Генетика статі. ЗЧЕПЛЕННЕ УСПАДКУВАННЯ, ПОВНЕ І НЕПОВНЕ ЗЧЕПЛЕННЯ. КРОСИНГОВЕР, ЙОГО МЕХАНІЗМ ТА БІОЛОГІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ.

Генетика статі. ЗЧЕПЛЕННЕ УСПАДКУВАННЯ, ПОВНЕ І НЕПОВНЕ ЗЧЕПЛЕННЯ. КРОСИНГОВЕР, ЙОГО МЕХАНІЗМ ТА БІОЛОГІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ.

 

Явище зчепленого успадкування було відкрите американським ученим Т.Морганом, який сформулював закон зчепленого успадкування. Саме він та його школа – А.Стертевант, Г.Меллер, К. Бріджес (1910-1925) сформулював хромосомну теорію спадковості сформулювали і експериментально обгрунтували в дослідах на плодовій мушці дрозофілі (Drosophila melanogaster)

Томас Хант Морган (англ. Thomas Hunt Morgan; 25 вересня 1866, Лексінгтон — 4 грудня 1945 Пасадіна) — американський біолог, один з основоположників генетики, іноземний член-кореспондент РАН (1923) і іноземний почесний член АН СРСР, голова Шостого Міжнародного конгресу з генетики в Ітака, штат Нью-Йорк (1932). Лауреат Нобелівської премії з фізіології та медицини 1933 року «За відкриття, пов’язані з роллю хромосом у спадковості».

Томас Хант Морган

В 1902 У. Сеттон в США, що звернув увагу на паралелізм в поведінці хромосом т.з. «спадкових чинників» за Менделем. Т. Бовері в Германії висунув хромосомну гіпотезу спадковості, згідно якої спадкові чинники (згодом-гени) Менделя локалізовані в хромосомах. Перші підтвердження цієї гіпотези були отримані при вивченні генетичного механізму визначення статі у тварин, коли було з’ясовано, що в основі цього механізму лежить розподіл статевих хромосом серед нащадків. Подальше обгрунтування хромосомної теорії спадковості  належить американському генетикові Т. Х.Моргану, який відмітив, що передача деяких генів (наприклад, гена, обумовлюючого білі очі у самок дрозофіли при схрещуванні з червоноокими самцями) пов’язана з передачею статевої Х-хромосоми. Тобто виявилося, що успадковуються ознаки, зчеплені зі статтю(у людини відомо декілька десятків таких ознак, у тому числі деякі спадкові дефекти — дальтонізм, гемофілія і ін.).

Доказ хромосомної теорії спадковості було отримано в 1913 американським генетиком До. Бріджесом, що відкрив нерозходження хромосом в процесі мейозу у самок дрозофіли і відзначив, що порушення в розподілі статевих хромосом супроводиться змінами в успадкуванні ознак, зчеплених зі статтю.

З розвитком хромосомної теорії спадковості  було встановлено, що гени, розташовані в одній хромосомі, складають одну групу зчеплення і повинні успадковуватися спільно; число груп зчеплення дорівнює числу пар хромосом, постійному для кожного виду організмів; ознаки, залежні від зчеплених генів, також успадковуються спільно. Внаслідок цього закон незалежного комбінування ознак повинен мати обмежене використання; незалежно повинні успадковуватися ознаки, гени яких розташовані в різних (негомологічних) хромосомах. Явище неповного зчеплення генів (коли поряд з батьківськими поєднаннями ознак в потомстві від схрещувань виявляються і нові рекомбінантні, їх поєднання) було детально досліджено Морганом і його співробітниками (А. Р. Стертевантом і ін.) і послужило обгрунтуванням лінійного розташування генів в хромосомах. Морган передбачив, що зчеплені гени гомологічних хромосом, що знаходяться у батьків в одній групі зчеплення в мейозі в гетерозиготної форми можуть мінятися місцями, внаслідок чого поряд з гаметамі АВ і ab утворюються гамети Ab і аВ. Подібні перекомбінації відбуваються завдяки розривам гомологічних хромосом на ділянці між генами  і подальшому з’єднанню розірваних кінців в новому поєднанні: Реальність цього процесу, названого перехрещенням хромосом, або кросинговером, була доведена в 1933 йому, ученим К. Штерном в дослідах з дрозофілою і американськими ученими Х. Крейтономі Б. Мак-Клінток — з кукурудзою. Чим далі один від одного розташовані зчеплені гени, тим більша вірогідність кросинговеру між ними. Залежність частоти кросинговеру від відстаней між зчепленими генами була використана для побудови генетичних карт хромосом. В 30-х рр. 20 ст Ф. Добржанський показав, що порядок розміщення генів на генетичних і цитологичних картах хромосом збігається.

Згідно з уявленнями вчених школи Моргана, гени є дискретними і неділимими носіями спадкової інформації. Проте відкриття в 1925 радянськими ученими Г. А. Надсоном і Г. С. Філіпповим, а в 1927 американським вченим Р.  Меллером   впливу рентгенівських променів на виникнення спадкових змін ( мутацій ) в дрозофіли, а також використання рентгенівських променів для прискорення мутаційного процесу в дрозофіли дозволили радянським ученим А. С. Серебровському, Н. П. Дубініну і ін. сформулювати в 1928—30 р.р. уявлення про подільність гена на дрібніші одиниці, розташовані в лінійній послідовності і їх схильність до мутаційних змін. У 1957 ці висновки були доведені роботою американського ученого С.Бензера з бактеріофагом Т4. Використання рентгенівських променів для стимулювання хромосомних перебудов дозволило Н. П. Дубініну і Б. Н. Сидорову виявити в 1934 ефект положення гена (відкритий в 1925 Стертевантом), тобто залежність прояву гена від місця розташування його на хромосомі. Виникло уявлення про єдність дискретності і безперервності в будові хромосоми.

Хромосомна  теорія спадковості розвивається у напрямі поглиблення знань про універсальних носіїв спадкової інформації — молекул дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Встановлено, що безперервна послідовність пуринових і піримідинових основ уздовж ланцюга ДНК(дезоксирибонуклеїнової кислоти) утворює гени, міжгенні інтервали, знаки початку і кінця зчитування інформації в межах гена; визначає спадковий характер синтезу специфічних білків клітини і, отже, спадковий характер обміну речовин. ДНК складає матеріальну основу групи зчеплення у бактерій і багатьох вірусів (в деяких вірусів носієм спадкової інформації є рибонуклеїнова кислота ); молекули ДНК, що входить до складу мітохондрій, пластид і ін.органел клітки, служать матеріальними носіями цитоплазматичної спадковості.

Хромосомна теорія спадковості пояснює закономірності успадкування ознак у тварин і рослинних організмів, грає важливу роль в сільськогосподарський науці і практиці. Вона озброює селекціонерів методами виведення порід тварин і сортів рослин із заданими властивостями. Деякі положення хромосомну теорії спадковості дозволяють раціональніше вести сільськогосподарське виробництво. Так, явище зчепленого зі статтю успадкування ряду ознак в сільськогосподарських тварин дозволило  виявити методи штучного регулювання статі в тутового шовкопряда, вибраковувати кокони менш продуктивної статі, способи розділення курчат за ознакою статі відповідно до досліджень клоаки — відбраковувати півники і т.п. Найважливіше значення для підвищення врожайності багатьох сільськогосподарських культур має використання поліплоїдії. На знанні закономірностей хромосомних перебудов грунтується вивчення спадкових захворювань людини.

 

Основні положення хромосомної теорії спадковості: 

1.     Гени знаходяться в хромосомах. Гени, розташовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення. Число груп зчеплення генів у кожного виду організмів  дорівнює гаплоїдному числу хромосом.

2.     Кожний ген у хромосомі займає певне місце (локус). Гени в хромосомі розташовані по її довжині в лінійному порядку (один за одним).

3.     Алельні гени займають певні й ідентичні  локуси гомологічних хромосом.

4.     У мейозі може відбуватися взаємний  обмін ділянками гомологічних хромосом – кросинговер.   

5.     Кожний біологічний вид характеризується специфічним набором хромосом – каріотипом.

 

 Значення. Хромосомна теорія спадковості – основна теорія генетики, за якою матеріальними носіями спадковості є хромосоми, в яких лінійно розташовані гени. Її положення, вперше встановлені на дрозофілі, виявилися прийнятними і для людини. За розробку  хромосомної теорії спадковості Т.Морган одержав Нобелівську премію (1933).

 

Внесок українських вчених у розвиток хромосомної теорії спадковості.

Григорій Андрійович Левицький (Левитський) (7 (19) листопада 1878, село Білки, Сквирський повіт, Київська губернія, Російська Імперія —20 травня 1942, Златоуст, Челябінська область, СРСР) — видатний радянський генетик, цитолог, родом з України.

Григорій Андрійович Левицький

(1878-1942)

 

Народився в родині священника. Навчався в Колегії Павла Галагана. Поступив на природниче відділення Київського університету 1897 року. Після закінчення у 1902 працював лаборантом ботанічного кабінету Київського політехнічного інституту.

У 1907 роі заарештований за участь у Всеросійському селянському з’їзді на 8 місяців, а потім висланий за межі Росії. У цей час працював у бібліотеках Лондона і Парижу, на біологічній станції в Неаполі, у ботанічному саду Боннського університету.

З 1911 продовжував викладати та досліджувати рослини. У 1914 мобілізований до лав армії, звідки через рік повернувся у чині прапорщика. З 1917 читає курс «Будова і організація протоплазми» в Київському університеті.

У 1925 на запрошення Миколи Вавилова переїжджає до Ленінграду, де займається дослідженнями будови хромосом.

У 1932 обраний членом-кореспондентом АН СРСР. У лютому 1933 заарештований і перебував на засланні у Красноярському краї, звідки зусиллями Вавилова повертається у листопаді того ж року.

Працює професором Ленінградського університету та завідувачем лабораторії цитології у ВІР. 28 червня 1941 року заарештований. Помер у тюрмі 20 травня 1942.

Досліджував будову хромосом, є піонером цитогенетики. Разом з Левом Делоне вважається автором терміна «каріотип».

 

Добжанський Феодосій (Теодозій) Григорович (25.01.1900, м. Немирів Брацлавського пов. Подільської губ., тепер місто Вінницької обл. — 18.12.1975, м. Дейвіс, Каліфорнія, США) — учений-генетик, зоолог, біолог, ентомолог, еволюціоніст.

Навчався на природничому відділенні фізико-математичного факультету Київського університету, який закінчив у 1921 р. Під час навчання у Київському університеті познайомиться з В. Вернадським, під його впливом захопився ідеями Тейяра де Шардена. З 1924 до 1927 р. працював у Петроградському університеті. У грудні 1927 р. для стажування в лабораторії Т. Моргана в Колумбійському університеті Ф. Добжанський разом із дружиною приїхав до США. Т. Морган відразу оцінив талант Добжанського і зробив усе, аби той залишився в його лабораторії, допоміг йому з необхідними документами (оскільки у Ф. Добжанського була лише студентська віза). У 1929 р. Ф. Добжанський отримав запрошення Т. Моргана і став асистентом з курсу генетики в Каліфорнійському технологічному інституті. У 1930 р. він прийняв рішення не повертатися до СРСР. Деякі джерела стверджують, що у вирішенні долі Ф. Добжанського взяв участь особисто президент США, який зателефонував державному секретарю, а той надіслав розпорядження голові Служби міграції.

