ГЕНЕТИКА ПОЛА И НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ, СЦЕПЛЕННЫХ С ПОЛОМ

ТИПЫ ХРОМОСОМНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛА Самка Самец 1.Protenor, у большинства прямокрылых,пауков,многоножек,нематод ХХ ХО 2.Lygaeus,двукрылые насекомые, рыбы и млекопитающиеся и др. ХХ ХУ 3.Abraxas, птицы, бабочки пресмыкающиеся и р ZW ZZ 4. Моль ХО ХХ 5. Кузнечик ХХ ХО 6. Перепончатокрылые 2 п 1 п

Наряду с генетическим факторами (наличие половых хромосом того или иного типа) на формирование пола у рыб, земноводных и пресмыкающихся оказывают влияние факторы внешней среды. У гермафродитных рыб выведение из икры самцов или самок может зависеть от различных факторов, в числе которых: pH среды, наличие питательных веществ, температура и др. У рептилий - температура инкубации яиц (черепахи, крокодилы, аллигаторы, некоторые ящерицы (гекконы).

Зависящее от температуры (инкубации яиц) определение пола у трех представителей класса пресмыкающихся: грифовая и красноухая черепахи и аллигатор

У эхиуриды Bonellia (организма, обитающего на морском каменистом грунте) формирование пола происходит у личинки в зависимости от места её прикрепления к поддерживающей среде. При осаждении на скалистый грунт формируется самка (тело - 10 см, ротовой хоботок -proboscis -около метра), при осаждении на proboscis самки - формируется самец (1-3 мм длиной), который мигрирует по кишечнику и обитает в матке (или нефридии), оплодотворяя яйца

Нематода Caenorhabditis elegans имеет два пола: XX - гермафродиты (более 99% популяции) и X0 -самцы. У взрослой особи (гермафродита) число соматических клеток тела- 959 (у первой личинки -558). Число половых клеток больше (более 1500). В случае самооплодотворения 0,2% новых особей -самцы, остальные -гермафродиты, в случае спаривания особей XX и X0 - половина новых особей - самцы.

Р красные глаза х белые глаза Р белые глаза х красные глаза Х А Х А Х а У Х а Х а Х А У F 1 красные глаза красные глаза F 1 красные глаза белые глаза Х А Х а Х А У Х А Х а Х а У F 2 красные глаза красные глаза F 2 красные гл. белые глаза Х А Х а Х А У Х А Х а Х а У красные глаза белые глаза белые глаза красные глаза Х А Х А Х а У Х а Х а Х А У Х А Х а красные глаза Х А У красные глаза белые глаза Х А Х а Х а У

Хромосомная детерминация пола у Drosophila Особи генотипа XX -самки и генотипа XY -самцы. В случае генотипа X0 -также образуются самцы, но стерильные У дрозофилы (и у многих других насекомых) нет гормонального контроля формообразования пола. В 1919 г. Бриджес, на основании результатов, полученных при скрещивании триплоидных самок с диплоидными самцами,пришел к выводу,что пол у дрозофилы определяется соотношением числа X-хромосом к числу наборов аутосом (X:A). В случае X:A =1 -пол женский, в случае X:A = 0, 5 -пол мужской,в случае Х : А = более 1 – сверхсамка, в случае Х : А =менее О,5 – сверхсамец, в случае Х : А = от 1 до 0,5 - интерсекс (Балансовая гипотеза определения пола К. Бриджеса).

Гинандроморфы дрозофилы и мотылька, образовавшиеся в результате утраты в раннем развитии из ряда клеток одной из X-хромосом. В результате организм содержит частично женские, частично мужские структуры

Гинандромор юный организм у которого одна половина мужская (ZZ), а другая – женская (ZW);

