамкой считывания 12п.н., кодирует белок из 204 аминокислот. Аналогии последовательностей гена SRY нет ни Х- хромосоме ни в аутосомах. SRY- один из семейства генов ( их более 20), получившего название SOX ( SRY type HMG box ). Для этого семейства характерна тканеспецифическая экспрессия в раннем эмбриогенезе. Sox1, Sox2 и Х- хромосомный Sox3- активны при развитии нервной системы. Sox4 работает, как активатор транскрипции, в Т- лимфоцитах, а Sox5 проявляет специфическую активность во время сперматогенеза. Sox9 – требуется для нормального развития скелета и ответственный за CD – синдром ( cat- pomelic displasia), он находится 17 хромосоме, экспрессируется до 13 дня эмбрионального развития в мезенхиме ( примитивная зародышевая ткань). Его считают модификатором влияния SRY на экспрессию MIS,т.е. своеобразным ограничителем активности этого гена в раннем эмбриогенезе. На формирование пола у человека влияют гены ZFY ( Zinc Finger Y)-короткое плечо –Y- хромосомы и ZFX- короткое плечо Х- хромосомы. Ген AR- рецептор андрогенов, локализованный в длинном плече Х- хромосомы, с размером в 75 т.п. н., кодирует белок из 917 аминокислот. Мутации в генах, кодирующих рецепторы андрогенов и фермент 5-а редуктазу, приводят к нарушению полового развития- мужскому псевдогермафродитизму (генетический, гонадный, гормональный пол мужской, но наружные половые органы недоразвитые мужские или женские).

В геноме млекопитающих Y- хромосома единственная, которая непосредственно не работает на реализацию генотипа. Её генетическая значимость связана с преемственностью между поколениями, с контролем гаметогенеза, первичной детерминацией пола.Все гены Y- хромосомы или имеют реальную селективную ценность, или находятся на пути исчезновения ( псевдогены). Жесткий отбор действует только на немногие её гены, остальная ДНК селективно нейтральна. Предполагают связь между спецификой детерминации и дифференциации пола и репродуктивной межвидовой изоляцией, что может лежать в основе постулата Д. Холдейна ( 1922 г.) о стерильности или отсутствии гетерогаметного пола при отдаленной гибридизации. Бисексуальность первичных гонад, сложное взаимодействие генов, определяющих формирование пола, с гормональной и нервной системами организма приводит к тому, что переформирование пола может проходить в процессе всего онтогенеза, это приводит к проявлению гинандроморфизма, фримартинизма, гермафродитизма.

Патология по половым хромосомам проявляется в виде синдрома Тернера ( ХО); синдрома Клайнфельтера- Шерешевского с формулой 2А +nX + mY с пограничными значениями 1-4n и 0-2m; синдром CD у человека и у человека описан ген WTI, вызывающий ряд наследственных заболеваний ( опухоль Вильямса, синдром Денис- Драма, экспрессирующийся на 9 день эмбрионального развития и контролирующий развитие недифференцированной бисексуальной гонады. Ранняя диагностика патологии по половым хромосомам проводится методом Барра или у некоторых млекопитающих по феномену полового хроматина – барабанным палочкам (вытянутые ядра нейтрофильных лейкоцитов у женских особей), их наличие у самцов – патология.

2. Проблема регулирования и раннего определения пола. Данная проблема имеет экономическое значение. Пути решения: 1. Метод диплоидного партеногенеза для получения самок и метод оплодотворения яйцеклеток для получения самцов, разработанный Б. Л. Астауровым для тутового шелкопряда. Трудность использования этого метода на других животных в том, что диплоидизация ядер у них происходит внутри материнского организма. 2. Разделение спермы в электрическом поле на две фракции- анодная с Х- хромосомой катодную с Y- хромосомой ( В.Н. Шредер). 3.Разделение спермы в вязком разбавителе на две фракции: тяжёлая с Х- хромосомой, лёгкая с Y- хромосомой ( Баттихария). 3. Иммунизация производителей анодной или катодной фракцией спермы ( Шредер). В организме вырабатываются антитела не только против введённой спермы, но и против собственных сперматозоидов несущих ту или иную половую хромосому. В экспериментах удавалось получить 80 – 90 % особей желательного типа. 4. Воздействие половых гормонов. Е.М. Владимирской удалось изменить соотношение полов воздействием метилтестостерона на сперму хряка – рождалось 61% хрячков, аналогичные результаты на рыбах получены в Японии. Сложность этой проблемы в том, что на соотношение полов влияют множество факторов- гормоны, питание, температура, сезон рождения.