Добжанський Теодосій (Феодосій) Григорович (*12 (25) січня 1900, Немирів, Україна — †18 грудня 1975, Дейвіс, Каліфорнія, США)

 

Наукові досягнення Ф. Добжанського — фундатора світової популярної генетики — стали поштовхом до перебудови в США всіх досліджень у галузі еволюції видів. Вчений активно вивчав еволюцію людини. Його праця «Еволюціонізуюче людство: еволюція людського виду» — до цього часу вважається неперевершеним синтезом генетики, еволюційної теорії, антропології та соціології. На той час на батьківщині вченого (в СРСР) генетику було оголошено псевдонаукою.

У 1936 р. Ф. Добжанський став професором, а в 1940 р. повернувся до Колумбійського університету на посаду професора зоології, де працював до 1962 р. З 1962 по 1970 р. працював у Рокфеллерівському університеті в Нью-Йорку; у липні 1970 р. отримав запрошення зайняти посаду ад’юнкт-професора в університеті Каліфорнії, де працював до своєї смерті.

Дослідження вченого створили передумови для пояснення механізму формування нових рас та видів і дозволили вибудувати синтетичну теорію еволюції. Автор понад 500 наукових праць, серед них: «Генетика та походження видів», «Еволюція, генетика та людина», «Біологічні основи людської свободи». Почесний член понад 20 університетів світу, зокрема, Колумбійського, Оксфордського, Падуанського. Член Лондонського королівського товариства, Німецької академії природодослідників «Леопольдина», Шведської академії наук, Датського королівського товариства.

 

Отже, зчеплене успадкування – феномен скорельованого успадкування алелей генів, розташованих в одній хромосомі.

Повної кореляції не буває через процес кросинговеру, тому що зчеплені гени можуть розійтися по різних гаметах. Кросинговер спостерігається у вигляді розчеплення у потомства тих алелей генів і, відповідно, станів ознак, які були зчеплені у батьків.

Спостереження, проведені Томасом Морганом, показали, що ймовірність кросинговеру між різними парами генів різна. Звідси з’явилася ідея створити генні карти на підставі частот кросинговеру між різними генами. Перша генна карта була побудована студентом Моргана, Альфредом Стертевантом в 1913 році на прикладі Drosophila melanogaster.

Відстань між генами, розташованими в одній хромосомі, прямо пропорційна частоті кросинговеру між ними. За одиницю відстані прийнятий 1% кросинговеру (1 морганіда або 1 сантиморганіда). Чим далі гени знаходяться один від одного в хромосомі, тим частіше між ними буде відбуватися кросинговер. Максимальна відстань між генами, розташованими в одній хромосомі, може дорівнювати 49 сантиморганідам.

 

Цитоплазматична (нехромосомна) спадковість

 

У разі партеногенезу або успадкування при поліплоїдії успадковані ознаки передавалися через ядерні структури – хромосоми. Відмінності полягали лише в тому, скільки таких хромосом є у клітинці і чи отримує організм їх від обох батьків або лише від 1-го. Але, крім того, існує ще особливий тип передачі успадкованих ознак – не через ядро, а через цитоплазму клітини. У даному випадку говорять про нехромосомной, або цитоплазматичної спадковості. Більш принципові випадки нехромосомной спадковості – це спадкування пластид і мітохондрій.

Мітохондріальна ДНК або мтДНК — кільцева молекула ДНК, локалізована в мітохондріях, цитоплазматичних органелах більшості клітин еукаріотів, що мають вигляд ниткоподібних або гранулярних утворень[1]. Локалізація мтДНК відрізняється від локалізації більшості ДНК еукаріотів, розташованої в ядрах клітин. Часто стверджується, що мітохондріальна ДНК успадковується тільки по материнській лінії, хоча універсальність цього твердження для всіх організмів точно ще не встановлена.

 

Еволюція мтДНК

На відміну від більшості генетичних продуктів, закодованих у ядерній ДНК, частина генетичних продуктів мітохондрій кодується її власною ДНК, яка на ранніх стадіях еволюції життя на Землі еволюціонувала окремо від неї. Мітохондріальна ДНК, як і ДНК інших птастид, була отримана клітинами стародавніх еукаріотів від бактерій (у випадку мтДНК — альфа-протеобактерій) в результаті ендосимбіозу.

Схема мітохондріальної ДНК людини

 

Властивості мтДНК

Мітохондріальна ДНК людини складається з 5 — 10 ідентичних копій ДНК що несуть 16 568 пар основ з 37 генами, які зокрема відповідають за біосинтез 13 білків і 22 тРНК. Така коротка нуклеотидна послідовність мтДНК кодує лише незначну частину всіх білків і РНК, що містяться в мітохондріях.

Домінування нащадків мітохондріальної Єви

Мітохондріальна Єва – ім’я, дане молекулярними біологами жінці, яка була останнім спільним предком всіх нині живих людей по материнській лінії. Оскільки мітохондріальна ДНК успадковується тільки по материнській лінії, у всіх нині живих людей така ДНК була отримана від “Єви”. Аналогічно ДНК чоловічої Y-хромосоми у всіх людей чоловічої статі повинна відбуватися від ” молекулярно-біологічного Адама “.

Мітохондрії – це внутрішньоклітинні органели, що мають невелику власну хромосому. На відміну від ядерної ДНК, яка містить переважна більшість генів і в процесі статевого розмноження піддається рекомбінації, так що нащадки отримують половину генів від батька, а другу половину від матері, мітохондрії та їх ДНК дитина отримує тільки з материнської яйцеклітини. Оскільки мітохондріальна ДНК не піддається рекомбінації, зміни в ній можуть відбуватися виключно за допомогою рідкісних випадкових мутацій. Шляхом порівняння послідовності мітохондріальної ДНК і виникли в ній з часом мутацій можна не тільки визначити ступінь споріднення нині живих людей, а й приблизно вирахувати час, необхідний для накопичення мутацій в тій чи іншій популяції людей. Таким чином можна обчислити і епоху, коли мутацій ще не було, і предкова популяція людей була генетично однорідною. У 1987 році Ребекка Канн (Rebecca Cann) з колегами припустили, що мітохондріальна Єва могла жити між 140 і 280 тис. років тому. Згідно з більш пізнім розрахунками, мітохондріальна Єва жила близько 140 тис. років тому в Східній Африці. Сучасні МП-і МЕ-оцінки зазвичай дають діапазон віку Єви 140000-230000 років, з максимумом ймовірності на значеннях порядку 180000-200000 років .

Хоча мітохондріальна Єва названа в честь біблійної, її не слід ототожнювати з біблійним персонажем або вважати, що всі люди є нащадками лише однієї жінки. Мітохондріальна Єва – наукова абстракція, створена для спрощення розрахунків. Насправді мова йде про відносно однорідної генетичної популяції, серед нащадків якої більшість нині живих людей отримали мітохондріальну ДНК від однієї жінки, в той час як нащадки інших жінок по прямій жіночій лінії тієї ж предкової популяції не дожили до наших днів. Якщо у жінки немає жодної дочки, то її мітохондріальна ДНК не буде передана нащадкам далі її власного сина, хоча половину інших генів успадкують сини і їх потомство.

 

Мітохондріальна Єва і африканська гіпотеза походження людей

 

Оскільки популяційні генетики вважають батьківщиною мітохондріальної Єви Африку, її іноді називають африканської Євою. При найдавнішому поділі предкової популяції у людей утворилися чотири головні гаплогрупи, L0, L1, L2, L3. З них перша переважає у бушменів, друга у пігмеїв. Дві останні також є у африканських народів, але тільки від гаплогрупи L3 відбуваються макрогрупи М і N, носії яких мігрували з Африки в Євразію.

Існують альтернативні пояснення мітохондріальної генеалогії народів Землі. Наприклад, аналогічне генеалогічне древо могло вийти, якщо на ранній стадії розселення більшість людей загинуло через якийсь епідемії або природної катастрофи, а ті, що вижили представляли собою невелику групу кровних родичів. Однак спроби побудувати генеалогію народів на підставі дослідження інших генів не підтверджують гіпотезу катастрофи. Крім того, слід брати до уваги обмін генами, який відбувався в результаті шлюбів між далекими родичами, в результаті чого геноми продовжували змішуватися в популяціях вже після виходу з Африки. Найбільша різноманітність мутацій, яке спостерігається в африканських народів, також можна пояснювати по-різному. З одного боку, це може бути результатом тривалого проживання предкової популяції в Африці. З іншого боку, в Африці часів палеоліту населення могло бути просто численнішим, ніж в інших регіонах.

 

Реконструйований гаплотип мтДНК мітохондріальної Єви

 

Гаплотип мітохондріальної Єви людини, реконструйований парсімоністіческім алгоритмом на основі аналізу 8000 повних сиквенса молекули мтДНК можна знайти наприклад на сайті Human mtDNA. Нуклеотидні відмінності вказані по відношенню до позицій молекули rCRS.

Зазначене на початку даної статті визначення Єви допускає більш наочну і конкретну форму, засновану на знанні філогенії молекули мтДНК людини. А саме, якщо взяти довільного живе зараз індивіда, що належить до гаплогрупи L0 і будь-якого сучасної людини, що не відноситься до даної гаплогруппе, то з мітохондріальної Євою можна ототожнити їх найближчого загального предка по прямій жіночій лінії. Однак тут виникають наступні дві проблеми.

По-перше, слід розрізняти конкретного загального предка тих чи інших груп людей, з одного боку, і його (її) мітохондріальну молекулу – з іншого: величезна кількість родичів по прямій жіночій лінії мають ідентичні мтДНК. Сучасні дослідження за швидкістю мутації мтДНК свідчать про те, що у всій молекулі відбувається одна значуща мутація приблизно один раз в 3000 років. Це означає, що люди (як чоловіки так і жінки) з гаплотипами, ідентичними гаплотипи Єви, могли жити протягом декількох тисячоліть, поки мутував типи не стали переважати чисельно, в кінцевому рахунку витіснивши вихідний.

По-друге, до цих пір залишається ймовірність, що все ще існують люди, не пов’язані ні з гаплогрупою L0 ні з гаплогрупою L1’6, тобто ні до однієї з двох відомих гілок філогенетичного дерева мтДНК людини, коренем якого є Мітохондріальна Єва. Незважаючи на те, що до теперішнього часу опубліковано близько 200 000 часткових сиквенса мтДНК і більше 8000 повних, не виявили інших гілок крім двох зазначених вище, тим не менше ймовірність виявлення реліктових ліній залишається можливою до тих пір поки тестуванням не будуть охоплені всі нині живучі люди.

Мітохондрії містять власну ДНК.

