Биология. Итог по генетике. Генетика как наука. Предмет и задачи генетики. Наследственность и изменчивость (определение). Основные этапы развития генетики, их краткая характеристика. Роль генетики в современной биологии и медицине

• Название: Генетика как наука. Предмет и задачи генетики. Наследственность и изменчивость (определение). Основные этапы развития генетики, их краткая характеристика. Роль генетики в современной биологии и медицине
• Анкор: Биология. Итог по генетике
• Дата: 06.11.2021
• Размер: 1.66 Mb.
• Имя файла: bio_itog_2.docx
• Тип: Закон; #264313
• страница: 3 из 13

Генетический пол. Различия в формировании мужского и женского организ­ма обнаруживаются с первых недель его развития. Все клетки человека, за исключением половых, имеют 23 пары хромосом, из которых одна пара — половые. Половые клетки (гаметы) — яйцеклетки и сперматозоиды — обра­зуются путем особого деления — мейоза, отличающегося от обычного деле­ния — митоза — тем, что при этом вновь возникшие клетки получают одну (сромосому из каждой пары.

Генетический пол определяется отцовской половой клеткой (спермато-|зоидом) во время оплодотворения. Это связано с тем, что развитие женско-i пола у человека обусловлено наличием в зиготе (оплодотворенной яйцек­летке) двух половых хромосом X и X, а мужского — X и Y. Все яйцеклетки в результате мейоза имеют одинаковые хромосомы — X, тогда как спермато-

380

381

зо иды могут быть двух типов: сX-или с Y- хромосомами. В зависимо­сти от того, какой сперматозоид оп­лодотворит яйцеклетку, зародыш бу­дет либо мужским, либо женским (рис. 17.1).

Частота


Первичная детерминация пола. Схема определения пола у млекопитающих может выглядеть так. На догонадной стадии у эмбриона отсутствуют поло­вые органы. На прогонадной — вы­деляются гонадный валик и бисексу­альные гонады, предшественники и мужских, и женских половых орга­нов. Предшественником женских половых органов является Мюллеро-ва система, мужских — Вольфова си­стема. Мюллерова система в даль­нейшем дает начало фаллопиевым трубам, матке, влагалищу. Из Воль-фовой системы развиваются яички, придатки яичек, семявыносящий про­ток, предстательная железа (Carlson, 1992).

Рис. 17.2. Развитие внутренних половых ор-| ганов (Carlson, 1992).

Первичная закладка пола связана с программированием Y-хромосо­мой синтеза фактора, определяюще­го развитие яичек. Дифференциров-ка гонад у человеческого зародыша происходит приблизительно на ше­стой неделе развития, когда у XY-зародыша образуются яички, а у
\Рис 173. Развитие внешних половых органов ((Carlson, 1992)

Х Х-зародыша — яичники (рис. 17.2). Это приводит к появлению клеток Сертоли, окружающих семявыносящие канальцы. Клетки Сертоли, в свою очередь, синтезируют фактор, подавляющий развитие Мюллеровых про­токов, что ведет к формированию Вольфовых протоков (рис. 17.2). Позднее в них возникают клетки Лейдига, синтезирующие тестостерон и дигидро-тестостерон, которые стимулируют развитие Вольфовой системы (Смир­нов, 1977).

Синтез тестис-определяющего фактора связывают с активностью гена SRY (sex determinging region Ygene), открытого в 1976 г. (Berta e. а., 1992; Koopman e. а., 1992). Этот ген у человека имеет небольшой размер, не со­держит интронов (вставок, непосредственно не определяющих структуру белка), кодирует белок размером в 204 аминокислотных остатка. Это лишь один ген из большого семейства (их около 20) (Смирнов, 1997).

Поскольку эмбрионы и гонады будущих самцов растут быстрее, чем са­мок, еще до развития гонадного бугорка можно предположить, что есть и другие факторы, предопределяющие дифференциацию прогонад по мужс­кому или женскому типу.

Был найден ген DAX1, кодирующий ядерный рецептор. При дупликации (удвоении) он может вызывать возвращение мужского пола к женскому. Он чувствителен к гормонам и при высокой их концентрации способен преодо­леть сигнал SRY гена и сдвинуть развитие прогонад в направлении яични­ка. Этот ген рассматривается как реликт более примитивной Х-хромосом-ной системы детерминации пола.