Пол у дрозофилы определяется генами:Sex-lethal(Sxl), transfopmer(tra), transfopmer 2(tra-2), doublexes(dsx) M и F, intersex (in), sisterless(sis)a и b, daughterless( da). Многоступенчатый процесс половой детерминации начинается с образования комплекса из белковых продуктов генов sis-a и sis-b,расположенных в Х-хромосоме, и аутосомного гена da. К-во продуктов генов sis-a и sis-в находится в прямой зависимости от числа Х-хромосом у эмбриона: одна доза у особей Х\2А и две - у ХХ /2А.К-во продукта гена da одинаково у самок и самцов, так как этот ген локализуется в аутосоме.Этот белковый комплекс взаимодействует с регуляторным районом гена Sxl, в состав которого входит ранний и поздний промотор стимулирующий транскрипцию Sxl. Наличие большого числа комплексных молекул sis/da у эмбриона ХХ /2А вызывает активацию раннего промотора на стадии бластодермы, что приводит к формированию фенотипа самки.У эмбрионов Х\2А число комплексов sis/da уменьшено вдвое и активация раннего промотора не происходит и ген Sxl не включается. На следующей стадии развития дрозофилы происходит активация позднего промотора, продукт гена Sxl,содержащего 8 экзонов, взаимодействует поэтапно с генами tra и dsx.Результаты этого взаимодействия зависят от соотношения Х/А.У эмбрионов 2Х/2А ген Sxl ( в его составе экзоны 1,2, 4- 8) кодирует функционально полноценный белок,который вступает во взаимодействие с геном tra, который в комплексе с продуктом гена tra 2 обеспечивает образование специфической для самок РНК гена dsx F. Продукт этого типа вовлекает в цепь формирование пола дрозофилы еще один ген intersex Именно за счет белковых продуктов гена dsx F и in на заключительных этапах инактивируются многие гены, которые могли бы репрессировать формирование женского фенотипа.

У эмбрионов ХУ/2А в ходе развития первичного транскрипта гена Sxl вслед за экзонами 1 и 2 считывается экзон 3, на котором транскрипция заканчивается из-за наличия в нем большого числа стоп кодонов. Усеченный продукт гена Sxl обуславливает специфическое считывание гена tra в результате чего белок tra тоже оказывается не функциональным. При отсутствии функционального продукта гена tra не синтезируется и полноценный продукт гена tra-2 и с альтернативного набора экзонов гена dsx считывается белок dsxM репрессирующий развитие самки и в результате формируется особь с фенотипом самца

Гены нумераторы (числителя), локализованные на X-хромосоме, кодируют факторы транскрипции sisterless-a, sisterless-b=scute (sis- a,sis-b), runt (runt), активирующие транскрипцию гена sxl с проксимального промотора. Гены деноминаторы (знаменателя), локализованные на аутосомах, кодируют факторы транскрипции deadpan (dpn), daughterless (da), extramacrohaeta (emc) и др., которые репрессируют активацию гена sex-lethal (sxl) с проксимального промотора. Активаторы (белки-нумераторы)и репрессоры (белки- деноминаторы) способны комплекс кровать и решающим событием в активации sxl является преодоление возможности репрессоров угнетать действие активаторов. В случае активации sxl c раннего (ближнего) промотора (при отношении X:A=1) (генотип -XX) альтернативный сплайсинг осуществляется с образованием функционально активного белкового продукта sxl, который, являясь фактором сплайсинга, взаимодействует с собственной пре-и РНКи закрепляет этот же вариант сплайсинга sxl для дальнейших целей. В случае отношения X:A=0,5 (генотип XY/X0) в транскрипционном комплексе преобладают репрессоры, sxl не транскрибируется с раннего (проксимального) промотора

Схематическое представление генетической программы детерминации пола Drosophila, определяемое соотношением X:A. Детерминация пола по мужскому или женскому типу определяется по цепочке генов: sex- lethal, transformer, doublesex, последовательно регулирующих друг друга путём альтернативного сплайсинга. Формирующийся в конечном счёте фактор транскрипции doublesex существует в виде двух вариантов - dsx F (самки) dsx M самца), что и определяет будущий пол.

Y- хромосома человека является наименьшей по размеру из 24 хромосом человека и содержит около 2-3% ДНК гаплоидного генома. В Y-хромосоме выделяют несколько областей: -псевдо аутосомные области (РАRs) ; - эухроматиновую область короткого плеча (Yр 11); -эухроматиновую область проксимальной части длинного плеча (Yq 11); -гетерохроматиновую область дистальной части длинного плеча (Yq12) ; -область прицентромерного гетерохроматина. При анализе Y-хромосомы выяснилось, что гипотетический фактор, отвечающий за формирование пола, существует в действительности- это ген SRY/Sry (sex region of Y-chromosome), локализован на коротком плече Y-хромосомы.