 

Y-хромосомний Адам

 

Так як Y-хромосома передається тільки від батька до сина, то всі сучасні Y-хромосоми походять від Y-хромосоми певного чоловіка, якого називають Y-хромосомним Адамом. Подібно до того як Мітохондріальна Єва не була єдиною жінкою в той час, не був єдиним і Y-хромосомний Адам: чоловічі хромосоми його сучасників в силу природного процесу припинення прямих ліній просто не збереглися. У більшості старих робіт вік Адама оцінювався приблизно в 100000 років і менше, що створювало невідповідність з оцінкою часу життя Єви в 140000-200000 років тому: таким чином, Єва виявлялася старша за Адама не менше ніж на 50000 років. Взагалі кажучи, вік спільних предків по різних ділянках ДНК (мтДНК та Y-хромосоми) не зобов’язані збігатися, тому що процес зникнення алелей в популяції є стохастичним, немає ніяких загальних закономірностей, що вимагають “синхронності” еволюції різних локусів. Проте в останній рік намітилася стійка тенденція до “удревнення” Адама в науковій літературі: оцінки його віку як за даними мікросателітної, так і за SNP-даними досягли нижньої оцінки віку мітохондріальної Єви. Так, Фульвіо Кручіані проведено ревізію і диссекцію Y-хромосомної гаплогрупи A, яка призвела до зміни топології прикореневої частини глобального древа Y-хромосоми людини, а також була отримана МП-оцінка віку Адама в 142000 років.

 

Рослинні клітини містять особливі органели, так звані пластиди, які мають свою кільцеву хромосому і розмножуються поділом. Якщо клітинка втратила пластиди, то вона не здатна утворити їх заново. Приміром, традиційно евглена зелена містить близько 100 хлоропластів. При вирощуванні евглени в темряві її хлоропласти не діляться, у той час як самі одноклітинні продовжують ділитися. У результаті цього процесу виникають евглени, що не мають хлоропластів. У таких евглен нові хлоропласти не утворюються.

Пластиди традиційно передаються з яйцеклітиною, але не передаються зі сперматозоїди, фактично позбавленими цитоплазми. Але є і виключення, наприклад, спермії герані містять цитоплазму і пластиди.

Пластиди рослин також містять власну ДНК

 

Ясно, що успадкування пластид підпорядковується особливим правилам. Цей тип спадкування був описаний німецькими вченими, (перевідкривши закони Менделя) ще в 1908 р. при дослідженні успадкування строкатості у рослин. Розглянемо цей приклад найбільш ретельно.

 

 

Строкаті рослини складаються з клітин з нормальними пластидами, що містять хлорофіл і мають зеленуватий колір, і з клітин з мутантними пластидами, які не містять хлорофілу і мають білосніжний колір. Листя таких рослин “строкаті”, тобто складаються з ділянок з різним забарвленням, від чисто зеленуватого до чисто білосніжного. Часто одна гілка такої рослини несе зеленуваті листя, а інша – білосніжні. Уявіть собі один факт, що самі по собі білосніжні листя не могли б вижити, тому що в них не відбувається процес фотосинтезу. Але у строкатих рослин вони  виживають і на гілках з такими листками навіть можуть розвиватися квіти, тому що вони отримують поживні речовини від звичайних частин рослини.

Строкатість у листків бегонії.

 

Пластиди успадковуються лише по материнській лінії. Так як пилкові клітини не містять пластид, то, наприклад, при запиленні квітки звичайної зеленуватої  рослини пилком рослин, що розвинулися на гілках з зеленуватим або з безбарвним листям, все одно виходять модифікації з нормальними пластиду, тобто з фенотипом материнської рослини.

Як уже зазначалося подібно до пластид, мітохондрії мають власну ДНК. Мітохондрії сперматозоїда при заплідненні не потрапляють всередину клітини або руйнуються в ній. Так що всі мітохондрії організм отримує від мами. Оскільки переважна більшість клітин еукаріот містять мітохондрії, нехромосомна спадковість – буденне явище. Цей тип спадковості залежить від 2-ох причин: по-перше, від розподілу даних мітохондрій по дочірнім клітинам при розподілі материнської клітини, по-друге, від параметрів генів, які локалізовані в ДНК пластид або мітохондрій. Всі давно знають те, що наприклад, в одну з дочірніх клітин може потрапити більше мутантних пластид, а в іншу менше або не потрапити зовсім. Всім відомо про те, що в підсумку нащадки цих дочірніх клітин будуть володіти різними ознаками.

У ряді випадків показано, що хромосомна спадковість і нехромосомна можуть комбінуватися, даючи складні випадки увспадкування ознак. Справа в тому, що не всі білки, потрібні для функціонування мітохондрій, закодовані в їх ДНК. Велика частинатаких білків (до 90%) закодована в ядерній ДНК клітини. Ті ознаки мітохондрій, які закодовані в хромосомах ядра клітини, успадковуються за законами Менделя, а ті ознаки, які закодовані в ДНК самих мітохондрій, успадковуються (спільно з самими мітохондріями) з цитоплазмою яйцеклітини, тобто по материнській лінії. У мікробів теж є генетичний матеріал (плазміди), який не пов’язаний з їхньою єдиною хромосомою.

Наприкінці XIX століття біологи витратили багато праці, щоб спочатку довести, що носієм спадковості є ядро клітини, а потім конкретизувати це твердження і довести хромосомну теорію спадковості. Противники даної точки зору пробували довести, що спадкові ознаки передаються через цитоплазму клітини. У даній дискусії було придумано і проведено багато тестів і теорій. Проводилась пересадка ядер з одних клітин в інші, видалення окремих хромосом з яйцеклітин і т.д. У результаті хромосомна теорія перемогла, а думка цітоплазматіческоі спадковості, хоча не була відкинута на сто відсотків, але животіла. Але в крайні десятиліття ХХ століття було показано, що такі принципові органели, як пластиди і мітохондрії, мають свій генетичний матеріал і передаються в дочірні клітини з цитоплазмою.

Таким чином, були визначені межі застосування кожної з теорій, після чого вони зайняли в генетиці свої законні місця.

 

Хромосомне визначення статі

 

З давніх-давен люди шукали відповіді на питання: чому в одних випадках народжуються хлопчики, в інших – дівчатка? Чим пояснити, що співвідношення статей в природі, як правило, становить 1:1, тобто на 100 самців, що народжуються, припадає 100 самок. Відповіді на ці питання дала хромосомна теорія спадковості, яка встановила роль статевих хромосом у визначенні статі.

Стать, як і будь-яка інша ознака, генетично детермінована.  У більшості роздільностатевих видів, у тому числі і в людини, стать визначається в момент запліднення (сингамно) і залежить від комбінації статевих хромосом від обидвох батьків у зиготі. Стать успадковується як менделююча ознака. Розщеплення за статтю відбувається як при аналізуючому моногібридному схрещуванні в співвідношенні 1♀:1♂.

Розрізняють гомогаметну і гетерогаметну стать. Гомогаметна – стать, в якій обидві статеві хромосоми однакові. Гетерогаметна –  стать з різними статевими хромосомами. Гомогаметна стать утворює один тип гамет щодо статевих хромосом, гетерогаметна –  два типи. У людини, ссавців, дрозофіли гомогаметною статтю є жіноча стать, гетерогаметною – чоловіча. Жінка (ХХ) в мейозі утворює один тип яйцеклітин (Х),  чоловік (ХY) – два типи сперматозоїдів у рівному співвідношенні: половина сперматозоїдів містить Х-хромосому, інша половина – Y-хромосому. У деяких організмів (птахи, метелики, плазуни) гетерогаметною є жіноча, а гомогаметною – чоловіча стать.

Стать – сукупність морфологічних, фізіологічних, біохімічних і інших ознак організму, обумовлюючих відтворення собі подібного. При вивченні наборів хромосом чоловічих і жіночих особин звернули увагу на той факт, що у більшості жіночих організмів всі хромосоми утворюють пари, а у чоловічих крім парних (гомологічних) хромосом є дві непарні. Надалі було встановлено, що ці непарні хромосоми якраз і визначають стать організму. Велика з непарних хромосом, яка міститься в жіночому каріотипі в подвійному наборі, а в чоловічому — в одиночному, названа X- хромосомою. Менша з непарних хромосом, яка міститься тільки у особин чоловічої статі, названа Y-хромосомою. Парні хромосоми, однакові у чоловічого і жіночого організму, називаються аутосомами, а X- і Y-хромосоми, за якими чоловіча і жіноча стать відрізняються одна від одної — статевими, або гетерохромосомами. В диплоїдному наборі у людини містяться 46 хромосом (23 пари): 22 пари аутосом і одна пара статевих хромосом. У жіночого організму це дві Х-хромосоми, а у чоловічого — X і Y. Набір хромосом жінки може бути представлений наступним записом: 44А+2Х, а чоловіка — 44A+XY.

Стать майбутнього організму залежить від гетерогаметної батьківської особини, яка утворює два типи гамет: та з цих гамет, яка візьме участь в заплідненні, та і визначить стать нащадка. Народиться дівчинка чи хлопчик, залежить від типу сперматозоїда, бо яйцеклітини за статевою хромосомою однакові. Можливі дві комбінації: 1) Якщо яйцеклітину Х  запліднює  Х-сперматозоїд, у зиготі поєднуються дві Х-хромосоми. З такої зиготи розвивається організм жіночої статі ХХ. 2) Якщо яйцеклітину Х запліднює Y-сперматозоїд, у зиготі поєднуються Х– і Y-хромосоми. З такої зиготи розвивається організм чоловічої статі ХY.

Співвідношення 1♀:1♂ забезпечується тим, що гетерогаметна стать (ХY) утворює два типи гамет, а гомогаметна (ХХ) –  один тип гамет. Механізм цього співвідношення аналогічний аналізуючому моногібридному схрещуванню, коли гетерозигота Аа утворює два типи гамет, а рецесивна гомозигота аа – один тип.

 

1)       Р    ♀ ХХ    х    ♂ ХY                   2)       Р    ♀ Аа    х    ♂ аа

Гамети         Х                Х, Y                 Гамети        А, а            а        

          F₁              ХХ, ХY                                    F₁            Аа, аа

                                1♀ : 1♂                                                  1Аа : 1аа

 

Генетичні схеми, які ілюструють: 1) розщеплення за статтю (1♀:1♂) і 2) розщеплення при аналізуючому моногібридному схрещуванні                                              (1Аа:1аа).

У людини генотипову чоловічу стать визначає Y-хромосома. Якщо вона є в хромосомному наборі особини, організм належить до чоловічої статі. Людина з каріотипом 47, ХХY (синдром Клайнфельтера) – чоловік, хоч і має в генотипі дві Х-хромосоми і статеві залози в нього недорозвинені. Людина з каріотипом 45, Х0 (синдром Шерешевського-Тернера) – жінка, хоч в неї лише одна Х-хромосома  і недорозвинені яєчники.

Розвиток ознаки статі відбувається в два етапи. На першому етапі в момент запліднення стать визначається генотипно (хромосомний механізм визначення статі). На другому етапі в ході онтогенезу відбувається диференціація статі, тобто формування конкретного фенотипу (чоловічого чи жіночого) в результаті взаємодії генотипу і умов розвитку. У людини, як і в інших організмів, зигота потенціально бісексуальна. Фактором, який спрямовує фенотип у чоловічий бік є Y-хромосома, в якій міститься відповідний ген. Якщо на 6-10 тижні ембріогенезу зародок, що має Y-хромосому, не почав розвиватися за чоловічим типом, то надалі він набуває жіночих вторинних статевих ознак.