Предполагается, что активность SRY гена является недостаточным усло­ вием появления семенников из потенциально бисексуальных гонад. Для появления клеток Сертоли, семявыносящих канальцев, клеток Лейдига и т. д. требуется его взаимодействие со многими аутосомальными и Х-хромосом- ными факторами. В эволюционном развитии все более усиливается взаимо­ связь гаметного и соматического полов. Направление дифференциации по­ ловых клеток на каждом этапе развития зависит не только от их собствен­ ной хромосомной конституции, но и от окружения, созданного соматичес­ кими клетками гонад. Детерминация пола в этом случае является сложным многокомпонентным процессом (Смирнов, 1997). ,

В отличие от Вольфовой системы Мюллерова не нуждается в гормональ­ной стимуляции, поэтому при всех сбоях в последовательности активации генов, кодирующих факторы дифференцировки гонад, формируется женс­кий зародыш. Мюллерова система имеет рецепторы к гормону, подавляю­щему ее собственное развитие, а Вольфова чувствительна только к андро-генам. Активность андрогенов продолжается приблизительно до 32-й неде­ли, а затем клетки Лейдига претерпевают обратное развитие.

Формирование женских и мужских половых органов. Уже отмечалось, что синдром Тернера связан с наличием только одной Х-хромосомы (ХО) у че­ловека, когда отсутствует и вторая Х-хромосома и Y-хромосома. У таких организмов нет ни мужских, ни женских гонад, но развиваются женские внутренние и наружные половые органы, поскольку для этого не нужны до-

3 84
полнительные факторы. Внутренние половые органы женщины формиру­ются из Мюллеровой системы, а на­ружные — под воздействием гормо­нов, вырабатываемых фетальными (fetus — плод, лат.) женскими поло­выми органами. Развитие внешних половых органов мужчины Опреде­ляется активностью яичек и выра­боткой ими фетальных андрогенов (рис. 17.3). Факторы, участвующие в становлении внутренних и внешних половых органов, обозначены на рис. 17.4.

С активностью фетальных гор­монов связана и дифференцировка определенных отделов мозга, регу­лирующих половые различия в по­ведении.

Половые хромосомы (гоносомы, гетеросомы) различаются как по строению (длина, положение центромеры, количество гетерохроматина), так и по содержанию генов.

Хромосома X - это субметацентрическая хромосома средних размеров, входит в группу С). Она есть в соматических клетках индивидов обоих полов: в двойном экземпляре у женщин с кариотипом 46,ХХ и в одном экземпляре у мужчин с кариотипом 46,ХY; а также в одном экземпляре во всех яйцеклетках и 50% сперматозоидов.Хромосома X богата эухроматиновыми участками и содержит 1336 генов, среди которых: соматические гены, регуляторные гены феминизации, структурные гены феминизации, структурные гены маскулинизации. Таким образом, хромосома Х является обязательной в кариотипе соматической клетки как женского, так и мужского полов.

Хромосома Y является мелкой акроцентрической хромосомой, входит в группу G; 2/3 дистального плеча q представлены гетерохроматином и генетически неактивны. Хромосома Y представлена одним экземпляром во всех соматических клетках индивидов мужского пола с кариотипом 46,XY и у 50% сперматозоидов. Она содержит 307 генов, среди которых: регуляторные гены маскулинизации (SRY + Tdf), гены, обеспечивающие фертильность (AZF1, AZF2), несколько структурных соматических генов и псевдогены.

Морфологические и генетические различия между хромосомами X и Y, а также отличия по количеству хромосом Х в кариотипе стало причиной генетического неравенства между полами (у женщин по сравнению с мужчинами двойная доза генов хромосомы Х. Однако это неравенство не проявляется, благодаря механизму компенсации, в результате которого функциональной остается только одна хромосома Х в соматических клетках и мужчин и женщин, а именно:

- в клетках 46,ХХ – активна только одна хромосома Х;

- в клетках 46,XY – активны хромосомы Х и Y;

- в клетках 47,ХХХ – активна только одна хромосома Х;

- в клетках 47,ХХY – активна только одна хромосома Х и одна хромосома Y;

- в клетках 48,ХХХY – активна только одна хромосома Х и одна Y;

Путем гетерохроматинизации одной из двух хромосом Х и женщин образуется половой хроматин Х, а в результате гетерохроматинизации 2/3q хромосомы Y у лиц мужского пола образуется половой хроматин Y.

Половой хроматин Х:

- представляет инактивированную хромосому Х. в форме факультативного гетерохроматина, в соматических клетках 46,ХХ;

- выявляется в интерфазных ядрах соматических клеток в виде тельца Барра размером около 1µm;

- тест Барра используется для определения количества хромосом Х в кариотипе в норме и в случае гносомных анеуплоидий;

- число хр.Х = числу телец Барра + 1 (активная хр.Х);

46,ХХ – 1 тельце Барра;

46,ХY – отсутствует тельце Барра;

47,ХХХ – 2 тельца Барра;

47,ХХY – 1 тельце Барра;

45,Х – отсутствует тельце Барра;

48,ХХХХ – 3 тельца Барра.

