Biologia_-_materialy_dlya_samopodgotovki

ГЕНЕТИКА ПОЛА. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ, СЦЕПЛЕННОГО С ПОЛОМ

Ключевыесловаипонятия: гоносомы; гомогаметный и гетерогаметный пол; тип Protenor; тип Ligaeus; ген ТДФ; соотношение полов; реципрокное скрещивание; наследование крисс-кросс; гемизиготный генотип; типы наследования признаков: доминантный, сцепленный с Х хромосомой; рецессивный, сцепленный с Х хромосомой; сцепленный с Y хромосомой; частично сцепленное с полом.

Пол– совокупностьморфологическихифизиологическихособенностей организма, обеспечивающих половое размножение. Пол организма является признаком, который определяется генетически. Существует несколько уровней определения пола: генный, хромосомный, фенотипический.

Хромосомный уровень определения пола у разных видов может существенно различаться. В кариотипе самок большинства видов животных (и человека) имеется две Х гоносомы, самцов – разные половые хромосомы: Х и Y. У особей женского пола образуется один сорт гамет, содержащий гаплоидный набор аутосом и Х хромосому. Пол организма, образующий гаметы одного вида по половым хромосомам, называется гомогаметным. У особей мужского пола образуется 2 вида сперматозоидов. ПоловинаизнихбудетсодержатьгаплоидныйнабораутосомиХгоносому, другая половина– гаплоидныйнабораутосомиY хромосому. Полорганизма, образующийдвасортагаметпополовымхромосомам, называетсягетерогаметным. Умлекопитающих(втомчислечеловека), червей, ракообразных, дрозофилы, большинстваземноводныхгомогаметнымявляетсяженскийпол, а мужской– гетерогаметным. Уптиц, пресмыкающихся, некоторыхчленистоногих гетерогаметным является женский пол, а мужской – гомогаметным.

Различают2 типагетерогаметногопола. ТипХ0 встречаетсяунекоторых членистоногих. Этот тип гетерогаметного пола называется Protenor (протенор): у самки в кариотипе две Х хромосомы, а у самца только одна. Тип ХY встречаетсяубольшинстваорганизмов, втомчиследрозофилыичеловека. Этот тип гетерогаметного пола называется Ligaeus (лигеус): у самки в кариотипе две Х хромосомы, у самца гоносомы разные Х и Y. Для типа Ligaeus нахромосомномуровнеполорганизмаопределяетсяприоплодотворении и зависит от хромосомного набора зиготы, а именно от наличия или отсутствия Y хромосомы. Все яйцеклетки женщины содержат Х хромосому. 50% сперматозоидов содержат Х хромосому, 50% – Y хромосому. При оплодотворении возможны две комбинации гамет. При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом с Х хромосомой образуется женская зи-

41

гота с кариотипом 46,ХХ. При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидомсY гоносомойобразуетсямужскаязиготаскариотипом46,ХY. Вероятностьэтихпроцессоводинакова, следовательно, соотношениепополу1:1.

Хромосомное определение пола у человека

Следовательно, пол потомства зависит от гетерогаметного мужского пола и наследуется как менделирующий признак. У самок млекопитающих и человека происходит инактивация одной из двух Х хромосом. Эта хромосомагетерохроматизируется, перестаетработатьивыявляетсявядре как особая глыбка хроматина – тельце Барра.

Х хромосома человека имеет абсолютные размеры 6,8 мкм, состоит из 165 мпн; субметацентрическая, центромерный индекс (ЦИ) 39%; сходна с хромосомами группы С (6, 7 хромосомами); содержит более 1100 генов, изних300 неимеюталлелейвY хромосоме. Например, геныфермен- таглюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы(Г-6ФДГ), скоростисвертываниякрови (нормальной и пониженной), цветоощущения (нормального и дальтонизма), ихтиоза (заболевание кожи – чешуйчатость и пятнистое утолщение). Y хромосома человека мелкая, абсолютные размеры 2,8 мкм, содержитоколо60 мпн; внейнаходятсяоколо90 функциональныхгенов, изних почти половина вовлечена в определение мужского пола и процесс сперматогенеза. 56 генов имеют аллели в Х хромосоме, остальные – голандрические (только вY хромосоме). Y хромосома резко акроцентрическая, ЦИ 18%; сходна с хромосомами группы G (21,22). Примеры голандрических геновчеловека: SPY (генТДФ), SRY (развитиесеменников), генгипертрихоза (оволосение ушных раковин и средних фаланг пальцев кисти), перепонокмеждупальцаминог. Большинствоэтихгеновэкспрессируетсятолько в клетках семенников. На конце коротких плеч Х иY хромосом человека находятся псевдоаутосомные (гомологичные) районы (около 2,6 мпн),