 

Способи визначення статі:

Визначення статі, або детермінація статі – біологічний процес , в ході якого розвиваються статеві характеристики організму. Більшість організмів мають дві статі . Іноді зустрічаються також гермафродити , що поєднують ознаки обох статей . Деякі види мають лише одна стать і являють собою самок, що розмножуються без запліднення шляхом партеногенезу , в ході якого на світ з’являються також виключно самки.

Статеве розмноження і прояв статевого диморфізму широко поширене в різних таксономічних групах. Для механізмів полоопределенія характерна велика різноманітність, що свідчить про неодноразовості і незалежності виникнення підлоги в різних таксонах

У багатьох випадках стать визначається генетично. Генетична детермінація статі – найбільш поширений спосіб визначення статі у тварин і рослин , стать при цьому може визначатися серією алелей одного або декількох аутосомних генів, або детермінація статі може відбуватися за допомогою статевих хромосом з напіввизначальними генами. При хромосомному визначенні статі набір статевих хромосом у самців і самок , як правило, різний через їх гетероморфними  і стать визначається комбінаціями статевих хромосом : ХY , ZW , X0 , Z0 . В інших випадках стать визначається факторами навколишнього середовища. Наприклад , у всіх крокодилів , деяких ящірок , черепах , риб і гаттерии підлогу залежить від температури , при якій розвивалася особину. У мурах , бджіл , ос та деяких інших комах існує ще один механізм : стать залежить від числа хромосомних наборів. Гаплоїдні самці розвиваються з незапліднених яєць , а диплоїдні самки – з запліднених.

Крім генетичних, існує багато інших механізмів визначення статі. У деяких рептилій стать визначається температурою, в якій розвивалося яйце протягом температурочувствітельной періоду. Це явище носить назву температурозалежного визначення статі (англ. temperature – dependent sex determination ( TSD )) .

До видів з температурозалежним визначенням статі відносяться всі крокодили , більшість черепах , деякі види ящірок, а також гатерії. Зазвичай при низьких температурах (нижче 27 º С) з яєць вилуплюються особини однієї статі , при високих ( вище 30 º С) – іншої  і тільки в невеликому проміжному інтервалі – особини обох статей. Так, у черепах при низьких температурах з’являються тільки самці , у ящірок – тільки самки. Існують відхилення від цієї схеми. У Кайманових черепахи при температурах від 20 до 30 º С переважають самці, за межами цього інтервалу – самки. Ці температурні пороги позначаються як поріг I і поріг II відповідно. Температури, необхідні для розвитку кожної статі, називаються жіночими та чоловічими сприятливими температурами (англ. the female and the male promoting temperature ).

У алігаторів підлогу потомства визначається температурою гнізда.

 

У міссісіпского алігатора тільки самки народжуються при температурі нижче 30 º С, тільки самці – при температурі вище 34 º С. Температура в гнізді , однак, залежить від його місця розташування. У гніздах, влаштованих на береговому валу , температура зазвичай вище ( 34 і більше º С) , у вологих маршах – нижче ( 30 і менш º С). Крім того, температура може бути різною у верхній і нижній частині гнізда.

Температурна детермінація статі відбувається в певний період ембріонального розвитку. У Кайманових черепахи це середня третина інкубаційного періоду, у міссісіпского алігатора – період між 7 і 21 добою інкубації.

Температурна детермінація статі у деяких видів черепах

 

Існує гіпотеза , що температурна детермінація статі була характерна для динозаврів , що стало одним з фактором їх вимирання при зміні клімату в ареалі проживання.

Серед птахів не виявлено температурозависимого визначення статі (це відноситься і до бур’янистим курям (Megapodiidae), у яких, як раніше вважалося, має місце цей феномен, але смертність їх зародків справді залежить від температури).

Температурна залежність статі обумовлена синтезом в організмі різних ферментів . Види , визначення статі у яких залежить від температури , не мають гена SRY , але мають інші гени, наприклад , DAX1 , DMRT1 і SOX9 , які експресуються в залежності від температури. У деяких видів, наприклад, нільської теляпії ( Oreochromis niloticus ), деяких сцинкових ( Scincidae ) і агамових ( Agamidae ) стать визначається хромосомами, але згодом вона може бути змінена при впливі на яйця певних температур. Ці види, ймовірно, знаходяться на проміжному етапі еволюції.

Температурна детермінація статі у деяких видів ящірок

 

Невідомо, як саме проходив розвиток температуро-залежного визначення статі. Можливо , воно з’явилося у тих статей, які були приурочені до певних ареалу , задовольняти їх температурним вимогам. Наприклад, теплі райони добре підходили для гніздування , так що в них народжувалося більше самок , щоб підвищити число гніздувань в наступному сезоні. Однак ця версія – поки всього лише гіпотеза.

Деякі види не мають константної статі і можуть міняти її під дією зовнішніх стимулів. Деталі деяких механізмів визначення статі ще не повністю зрозумілі.

Слід відрізняти детермінацію статі від диференціювання статі. Після детермінації статі з якого-небудь із згаданих вище механізмів , запускається статеве диференціювання . Це запуск, як правило , здійснюється головним геном – статевим локусом , слідом за ним по каскадному механізму в процес включаються інші гени.

– Прогамний тип – стать визначається ще до запліднення (у дафній за оптимальних умов у водоймі розвиваються самки, а при низькій температурі – самці);

Daphnia (Daphnia) O.F. Mueller, 1785

– сингамний тип – стать визначається в момент запліднення (у людини при поєднанні двох Х-хромосом формується жіночий організм, а X- та Y-хромосоми – чоловічий);

Людина розумна (Homo sapiens)

– епігамний тип – стать визначається після запліднення і формується під впливом умов довкілля (типовим прикладом є морський черв’як Bonellia viridis, самка якого відкладає запліднені яйця у воду, де з них розвиваються личинки. Якщо личинка попадає на хоботок самки, то з неї під дією певних ферментів розвивається великих розмірів самка. Якщо ж личинка опускається на дно водойми або прикріплюється до якогось іншого субстрату – то з неї розвивається дрібних розмірів самець);

Bonellia viridis

– стать визначається також залежно від факту запліднення (у бджіл із заплідненої яйцеклітини формуються самки, а з незаплідненої – самці).

 

Статеві хромосоми можуть бути дуже подібними , розрізняються тільки невеликою ділянкою, проте в більшості випадків статеві хромосоми є гетероморфними . В останньому випадку одна зі статевих хромосом – велика і багата генами ( X або Z) , а інша містить малу кількість генів , протяжні гетерохроматинові ділянки і має маленький розмір (Y або W). Гетероморфні статеві хромосоми не здатні до синапсису і рекомбінації в мейозі , за винятком невеликих районів , які ми називаємо  псевдоаутосомнимі .

За сучасними уявленнями, статеві хромосоми виникли з пари гомологічних аутосомних хромосом. Ключовою подією в трансформації цих хромосом у статеві було виникнення в них ділянки , в якому пригнічений кроссинговер , тобто на з’явилася ділянка , в якій не відбувається рекомбінація . Імовірно дана ділянка містила два гени, один з яких визначав стать , а другий володів статевим антагонізмом , тобто аллелі цього гена протилежно позначалися на статі. Ділянка з « замкненим » кросинговером об’єднала на Y ( W) хромосомі алелі цих двох генів таким чином, що алель, котра визначає гетерогаметну стать, виявилася в стійкій комбінації з аллелем другого гена, який підвищував пристосованість цієї статі. Нерекомбінуюча ділянка Y ( W) хромосоми , як правило, потім розширювалася і накопичувала з часом мутації в основному за рахунок механізму , що називається храповиком Меллера . Храповик Меллера (по імені американського генетика Германа Меллера і механічного пристрою – храповика ) – у еволюційній генетиці процес незворотного накопичення в генофонді популяцій , нездатних до статевого процесу , шкідливих мутацій, що призводять до зниження рівня адаптації та вимирання виду .

Меллер запропонував цей механізм у якості однієї з теорій , що пояснюють шлях еволюції розмноження від безстатевих форм до статевих . Незважаючи на те, що цей механізм був покликаний пояснити переваги статевого розмноження перед безстатевим, він не може бути поширений на організми, які хоч і розмножуються безстатевим способом, але в той же час мають інші форми рекомбінації генетичного матеріалу. У той же час цей процес спостерігається і на ділянках геномів статевих організмів (наприклад , в Y- хромосомі ссавців) , які не беруть участь в рекомбінації .

 Крім храповика Меллера в процес накопичення мутацій на Y ( W) хромосомі вносили свій внесок також і інші процеси , такі як фоновий відбір , ефект Хілла – Робертсона і ефект попутного транспорту. Накопичення шкідливих мутацій вело до дегенерації Y ( W) – хромосом : вони ставали більш гетерохроматинових , генетично інертними , кількість функціональних генів у них швидко зменшувалася. При цьому друга хромосома з вихідної аутосомній пари, що має можливість рекомбінувати з такою ж хромосомою у особин гомогаметний статі , зберігала вихідний генний склад.

Порівняльне вивчення статевих хромосом в групі ссавців дозволило вказати на ще один механізм, що мав свій вплив на морфологію статевих хромосом. У 1995 році професор Дженні Грейвс ( Jenny Marshall Graves ) з Австралійського національного університету висловила гіпотезу, що прото-гоносоми були маленькими і збільшувалися за рахунок декількох циклів додавання фрагментів різних аутосом з подальшою деградацією цих фрагментів на Y- хромосомі. Відповідно до цієї гіпотези псевдоаутосомние регіони, які зберігають здатність до синапсису в профазі I мейозу, являють собою останні додані до гоносоми фрагменти.

Загальноприйнятим думкою щодо еволюції статевих хромосом XY і ZW в групі амніот у ссавців , птахів і змій є те, що вони виникли незалежно з різних аутосомних пар предковой рептилії , стать яких визначався температурою. При цьому у ссавців розвинулася XY система визначення статі , а у змій і птахів незалежно один від одного – ZW система.

У ссавців одна хромосома з вихідної аутосомній пари – тепер Y- хромосома – зазнала мутацію в гені SOX3, в результаті чого він перетворився на ген SRY , а колишня аутосома стала визначати стать . Після цієї мутації ділянка прото- Y- хромосоми, що містить SRY, була захоплена внутрішньохромосомною перебудовою, а саме хромосомної інверсією . Це призвело до заборони рекомбінації на цій ділянці. Через відсутність партнера для рекомбінації Y- хромосома стала накопичувати мутації і з часом вона дегенерувала . Ділянки Х- і Y- хромосом , що зберегли гомологичність один з одним, відомі як псевдоаутосомні області, є результатом пізнішого перенесення генетичного матеріалу з однією з аутосом на гоносоми.

Існують види, у яких статеві хромосоми знаходиться на ранній стадії диференціації . Наприклад , у рибки японська медака ( Oryzias latipes ) статеві хромосоми є гомоморфні за винятком невеликого локусу довжиною 258 тис. п.о. , в якому існує заборона на рекомбінацію. Y- хромосома у медаки продовжує в інших ділянках обмінюватися генами з X- хромосомою.

 

Медака японська ( Oryzias latipes) у якої  статеві хромосоми знаходиться на ранній стадії диференціації .