Гены NRY можно подразделить на три класса: Первый – это гены, определяющие развитие мужских репродуктивных структур. У млекопитающих это ген SRY. Ко второму принадлежат гены домашнего хозяйства, имеющие гомологов на Х хромосоме, часть которых избегает инактивации. У человека известно более десяти таких генов, в том числе ген SHOX (short stature homeobox), который локализован в коротком плече Х-хромосомы, в позиции и в коротком плече Y-хромосомы в позиции 11.3.). При генотипе ХО одиночная копия SHOX связана с синдромом Шерешевского-Тернера, три копиях этого гена в случае ХХY - синдром Клайнфельтера. Гены третьей группы принадлежат семейству генов, специфически экспрессирующихся в мужских репродуктивных органах и определяющих подвижность сперматозоидов и нормальное течение гаметогенеза NRY у изученных видов имеет низкую генную плотность, высокую насыщенность ретро элементами и повторяющимися последовательностями, а также наличием инверсий Ген SRY (sex determiming region Y) локализован в коротком плече Y хромосомы человека на границе PAR1 (Yp11/31-32), не имеет гомолога на Х хромосоме. Ген SRY длиной 1 т.п.н. консервативен у всех млекопитающих, не содержит интронов и кодирует множественный транскрипционный фактор с тремя связывающими доменами. Первый - ДНК-связывающий домен HMG-бокс (higher mobility group) с консервативным участком из 79 аминокислотных остатков, который может связываться с регуляторными последовательностями ДНК и изменять ее архитектуру. Второй – CaM-(calmodulin) Са-связывающий белок, обеспечивающий транспорт Са. Третий- Impß (импортин-ß), являющийся транспортным белком. Такая многофункциональность белка SRY свидетельствует о его участии в регуляции действия многих генов... SRY - один из членов большого семейства генов (более 20 членов), 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.

Первичная детерминация пола – это детерминация гонад. Семенники и яичники формируются из бипотенциальных гонад в зависимости от полового генотипа XY или XX. При наличии Y-хромосомы, в независимости от числа X-хромосом, пол гонады мужской Вторичная детерминация пола - определяет фенотип особи вне гонад. Она затрагивает системы выводящих канальцев и протоков самцов и самок, формы их гениталий. Вторичные половые признаки контролируются гормонами, секретируемыми половыми железами. Удаление гонад приводит к формированию женского фенотипа безотносительно к половому генотипу.

На стадии дифференцировки Вольфовы и Мюллеровы протоки подвергаются пол- специфической редукции. У самцов Мюллеров проток дегенерирует под влиянием АМН(анимюллеров гормон), Вольфов проток под действием тестостерона дифференцируется в эпидидимикус и семявыводящий проток, под действием 5 а-дигидротестостерона формируется пенис и мошонка. У самок в отсутствие АМН, Мюллеров проток дифференциируется в яйцевод, матку и верхнюю часть влагалища, в то же время Вольфовы протоки подвергается дегенерации Ген АМН картирован в коротком плече хромосомы 19 (p ), содержит пять экзонов и кодирует белок гликопротени. АМН связывается сос специфическим рецепторным комплексом и активирует его. Промотор гена АМН содержит SRY-распознающий сайт, с которым связывается консенсусная последовательность SRY – AACAAT/A. Для нормального развития мужских половых органов необходим не только достаточный уровень андрогенов, но и нормально функционирующие андрогеновые рецепторы. В отсутствие рецепторов развиваются различные варианты синдрома нечувствительности к андрогенам (AIS). Андрогеновый рецептор кодируется геном AR, который локализован в Х- хромосоме (q11). Андрогены (тестостерон и особенно дигидротестостерон) определяют судьбу бипотенциальных клеток в области закладки наружных гениталий. Мутации в генах, кодирующих рецепторы андрогенов и фермент 5-d –редуктазу, приводят к нарушениям полового развития, объединенным в группу мужского псевдогермафродитизма, т.е. врожденной патологии полового развития, при которых генетический, гонадический и гормональный пол мужские, но нарушенные половые органы, имеют черты незавершенной маскулинизации либо недоразвитый женский тип строения. Гонадный дисгенез может быть связан аутосомным локусом (sex reversal on chromosome 17), который также сопровождается сильным нарушением развития скелетной системы – известной как синдром CD (campomelic dysplasia). В локусе (q24-q25) хромосомы 17 картирован ген SOX9 (Sry-related HMG-box) кодирует транскрипционный фактор, содержащий ДНК-связывающий (HMG) и белок-связывающий домены. У пациентов ХХ с нарушениями развития скелетной системы (синдром CD) и нормальным развитием гонад была обнаружена только одна копия гена SOX9. Дополнительная копия SOX9 у XX пациентов приводит к реверси пола и мужскому фенотипу, даже если они не имеют гена SRY. 75% пациентов с синдромом CD и генотипом XY развиваются как фенотипические женщины