вних содержатся аллельные гены: полной цветовой слепоты, пигментного ретинита, пигментной ксеродермы.

На уровне генов механизм определения пола значительно сложнее и современныепредставленияогенетическомконтролестановленияполанеполные. Первичным половым признаком является развитие половой железы: яичника или семенника. Развитие яичников связано с геном DAX1

вкоротком плече Х хромосомы. У мужчин этот ген выключается в период активации гена SPY (ТДФ).

42

Зачаток половой железы развивается в яичник или семенник под влиянием особого белка, синтез которого контролируется геном ТДФ (тестис детерминирующийфактор). Первоначальноонбылоткрытвкороткомплече Y гоносомы (1990 г.), а затем и в Х хромосоме. Этот ген имеет небольшой размер (1 тпн), не содержит интронов. Ген ТДФ кодирует белок, состоящий из 204 аминокислот. Этот белок образует структуру так называемых цинковых пальцев и обладает ДНК-связывающей активностью, его можно рассматривать как фактор транскрипции.

Роль гена ТДФ в формировании пола объясняют 2 гипотезы. Первая: существует два различных гена, производящих различные белки, ТДФ-Х и ТДФ-Y. Для формирования мужской особи оба гена включаются в работу, синтезируются два разных белка и развиваются семенники. Вторая гипотеза предполагает идентичность обоих генов. Но так как одна Х хромосома у женской особи неактивна, в клетке действует лишь один ген ТДФ. Синтезируется одна доза белка, которой оказывается недостаточно для формирования мужского эмбриона, но достаточно для женского. Эти процессы дифференцировки половых желез происходят до 12 недели эмбрионального развития.

Отношение особей женского и мужского пола только теоретически соответствует 1:1. У человека на разных этапах онтогенеза соотношение полов меняется, различают 3 вида соотношения полов: первичное, которое определяется в момент оплодотворения и составляет на 100 женских зигот 114 мужских; вторичное, определяется при рождении: на 100 девочек– 107 мальчиков; третичноесовпадаетсначаломрепродуктивногопериода (на 100 девушек приходится 100 юношей). Объяснить такое соотношение полов можно следующими причинами: мужских зигот образуется больше, так как сперматозоид с Y хромосомой чаще участвует в оплодотворении, поскольку он подвижнее и быстрее. Высокую смертность мужскихзиготиплодовсвязываютсгенетическимипричинами, аименно, проявлением у них вредных рецессивных аллелей Х хромосомы даже в единственной дозе. Высокая интенсивность гибели мужчин в постнатальный период кроме генетических факторов определяется еще и социальными.

Закономерности сцепленного с полом наследования

Наследование признаков, гены которых находятся в половых хромосомах, называетсясцепленнымсполом. Дляэтихпризнаковимеетзначение направлениескрещивания, тоестьктоизродителейявляетсяносителемдоминантного аллеля. Закономерности такого наследования изучал Морган. Он, используя гибридологический метод, изучал наследование признака окраски глаз у дрозофилы и провел следующие скрещивания. 1-ыйэкспе-