 

Таким чином, порівняльний аналіз статевих хромосом в різних таксонах дозволяє виділити їх основні ознаки: гетероморфним, що виявляється морфологічно і на генетичному рівні; гетерохроматізація Y ( W) – хромосом , що призводить до генетичної інертності ; наявність псевдоаутосомних регіонів і району заборони рекомбінації з напівдетерминуючими алелями ; компенсація дози X (Z) – хромосом. Послідовність еволюційних подій по відокремленню Y (W) – хромосом включає наступні етапи : пара аутосом → поява напів- детермінуючих алелей → поява району заборони рекомбінації → розширення меж району заборони рекомбінації → дегенерація Y ( W) – хромосоми.

 

Стать тварин і рослин

Стать тварин і рослин генетично визначається однією парою хромосом, які отримали назву статевих. Існують чотири основних типи регуляції статі статевими хромосомами.

1.        ХY-тип, за якого жіноча стать має дві ХХ статеві хромосоми і є гомозиготною (утворює гамети одного типу – Х), а чоловіча стать має чоловічу статеву хромосому – Y, яка відрізняється від Х-хромосоми величиною і формою. Чоловіча стать гетерогаметна (утворює гамети двох типів – Х і Y). Цей тип властивий ссавцям, комахам і більшості дводольних покритонасінних рослин.

XY- визначення статі є найбільш поширеним; така система визначення статі працює у людини, також як і у переважної більшості ссавців. У цій системі жіночі особини мають дві однакові статеві хромосоми XX , а у чоловічих є дві різні статеві хромосоми X і Y. Пара статевих хромосом XY не схожі один на одного за формою , розміром і генному складу , що відрізняє їх від пар аутосомних гомологів . Статеві хромосоми X і Y носять також назву «гоносоми ». У деяких видів, у тому числі і людини, на Y- хромосомі є ген SRY, що визначає чоловіче начало. У інших, наприклад , плодової мушки (Drosophila melanogaster ) стать залежить від співвідношення числа Х- хромосом (Х) і наборів аутосом (А ). Якщо воно дорівнює 1 , з неї розвивається самка, якщо 0,5 – самець. При проміжному співвідношенні ( 0,67 ) розвиваються інтерсекс – щось середнє між самцями і самками. При співвідношенні > 1 розвиваються метасамки ( суперсамки ) , при співвідношенні < 0,5 – метасамці ( суперсамці ) . І суперсамці , і суперсамки слабкі і рано гинуть. При цьому Y- хромосома ролі у визначенні статі не грає , але вона необхідна для утворення сперми.

У видів , чия Y- хромосома має напівдетерминируючий ген SRY, можуть зустрічатися життєздатні особини з каріотипом XXY. У людини при цьому каріотипі  розвивається синдром Клайнфельтера . У людини стать визначається наявністю гена SRY . Коли він активується, клітини зачатків гонад починають виробляти тестостерон і антимюллерів гормон , запускаючи розвиток чоловічих статевих органів. У жінок ці клітини виділяють естроген, направляючий розвиток тіла по жіночим шляху. Не всі організми залишаються без статевих ознак деякий час після зачаття; наприклад, у плодових мушок стать визначається майже відразу ж після запліднення. При визначенні статі по наявності Y- хромосоми ген SRY – не єдиний , що впливає на розвиток статі. Хоча SRY і є головним геном, визначаючим чоловіче начало, для розвитку яєчок потрібна дія безлічі генів. У мишей, що мають систему XY , відсутність гена DAX1 на Х- хромосомі призводить до стерильності, однак у людини в цьому випадку розвивається Х -пов’язана вроджена адреналовая гіпоплазія. Якщо ж Х- хромосома несе надлишок генів DAX1, то розвивається жіноча стать , незважаючи на наявність гена SRY. Також, якщо організм жіночої статі має дві нормальні статеві Х- хромосоми, дуплікація або експресія гена SOX9 призводить до розвитку яєчок. У зрілих самців мишей можлива поступова зміна статі на жіночий , якщо їм пересадити ген FOXL2 від самки. Хоча ген DMRT1 міститься в статевих локусах птахів, види з системою XY також залежать від DMRT, який розташовується на 9 -й хромосомі, для статевого диференціювання в деяких точках розвитку.

XY -система визначення статі є у переважної більшості ссавців, як і у деяких комах. Деякі риби також використовують варіанти цієї системи. Наприклад, у пециліі багатобарвної ( Xiphophorus variatus ), крім пари статевих хромосом XY є друга Y- хромосома, що позначається як Y ‘. Завдяки цьому з’являються самки XY і самці YY. Деякі гризуни , наприклад, полівкові (Arvicolinae) (полівки і лемінги) також примітні своїми незвичайними механізмами визначення статі .

У 2004 році вчені з Австралійського національного університету в Канберрі виявили , що качконіс ( Ornithorhynchus anatinus ) має 10 статевих хромосом.

Качконіс ( Ornithorhynchus anatinus ) має 10 статевих хромосом.

Відповідно, комбінація XXXXXXXXXX дає самку , а XYXYXYXYXY – самця. На всіх X – і Y- хромосомах качкодзьоба є гомологічні псевдоаутосомні райони, завдяки яким X – і Y- хромосоми кон’югують один з одним під час профази I мейозу у самців. Це призводить до того , що всі статеві хромосоми під час профази I чоловічого мейозу пов’язані в єдиний комплекс, при подальшому мейотичному поділі вони здатні до впорядкованої сегрегації . В результаті у самців утворюються сперматозоїди, що мають набори статевих хромосом XXXXX або YYYYY. Коли сперматозоїд XXXXX запліднює яйцеклітину , народжуються качконіс жіночої статі, якщо сперматозоїд YYYYY – качконоси чоловічої статі. Хоча качконіс і має XY -систему, його статеві хромосоми не виявляють гомологів серед статевих хромосом плацентарних (Eutheria). Водночас гомолог статевих хромосом плацентарних локалізований на 6-й хромосомі качконоса. Це означає, що статеві хромосоми плацентарних були аутосомами в той час , коли однопрохідні відділилися від звірів ( Theria ) (сумчастих і плацентарних ) . Однак на X- хромосомах качконоса виявлені гени, характерні для Z- хромосоми птахів, включаючи ген Dmrt1, який у птахів, імовірно, відіграє основну роль у визначенні статі. В цілому геномні дослідження показали, що п’ять статевих X – хромосом качконоса мають ділянки, гомологічні Z -хромосомі птахів. Для визначення конкретного гена, що визначає стать у качконоса, необхідні додаткові дослідження. Для нього характерна неповна дозовая компенсація, недавно описана у птахів . Мабуть , механізм визначення статі качконоса схожий з таким у його предків – рептилій.

2.        Х0-тип – жіноча стать має дві  Х-хромосоми, а чоловіча тільки одну Х-хромосому. Х0-тип трапляється серед комах і ссавців.

Каріотип гірської сліпухи (Ellobius lutescens)

Успадкування статевих хромосом при X0-визначенні статі

Ця система являє собою варіант XY -системи. Самки мають дві копії статевої хромосоми (XX), а самці – тільки одну ( X0 ). 0 означає відсутність другого статевої хромосоми . У цьому випадку, як правило , стать визначається кількістю генів, в яких відбувається експресія  на обох статевих хромосомах. Ця система зустрічається у деяких комах , в тому числі коників і цвіркунів  (Orthoptera ) , а також тарганів ( Blattodea ). У невеликої кількості ссавців також відсутня Y- хромосома. До них відносяться мишоподібні гризуни Tokudaia osimensis і Tokudaia tokunoshimensis, а також звичайна бурозубка ( Sorex araneus) з землерійкові ( Soricidae ) . Гірська слепуха ( Ellobius lutescens ) також має форму X0 – визначення статі , в якій у обох статей відсутня друга статева хромосома. У цьому випадку механізм визначення статі ще не до кінця зрозумілий.

У нематоди C. elegans самець має одну статеву хромосому ( Х0 ); дві ж статеві хромосоми (ХХ ) відповідають гермафродиту. Головним статевим геном у неї є XOL , який кодує білок XOL – 1 , а також контролює експресію генів TRA -2 і HER – 1 . Ці гени зменшують або збільшують активність чоловічих генів.

3.        ZW-тип. Жіноча стать має одну жіночу статеву хромосому W і другу, відмінну від неї за формою і величиною, статеву хромосому Z. Тут жіноча стать є гетерогаметною, а чоловіча стать має дві однакових статевих хромосоми Z і гомогаметна. ZW-тип притаманний деяким рибам, метеликам, птахам і дуже рідко трапляється серед рослин.

ZW- визначення статі зустрічається у птахів, рептилій, деяких комах (метеликів ) та інших організмів . ZW -система обернена XY- системі: самки мають дві різні статеві хромосоми ( ZW ), а самці – однакові ( ZZ) . У курки ген DMRT1 є ключовим статевоутворюючим геном. У птахів гени FET1 і ASW, наявні в W -хромосомі самок , подібні з геном SRY Y – хромосоми. Однак не у всіх організмів стать залежить від наявності W- хромосоми. Наприклад, у деяких молей і метеликів самки мають каріотип ZW , але зустрічаються також самки Z0 і ZZW. Крім того , хоча у самок ссавців інактивується одна з Х- хромосом , у самців метеликів цього не спостерігається , і вони утворюють вдвічі більше нормальної кількості ферментів , так як мають дві Z- хромосоми. Оскільки ZW- визначення статі широко варіює, досі невідомо, як саме більшість видів визначають свою стать . Незважаючи на подібності між XY і ZW , ці хромосоми виникли окремо. У випадку курей  їх Z- хромосома найбільш схожа на людську 9 – ю хромосому. Куряча Z- хромосома також імовірно є спорідненою Х- хромосомами качкодзьоба. Коли ZW- види, наприклад, комодський варан ( Varanus komodoensis ), розмножуються партеногенетично, народжуються тільки самці. Це відбувається через те , що гаплоїдні яйця подвоюють свої хромосоми , в результаті чого виходить ZZ або WW. З ZZ розвиваються самці, тоді як WW нежиттєздатні.

Комодський варан (Varanus komodoensis), що з’явився на світ в результаті партеногенезу

Ймовірно, початковим для метеликів механізмом визначення статі був механізм ZO самка / ZZ самець. Потім, шляхом хромосомних перебудов, виникла система визначення статі WZ самка / ZZ самець , характерна для 98 % видів метеликів. У тутового шовкопряда (система WZ / ZZ) виявлений ген Fem в W- хромосомі, що відповідає за розвиток жіночої статі.

4.        Z0-тип – жіноча стать має тільки одну Z-хромосому і гетерогаметна, а чоловіча – дві Z-хромосоми і гомогаметна. Цей тип відомий тільки в одного з видів ящірки.

 

В даний час вважається , що системи визначення статі у рослин виникали безліч разів і у відносно недавній час від гермафродитних предків (у тому числі і однодомних рослин з роздільностатеві чоловічими і жіночими квітками ) , тобто дводомні рослини виникли від однодомних і рослин з гермафродитними квітками. Свідченням цьому може бути те, що, наприклад , у деяких дводомних рослин, що мають предків із гермафродитними квітками, в одностатевих квітках є рудименти статевих органів протилежної статі. Про те, що двудомность виникла недавно і незалежно у різних груп рослин , вказує її низька поширеність та наявність у різних таксономічно роз’єднаних груп рослин . Системи статевих хромосом у рослин також виникали кілька разів протягом еволюції квіткових рослин . У ході неї виникло безліч генів, що визначають стать, в тому числі фактори чоловічої та жіночої стерильності, причому ці гени можуть бути локалізовані не тільки в ядрі, але і в цитоплазмі (наприклад, у кукурудзи відомо явище цитоплазматичної чоловічої стерильності ). Крім квіткових, у інших рослин , наприклад, мохів, також представляють інтерес незалежно з’явилися статеві хромосоми.