Sox9 необходим для экспрессии гена AMH (Anti-Muller hormone) и дифференцировки тестикул у самцов мыши. Было показано, что Sox9 связывается c первым промоторным сайтом AMH, при связывании комплекса из Sf1 и Wt1 со вторым промоторным сайтом AMH, экспрессия гена усиливается и клетки Сертоли продуцируют Анти-Мюллеров гормон. SOX9 выявлен у всех позвоночных, что свидетельствует о его высокой консервативности на протяжении эволюции.

Ген DAX1 был выявлен при молекулярно- генетического анализе двух сестер с генотипом ХY. Реверсия пола у них была обусловлена локусом с дуплицированным участком на Х хромосоме, так называемый дозо-чувствительный локус DSS (dosage-sensitive sex reversal). В этом локусе был идентифицирован ген DAX1, содержащий два экзона. DAX1 кодирует гормональный ядерный рецептор, имеющий белок-связывающий домен, поэтому регуляцию экспрессии осуществляет через белок-белковые взаимодействия, не связывается с ДНК. Роль DAX1 заключается не только в развитии яичников, но и пролиферации клеток, необходимых для формирования тестисов.

Каскады регуляций, контролирующих формирование половых структур самки и самца дрозофилы

Альтернативный сплайсинг -основной путь реализации программы детерминации пола у дрозофилы (последовательность событий)

По ходу развития, когда sxl начинает транскрибироваться с позднего (дистального) промотора, альтернативный сплайсинг sxl при генотипе XY/X0 идет с сохранением третьего экзона, в котором находится стоп-кодон. В результате чего белковый продукт sxl у самца - дефектен. Он не способен функционировать как фактор сплайсинга. Напротив, белковый продукт sxl самки (XX)-функционально активный фактор сплайсинга не только для своей РНК, но и для пре-иРНК гена transformer (tra), что предопрделяет образование белка tra как следующего фактора сплайсинга, модифицирующего (совместно с другим белком- tra2) сплайсинг следующего в каскаде гена – doublesex (dsx). В результате образуется фактор транскрипции -Dsx F (фенотипа самки). В отсутствии активного tra-белка сплайсинг dsx проходит по другому варианту и образуется видоизмененный фактор транскрипцииDsx M (фенотипа самца).

В каскад включены гены Sxl, tra,tra2, ix и dxx. Прямоугольники с цифрами обозначают кодирующие части генов - экзоны. Закрашенные части экзонов представляют собой участки, кодирующие аминокислоты.Зигзагами показаны интроны Каскад генных взаимодействий. приводящих к формированию соматических половыхпризнаков самца (а) и самки (б) (Belote, 1992)

Формирование мужской и женской половых гонад у дрозофилы под контролем различных форм Dsx ( After et. al.2001)

Роли Dsx M и Dsx F в формировании пола у дрозофилы. Dsx- транскрипционный фактор, действующий как репрессор или как активатор, для каждого пола в альтернативной манере

Первичная и вторичная детерминация пола у млекопитающих Первичная детерминация пола – это детерминация гонад. Семенники и яичники формируются из бипотенциальных гонад в зависимости от полового генотипа XY или XX. При наличии Y- хромосомы, в независимости от числа X-хромосом, пол гонады мужской Вторичная детерминация пола - определяет фенотип особи вне гонад. Она затрагивает системы выводящих канальцев и протоков самцов и самок, формы их гениталий. Вторичные половые признаки контролируются гормонами, секретируемыми половыми железами. Удаление гонад приводит к формированию женского фенотипа безотносительно к половому генотипу. Дифференцировка бипотенциальных гонад и образование половых структур из Вольфова и Мюллерова протокоД