43

римент. Прискрещиваниигомозиготнойкрасноглазойсамкидрозофилыс гомозиготным белоглазым самцом все гибриды первого поколения имели красныйцветглаз. Следовательно, красныйцветглазявлялсядоминантным признаком, абелый– рецессивным. ВF1 проявлялсяпервыйзаконМенделя. ПрискрещиваниигибридовF1 впотомствеF2 появлялисьособискрасными белымцветомглазвотношении3:1. ПодтверждалсявторойзаконМенделя. Однако белоглазыми среди гибридов второго поколения оказались только самцы. 2-ой эксперимент. Морган провел обратное (реципрокное) скрещивание: скрестил гомозиготную белоглазую самку с гомозиготным красноглазым самцом. Уже в F1 произошло расщепление 1:1, все самки имели красный цвет глаз, самцы – белый. Самки наследовали красный цвет глаз ототца, асамцы– белыйцветглазотматери. Такоенаследованиебылоназвано крисс-кросс (крест-накрест). При скрещивании гибридов F1 во втором поколении наблюдалось расщепление по цвету глаз в отношении 1:1, какусамцов, такисамок. Следовательно, наследованиецветаглазудрозофилызависитоттого, ктоизродителейимеетдоминантныйпризнак– самка или самец. Морган объяснил наследование цвета глаз у дрозофилы локализацией гена в Х хромосоме и отсутствием в Y хромосоме аллельного ему гена. Поэтому у самцов единственный рецессивный ген проявился в признак. Генотип, при котором у особей имеется ген в единственном числе, а не в форме двух аллелей, называется гемизиготным.

Обозначим: ХА – генкраснойокраскиглаз; Ха – генбелойокраскиглаз.

Цитологические основы опытов Моргана

Опыт I

Опыт II – реципрокное скрещивание

44

Закономерности, открытые Морганом, имеют общебиологическое значение и поэтому распространяются на человека. У человека различают 4 типа сцепленного с полом моногенного наследования: доминантный, сцепленный с Х хромосомой; рецессивный, сцепленный с Х хромосомой; сцепленный сY хромосомой; частично сцепленное с полом наследование.

При доминантном, сцепленном с Х хромосомой, наследовании, ген,

контролирующийразвитиепризнака, являетсядоминантнымилокализован

внегомологичном районе Х хромосомы. Характеристика: у мужчин признак (болезнь) проявляется в гемизиготном состоянии – ХАY, у женщин –

вгомо- и гетерозиготном – ХAХА, ХAХа; у женщин признак (болезнь) проявляется в 2 раза чаще; гетерозиготные женщины болеют легче, чем мужчины; от отца ген наследуют только дочери; от матери ген равновероятно передаетсяидочерям, исыновьям. Длясхемродословныхпринаследованиипатологическогопризнакахарактерно: одинизродителейобязательно болен; больных женщин в 2 раза больше, чем больных мужчин; в родословной болезнь прослеживается по вертикали. По этому типу наследуется витамин-D устойчивый рахит (недостаточность органического фосфора в крови приводит к рахиту), коричневая эмаль зубов, аномалия волосяных фолликулов, хроническая гемолитическая анемия – фавизм.

При рецессивном, сцепленном с Х хромосомой, наследовании, ген,

контролирующий развитие признака, рецессивен и локализован в негомологичном районе Х хромосомы. Могут наследоваться как нормальные, так и патологические признаки. Характеристика: у мужчин признак (болезнь) проявляется в гемизиготном состоянии – ХаY, у женщин – в рецессивном гомозиготном – ХаХа; чаще болеют мужчины, а женщины являютсяносительницамигена; убольныхмужчинвседочерибудутносительницами; у гетерозиготных женщин 50% сыновей больны; больной мужчина рождается от гетерозиготной матери. Для схем родословных характерно: у здоровых родителей больные дети; болеют в основном мужчины; женщина будет больна, если у нее болен отец и мать гетерозигота (встречается очень редко); болезнь прослеживается по горизонтали; сын никогда не унаследует признак от отца. Примерами данного типа наследования являются гемофилия А и В, неполный дальтонизм, почечный несахарный диабет, некоторые формы ихтиоза, мышечная дистрофия Беккера и Дюшена.

ПрисцепленномсY хромосомой(голандрическом) типенаследования ген, определяющийпризнак, локализованвнегомологичномрайонеY хромосомы. Характеристика: признак наследуют только мужчины по линии отца– ХYA; прямаяпередачагенаототцавсемсыновьям. Схемародословной похожа на аутосомно-доминантный тип: признак наследуется по вертикали; отец всегда имеет признак (болезнь). Например, черезY хромосо-

45

му наследуются гипертрихоз, развитие кожных перепонок между пальцами ног, синдактилия (сращение 2-го и 3-его пальцев ног), ихтиоз (сильное ороговение эпидермиса).