На відміну від більшості тварин , прояв генетичного визначення статі у рослин може значною мірою змінюватися під дією різних факторів зовнішнього середовища. Тому процес формування статі у рослин схильний до великих коливань в процесі онтогенезу , ніж у тварин. Під дією різних факторів може відбуватися навіть повне перевизначення підлоги. Це пов’язано з регуляторними процесами , зумовленими дією умов зовнішнього середовища , і внутрішніми змінами метаболічного характеру

 

Ознаки, зчеплені із статтю

 

Ознаки, гени яких розташовані не в автосомах, а в статевих хромосомах (Х і Y), називають зчепленими із статтю, а успадкування таких ознак – успадкуванням, зчепленим із статтю. Його вперше встановив Т.Морган при вивченні успадкування кольору очей (червоного і білого) у дрозофіли.

Усі гени, локалізовані в статевих хромосомах людини, можна розділити на три групи залежно від того, в яких ділянках статевих хромосом вони знаходяться.

Першу групу складають гени,  повністю зчеплені із статтю. Вони локалізовані в негомологічній ділянці Х-хромосоми, яка не має гомолога в Y-хромосомі, і передаються виключно через Х-хромосому. До числа таких генів належать рецесивні гени гемофілії, дальтонізму, домінантний ген гіпофосфатемії (вітамін D-резистентний рахіт). 

Другу групу  складає невелике число генів, теж повністю зчеплених із статтю, але розташованих у негомологічній ділянці Y-хромосоми. Вони передаються від батька до всіх його синів, бо Y-хромосому син одержує лише від батька (перетинки між пальцями, волохатість вушних раковин).

Третю групу складають гени, неповно (частково) зчеплені із статтю. Вони розташовані в гомологічних ділянках Х- і Y–хромосом, можуть передаватися як з Х-, так і з Y-хромосомою, і переходити з однієї в іншу при кросинговері.

Статеві хромосоми людини.

Інактивація X-хромосоми,  (англ. X-chromosome inactivation) — процес дозової компенсації генів у ссавців, який призводить до транскрипційної активності лише однієї статевої X-хромосоми у самиць та самців. Інактивація відбувається за правилом (n-1), де— кількість X-хромосом у ядрі. X-хромосома — одна з двох статевих хромосом у ссавців. У більшості ссавців самці мають статеву Y-хромосому та одну X-хромосому, тоді як у самиць — дві X-хромосоми.

Класичне визначення інактивації X-хромосоми — процес, в якому одна з двох статевих хромосом у самиць ссавців стає неактивною. Однак при певних патологіях і анеуплоїдіях кількість X-хромосом може бути іншою: так при синдромі Клайнфельтера можливі варіанти істот чоловічої статі XXY, XXXY, XXXXY; при синдромі Шерешевського-Тернера самиці є моносоміками по X-хромосомі — X0, також існують самиці-трисоміки по X, — XXX. Інактивація X-хромосоми відбувається таким чином, що активною залишається лише одна X-хромосома, а всі інші перетворюються на тільця Бара. (Наприклад, у нормальної самиці XX активною буде одна X-хромосома, друга інактивується; у самця з синдромом Клайнфельтера XXXY буде активною одна X-хромосома, дві — ні).

Відкриттю інактивації X-хромосоми Мері Лайон у 1961 році передувала серія відкриттів у цитогенетиці. Роботи Теодора Бовері (англ. Theodor Heinrich Boveri) 1888 року навели сильні доводи на підтримку гіпотези, що саме хромосоми є носіями генетичної інформації в клітині.

Ілюстрація інактивації X-хромосоми. Рудий та чорний колір хутра кодуються в генах, що розміщені на X-хромосомі. У самиць у результаті інактивації однієї зі статевих X-хромосом може формуватися трикольорова пігментація хутра, залежно від того, який з двох алелей буде експресуватись у тій чи іншій частині хутра. Нормальні самці (XY) можуть бути лише двокольоровими — рудо-білими або чорно-білими.

 Вже 1905 року Нетті Стівенс (англ. Nettie Maria Stevens) запропонувала теорію, що статеві хромосоми відрізняються у різних статей. Едмунд Вілсон (англ. Edmund Beecher Wilson) зробив аналогічне відкриття незалежно 1905 року. 1949 року роботи Мюрея Барра (англ. Murray Llewellyn Barr) довели, що стать диференційованих соматичних клітин модельних об’єктів може бути визначено шляхом підрахування структур в ядрі, яким дали назву тільця Барра.

1959 року Сусумо Оно (англ. Susumu Ohno) встановив, що тільця Барра — то є X-хромосома[1]. 1959 року В. Вельшонс (англ. W. J. Welshons) і Ліане Расселл (англ. Liane B. Russell) довели, що миші-моносоміки по X-хромосомі, X0, — фенотипово нормальні, здатні до розмноження самиці, що навело на думку, що лише однієї X-хромосоми достатньо для нормального розвитку.

Мері Лайон (англ. Mary F. Lyon) 1961 року вивчала забарвлення хутра мишей, що є ознакою, зчепленою зі статтю, і кодується в X-хромосомі. Вона встановила, що самці XY завжди забарвлені монотонно, тоді як самиці XX можуть бути фенотиповими мозаїками — мати різнозабарвлене хутро, а самці XXY також можуть мати різне забарвлення хутра. Таким чином Мері Лайон встановила, що неактивна X-хромосома (у тільцях Барра), може бути як батьківського, так і материнського походження.

З нагоди 50 років відкриття інактивації X-хромосоми у липні 2011 року було проведено конференція Європейської Організації Молекулярної Біології.

Забарвлення флуоресцентними мітками X та Y хромосом у мишачих ембріональних стовбурових клітина

 

Механізм інактивації

У більшості ссавців, самиці мають дві Х-хромосоми, у той час як самці мають одну Х-хромосому й одну Y-хромосому. Y-хромосома визначає стать у ранньому ембріональному періоді шляхом експресії транскрипційного фактору, що кодується SRY геном, який вмикає каскад реакцій, що призводять до фенотипу самця. За відсутності SRY розвивається фенотип самиці. У самців (XY) і самиць (XX) виникає нерівновага в дозі генів, особливо враховуючи, що Y-хромосома набагато менша за Х-хромосому, і кодує лише невелику кількість генів. Інактивація X-хромосоми збалансовує таку нерівновагу.

Одна з Х-хромосом у клітинах самиць вимикається епігенетично, тобто послідовність нуклеотидів у ДНК не змінюється. Замість цього утворюється щільний гетерохроматин — фізико-хімічний стан всієї хромосоми чи її частини, в якому ускладнена взаємодія факторів транскрипції з ДНК — і процес зчитування РНК з цієї хромосоми не відбувається. Утворення гетерохроматину відбувається за допомогою метилювання ДНК та модифікації гістонових білків, а при інактивації Х-хромосоми важливу роль відіграють довгі некодуючі РНК.

Процес інактивації X-хромосоми складається з декількох етапів:

·        підрахунок X-хромосом;

·        вибір хромосоми для інактивації;

·        початок інактивації;

·        підтримання X-хромосоми в неактивному стані.

У подальшому неактивна X-хромосома залишається стабільно заглушеною. У цьому важливу роль грає метилювання ДНК — епігенетичний процес, що полягає в додаванні метильної групи до нуклеотиду цитозину. Така біохімічна зміна може підтримуватися довгий час і впливати на активність генів.

Компоненти гетерохроматину неактивної X-хромосоми відрізняються від гетерохроматину в інших хромосомах. На неактивній X-хромосомі знайдено варіант гістонового білку macroH2A, та білок Trithorax. Також встановлено, що, на відміну від інших хромосом, білкові компоненти неактивної X-хромосоми розподілено рівномірно по всій її довжині.

Вивчення інактивації X-хромосоми пролило світло на декілька молекулярно-біологічних процесів: роль довгих некодуючих РНК, геномний імпринтинг та соматичне парування хромосом у ссавців.

Схема інактивації X-хромосоми в процесі диференціації клітини.

Накопичення Xist РНК призводить до формування неактивного щільного хроматину, рекрутування комплексів, що модифікують гістони. Гени не експресуються. Відбувається додаткове гіпоацетилювання гістону H4. Метилювання промоторних ділянок генів відбувається у пізню стадію інактивації X-хромосоми.

Балансова теорія визначення статі

Досить давно помітили, що співвідношення статей у різностатевих організмів становить близько 1:1. Ще Г.Мендель зазначив, що таке ж розщеплення 1:1 характерне для так званого аналізуючого схрещування (Аа × аа), при якому беруться гомозиготна і гетерозиготна, за даною ознакою, особини. Було висловлене припущення, що одна із статей у різностатевих організмів повинна бути гомозиготною, а інша – гетерозиготною (стать, що утворює однакові гамети, називається гомогаметною, стать, що утворює різні гамети – гетерогаметною). Перший доказ на користь цієї гіпотези одержав ще К. Корренс на рослині бріонія (переступень). Однак вирішальний висновок одержали цитологи. На початку 90-х років минулого століття цитолог Генкінг в одного з видів клопів – протенора – відмітив, що особини чоловічої і жіночої статі відрізняються кількістю хромосом. У клопів-самців у кожній клітині було по 21 хромосомі, у самок – по 22. У клопа ж лігеуса при вивченні сперматогенезу були описані гаплоїдні спермії двох типів: одні, що містять Х-, інші Y-хромосоми. Ця закономірність була виявлена і при вивченні деяких інших комах.

Американський цитолог Мак-Клунг дійшов висновку, що стать деяких видів організмів визначається зайвою – статевою – хромосомою, як у клопа-протенора. Механізм визначення статі за допомогою зайвої хромосоми з тих пір стали називати визначенням статі за типом протенорів: у них організм із набором Х0-самець, а з     XX-набором – самка.

Визначення статі за допомогою Х- і Y-хромосом, як у клопів-лігеус, стали називати визначенням статі за типом лігеус (у більшості видів ХY – самець, ХХ – самка). У деяких тварин статеві хромосоми позначаються буквами Z і W. Потім Т. Морган і його учні (зокрема, Бриджес) одержали експериментальні докази того, що в дрозофіли стать завжди визначається за типом лігеус, тобто наявністю статевих хромосом Х і Y. Виявилося, що в дрозофіли особини з набором XY – самці, а з ХХ-набором  – самки.

Статеві хромосоми були виявлені в багатьох живих організмів, у тому числі й у людини. У людини стать також визначається за типом лігеус. Статеві хромосоми людини відрізняються від автосом не тільки  генетично, але і цитологічно, тобто за своєю структурою.