Половой хроматин Y:

- представлен 2/3 плеча Y q хромосомы Y, в форме конститутивного гетерохроматина, в соматических клетках 46,XY и сперматозоидах 23,Y;

- выявляется в интерфазных ядрах клеток в виде тельца F (флуоресцентного) размером около 1µm;

- тест F используется для идентификации хромосомы Y (пренатальное определение пола);

- число хр.Y = числу телец F;

46,ХХ – отсутствует тельце F;

46,ХY – 1 тельце F;

47,ХYY – 2 тельца F;

47,ХХY – 1 тельце F;

48,ХХYY – 2 тельца F;

46,X,i(Yp) – отсутствует тельце F;

46,X,i(Yq) – 1(0,5 µm) тельце F.

В 1949 г. М.Барр и Ч.Бертрам обнаружили в ядрах нервных клеток кошки крупную глыбку хроматина. Она выявлялась у самок и отсутствовала у самцов. Позже было установлено, что это спирализованная Х-хромосома. Эту глыбку хроматина назвали тельцем Барра. Тельце Барра может быть прикреплено к ядрышку, к ядерной оболочке,

В 1962 году Мари Лайон высказала гипотезу об инактивации одной Х-хромосомы у женских особей млекопитающих.Каждая клетка женского зародыша содержит две Х-хромосомы – одну материнскую (Хм), вторую – отцовскую (Хо). До 16-го дня эмбриогенеза при дроблении в каждую клетку попадают две активные Х-хромосомы. На 16-й день происходит инактивация одной из Х-хромосом – с одинаковой вероятностью – отцовской или материнской. Процесс инактивации случайный,поэтому в половине клеток остается активной отцовская Х-хромосома, в другой половине клеток активной будет материнская Х-хромосома. Материнская и отцовская Х-хромосомы содержат аллельные гены (доминантные и рецессивные). В клетках могут синтезироваться два вариантаферментов, которые различаются по сродству к субстрату или по рН-показателям. Это обеспечивает женским организмам более широкие возможности адаптаций к условиям окружающей среды. Суть женского мозаицизма по половым хромосомам – содержание в разных клетках разных активных Х-хромосом – от отца и от матери. Теоретически соотношение мужских и женских гамет (соотношение полов) в момент оплодотворения составляет примерно 1 : 1. Первичное соотношение полов в момент зачатия: на 100 женских зигот 140-150 мужских зигот.Объяснить это можно тем, что сперматозоиды с Y-хромосомой легче, подвижнее, имеют отрицательный заряд (у яйцеклетки он положительный) и обладают положительным хемотаксисом на вещества, выделяемые яйцеклеткой. Сперматозоиды, содержащие Y-хромосому, чаще оплодотворяют яйцеклетку.

Вторичное соотношение полов (в момент рождения): 100 ♀ : 106 ♂ Такое соотношение можно объяснить большей жизнестойкостью женских зигот (по гипотезе М.Лайон), гемизиготностью мужских зигот (у них проявляются все рецессивные гены) и чужеродностью (по белкам) для материнского организма мужской зиготы.

Вторичное соотношение полов может зависеть от ряда факторов:

1) от возраста матери (при беременности) - при возрасте 18-20 лет на 100♀ - 120♂; при возрасте 32-40 лет на 100♀ - 90♂;

2) при первых родах чаще бывают мальчики;

3) при токсикозах беременности и стрессовых воздействиях – больше рождается девочек.

Третичное соотношение (постнатальный период):

к 20-ти годам – на 100 ♀ : 100 ♂;

к 50-ти годам – на 100 ♀ : 85 ♂;

к 80-ти годам – на 100 ♀ : 50 ♂.

Это соотношение также можно объяснить большей жизнестойкостью женского организма и большей гибелью мужчин в постнатальный период (от болезней, в войнах, при выполнении тяжелого физического труда, от вредных привычек, в автокатастрофах).

Анализ наследования признака окраски глаз у дрозофилы в лаборатории Т. Моргана выявил некоторые особенности, заставившие выделить в качестве отдельного типа наследования признаков сцепленное с полом наследование.

Зависимость результатов эксперимента от того, кто из родителей являлся носителем доминантного варианта признака, позволила высказать предположение, что ген, определяющий окраску глаз у дрозофилы, расположен в Х-хромосоме и не имеет гомолога в Y-хромосоме. Все особенности сцепленного с полом наследования объясняются неодинаковой дозой соответствующих генов у представителей разного— гомо- и гетерогаметного пола.

Гомогаметный пол несет двойную дозу генов, расположенных в Х-хромосоме. Развитие соответствующих признаков у гетерозигот (Х^AХ^a) зависит от характера взаимодействия между аллельными генами. Гетерогаметный пол имеет одну Х-хромосому (ХО или XY). У некоторых видов Y-хромосома генетически инертна, у других она содержит некоторое количество структурных генов, часть из которых гомологична генам Х-хромосомы. Гены негомологичных участков Х- и Y-хромосом (или единственной Х-хромосомы) у гетерогаметного пола находятся вгемизиготномсостоянии. Они представлены единственной дозой: Х^AY, Х^aХ, XY^B. Формирование таких признаков у гетерогаметного пола определяется тем, какой аллель данного гена присутствует в генотипе организма.