Развитие пола у млекопитающих - процесс, состоящий из двух этапов: 1. хромосомный состав ядра определяет половую дифференциацию гонад, которые развиваются либо в семенники( ХУ/ 2А), либо в яичники ( ХХ/2А).В семенниках синтезируется гормон тестостерон, под влиянием которого вторичные половые признаки развиваются по мужскому типу, отсутствие тестостерона - развитие вторичных половых признаков идет по женскому типу.Образование семенников контролируется геном расположенным в У-хромосоме.Локализация гена,определяющего пол, было доказано при изучении наследования доминантного признака sex- reversed (Sxr) у мышей.Наличие гена Sxr приводит к тому, что зиготы ХХ /2А развиваются по мужскому типу.Исследование генома таких самцов выявило на Х-хромомоме участка ДНК, характерного для У- хромосомы( т.е. Х-хромосома имеет транслоцированный участок У- хромосомы) Определение пола у мыши Мышь с половым генотипом ХХ, трансгенная по гену SRY (справа), в норме локализованным на y-хромосоме, обладает фенотипом самца

При анализе Y-хромосомы выяснилось, что гипотетический фактор, отвечающий за формирование пола, существует в действительности- это ген SRY/Sry (sex region of Y- chromosome), локализован на коротком плече Y- хромосомы. Это транскрипционный фактор, он содержит HMG-домен (79 ам.к)и относится к семейству SOX-белков. На X-хромосоме гена SRY нет. Ген был найден также в редких случаях у лиц мужского пола с генотипом XX, которые содержали транслоцированный ген SRY. Для детерминации мужского фенотипа нужна также активность другого гена Sox-семейства - SOX9, локализованного на аутосоме. Мутация по нему вызывает превращение особей XY в самок или в гермафродитов. Гены SRY и SOX9 экспрессируются вместе в половых (гонадных) валиках самцов

Экспрессия гена Sry приводит к активации генов SF1 и Sox9 в тех же клетках. Взаимодействие генов Sox9 и SF1(стероидогенного фактора) важно для активации гена антимюллерова гормона (Amh) в клетках Сертоли, вызывающего дегенерацию мюллерова протока.Эти же факторы транскрипции в клетках Лейдига стимулируют образование и секрецию тестостерона. Стероидогенный фактор SF1 может функционировать в клетках гонад обоих типов.(After Arango et al 1999)

Выявление гена DAX1 на X-хромосоме, ответственного за формирование женского пола. Ген был идентифицирован на X-хромосоме (в виде двух копий) при анализе двух близнецов с женским фенотипом, но с генотипом ХУ

Каскады регуляции, паракринными и транскрипционными факторами, ведущие к образованию альтернативных половых фенотипов млекопитающих

Тестостерон и 5 -дигидротестостерон - андрогены. Тестостерон синтезируется в клетках Лейдига и отвечает за образование эпидидимиса, семенных пузырьков, vas diferens и, в меньшей степени, за образование мошонки и пениса. Дигидротестостерон образуется из тестостерона (фермент- 5 кетостероидредуктаза), синтезируется позднее в мочеполовом синусе и в семенных пузырьках, более активен в индукции образования уретры, простаты, мошонки и пениса. Небольшая община в Доминиканской республике имеет членов, несущих мутацию по ферменту кетостероидредуктазе, и, следовательно, не содержащих дигидротестостерона. Эти люди с генотипом XY до полового созревания имеют неразвитые внешние женские признаки, но при половом созревании большие количества тестостерона все же стимулируют образование мошонки и пениса и эти люди идентифицируются как юноши. В клетках Лейдига, кроме тестостерона, синтезируется (и секретируется из клеток) инсулин-подобный гормон 3 - (Insl- 3).

Нематода Caenorhabditis elegans имеет два пола: XX - гермафродиты (более 99% популяции) и X0 -самцы. У взрослой особи (гермафродита) число соматических клеток тела- 959 (у первой личинки -558). Число половых клеток больше (более 1500). В случае самооплодотворения 0,2% новых особей -самцы, остальные -гермафродиты, в случае спаривания особей XX и X0 - половина новых особей - самцы.

Детерминация первичных половых клеток по мужскому или женскому пути у гермафордитов осуществляется в два этапа: 2 этап -выбор между сперматогенезом и оогенезом контролируется на уровне трансляции иРНК fem3 белками Nanos и Pumilio (гомологами одноименных белков дрозофилы). Одновременное присутствие Pumilio и Nanos блокирует трансляцию иРНКfem3 и, как следствие, осуществляется оогенез