Статеві хромосоми багаті неактивними ділянками, що називаються гетерохроматином. Редуплікація їх відбувається асинхронно з автосомами (запізнюється), а в гомогаметної статі одна з Х-хромосом, зазвичай, репродукується пізніше інших. У мейозі вони часто сильно спіралізовані. Y-хромосома людини складається переважно з гетерохроматину, вона генетично інертна, несе мало активних генів. У риб число активних генів у Y-хромосомі більше, у дрозофіли – менше.

Хромосомна теорія визначення статі вперше чітко пояснила, чому народжується приблизно рівна кількість хлопчиків і дівчаток. При утворенні статевих клітин у процесі редукційного поділу мейозу число хромосом зменшується вдвічі. У результаті одна половина сперміїв у чоловіків одержує X-, а інша – Y-хромосому. Це відбувається тому, що на стадії метафази хромосоми утворюють пари, які на стадії анафази розходяться в дочірні клітини. У кожну дочірню гамету попадає одна статева хромосома.

В усіх статевих клітинах жінки є по одній Х-хромосомі. При злитті гамет одна половина яйцеклітин запліднюється Х-спермієм (при цьому сполучення XX дає жіночу стать), інша половина яйцеклітин – з Y-спермієм (сполучення ХY формує чоловічу стать).

Із вивченням механізмів визначення статі ставали відомими виключення з хромосомної теорії. Вони спричинили питання: чи не є статеві хромосоми лише простими індикаторами статі, свого роду повторно-статевими ознаками. Труднощі хромосомної теорії визначення статі сприяли формуванню балансової теорії визначення статі К.Бриджеса.

У результаті нерозходження статевих хромосом при утворенні гамет у дрозофіли Бриджес одержав самок, в яких каріотип містив одну зайву Х-хромосому (XXX), і самців без однієї статевої хромосоми (Х0). Яким чином в них визначається стать?

К.Бриджес знайшов декілька самок дрозофіли, що мають триплоїдний набір хромосом. При їхньому схрещуванні з диплоїдними самцями було отримано 8 типів осіб з різним співвідношенням статевих хромосом (ХY) й автосом (А): 3Х : 3А; 2Х : 2А; (2Х + Y) : 2А; 2Х : 3А; (2Х + Y) : 3А; ХY : 2А; 3Х : 2А; XX : 3А. Поява таких мух була зумовлена порушенням розходження хромосом у мейозі в триплоїдних самок.

Перевага автосом у зиготі (2Х : 3А) призвела до утворення осіб із проміжним розвитком статі, тобто інтерсексів, зменшення числа Х-хромосом (X : 2А) – до розвитку чоловічої статі, а сполучення 3Х : 3А – до розвитку суперсамців – організмів з гіпертрофованими ознаками самців.

На основі подібних дослідів К. Бриджес сформулював балансову теорію статі, згідно з якою стать визначається балансом генів, які детермінують чоловічу і жіночу стать та локалізованих у будь-яких хромосомах геному, а не тільки в статевих.

Балансова теорія визначення статі в даний час одержала подальше підтвердження. Вона застосовна і до вищих рослин. У рослини дрімоти стать визначається насамперед балансом Х- і Y-хромосом. Зміна кількості автосом ефекту не дає. Однак навіть жіночі рослини, позбавлені Y-хромосоми, мають чоловічі потенції (при ураженні жіночих рослин головнею в квітках розвиваються тичинки, тобто квітки стають гермафродитами).

Однак відомі випадки, коли стать особини визначається не балансом хромосом, а взаємодією генів. У бджіл із запліднених яєць розвиваються диплоїдні самки, а з незапліднених (тобто партеногенетичних) – самці. Диплоїдія соматичних тканин відновлюється тут лише в процесі розвитку самця. У близького бджолам виду ос-наїзників, як і в бджіл, із запліднених яєць розвиваються самки, а з незапліднених – самці. Але іноді при близькоспорідненому спарюванні з запліднених яєць розвиваються самці. Чому ж це відбувається? Генетичний аналіз показував, що жіноча стать в ос-наїзників визначається гетерозиготним станом двох алелей: , а чоловіча – гомозиготним станом, незалежно від наявності чи  відсутності запліднення. Отримані дані, що в бджіл із запліднених яєць іноді виводяться трутні.

 

Існують також інші теорії визначення статі:

1.     Теорія олігогенного визначення статі.

2.     Теорія альтернативного визначення статі.

3.     Гіпотеза зворотного зв’язку при визначенні статі.

4.     Індукційна теорія.

5.     Фізіологічна теорія та інші.

 

Кросинговер як генетична закономірність, залежність його частоти від відстані між генами.

Гени, розташовані в одній хромосомі, зчеплені не абсолютно. Сила зчеплення між генами обернено пропорційна відстані між ними (правило або закон Моргана). Зчеплення генів порушує кросинговер. Цитологічну картину перехрещених хромосом  (хіазми) у мейозі вперше описав датський учений Ф.Янсен (1909), а генетичну сутність цього явища пояснив і назвав його кросинговером Т.Морган.

 Кросинговер, або перехрест хромосом (англ.сrossing–over – перехрест) – взаємний обмін ділянками гомологічних хромосом, який відбувається під час їхньої кон’югації у профазі першого мейотичного поділу. У точках кросинговеру несестринські хроматиди гомологічних хромосом розриваються, а потім возз’єднуються, але вже в новому порядку (наприклад, материнська не з материнською, а материнська з батьківською). У результаті кросинговеру відбувається перерозподіл алелей (генетичні рекомбінації), материнський і батьківський генетичний матеріал у хромосомі перемішується, виникають хромосоми нового алельного складу. Гамети з хромосомами, які зазнали кросинговеру, називаються кросоверними, а ті, що утворилися без кросинговеру, – некросоверними.  Відповідно до цього організми, які утворилися при злитті кросоверних гамет, називаються кросоверами, або рекомбінантами, інші – некросоверами, або нерекомбінантами. Кросовери поєднують ознаки обох батьків, некросовери мають ознаки одного з батьків. Число кросоверних гамет завжди менше, ніж некросоверних. Відповідно і менше кросоверів у порівнянні з некросоверами.

Нові комбінації алелей у результаті кросинговеру виникають за умови, якщо гени знаходяться в гетерозиготному стані (АВ//аb). У випадку гомозиготного стану генів (АВ//АВ або ab//ab) нові комбінації алелей не утворюються, хоч кросинговер може і відбуватися.

Частота кросинговеру – це відсоток числа кросоверів до загального числа особин у потомстві від аналізуючого схрещування. Частота кросинговеру  прямо пропорційна відстані між генами: чим більша відстань, тим частіше відбувається кросинговер і, навпаки, чим ближче відстань, тим менше можливих точок кросинговеру. Частота кросинговеру для даних двох генів, за однакових умов, завжди постійна. Для інших генів цієї ж хромосоми частота кросинговеру обов‘язково інша, але теж постійна – від частин відсотка до 50 %. При частоті в 50 % і більше ознаки успадковуються незалежно. За допомогою частоти кросинговеру визначають відстань між генами в хромосомі і використовують ці дані для побудови хромосомних карт.

Морганіда – одиниця відстані між генами. Вона дорівнює відстані, на якій частота кросинговеру становить 1 %. Для визначення відстані між генами проводять аналізуюче схрещування (з рецесивною гомозиготою). Якщо, наприклад, в аналізуючому дигібридному схрещуванні одержано 17 % кросоверів від загального числа нащадків, то частота кросинговеру між відповідними генами теж дорівнює 17 %,  а відстань між ними – 17 морганід.

Універсальність кросинговеру доведена на багатьох об’єктах і підтверджена цитологічно. У більшості організмів він відбувається в самців і самок. У самців дрозофіли його немає і ця обставина допомогла Т.Моргану відкрити явище кросинговеру. Кросинговер між двома генами може відбуватися не лише в одній, але і в двох (подвійний кросинговер) і навіть більшому числі точок (множинний кросинговер). Крім мейотичного, відомий мітотичний кросинговер. Гомологічні хромосоми можуть обмінюватися як ідентичними (рівний кросинговер), так і неідентичними ділянками (нерівний кросинговер).

 Значення. Кросинговер порушує зчеплення генів і веде до нових комбінацій алелей у гаметах. Кросинговер – один з механізмів утворення комбінативної мінливості і, отже, має значення для еволюції.

 

Встановлення зчепленого зі статтю характеру успадкування на основі родоводів.

 

Оскільки до людських ознак неможливо застосувати гібридологічний метод, характер їх успадкування найчастіше встановлюють використовуючи генеалогічні дослідження.

На зчеплене зі статтю рецесивне успадкування вказують такі ознаки:

·        Ознака може проявлятись не у кожному поколінні.

·        Ознака найчастіше зустрічається у чоловіків.

·        Матері чоловіків, у яких проявляється ознака, також мають цю ознаку у фенотипі або є носіями, що підтверджується наявністю батька, братів або дядька по материнській лінії із цією ознакою.

·        Батьками жінок, у яких проявляється ознака, повинні бути чоловік і жінка із цією ознакою, або уражений чоловік і жінка-носій.

·        Всі сини жінок, у яких проявляється ознака, також мають її у фенотипі.

·        У жінок-носіїв приблизно половина синів уражені.

Прикладом генеалогічного дерева, у якому простежуюється рецесивне, зчеплене зі статтю, успадкування, є родовід англійської королеви Вікторії, яка була носієм цього захворювання, внаслідок спонтанної мутації, що, ймовірно, виникла в гаметі одного з її батьків. Один із її синів — Леопольд, герцог Олбані — хворів гемофілією, двоє дочок були носіями. Через нащадків королеви Вікторії гемофілія передалась у королівські родини не тільки Великобританії, а й Іспанії і Росії.

Більше 300 ознак зумовлені мутантними генами, розташованими в Х-хромосомі.

Прикладом успадкування рецесивного гена, зчепленого зі статтю, може бути гемофілія. Захворювання відносно часто зустрічається в чоловіків і дуже зрідка у жінок. Фенотипово здорові жінки іноді бувають “носіями” і при шлюбі із здоровим чоловіком народжують синів, хворих на гемофілію. Такі жінки гетерозиготні за геном, який зумовлює втрату здатності до згортання крові. Від шлюбів хворих на гемофілію чоловіків із здоровими жінками завжди народжуються здорові сини і дочки-носії, а від шлюбів здорових чоловіків з жінками-носіями половина синів буває хворими і половина дочок – носії.

Як вже зазначалося, це пояснюється тим, що батько передає свою Х-хромосому дочкам, а сини отримують від батька тільки Y-хромосому, яка ніколи не містить гена гемофілії, тоді як їх єдина Х-хромосома переходить від матері.

Нижче наведено основні захворювання, які успадковуються за рецесивним, зчепленим зі статтю типом: агаммаглобулінемія, альбінізм (деякі форми), анемія гіпохромна, синдром Віскотта – Олдрича, синдром Гутнера, гемофілія А, гемофілія В, гіперпаратиреої-дизм, глікогеноз VI типу, нестача глюкозо-6-фосфат-дегідрогенази, нецукровий нефрогенний діабет, іхтіоз, синдром Лоу, хвороба Пельціуса – Мерцбахера, періодичний параліч, пігментний ретиніт, псевдогіпертрофічна форма міопатії, хвороба Фабрі, фосфат-діабет, хвороба Шольца, кольорова сліпота.