Причастичносцепленномсполомнаследованиигены, определяющие признак, локализованывгомологичныхрайонахХиY хромосом. Характеристика: мужчины и женщины наследуют признак одинаково часто; мужчины и женщины передают ген и дочерям и сыновьям. По данному типу наследуютсяполнаяцветоваяслепота, пигментныйретинит, синдромАльпорта (нефропатия в сочетании с глухотой).

Признаки, сцепленныесполомнеобходимоотличатьотпризнаков, зависимыхотпола. Последниеконтролируютсягенамиаутосом, ноихэкспрессивность зависит от пола. Примерами таких признаков у мужчин являются: низкийтембрголоса, раннееоблысение; уженщин– мигрень, подагра.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Виды гоносом, их отличие. 2. Определение гомогаметного и гетерогаметногопола. Типыгетерогаметногопола. 3. Хромосомноеопределение пола, значениегенаТДФвформированиипола. 4. Видысоотношенияполов у человека. 5. Понятие сцепленного с полом наследования. Опыты Моргана по изучению сцепленного с полом наследования признаков. 6. Цитологические основы сцепленного с полом наследования. 7. Понятие, характеристика и примеры типов сцепленного с полом наследования.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ

Ключевые слова и понятия: полное доминирование; неполное доминирование; промежуточный фенотип; аллельное исключение; кодоминирование; сверхдоминирование; полимерия; комплементарность; эпистаз; эффект положения.

Все гены в геноме функционируют не изолированно, а объединены в систему благодаря сложным и разнообразным взаимодействиям между ними. Взаимодействия между генами играют важную роль в реализации ГИ и формировании фенотипа. Взаимодействие генов может быть аллельным и неаллельным.

Взаимодействиеаллельныхгеновможетпроисходитьпотипу: полногодоминирования; неполногодоминирования; кодоминирования; аллельного исключения, сверхдоминирования. Все виды аллельного взаимодействияпроявляютсявгетерозиготномгенотипе. Какправило, одингенимеет 2 аллельных состояния: доминантное и рецессивное, которые возник-

46

ливрезультатегенныхмутаций. Доминантнымназываетсяаллель, функциональная активность которого не зависит от наличия в генотипе другого аллеля этого же гена. Рецессивный – это аллель, обеспечивающий развитие признака только в отсутствии точно такого же аллеля, т. е. в гомозиготном состоянии. Некоторые гены могут иметь более чем 2-а аллельных состояния, возникших в результате многократного мутирования. Различныемолекулярныеформыодногоитогожегена, возникающиеврезультате генных мутаций и отвечающие за проявление одного и того же признака, называются множественными аллелями. Они обозначаются разноименными буквами, например, ген, определяющий группу крови в системе АВ0, имеет 3 аллеля А, В и 0.

Взаимодействие аллельных генов

Полное доминирование проявляется в том, что один аллель (доминантный) полностью подавляет действие другого (рецессивного), поэтому у доминантных гомозигот и гетерозигот формируется одинаковый фенотип. У гибридов второго поколения происходит расщепление по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1 (при моногибридном скрещивании). На молекулярном уровне доминантный аллель отвечает за синтез активной формы фермента, кодирующего признак, а рецессивный аллель – за неактивную форму, или вообще не кодирует белок. У рецессивной особи, гомозиготной по данному аллелю, белок не образуется, и поэтому признак не проявляется.

По типу полного доминирования наследуются все менделирующие признаки человека: близорукость, праворукость, брахидактилия (короткопалость), веснушки, Rh+ фактор крови. Если в организме Rhматери развивается Rh+ плод, то возникает резус-конфликт, т. к. резус-фактор ребенка является антигеном для матери. У ребенка развивается гемолиз эритроцитов, гемолитическаяанемия. Опасныпоследующиебеременности. Чтобы спасти ребенка, ему срочно переливают резус-отрицательную кровь, или вводят антирезус-антитела для предотвращения иммунизации матери. Резус-отрицательнымженщинампротивопоказанопереливаниерезус- положительной крови, чтобы не возникло бесплодия.