Характер наследования сцепленных с полом признаков в ряду поколений зависит от того, в какой хромосоме находится соответствующий ген. В связи с этим различают Х-сцепленное и Y-сцепленное (голандрическое) наследование.

Х-сцепленное наследование.

Х-хромосома присутствует в кариотипе каждой особи, поэтому признаки, определяемые генами этой хромосомы, формируются у представителей как женского, так и мужского пола. Особи гомогаметного пола получают эти гены от обоих родителей и через свои гаметы передают их всем потомкам. Представители гетерогаметного пола получают единственную Х- хромосому от гомогаметного родителя и передают ее своему гомогаметному потомству. У млекопитающих (в том числе и человека) мужской пол получает Х- сцепленные гены от матери и передает их дочерям. При этом мужской пол никогда не наследует отцовского Х-сцепленного признака и не передает его своим сыновьям.

Так как у гомогаметного пола признак развивается в результате взаимодействия аллельных генов, различают Х-сцепленное доминантное и Х-сцепленное рецессивное наследование. Х-сцепленный доминантный признак(красный цвет глаз у дрозофилы) передается самкой всему потомству. Самец передает свой Х-сцепленный доминантный признак лишь самкам следующего поколения. Самки могут наследовать такой признак от обоих родителей, а самцы — только от матери.

Х-сцепленный рецессивный признак, (белый цвет глаз у дрозофилы) у самок проявляется только при получении ими соответствующего аллеля от обоих родителей (X^aX^a). У самцов X^aY он развивается при получении рецессивного аллеля от матери. Рецессивные самки передают рецессивный аллель потомкам любого пола, а рецессивные самцы — только «дочерям».

При Х-сцепленном наследовании, так же как и при аутосомном, возможен промежуточный характер проявления признака у гетерозигот. Например, у кошек пигментация шерсти контролируется Х-сцепленным геном, разные аллели которого определяют черную (X^Aи рыжую (X^A’) пигментацию. Гетерозиготные самки X^AX^A’ имеют пеструю окраску шерсти. Самцы же могут быть либо черными (X^AY, либо рыжими (X^A’Y).

Голандрическое наследование.

Активно функционирующие гены Y-хромосомы, не имеющие аллелей в Х-хромосоме, присутствуют в генотипе только гетерогаметного пола, причем в гемизиготном состоянии. Поэтому они проявляются фенотипически и передаются из поколения в поколение лишь у представителей гетерогаметного пола. Так, у человека признак гипертрихоза ушной раковины («волосатые уши») наблюдается исключительно у мужчин и наследуется от отца к сыну.

У человека X-хромосома, которую мужчина получает от матери, несет геныдальтонизма(цветовой слепоты) игемофилии(несвертываемос­ти крови). Эти гены рецессивны; у женщин названные болезни проявляются крайне редко, а у мужчин чаще, так как в Y-xpoмосомах мужчин нет доминантного аллеля, подавляющего дей­ствие этих генов,Y-хромосоманесет такие признаки, как, на пример,волосатость мочки ушей,перепонка между пальцами ног, поэтому эти признаки проявляются только у мужчин как носителей Y-хромосомы. Всего с полом сцеплено около 120 при­знаков.

Признаки голандрические - признаки, которые детерминируются генами негомологичного участка Y-хромосомы. В отличие от аутосом и Х-хромосомы, Y-хромосома несет сравнительно мало генов (по последним данным международного каталога генов OMIM, всего около 40).

Небольшая часть таких генов гомологична генам X-хромосомы, остальные присутствующие только у мужчин, участвуют в контроле детерминации пола и сперматогенеза. Так, на Y-хромосоме находятся гены SRY и AZF, ответственные за программу половой дифференцировки.

Мутации в любом из этих генов приводят к нарушениям развития яичек и блоку сперматогенеза, что выражается в азооспермии. Такие мужчины страдают бесплодием, и потому их заболевание не наследуется. Мужчин с жалобами на бесплодие необходимо обследовать на наличие мутаций в указанных генах. Мутациями в одном из генов, расположенных на Y-хромосоме, обусловлены некоторые формы ихтиоза (рыбья кожа).

Примеры признаков: гипертрихоз ушных раковин, избыточный рост волос на средних фалангах пальцев кистей, азооспермия, синдактилия, повышенное ороговение кожи, ихтиоз.

Особенности: передача признака от отца всем сыновьям и только сыновьям, дочери никогда не наследуют признак от отца, больные во всех поколениях, вертикальный характер наследования признака, вероятность наследования для лиц мужского пола равна 100%.