Деякі форми альбінізму успадковуються за Х-зчепленим рецесивним типом успадкування.

 

Прикладом генеалогічного дерева, у якому простежуюється рецесивне, зчеплене зі статтю, успадкування, є родовід англійської королеви Вікторії, яка була носієм цього захворювання, внаслідок спонтанної мутації, що, ймовірно, виникла в гаметі одного з її батьків. Один із її синів — Леопольд, герцог Олбані — хворів гемофілією, двоє дочок були носіями. Через нащадків королеви Вікторії гемофілія передалась у королівські родини не тільки Великобританії, а й Іспанії і Росії.

Гемофілія у британській королівській родині

 

На домінантне, зчеплене зі статтю успадкування, вказують такі закономірності:

 

·        Ознака проявляється у кожному поколінні.

·        Всі матері чоловіків, у яких проявляється ознака, також мають її у фенотипі.

·        В уражених жінок батько або мати повинні бути ураженими.

·        У чоловіка, в якого проявляється ознака, всі дочки також мають її, але жоден син не має.

·        У гетерозиготної жінки, що має ознаку, приблизно половина дітей обох статей повинні бути уражені.

Приклад родоводу з домінантним, зчепленим зі статтю типом успадкувань.

Х-зчеплені домінантні стани проявляються як у гетерозиготних відносно гена-мутанта жінок, так і у чоловіків, які є носіями гена-мутанта на Х-хромосомі. Походження Х-зчепленої домінантної ознаки (мал. 1.18) дуже схоже на походження аутосомно-домінантної ознаки, але вони між собою істотно відрізняються. Якщо уражена жінка передасть ознаку половині свого потомства незалежно від статі, то уражений чоловік передаватиме її всім своїм дочкам, але жодному із своїх синів. Тому у сім’ях з такими ознаками подібні хвороби здебільшого проявляються у жінок. Існують тільки кілька видів розладів, які пов’язані з успадковуванням X-зчепленої домінантної ознаки, прикладом може бути одна з форм вітамін – Д-резистентного рахіту.

 

 

 

Д-резистентний рахіт- X-зчеплена домінантна ознака

 

 

Хромосомна карта, її зміст, значення

 

 Хромосомна карта буває генетичною і цитологічною. Генетична карта –  графічне зображення хромосоми з позначенням на ній місця розташування генів і відносної відстані між ними. Гени на картах зображують точками (локусами). Генетична карта хромосом еукаріотів має вигляд прямої лінії, оскільки в еукаріотів лінійні і самі хромосоми. У бактеріальних клітин хромосома має кільцеву форму і хромосомні карти теж мають вигляд кільця. Генетичні карти складають для кожної пари хромосом. Групи зчеплення нумерують, вказують повну чи скорочену назву гена, відстань у відсотках від одного з кінців хромосоми, який приймають за нульову точку.

Генетичне картування – складний і багатоетапний процес. Його основу складає процес одержання мутантних форм і серія аналізуючих схрещувань, в яких встановлюються групи зчеплення і визначається частота кросинговеру.

Припустимо, що гени А, В і С успадковуються зчеплено, тобто розташовані в одній хромосомі. Відсоток кросинговеру між генами А і В складає 10 %, а між генами А і С – 3 %. Для визначення локуса гена С в хромосомі цього недостатньо. Він може бути розташований або ліворуч, або праворуч від гена А. Необхідно провести наступне схрещування і визначити частоту кросинговеру між генами В і С. Вона може складати або 7 % і тоді гени розташовані в хромосомі у послідовності: А–С– В, або 13 % і тоді послідовність буде іншою: С–А–В:

 

Схема побудови карт хромосом.

Для побудови генетичних карт хромосом застосовують переважно тригібридне аналізуюче схрещування, в якому одночасно визначають відстань і положення генів в хромосомі.

Поряд з генетичними картами в дрозофіли були складені цитологічні карти. Для цього використовували хромосомні перебудови, одержані дією мутагенів, і вивчали їх спочатку на мітотичних, а потім на велетенських хромосомах слинних залоз личинок дрозофіли. Велетенські (політенні) хромосоми перевищують розміри мітотичних хромосом в 100-200 разів, містять в 1000 разів більше хромонем.

Методи складання карт хромосом людини. Для побудови карт хромосом людини метод експериментальних схрещувань неприйнятний. З цією метою застосовують інші методи, у тому числі: 1) аналіз родоводів; 2) гібридизація соматичних клітин; 3) морфологічні варіанти і аномалії хромосом; 4) молекулярна гібридизація (гібридизація нуклеїнових кислот); 4) аналіз амінокислотної послідовності білків, ін.

Гібридизація соматичних клітин – метод одержання гібридних клітинних ліній шляхом злиття нестатевих клітин. Якщо в культурі змішати клітини миші і людини, то можна отримати гібридні клітини (гібридоми), які містять хромосоми обидвох видів. У нормі клітини людини мають 46, миші – 40 хромосом. У гібридних клітин  – не 86, а найчастіше 41-55 хромосом, причому в процесі поділу втрачаються хромосоми людини. У гібридних клітин хромосоми миші і людини функціонують та кодують синтез певних білків.  Морфологічно кожну хромосому можна диференціювати і встановити, з якими саме хромосомами людини пов’язаний синтез тих чи інших білків. Вивчення гібридомів людина-миша дозволило встановити, що ген тимідинкінази локалізований на хромосомі 17,  ген інтерферону – на хромосомах 2 і 5, ген резус-фактора – на першій хромосомі. 

У людини відомі 24 групи зчеплення (22 пари автосом, Х-, Y–хромосоми). Для кожної групи зчеплення побудовані карти хромосом, з них найбільш повна – для   Х-хромосоми.

 

Значення. Карти хромосом необхідні для ранньої діагностики спадкових хвороб,  для визначення медико-генетичного прогнозу.

 

Патологія в каріотипі статевих хромосом.

 

Як було зазначено раніше, на практиці часто зустрічаються різноманітні відхилення у розвитку первинних статевих ознак тварин. Більшість патологій розвитку статі у домашніх тварин починається слідом за хромосомним визначенням статі, далі відбувається диференціація клітин, що призводить до розвитку статевих відмінностей. Головним критерієм статі є формування відтворювальної здатності статевої системи, її фізіологічного (біохімічного) механізму, який забезпечує ефективність наступних схрещувань. Як відомо, зародкові гонади ембріонів тварин у статевому відношенні мають подвійну природу. Вони складаються з двох шарів – зовнішнього і внутрішнього. Зовнішній шар тканини називається кортексом – з нього розвивається жіноча тканина. З її внутрішнього шару, який називається медула, розвивається чоловіча тканина, враховуючи, що для біологічних систем характерна двохстатевість, у процесі диференціації статі спостерігається розвиток одного із зародків і пригнічення іншого. Враховуючи, що у чоловічій статі медулярна тканина розвивається швидше, вона пригнічує діяльність (жіночого) кортикального шару, в результаті цього зародкові гонади перетворюються у сім’яники. За умови одночасного розвитку в материнському організмі чоловічого і жіночого плоду, чоловічий плід своїми гормональними продуктами-ендрогенами спотворює нормальний розвиток жіночої особини. Таким чином, ми маємо справу з явищем інтерсексуальності. В результаті цього змінені жіночі особини називають фримартинами. Таким чином, подібні явища інтерсексуальності можливі з причини бісексуальності організму.

Фримартинізм теличок призводить до безпліддя, а у бичків нерідко спричинює порушення функції відтворення. Близько 1,5% ягнят, які народилися в багатоплідному окоті, є фримартинами. У теличок спостерігаються глибокі порушення розвитку внутрішніх статевих органів. Ступінь гермафродитизму не однаковий: від дуже редукованих яєчників до появи чоловічих залоз з чоловічих залоз з частково сформованими сім’явиносними протоками і передміхуровими залозами. Іноді статеві залози опускаються в рудиментарну мошонку, розміщену зразу за вим’ям. Статеві губи дуже розкриті, піхва коротка, з вузьким отвором або атрофована. Як правило, у нормальної самки у двотижневому віці довжина піхви становить 12-15 см. Часто зустрічаються бугаї з каріотипом ОО, ХХY, що призводить у них до гіпоплазії сім’яників, некроспермії чи олігоспермії.

Серед свиней і кіз часто спостерігають інтерсексів – тварин, які мають зовнішні ознаки чоловічої і жіночої статі. Як правило, для інтерсексів характерна поведінка як у самців, однак вони відрізняються за статевою активністю.

 

Виділено три основних типи інтерсексуальності:

Перший тип – зв’язаний з 38 ХУ каріотипом і зв’являється жіночий тип. Другий тип – спостерігається недорозвинення гонад, як при синдромі Тернера (ХО) у людини з переважанням чоловічого типу.

Третій тип – асоціюється з 38 ХХ каріотипом і переважанням чоловічого фенотипу. У бельгійських жеребців з двохстороннім крипторхізмом спостерігають мозаїцизм у клітинах сім’яників ХХ/ХY/ХХY.

Таким чином, аномалії статевих хромосом і пов’язані з ними порушення відтворювальної здатності зумовлюють необхідність проведення цитогенетичного контролю тварин.

 

Захворювання людини, що успадковуються зчеплено зі статтю

 

Загалом у людини існує кілька сотень локусів зчеплених із X-хромосомою. Одним із найбільш відомих розладів, що успадковуються рецесивно зчеплно зі статтю є дальтонізм — нездатність розрізняти червоний і зелений кольори. Виникає внаслідок дефекту у генах X-хромосоми, що визначають розвиток колбочок сітківки, чутливих до цих кольорів. Інший приклад рецесивних зчеплених зі статтю захворювань є гемофілія A і гемофілія B, що проявляється у порушенні зсідання крові. У цьому процесі задіяна велика кількість білків, дефект у будь-якому з них може призвести до неможливості зсідання. Тому крім двох «класичних» форм гемофілії, які успадковуються зчелпено із X-хромосомою, існують також і аутосомні форми. Інші рецесивні, зчеплені зі статтю, хвороби: м’язова дистрофія Дюшена (атрофія м’язів, яка врешті призводить до загибелі пацієнтів до у віці 20 років); рідкісний синдром нечутливості до андрогенів, внаслідок якого особи зі статевими хромосомами XY розвиваються у зовнішньо нормальних жінок, які проте є неплідними; та багато інших. Відомо значно менше домінантних зчелпених із статтю розладів, одним із таких є гіпофосфатемія — одна із форм рахіту, нечутлива до вітаміну D.

 

Інші типи успадкування пов’язані зі статтю.

Стать може впливати на закономірності успадкування не тільки X- чи Y-зчелпених генів. Існують також ознаки обмежені статтю, тобто наявні тільки в особин однієї статі, хоч визначаються автосомними генами, які є у всіх представників виду. У людей такими ознаками є, наприклад, розмір молочних залоз у жінок або розподіл волосся на обличчі у чоловіків. Такі обмежені статтю ознаки як дійність корів і несучість курей важливі для селекційної роботи.

Деякі ознаки, хоч наявні в обох статей, але проявляються значно більше в однієї. Наприклад, алель, що визначає схильність до облисіння, повністю проявляється у чоловіків, а у жінок викликає тільки витоншення волосся.