Неполное доминирование проявляется в ослаблении действия доминантного аллеля в присутствии рецессивного, поэтому у доминантных гомозигот и гетерозигот формируется разный фенотип. Он будет промежуточным между фенотипами родителей. Во втором поколении произойдет расщепление в соотношении 1:2:1 и по фенотипу и по генотипу. При этом взаимодействии один аллель не может обеспечить достаточного количества белкового продукта для нормального проявления признака. При-

47

меры: розовая окраска ягод клубники, цветков у ночной красавицы, волнистые волосы у человека.

При кодоминировании аллельные гены в одинаковой степени активны. Угетерозиготпроявляютсяобааллеля, т. е. признакиобоихродителей. Расщепление по фенотипу и генотипу 1:2:1. Каждый из аллельных генов кодирует определенный белок. У гетерозигот в клетках синтезируются 2-а генных продукта (оба белка) и в результате проявляется новый признак. Примерами кодоминирования у человека является 4-ая группа крови в системе АВ0; группа MN в системе MN. Генный локус системы АВ0 располагаетсявкороткомплече9 аутосомыипредставлентремяаллелями одного гена: 0, А, В. Аллель 0 рецессивен по отношению к аллелям А и В; аллели А и В являются кодоминантными, т. е. функционально активными в случае их совместного присутствия в генотипе. Люди с I группой крови имеют генотип 00 (в эритроцитах нет антигенов А и В), лица со II группой крови могут иметь генотипы АА или А0 (в эритроцитах присутствуют антигены А). Генотипы людей с III группой крови ВВ или В0 (в эритроцитах присутствуют антигены В), у людей с IV группой крови генотип АВ, проявляются оба признака родителей (в эритроцитах присутствуют антигены А и В). Еще один пример кодоминирования у человека: серповидноклеточная анемия проявляется у рецессивных гомозигот, наследуется аутосомно-рецессивно. В таком организме присутствуют 2 патологических аллеля гена, контролирующего синтез дефектного гемоглобина. В гетерозиготном организме присутствуют нормальный и дефектный гены. Причемниодинизэтихгеновнедоминируетнаддругим, ивэритроцитах одновременно синтезируются оба вида гемоглобина (нормальный и дефектный). У таких людей болезнь проявляется в легкой форме и лишь при кислородной недостаточности. Вместе с тем у них наблюдается высокая устойчивость к малярии, т. к. малярийный плазмодий не способен питаться дефектным гемоглобином.

Аллельноеисключение– явлениефункциональноговыключенияодного из пары аллельных генов. У гетерозигот в разных клетках активны разные аллели одного гена, т. е. в части клеток организма может быть активным один аллель, в другой части соматических клеток – другой аллель. Свойствопроявлятьсебякакдоминантныйилирецесссивныйаллельзависит от того, в какую генетическую систему этот ген входит. Пример: плазматические клетки человека синтезируют антитела – белки иммуноглобулины. Угетерозиготполовинаклетоксинтезирует«легкие» цепиэтихбелков, другая половина – «тяжелые». Другим примером аллельного исключения может служить развитие ранней лысости у мужчин. Доминантный ген определяет рост волос, а рецессивный – развитие лысости. Ген нахо-

48

дится в одной из аутосом, но его проявление зависит от мужских половых гормонов. Уженщинвгетерозиготномгенотипеонвсегдапроявляетсякак доминантный, у мужчин – ген выключается и проявляется ген лысости.

При сверхдоминировании доминантный признак в фенотипе гетерозигот выражен сильнее, чем у доминантных гомозигот. В этом случае присутствиерецессивногоаллеляусиливаетпроявлениепризнака. Врезультатеуровеньжизнедеятельностигетерозиготзначительновыше, чемудоминантных и рецессивных гомозигот (например, явление гетерозиса).

Взаимодействие неаллельных генов

В результате неаллельного взаимодействия формулы расщепления в потомстве будут отклоняться от законов Менделя.

Полимерия – это вид взаимодействия, при котором степень выраженности признака зависит от присутствия в генотипе нескольких пар однозначно действующих неаллельных генов (полигенов). Полигены находятся в разных парах хромосом и оказывают однозначный эффект на развитие одного и того же признака. Каждый доминантный аллель увеличивает степеньвыраженностипризнаканаоднуитужевеличину. Состояниепризнака в фенотипе определяется суммированием эффектов всех полигенов и зависит от дозы доминантных аллелей, при этом увеличивается синтез белковогопродуктавклетке. Например, интенсивностьпигментациикожи человека определяют четыре гена Р (аллельные пары Р1; Р2; Р3; Р4). Люди с черным цветом кожи являются тетрагомозиготами по доминантным генам Р1Р1Р2Р2Р3Р3Р4Р4; с белой кожей (минимальная пигментация) – тетрагомозиготамипорецессивнымгенамр1р1р2р2р3р3р4р4. Мулаты(тетрагетерозиготы Р1р1Р2р2Р3р3Р4р4) имеют смуглую кожу. В браке мулатов могут рождаться дети, имеющие весь спектр окраски кожи (от черной до белой). Интенсивность окраски зависит от того, какие гены случайно окажутся в зиготе в момент оплодотворения.

Противоположным состоянием полимерии является плейотропия – множественное действие одного гена. Это явление не относится к взаимодействию генов, оно наблюдается в том случае, когда белок, контролируемый этим геном, определяет становление не одного, а нескольких признаковвфенотипе. Примерплейотропииуживотных: желтаяокраскашерсти сочетается с пониженной плодовитостью и ожирением. Примером плейотропии у человека является болезнь Марфана. Она вызывается мутацией в гене белка фибриллина. Его функция – образование длинных волокнистых структур, которые важны для целостности и нормального функционирования соединительной ткани. У больных образуются дефектные волокна соединительной ткани. Ген имеет несколько аллелей, которые при-

49

водят к разной степени синдрома. В типичных случаях болезнь характеризуется триадой признаков: подвывих (частичное смещение) хрусталика глаза; аневризма (расширение) аорты; изменения в опорно-двигательном аппарате в виде длинных, тонких «паучьих» пальцев; воронкообразной грудной клетки, высокого свода стопы. Другой пример плейотропии – болезнь Ван-Дер-Хеве. При этом синдроме наблюдается повышенная ломкостькостей, остеомоляция(размягчениекостей), глухота, голубаясклера.

Комплементарность. Присутствие двух доминантных неаллельных генов в генотипе дает новый вариант признака, который не определяется ни одним из этих генов отдельно (действие генов одной пары дополняется действием генов другой). Каждый из доминантных генов может проявляться самостоятельно, если другой находится в рецессивном состоянии, но их совместное присутствие в зиготе обуславливает новое состояние признака. Например, гороховидная форма гребня у кур определяется доминантным геном А, гены второй пары (b) находятся в рецессивной форме (генотипы – A-bb). Розовидный гребень определяется другим доминантным геном В, гены второй пары (а) находятся в рецессивной форме (генотипы – aaB-). Если оба доминантных гена окажутся в одном генотипе (A-B-), формируется ореховидная форма гребня. У человека комплементарным действием обладают гены пигментации волос. Ген М контролирует образование черного пигмента меланина и представлен тремя аллелями, отвечающими за синтез значительных, промежуточных и малых количеств пигмента. Доминантный аллель R второго гена контролирует образование красного пигмента. Сочетание аллелей названных генов дает весь спектр окраски волос, а при некоторых комбинациях проявляется такойдополнительныйпризнаккакглянцевитостьволос. Ещеоднимпримером является развитие нормального слуха: Д – нормальное развитие улитки, Е – слухового нерва. Люди с генотипами (Д-ее), (ddE-) и (ddee) глухие.

Эпистаз– подавлениедействияодногогенадругимнеаллельнымгеном. Противоположен комплементарности. Гены, оказывающие подавляющий эффект, называются эпистатическими генами или генами-супрессорами. Гены, усиливающие доминантное действие, называются генами – интенсификаторами. Подавляемые гены называются гипостатическими генами. Подавляющим эффектом могут обладать и доминантные и рецессивные гены, поэтому выделяют два вида эпистаза – доминантный и рецессивный. Примером доминантного эпистаза служит наследование окраски шерсти (масти) у лошадей: доминантный аллель гена В контролирует проявление вороной масти, b – рыжей; ген С (эпистатический ген) подавляет синтез пигментов, с – не подавляет. У всех особей, в генотипе кото- рыхестьгенС(--С-), проявляетсясераяокраскашерсти. Генотипыособей

50